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FISICA CUANTICA


ÍNDICE

 


 

Max Planck ( 1858 - 1947 )

    Nació en Kiel, Alemania. Después de estudiar en Munich y Berlin, Planck obtuvo su grado de doctor en 1879. Después de ocupar un cargo en la Universidad de Kiel, Planck fué nombrado profesor de Física Teórica de la Universidad de Berlin en 1899 sustituyendo a Kirchhoff, permaneció aquí hasta 1926. Planck fue premiado en 1918 con el premio Nobel por su descubrimiento de la naturaleza cuantizada de la energía.

    Al comenzar su carrera, Planck se dedicó al estudio de la Termodinámica, tema éste por el que se interesó a lo largo de toda su vida. Se propuso deducir la ley teórica de la radiación de cuerpo negro. El éxito que coronó su esfuerzo marca el comienzo de la física cuántica, y lo que ahora se conoce como constante de Planck apareció por primera vez en un artículo suyo de 1900.

    La vida de Planck estuvo llena de tragedias personales. Uno de sus hijos fué muerto en acción en la Primera Guerra Mundial, y dos hijas suyas murieron durante el parto en el mismo periodo. Su casa fué destruída por bombas en la Segunda Guerra Mundial, y su hijo Erwin fue ejecutado por los nazis en 1944 después de habérsele acusado de planear el asesinato de Hitler.

    Se convirtió en presidente del Kaiser Wilhem Institute de Berlin en 1930. En su honor dicho centro cambió su nombre por el de Insituto Max Planck después de la Segunda Guerra Mundial. Pasó los dos últimos años de su vida en Göttingen como un honrado y respetado científico y humanista

 

 

 

 

 

 

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Richard Phillips Feynman,

 está considerado como uno de los más importantes científicos de la historia de la Humanidad y ha sido uno de los más populares físicos del siglo XX.

 

Feynman, nació en la ciudad de New York, EE.UU., el 11 mayo 1918. Su niñez y juventud la pasó en el barrio Far Rockaway en Manhattan, y cuando tenía cerca de 10 años, comenzó a comprar viejas radios para coleccionar sus dispositivos y componentes eléctricos con el objeto de utilizarlos en su «laboratorio personal» y, con tan solo 12 años, ya era capaz de arreglar los desperfectos de las radios de su vecindario. Feynman, a través del desarrollo de una serie de entretenidas ilustraciones describió los acontecimientos que le fueron ocurriendo desde su niñez y durante su vida profesional. Un trabajo autobiográfico que primero fue conocido como la colección Surely You're Joking, Mr. Feynman! Y luego, como The Meaning of It All: Thoughts of a Citizen Scientist and Tuva or Bust!: Richard Feynman's Last Journey.

 

Finalizada su enseñanza media, Feynman entró a estudiar al Instituto de Tecnológico de Massachusetts (MIT) y, posteriormente a la universidad de Princeton, en donde rindió su tesis de doctorado en física teórica en el año 1942, teniendo como profesor guía a John Wheeler. Su tesis se trató sobre las ondas avanzadas, que se pueden describir como la teoría de las ondas electromagnéticas que viajan «hacia atrás» en el tiempo. Su primera conferencia en Princeton sobre el tema concertó gran interés y una amplia audiencia, en la cual se encontraban nada menos que Einstein, Pauli y von Neumann. Pauli.
 
Después de terminar su doctorado, Feynman se fue a la universidad de Cornell en 1945 como profesor de física teórica. Allí, se juntó con Hans Bethe y ambos fueron reclutados para participar en el desarrollo de el proyecto Manhattan. Movilizado y mientras se construía el laboratorio secreto en Los Álamos, Feynman se burló de la disciplina de los militares con una serie de bromas y de raros y prácticos trucos. Estaba empecinado en demostrar la inseguridad de las cajas fuertes de Los Álamos donde se guardaban los planos de la bomba atómica. Sus conclusiones sobre la inseguridad de las cajas las expuso en sus ilustraciones ¡ Surely You're Joking, Mr. Feynman ! Mientras Feynman trabajaba en Los Alamos, su esposa enfermó y murió.

 

Terminada la guerra, Feynman fue contratado como profesor visitante en la universidad de Río de Janeiro, Brasil. Posteriormente, en el año 1950, fue nombrado profesor titular de la cátedra de física teórica en el California Institute of Technology, pero dado su encanto por el Brasil una de las «condiciones» que puso para su nombramiento fue la de retornar como visita a ese país antes de ocupar el cargo. En realidad, no comenzó realmente a dictar sus clases en Caltech hasta 1951. Mientras que en el Brasil, Feynman dio, durante diez meses, conferencias sobre el electromagnetismo, al mismo tiempo que se preparaba para desfilar en una escuela de samba de Copacabana en Río de Janeiro.

 

Al siguiente año, después de haber regresado a Caltech, Feynman volvió a poner su atención en la electrodinámica cuántica, desarrollando con mucho éxito las reglas que deben ser obedecidas por las teorías de campo cuánticas. Durante su trabajo, descubrió la forma de renormalizar la teoría de la electrodinámica cuántica. Junto a lo anterior, inventó los llamados «diagramas de Feynman» para representar sumas de interacciones. Trabajó también en mecánica estadística, en particular en fenómenos de bajas temperaturas como los que presenta helio líquido. Por todas estas contribuciones y, especialmente, por la de la renormalización de la electrodinámica cuántica, Feynman compartió el premio Nobel de 1965 de física con Shin-Ichiro Tomonaga y Julian Schwinger, quienes también contribuyeron a formular el proceso de renormalización de la teoría. Feynman también aportó importantes fundamentos a la teoría de las interacciones nucleares.

Para visualizar y describir las interacciones electrodinámicas cuánticas, Feynman introdujo una forma de dibujos esquemática e ingeniosa conocida como el diagrama de Feynman. En tal diagrama, todas las partículas son representadas por líneas. Con líneas rectas se representan los fermiones y con las onduladas los bosones (a excepción del bosón de Higgs , que es representado generalmente por una línea discontinua, y de los gluones, que son representados generalmente por los lazos).
El diagrama ilustrado arriba corresponde a dos electrones. Cada electrón es representado por una línea recta, que intercambian un fotón (virtual) que después es repelido por otro.

 

Richard Feynman era poseedor de una vocación innata por la docencia. Como pedagogo siempre estaba buscando la forma de explicar de manera simple lo complicado. Por lo mismo buscaba dictar los cursos de primer año, generalmente desdeñados por sus colegas. Así surgieron los textos «The Feynman's lectures on physics» en los cuales buena parte de la física es recreada o repensada. Además de estos y otros libros científicos de nivel general, publicó una cantidad importante de artículos técnicos sobre sus trabajos de investigación.

 

Como profesor y científico, la principal preocupación de Feynman siempre estuvo centrada en los sistemas educativos orientados a la física. Durante su visita al Brasil, evaluó el sistema educativo brasileño, escribiendo un ensayo y dando una conferencia sobre él en el último semestre académico del año 1950. También, durante dos años, fue miembro del consejo para la evaluación de libros de matemáticas y de física para las escuelas públicas primarias y secundarias de California. Perfeccionó y fortaleció las enseñanzas de física de pregrado en Caltech, donde sus experiencias que tuvo en sus cuatro años como académico allí fueron recopiladas y editadas en los tres volúmenes de «The Feynman's lectures on physics», que se ha convertido en una inspiración para los estudiantes de física desde que Feynman también publicó un número de popularizaciones de la física, incluyendo QED: The Strange Theory of Light and Matter (La extraña teoría de la luz y de la materia).

 

Después de la explosión en vuelo del trasbordador de la NASA Challenger, en 1986, Feynman fue designado para participar en el consejo que investigó las causas del desastre. Con su tradicional estilo directo, carente de majaderías, Feynman cortó con la burocracia e identificó la causa del desastre como la falta de un sello anillo (o'ring) en el launch-pad de bajas temperaturas de la nave, incluso remojó un o'ring similar en cubos de hielo de agua delante de otros miembros del comité para probar su conclusión.

 

En los comienzos de la década de 1980, Feynman desarrolló un cáncer abdominal. Después de una lucha de cinco años, sucumbió en Los Angeles el 15 de febrero de 1988, dos semanas después de dictar su última exposición como docente: su postrera clase versó sobre la curvatura espaciotemporal. Durante su vida, Feynman recibió numerosos meritorios premios, incluyendo el Premio Albert Einstein (1954, Princeton) y el Premio Lawrence (1962). Fue también miembro de la sociedad de física americana, de la asociación americana para el adelanto de la ciencia, la National Academy of Sciences, y fue elegido como miembro extranjero de la Royal Society, Londres (Gran Bretaña) en 1965.


 






richard feyman


 

 

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Werner Karl Heisenberg,

 

físico y premio Nobel , desarrolló un modelo de mecánica cuántica, cuya indeterminación o principio de incertidumbre ha ejercido una profunda influencia en la física y en la filosofía del siglo XX. Nació el 5 de diciembre de 1901 en Wurzburgo, Alemania. Sus padres fueron August Heisenberg y Anna Wecklein. Cuando Werner nació, su padre recién había sido promovido de profesor de escuela de lenguas clásicas a docente en la universidad de Würzburg. Su suegro Nikolaus Wecklein era el director del Maximilian Gymnasium de München cuando conoció, mientras hacía su práctica como profesor de idiomas, a la madre de Werner. August y Anna se casaron en mayo de 1899. Werner tuvo un hermano mayor que él Erwin, que nació en marzo del 1900.

 

En septiembre de 1906, poco antes de cumplir cinco años de edad, Werner inició su enseñanza primaria en una escuela de Würzburg. Pasó tres años en esa escuela, hasta que su padre fue nombrado, en 1909, profesor de griego en la universidad de München. En junio de 1910, algunos meses después de que su padre asumiera su nuevo cargo docente, Werner y el resto de la familia se mudaron a München. Allí, a partir de septiembre de ese año, Werner asistió a clases en la escuela Elisabethenschule. En 1911, ingresa a estudiar al Maximilian Gymnasium de München, donde era director su abuelo materno.

Cuando comenzó la Primera Guerra Mundial, en 1914, el edificio del Gymnasium pasó a convertirse en un cuartel del ejercito. Por ello, las clases tuvieron que ser impartidas en distintos espacios acondicionados, lo que implicó un deterioro de la educación. Lo anterior, Heisenberg lo asumió estudiando de manera independiente una serie de asignaturas que probablemente tendrían un efecto beneficioso en su educación. Matemáticas, física y religión fueron su elección prioritaria, aunque en general su rendimiento en todas las asignaturas escolares fue excelente. Sus habilidades en matemáticas eran tales que pudo coadyuvar en cálculo a amigos universitarios de la familia. Durante ese período de la guerra, Heisenberg perteneció a una organización paramilitar que funcionaba en el Gymnasium, con el objetivo de preparar a los hombres jóvenes para combatir en la guerra.

 

También en ese período de la Primera Guerra Mundial, Heisenberg trabajó en granjas como su contribución a otra organización voluntaria que enviaba a los jóvenes a los campos en primavera y verano a ayudar en las labores agrícolas. La primera vez que le tocó hacerlo, fue en 1918, lejos de su hogar paterno, ya que lo enviaron a una granja ganadera en la Alta Bavaria. Era una época de grandes dificultades con largas horas de trabajo y escasez de alimentos. En sus períodos de descanso pasaba su tiempo jugando ajedrez, lo que hacía muy bien, y leía y estudiaba textos de matemáticas que había llevado. En ese tiempo, Heisenberg se interesó especialmente en la teoría de los números, en el trabajo de Kronrcke y trató de solucionar el último teorema de Fermat.

 

Finalizada la guerra en 1918, la situación en Alemania llegó a ser muy inestable con diversas facciones que intentaban tomar el poder por la fuerza. Heisenberg participó en la supresión militar de las fuerzas comunistas bávaras, pero aunque era algo muy serio, los hombres jóvenes casi lo tomaban como un juego. Él se refirió más adelante sobre este hecho, de la siguiente manera:

Era un muchacho de 17 años y lo consideraba como una clase de aventura... era como jugar a los policías y a ladrones...

En el Gymnasium Heisenberg formó un movimiento juvenil y, luego, condujo un movimiento de la juventud dentro de la liga bávara denominado Bund Deuscher Neupfadfinder. Este grupo de adolescentes potenciaba las salidas al aire libre, especialmente a la montaña, al tiempo que prohibía el fumar y beber. Este espíritu romántico marcó definitivamente su personalidad y permite comprender muchas de sus actuaciones posteriores.

 

En 1920, él rindió su examen de licenciatura secundaria y fue uno de los dos alumnos del Maximilian Gymnasium que compitió en Bavaria por una beca de la Fundación Maximilianeum. Once becas estaban disponibles y Heisenberg se ganó una de ellas al ocupar el undécimo lugar entre todos los postulantes. Sus resultados en los exámenes de matemáticas y física fueron clasificados como extraordinarios, pero su ensayo sobre «el arte poético de una tragedia» fue considerado bastante malo.

 

En el período comprendido entre su licenciatura secundaria y su ingreso a la universidad de München, Heisenberg solía salir de excursión con su grupo de la juventud. En una de esas excursiones que el grupo realizó, pernotaron en la noche en un castillo que había sido utilizado como hospital militar, allí Heisenberg se contagió de tifus, lo que casi le cuesta la vida. Se recuperó, a pesar de los problemas para obtener una alimentación conveniente, en el período de inicio de sus estudios en la universidad. Durante el verano de 1920, Heisenberg estuvo, como lo había hecho frecuentemente, estudiando matemáticas puras en la universidad. Estudió completamente los textos de Weyl y Bachmann, lo que le permitió analizar completamente la teoría de números, tema que había previsto para su tesis de doctorado. Tomó contacto con Ferdinand von Lindemann para solicitarle que fuera su profesor guía en el desarrollo de sus investigaciones.

 

Tuvo con Lindemann una reunión que puede ser considerada para Heisenberg como exitosa, ya que de una u otra manera influyó para que hoy sea reconocido como un teórico excepcional de números. Sin embargo, la entrevista en sí no fue tan buena para los propósitos que se había fijado Heisenberg, ya que Lindemann tenía planeado retirarse luego de las actividades académicas y había recibido a Heisenberg como un favor a su padre que era un amigo y colega. Después de este hecho, Heisenberg tuvo un encuentro con Arnold Sommerfeld, quién lo aceptó feliz como estudiante.

 

Teniendo a Wolfgang Pauli como compañero, Heisenberg comenzó a estudiar física teórica, en octubre de 1920, bajo la orientación pedagógica de Sommerfeld. Al principio, lo hizo con cautela, cerciorándose que podría cambiarse a matemáticas si fracasaba en los estudios de esa disciplina. Sin embargo, evitó las clases de Lindemann, lo que implicó el cambio de sus intereses en las matemáticas por los de la geometría. Pronto su confianza en la física teórica fue tal que ya en el segundo semestre tomó todas las clases de Sommerfeld . Paralelamente, asistió a todas las cátedras de física experimental, que eran obligatorias y, además, comenzó a planear emprender investigaciones en relatividad. Sin embargo, Pauli, que en aquella época se encontraba trabajando para un importante examen sobre la teoría de la relatividad, lo aconsejó que desistiera sobre ese propósito y de que centrara sus esfuerzos en la estructura atómica, ya que entonces se daba la situación sobre este tema de que la teoría no coincidía con la experimentación.

 

Heisenberg, describió así sus primeros años como estudiante universitario:

Mis primeros dos años en la universidad de München pasaron entre dos mundos absolutamente diversos: entre mis amigos del movimiento de la juventud y en el reino abstracto de la física teórica. Ambos mundos estaban llenos de un intensa actividad y de gran agitación, lo que me reportó dificultades para convivir entre ambos.

En junio de 1922, Heisenberg visitó la universidad de Göttingen para asistir a algunas conferencias de Niels Bohr. De regreso a München, Sommerfeld le dio como trabajo resolver un problema en hidrodinámica, con el objeto de tenerlo ocupado mientras él visitaba, por razones académicas, los EE.UU., entre 1922 y 23. Heisenberg presentó sus resultados preliminares sobre el problema en una conferencia en Innsbruck antes de volver de nuevo a Göttingen para estudiar con Max Bonr, Otto Franck, y David Hilbert, mientras que su profesor guía se encontraba ausente. Allí trabajó con Bonr en la teoría atómica y colaboró estrechamente con él en el desarrollo de la mecánica cuántica. Finalmente, Heisenberg se doctoró en München en 1923, versando su tesis de grado sobre la turbulencia de los fluidos.

 

Después de doctorarse, Heisenberg viajó a Finlandia, en octubre de 1923, retornando posteriormente a Göttingen como asistente de Born. En marzo de 1924, visita el Instituto de Física Teórica de Copenhagen que era dirigido por Niels Bohr. En esa ocasión, conoció allí a Albert Einstein. Posteriormente retorna a Göttingen y, el 28 de julio de 1924, obtiene su calificación como decente para impartir enseñanzas en las universidades alemanas.

 

Sobre su período como estudiante universitario, Heisenberg escribió:

Aprendí optimismo de Sommerfeld , matemáticas en Göttingen, y física con Bohr.

A partir de septiembre de 1924 hasta mayo de 1925 Heisenberg trabajó, financiado por Rockefeller, con Niels Bohr en la universidad de Copenhague. Analizando allí los trabajos teóricos de Bohr, se cercioró de los inconvenientes que presentaba el modelo de átomo desarrollado por éste. Pese a su creciente aceptación, la teoría atómica de Bohr tenía severas deficiencias. Aunque los cálculos basados en la teoría encajaban perfectamente con el átomo de hidrógeno, no conseguían explicar los espectros de otros elementos. El comportamiento de los átomos con más de un electrón era evidentemente demasiado complicado para poder ser descrito por el sencillo modelo de Bohr.

 

Para concebir el mundo cuántico Heisenberg y Niels Bohr se esforzaron por hallar una estructura nueva que estuviera de acuerdo con la nueva mecánic a cuántica. Heisenberg descubrió, cuando intentaba resolver estos problemas interpretativos, el «principio de incertidumbre», principio que revelaba una característica distintiva de la mecánica cuántica que no existía en la mecánica newtoniana.

 

Según el principio de incertidumbre, ciertos pares de variables físicas, como la posición y el momento (masa por velocidad) de una partícula, no pueden calcularse simultáneamente con la precisión que se quiera. Así, si repetimos el cálculo de la posición y el momento de una partícula cuántica determinada (por ejemplo, un electrón), nos encontramos con que dichos cálculos fluctúan en torno a valores medios. Estas fluctuaciones reflejan, pues, nuestra incertidumbre en la determinación de la posición y el momento. Según el principio de incertidumbre, el producto de esas incertidumbres en los cálculos no puede reducirse a cero. Si el electrón obedeciese las leyes de la mecánica newtoniana, las incertidumbres podrían reducirse a cero y la posición y el momento del electrón podrían determinarse con toda precisión. Pero la mecánica cuántica, a diferencia de la newtoniana, sólo nos permite conocer una distribución de la probabilidad de esos cálculos, es decir, es intrínsecamente estadística.

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