Febrero de 1927: Principio de incertidumbre de Heisenberg

Werner Heisenberg

En febrero de 1927, el joven Werner Heisenberg desarrolló una pieza clave de la teoría cuántica, el principio de incertidumbre, con profundas implicaciones.
Werner Heisenberg nació en diciembre de 1901 en Alemania, en el seno de una familia académica de clase media alta. De niño le gustaban las matemáticas y los artilugios técnicos, y sus profesores lo consideraban superdotado. En 1920 comenzó sus estudios en la Universidad de Munich , y publicó cuatro artículos de física en dos años bajo la dirección del mentor Arnold Sommerfeld. Heisenberg se hizo amigo profesional de Wolfgang Pauli, que era solo un año mayor que Heisenberg y también estudiante en Munich.
Obtuvo su doctorado en 1923, con una tesis sobre un problema de hidrodinámica, aunque estuvo a punto de fracasar debido a su pobre desempeño en las pruebas experimentales requeridas. preguntas sobre el examen oral. Después de recibir su doctorado, trabajó como asistente de Max Born en Göttingen, luego pasó un año trabajando con Niels Bohr en su instituto en Copenhague.
La teoría cuántica predominante a principios de la década de 1920 modeló el átomo como si tuviera electrones fijos cuantificados. orbita alrededor de un núcleo. Los electrones podrían moverse hacia una energía más alta o más baja al absorber o emitir un fotón de la longitud de onda correcta. El modelo funcionó bien para el hidrógeno, pero tuvo problemas con átomos más grandes y con moléculas. Los físicos se dieron cuenta de que era necesaria una nueva teoría.
Heisenberg se opuso al modelo actual porque afirmó que, dado que en realidad no se puede observar la órbita de los electrones alrededor de un núcleo, no se puede decir que existan tales órbitas. Solo se podía observar el espectro de luz emitida o absorbida por los átomos. A partir de 1925, Heisenberg se puso manos a la obra para intentar encontrar una mecánica cuántica que se basara solo en propiedades que pudieran, al menos en teoría, observarse.
Con la ayuda e inspiración de varios colegas, Heisenberg desarrolló un nuevo enfoque de la mecánica cuántica. Básicamente, tomó cantidades como la posición y la velocidad, y encontró una nueva forma de representarlas y manipularlas. Max Born identificó las extrañas matemáticas del método de Heisenberg como matrices. La nueva formulación dio cuenta de muchas propiedades observadas de los átomos.
Poco después de que a Heisenberg se le ocurriera su mecánica cuántica basada en matrices, Erwin Schrödinger desarrolló su formulación de ondas. El cuadrado absoluto de la función de onda de Schrödinger pronto se interpretó como la probabilidad de encontrar una partícula en cierto estado. La formulación de ondas de Schrödinger, que pronto demostró que era matemáticamente equivalente a los métodos matriciales de Heisenberg, se convirtió en el enfoque más popular, en parte porque los físicos se sentían más cómodos con ella que con las matemáticas matriciales desconocidas. La impopularidad de su propio método molestó a Heisenberg, especialmente porque había mucho en juego en ese momento, ya que él y otros científicos jóvenes comenzaban a buscar sus primeros trabajos como profesores mientras se jubilaba una generación mayor de científicos.

Aunque otros pueden haber encontrado el enfoque de ondas más fácil de usar, la mecánica matricial de Heisenberg lo condujo naturalmente al principio de incertidumbre por el que es bien conocido. En matemáticas matriciales, no siempre ocurre que a x b = b x a, y para pares de variables que no se conmutan, como la posición y el momento, o la energía y el tiempo, surge una relación de incertidumbre.
Heisenberg también realizó un experimento mental. Consideró intentar medir la posición de un electrón con un microscopio de rayos gamma. El fotón de alta energía utilizado para iluminar el electrón le daría una patada, cambiando su impulso de forma incierta. Un microscopio de mayor resolución requeriría luz de mayor energía, dando una patada aún mayor al electrón. Cuanto más precisamente se intenta medir la posición, más incierto se vuelve el impulso, y viceversa, razonó Heisenberg. Esta incertidumbre es una característica fundamental de la mecánica cuántica, no una limitación de ningún aparato experimental en particular.
Heisenberg describió su nuevo principio en una carta de 14 páginas a Wolfgang Pauli, enviada el 23 de febrero de 1927. En marzo presentó su artículo sobre el principio de incertidumbre para su publicación.
Niels Bohr señaló algunos errores en el experimento mental de Heisenberg , pero estuvo de acuerdo en que el principio de incertidumbre en sí era correcto y el artículo fue publicado.
El nuevo principio tuvo profundas implicaciones. Antes, se pensaba que si conocía la posición exacta y el momento de una partícula en un momento dado, y todas las fuerzas que actúan sobre ella, podría, al menos en teoría, predecir su posición y momento en cualquier momento en el futuro. . Heisenberg había descubierto que eso no era cierto, porque nunca se podía conocer la posición exacta y el impulso de una partícula al mismo tiempo.
El principio de incertidumbre pronto se convirtió en parte de la base de la interpretación de la mecánica cuántica de Copenhague ampliamente aceptada, y en la conferencia de Solvay en Bruselas ese otoño, Heisenberg y Max Born declararon que la revolución cuántica estaba completa.
En el otoño de 1927, Heisenberg asumió el cargo de profesor en la Universidad de Leipzig, lo que lo convirtió en el profesor titular más joven de Alemania. En 1932 ganó el Premio Nobel por su trabajo sobre mecánica cuántica. Continuó su investigación científica en Alemania. Durante la Segunda Guerra Mundial, aunque no era miembro del partido nazi, era un ciudadano alemán patriota y se convirtió en líder del programa de fisión alemán, que fracasó en su esfuerzo por construir una bomba atómica. Las acciones y motivaciones de Heisenberg han sido objeto de controversia desde entonces. Murió en 1976.