¿Qué es el principio de incertidumbre de Heisenberg?


Werner Heisenberg y el principio de incertidumbre

Desde Aristóteles, la física influye sobre la filosofía. En el siglo XX, uno de los físicos que probablemente más haya marcado a la “madre de las ciencias” es Werner Heisenberg (1901-1976), el alemán que postuló el principio de incertidumbre y puso en marcha la mecánica cuántica anticipada por Planck, Einstein y Bohr.

Ahora bien, ¿en qué consiste tal principio, en su ámbito estrictamente físico? Básicamente, quiere decir que en el microcosmos, a nivel nuclear, es imposible conocer al mismo tiempo ciertas magnitudes como la posición y la velocidad de una partícula. O, dicho de otro modo, cuanto más precisamente se conozca la velocidad de una partícula (digamos, un electrón) menos se sabrá de su posición. Y lo mismo a la inversa.

Pero no es por un problema de la técnica de medición; no es que la ciencia no ha avanzado lo suficiente como para lograr una medición exacta de ambas magnitudes. El electrón es así, y eso fue lo que perturbó sobremanera la física, y por ende la filosofía. El solo hecho de medir una magnitud altera la otra. Para graficar la idea, se puede poner un ejemplo tomado de la “vida moderna”, por llamarla así; un ejemplo con teléfonos. Cuando uno llama a un teléfono fijo, sabe a qué lugar llama pero no quién atiende; en cambio, cuando se llama a un celular se conoce a quién atiende, pero no dónde estará esa persona.

Werner Karl Heisenberg (Wurzburgo, Alemania, 5 de diciembre de 1901 – † Múnich, 1 de febrero de 1976). Físico alemán.

Inclinado desde joven hacia las matemáticas, y en menor medida por la física, intenta en 1920 empezar un doctorado en matemática pura, pero Ferdinand von Lindemann lo rechaza como alumno porque está próximo a jubilarse. Le recomienda hacer sus estudios de doctorado con el físico Arnold Sommerfeld como supervisor, quien lo acepta de buen grado. Tiene como compañero de estudios a Wolfgang Pauli.

Durante su primer año toma esencialmente cursos de matemática con la idea de pasarse a trabajar en teoría de números apenas tenga la oportunidad, pero poco a poco empieza a interesarse por la física teórica. Intenta trabajar en la Teoría de la Relatividad de Einstein y Pauli le aconseja que se dedique a la Teoría Atómica en la que todavía había gran discrepancia entre teoría y experimento.

Obtiene su doctorado en 1923 y en seguida viaja a Gotinga, donde trabaja como asistente de Max Born. En 1924 viaja a Copenhague y conoce a Niels Bohr.

Durante sus estudios en la Universidad de Múnich, Heisenberg se decantó decididamente por la física, sin renunciar a su interés por la matemática pura. En aquellos momentos, no obstante, la física se consideraba esencialmente una ciencia experimental y la falta de habilidad de Heisenberg para los trabajos de laboratorio complicarían el proceso de su doctorado. Arnold Sommerfeld, su director de tesis, reconocía sus extraordinarias capacidades para la física matemática pero había una cierta oposición a su graduación por causa de su inexperiencia en física experimental. Finalmente, Heisenberg se doctoró en 1923, presentando un trabajo sobre turbulencia de los fluidos. En estos años de doctorado conoció a Wolfgang Pauli, con quien colaboraría estrechamente en el desarrollo de la mecánica cuántica.

De Múnich, Heisenberg pasó a la universidad de Gottinga, en donde enseñaba Max Born y en 1924 pasó al Instituto de Física Teórica de Copenhage dirigido por Niels Bohr. Allí Heisenberg conoció entre otros prominentes físicos a Albert Einsten e inició su período más fecundo y original, que dio como resultado la creación de la mecánica de matrices. Este logro se vería reconocido con la consecución del premio Nobel de física del año 1932.

En 1925, Heisenberg inventa la mecánica cuántica matricial. Lo que subyace en su aproximación al tema es un gran pragmatismo. En vez de concentrarse en la evolución de los sistemas físicos de principio a fin, concentra sus esfuerzos en obtener información sabiendo el estado inicial y final del sistema, sin preocuparse demasiado por conocer en forma precisa lo ocurrido en el medio. Concibe la idea de agrupar la información en forma de cuadros de doble entrada. Fue Max Born quien se dio cuenta de que esa forma de trabajar ya había sido estudiada por los matemáticos y no era otra cosa que la teoría de matrices. Uno de los resultados más llamativos es que la multiplicación de matrices no es conmutativa, por lo que toda asociación de cantidades físicas con matrices tendrá que reflejar este hecho matemático. Esto lleva a Heisenberg a enunciar el Principio de indeterminación.

La teoría cuántica tiene un éxito enorme y logra explicar prácticamente todo el mundo microscópico. En 1932, poco antes de cumplir los 31 años, recibe el premio Nobel de Física por «La creación de la mecánica cuántica, cuyo uso ha conducido, entre otras cosas, al descubrimiento de las formas alotrópicas del hidrógeno».

En 1935 intenta reemplazar a Sommerfeld que se jubila como profesor en Múnich, pero los nazis quieren eliminar toda teoría física «judeizante», y en esa categoría entran la mecánica cuántica y la relatividad (teorías que Heisenberg enseñaba en sus clases), cuyos referentes, Max Born y Albert Einstein son judíos, de manera que se impide su nombramiento.

A pesar de esto, en 1938, Heisenberg acepta dirigir el intento nazi por obtener un arma atómica. De 1942 a 1945, dirigió el Instituto Max Planck de Berlín. Durante la Segunda Guerra Mundial trabajó con Otto Hahn, uno de los descubridores de la fisión nuclear, en un proyecto de reactor nuclear. Durante muchos años subsistió la duda acerca de si este proyecto fracasó por impericia de parte de sus integrantes o porque Heisenberg y sus colaboradores se dieron cuenta de lo que Hitler podría haber hecho con una bomba atómica.

En septiembre de 1941 Heisenberg visitó a Niels Bohr en Copenhague. En un acto que solo puede ser clasificado como traición y que ponía seriamente su vida en peligro, Heisenberg habló con Bohr sobre el proyecto de bomba atómica alemán e incluso le hizo un dibujo de un reactor. Heisenberg sabía que Bohr tenía contactos fuera de la Europa ocupada y le propuso un esfuerzo conjunto para que los científicos de ambos bandos retrasaran la investigación nuclear hasta que la guerra acabara. En junio de 1942 otro científico alemán, J. Hans D. Jensen, le dijo a Bohr en Copenhague que los científicos alemanes no estaban trabajando en una bomba nuclear, solo en un reactor.

Heisenberg y otros científicos alemanes como Max von Laue siempre afirmaron que por razones morales no intentaron construir una bomba atómica y que las circunstancias no se dieron para hacerlo. Estas declaraciones fueron amargamente denunciadas por científicos que participaron en el Proyecto Manhattan, aduciendo que Heisenberg había errado en su cálculo de la cantidad necesaria de Uranio-235 y de la masa crítica para sostener la reacción.

Al final de la guerra en Europa como parte de la Operación Epsilón, Heisenberg junto con otros nueve científicos, incluyendo a Otto Hahn, Carl Friedrich von Weizsäcker y Max von Laue, fue internado en una casa de campo llamada “Farm Hall” en la campiña inglesa. Esta casa tenía micrófonos ocultos que grababan todas las conversaciones de los prisioneros. El 6 de agosto de 1945 a las seis de la tarde Heisenberg y los demás científicos alemanes escucharon un informe de radio de la BBC sobre la bomba atómica de Hiroshima. A la noche siguiente Heisenberg dio una lectura a sus compañeros, a manera de informe, que incluía un estimado aproximadamente correcto de la masa crítica y de Uranio-235 necesarios, además de características del diseño de la bomba. El hecho de que Heisenberg haya podido hacer estos cálculos en menos de dos días, le da credibilidad a su afirmación de que la razón por la que no sabía cual era la masa crítica necesaria para una bomba atómica durante la guerra, se debía única y exclusivamente al hecho que no había intentado seriamente resolver el problema.

Heisenberg organizó y dirigió el Instituto de Física y Astrofísica de Gotinga, que en 1958 se trasladó a Múnich, donde el científico se concentró en la investigación sobre la teoría de las partículas elementales, la estructura del núcleo atómico, la hidrodinámica de las turbulencias, los rayos cósmicos y el ferromagnetismo.

La reunión entre Heisenberg y Niels Bohr en Copenhague es el tema del drama “Copenhagen” de Michael Frayn, drama que gano el Premio Tony como mejor drama de año 2000.

Contreras

Heisenberg era físico teórico, de modo que nunca se metió con las minucias de la empiria, ni con la interna telefónica: su ambicioso principio es una formulación esencialmente matemática. Y no pocos físicos (teóricos o de los otros) se opusieron a lo que el principio de incertidumbre significaba. El mismísimo Albert Einstein, quien se pronunciará en contra del azar con su famosa frase “Dios no juega a los dados” (menos conocida es la respuesta, también brillante, de Bohr: “No es ni puede ser nuestra tarea ordenar a Dios cómo debe El regir al mundo”), buscó situaciones experimentales imaginarias que comprometieran la teoría del alemán. Y no tuvo éxito.

Heisenberg, protagonista de la obra de teatro de Michael Frayn, nació el 5 de diciembre de 1901 en Wurzburgo y estudió en Munich. En 1924 fue becado a Dinamarca para trabajar con Niels Bohr, paso fundamental para la vida de la física nuclear y condición previa para la obra Copenhague.

Entre 1941 y 1945 tuvo a su cargo la investigación alemana que buscaba la bomba atómica. Para suerte de los aliados, su intento de construir un reactor no tuvo éxito. En 1945, cuando cayó el nazismo, fue detenido y encarcelado en Inglaterra, junto con otros físicos del Fürher, pero fue liberado al año siguiente. Naturalmente, unos años antes, había obtenido el Premio Nobel de Física (1932).


¿Qué es el principio de incertidumbre de Heisenberg?

Antes de explicar la cuestión de la incertidumbre, empecemos por preguntar: ¿qué es la certidumbre? Cuando uno sabe algo de fijo y exactamente acerca de un objeto, tiene certidumbre sobre ese dato, sea cual fuere.

¿Y cómo llega uno a saber una cosa? De un modo o de otro, no hay más remedio que interaccionar con el objeto. Hay que pesarlo para averiguar su peso, golpearlo para ver cómo es de duro, o quizá simplemente mirarlo para ver dónde está. Pero grande o pequeña, tiene que haber interacción.

Pues bien, esta interacción introduce siempre algún cambio en la propiedad que estamos tratando de determinar. O digámoslo así: el aprender algo modifica ese algo por el mismo hecho de aprenderlo, de modo que, a fin de cuentas, no lo hemos aprendido exactamente.

Supongamos, por ejemplo, que queremos medir la temperatura del agua caliente de un baño. Metemos un termómetro y medimos la temperatura del agua. Pero el termómetro está frío, y su presencia en el agua la enfría una chispa. Lo que obtenemos sigue siendo una buena aproximación de la temperatura, pero no exactamente hasta la billonésima de grado. El termómetro ha modificado de manera casi imperceptible la temperatura que estaba midiendo.

O supongamos que queremos medir la presión de un neumático. Para ello utilizamos una especie de barrita que es empujada hacia afuera por una cierta cantidad del aire que antes estaba en el neumático. Pero el hecho de que se escape este poco de aire significa que la presión ha disminuido un poco por el mismo acto de medirla.

¿Es posible inventar aparatos de medida tan diminutos, sensibles e indirectos que no introduzcan ningún cambio en la propiedad medida?

El físico alemán Werner Heisenberg llegó, en 1927, a la conclusión de que no. La pequeñez de un dispositivo de medida tiene un límite. Podría ser tan pequeño como una partícula subatómica, pero no más. Podría utilizar tan sólo un cuanto de energía, pero no menos. Una sola partícula y un solo cuanto de energía son suficientes para introducir ciertos cambios. Y aunque nos limitemos a mirar una cosa para verla, la percibimos gracias a los fotones de luz que rebotan en el objeto, y eso introduce ya un cambio.

Tales cambios son harto diminutos, y en la vida corriente de hecho los ignoramos; pero los cambios siguen estando ahí. E imaginemos lo que ocurre cuando los objetos que estarnos manejando son diminutos y cualquier cambio, por diminuto que sea, adquiere su importancia.

Si lo que queremos, por ejemplo, es determinar la posición de un electrón, tendríamos que hacer rebotar un cuanto de luz en él —o mejor un fotón de rayos gamma— para «verlo». Y ese fotón, al chocar, desplazaría por completo al electrón.

Heisenberg logró demostrar que es imposible idear ningún método para determinar exacta y simultáneamente la posición y el momento de un objeto. Cuanto mayor es la precisión con que determinamos la posición, menor es la del momento, y viceversa. Heisenberg calculó la magnitud de esa inexactitud o «incertidumbre» de dichas propiedades, y ese es su «principio de incertidumbre».

El principio implica una cierta «granulación» del universo. Si ampliamos una fotografía de un periódico, llega un momento en que lo único que vemos son pequeños granos o puntos y perdemos todo detalle. Lo mismo ocurre si miramos el universo demasiado cerca.

El Mayor Científico El Aire Que Respiramos
Los Números Primos El Espacio Curvado?
Partículas del Universo Velocidad Gravitatoria
El Polvo Cósmico Principio de Heisenberg
Los Pulsares Vida Media de un Isótopo
Peso de una Estrella El Efecto Colioris
La Vida del Sol Los Gases Nobles
Secreto de la Luna Poliagua?
Origen de los Océanos Agua Dilatada

Hay quienes se sienten decepcionados por esta circunstancia y lo toman como una confesión de eterna ignorancia. Ni mucho menos. Lo que nos interesa saber es cómo funciona el universo, y el principio de incertidumbre es un factor clave de su funcionamiento. La granulación está ahí, y eso es todo. Heisenberg nos lo ha mostrado y los físicos se lo agradecen.

Los Casquetes Polares

Ampliar: Fisica Moderna

Los Dinosaurios

Ver Relación de indeterminación de Heisenberg

Fuente Consultada: Cien Preguntas Sobre La Ciencia de Isaac Asimov

http://www.portalplanetasedna.com.ar

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9 comentarios (+¿añadir los tuyos?)

  1. GRAZNIDO
    may 04, 2008 @ 01:47:45

    El principio de incertidumbre de Heissenberg dice que no es posible conocer al mismo tiempo la posición y la cantdid de movimiento,( masa por veloicidad)de una particula

    Ya sea se concoce la posición y no se conoce la velocidad

    Ya sea se conoce la velocidad y no se conoce la psoción

    Esto implica que hay una incertidumbre siempre, ni siquiera Dios sabría.

    Esto implica que sin conocer las condiciones inicialesde la particula (Velocidad y posición iniciales) no se pueden tampoco conocer la posicion futura.

    Incertidumbre

    Saludos

  2. pauloarieu
    may 04, 2008 @ 01:51:33

    Hola,gracias por tu nota.
    Dios no se rige por las leyes del universo. En Dios no hay incertidumbre,porque el es perfecto.
    Gracias por tu comentario y por tu visita.
    Paulo.

  3. manuelabeledo
    may 10, 2008 @ 09:59:06

    Buen artículo. Todavía hay gente que se niega a pensar en una realidad estadística de las cosas extremadamente pequeñas.

  4. Paulo Arieu
    may 10, 2008 @ 15:15:05

    manuelabeledo: Gracias por tu opinión. Que Dios te bendiga mucho!!!
    Paulo

  5. Trackback: ¿Son satisfactorios los resultados del sistema para determinar la edad de las cosas por medio del potasio argón? « Paulo Arieu Theologies Weblog
  6. HANNA KARINA OSEA
    ago 10, 2008 @ 21:27:48

    ME PARECE Q ESA NO PUEDE SER UNA RESPUESTA DADA A MI PREGUNA
    LES SUGIERO Q SEA UN POCO MAS CLARA, Q SEA COMO MAS TEORIA NO HISTORI OSEA NENES (AS)
    GRACIAS D TODAS MANRAS

  7. paula
    ago 24, 2008 @ 18:43:55

    al aire. Entonces se acudirá al «cálculo de probabilidades» y estadísticas. De ahí el «principio de indeterminación» de Heisenberg en la microfísica donde tanto desconocemos;pero esto no niega que el resultado se deba a leyes [...]

  8. laura
    feb 03, 2009 @ 19:10:09

    muy largo

  9. pauloarieu
    feb 03, 2009 @ 19:19:08

    laura.
    cortalo.

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