El Principio de Incertidumbre
La posición y el momento de una partícula, no se pueden medir simultáneamente con una precisión arbitrariamente alta. El producto de las incertidumbres de estas dos mediciones tiene un mínimo. Igualmente, existe un mínimo para el producto de las incertidumbres de la energía y el tiempo. Esto no es una declaración sobre la inexactitud de los instrumentos de medida, ni una reflexión sobre la calidad de los métodos experimentales, sino que surge de las propiedades de onda inherentes, en la descripción de la naturaleza de la mecánica cuántica. Incluso con instrumentos y técnica perfectas, la incertidumbre es inherente con la naturaleza de las cosas.
Principio de Incertidumbre
Los pasos importantes en el camino hacia la comprensión del principio de incertidumbre son, ladualidad onda-partícula y la hipótesis de DeBroglie. A medida que se avanza hacia abajo en tamaño, hacia las dimensiones atómicas, ya no es válido considerar la partícula como una esfera sólida, porque cuanto menor es la dimensión, más se vuelve en forma de onda. Ya no tiene sentido decir que se ha determinado con precisión la posición y el momento de una partícula. Cuando se dice que el electrón actúa como una onda, entonces la onda es la función de onda de la mecánica cuántica y por lo tanto, se relaciona con la probabilidad de encontrar el electrón en cualquier punto del espacio. Una sinusoide perfecta para la onda del electrón, propaga esa probabilidad a lo largo de todo el espacio, y entonces, la "posición" del electrón es completamente incierta.
EL PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE DE HEISEMBERG FISICA CUANTICA ¿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. 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. Principio de Incertidumbre
Los pasos importantes en el camino hacia la comprensión del principio de incertidumbre son, ladualidad onda-partícula y la hipótesis de DeBroglie. A medida que se avanza hacia abajo en tamaño, hacia las dimensiones atómicas, ya no es válido considerar la partícula como una esfera sólida, porque cuanto menor es la dimensión, más se vuelve en forma de onda. Ya no tiene sentido decir que se ha determinado con precisión la posición y el momento de una partícula. Cuando se dice que el electrón actúa como una onda, entonces la onda es la función de onda de la mecánica cuántica y por lo tanto, se relaciona con la probabilidad de encontrar el electrón en cualquier punto del espacio. Una sinusoide perfecta para la onda del electrón, propaga esa probabilidad a lo largo de todo el espacio, y entonces, la "posición" del electrón es completamente incierta.
Cálculo del Confinamiento
Si se examina este cálculo en detalle, se dará cuenta de que se realizó una aproximación bruta en la relación Δp = h/Δx. Esto se hizo para obtener una relación cualitativa que muestre el papel de la constante de Planck en la relación entre Δx e Δp, y por lo tanto el papel de h en la determinación de la energía de confinamiento. La otra razón para hacerlo era conseguir una energía de confinamiento de electrones, próxima a la que se observa en la naturaleza, para la
comparación con la energía de confinamiento de un electrón en el núcleo. Si se utiliza realmente el caso límite permitido por el principio de incertidumbre, Δp = hbar/2Δx, la energía de confinamiento que se obtiene para el electrón en el átomo, es sólo 0,06 eV. Esto se debe a que este enfoque sólo confina el electrón en una dimensión, dejándolo sin confinar en las otras direcciones. Para un átomo más realista se tendría que encerrarlo también en las otras direcciones. Se puede obtener una mejor aproximación desde el enfoque de una partícula en una caja en 3-D, pero para calcular con precisión la energía de confinamiento, se requiere la ecuación de Shrodinger (ver cálculo del átomo de hidrógeno).
El Principio de Incertidumbre
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El principio de Incertidumbre fue descubierto y formulado por el científico alemán Werner Karl Heisenberg en 1927, Premio Nobel de física en 1932, por su contribución a la teoría cuántica versión matricial.
Formulación del Principio La incertidumbre en la posición de una partícula multiplicada por la incertidumbre en su velocidad y a su vez multiplicada por la masa de la partícula, nunca puede ser menor que una cantidad que conocemos como constante de Planck y cuyo valor es: 6.63x1034
J*s.
Consecuencia en el Determinismo Consiste en no poder conocer ciertas cantidades como la posición y la velocidad de una partícula con precisión simultánea, es decir, si quisiéramos conocer la posición de un electrón con precisión en un determinado instante, es necesario iluminarlo con luz, utilizando un cuanto de energía de un fotón, el cual producirá presión sobre dicha partícula (electrón), alterando el valor de su velocidad.
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Recíprocamente si quisiéramos medir con precisión el valor de su velocidad debemos utilizar una cantidad menor de energía al iluminarlo, lo cual influye en su localización, afectando de esta manera el valor de su posición. Además no se puede utilizar una cantidad arbitraria o menor que la constante de Planck, Esto incluso significa, que siempre ambas cantidades serán afectadas, puesto que en ambos casos es necesario el cuanto de energía. De esta manera si no podemos conocer su posición y velocidad en el presente, mucho menos será posible conocerlas en el futuro; por cuanto los estados futuros quedan indeterminados, en tal caso el principio de incertidumbre es el límite entre la Física cuántica y la Newtoniana. En la física clásica, incluso en la relativista, es posible conocer posición y velocidad con alto grado de precisión. Un ejemplo de esto es el caso de los asteroides que impactaron en el planeta Júpiter, cuando los astrónomos revelaron su posición y velocidades antes del impacto, utilizando la ley de la gravedad de Newton y sus leyes de la mecánica clásica, pudieron conocer su velocidad y posición así como el tiempo en que ocurriría el impacto.
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Dualidad Onda – Partícula El principio de incertidumbre es una consecuencia del principio de la dualidad onda – partícula, por ejemplo, las partículas cuando viajan se comportan como ondas y no puede establecerse su posición, pero cuando intercambian su energía con otra partícula u objeto entonces se comportan como partículas y puede establecerse su posición, sin saber nada sobre su velocidad. Ejemplo de esto es el experimento de la doble rendija. Cuando hacemos pasar un haz de luz o de electrones a través de dos rendijas y una pantalla detrás de esta se produce un patrón de interferencia al atravesar las rendijas y cuando impacta con la pantalla que se encuentra detrás, la onda deja huellas puntuales en la pantalla; apreciándose así su posición sin poder conocer la velocidad en el impacto.
Consecuencia del Principio de Incertidumbre Tanto el efecto casimir, como la energía del punto cero y el principio de exclusión, entre otras, son consecuencias del principio de incertidumbre, así como el hecho de que no ha sido posible ensamblar la mecánica cuántica con la teoría de la relatividad general, pues esta última no incorpora dicho principio.
Werner Heisenberg y el principio de incertidumbre La física cuántica es un conocimiento científico que injustificadamente se utiliza para explicar todo, se describe como la física misteriosa que nadie entiende. Recientemente han aparecido artículos de prensa que afirman que "la física cuántica nunca ha sido tan fácil", como si una nueva investigación hubiera resuelto un gran misterio. No es así, el trabajo analiza la conexión entre la dualidad onda-partícula, y lo que se conoce como incertidumbre entrópica. La cuántica muestra algunas propiedades extrañas. Por ejemplo, las entidades cuánticas muestran algunas propiedades similares a las partículas y a las ondas. Esta dualidad onda-partícula, aparece en los resultados de ciertos experimentos, tales como el efecto fotoeléctrico y el experimento de la doble rendija. En ámbitos de divulgación, estas entidades se presentan "a veces" como una partícula y "a veces" como una onda, dependiendo del experimento que se lleve a cabo. En realidad, los objetos cuánticos son simplemente objetos cuánticos, y se pueden realizar experimentos que demuestren su comportamiento como partícula u onda. Otro aspecto es el principio de incertidumbre de Heisenberg, es el hecho de que no se pueden medir simultáneamente en un objeto, donde se encuentra (posición) y hacia dónde se dirige (impulso), con precisión. El principio de incertidumbre no es una consecuencia
de los dispositivos de medida, sino un aspecto fundamental de la cuántica. Por ejemplo, no podemos medir simultáneamente con exactitud el momento y la posición de un electrón, porque los electrones no tienen una posición y un momento simultáneos. Este factor de "confusión" conduce a fenómenos físicos importantes, como el efecto túnel cuántico, fundamental en la fusión nuclear en el sol. Hay otros pares "difusos" de magnitudes como la energía y el tiempo, lo que conduce a partículas virtuales y a la radiación de Hawking. Según diversos medios, una nueva investigación ha demostrado que la dualidad onda-partícula y el principio de incertidumbre de Heisenberg son la misma cosa. Pero cualquiera que haya seguido un curso de cuántica, probablemente ha visto alguna deducción que muestra que la primera conduce a la segunda, y viceversa. Así que lo difundido no es nuevo. La novedad es cómo se relaciona con la entropía. Aunque por lo general hablamos de la teoría cuántica en términos de partículas y ondas, también puede ser tratada en términos de información. De esta manera, la incertidumbre de Heisenberg no es solo un límite de lo que puede medirse, es un límite de la cantidad de información que un sistema cuántico puede contener. Es útil para una amplia gama de campos, como la criptografía cuántica y computación cuántica. Otra cosa que sabemos es que la cantidad de información que contiene un sistema puede estar relacionada con la entropía de ese sistema. Así, el principio de incertidumbre se puede generalizar como una especie de incertidumbre entrópica. Se ha debatido si la incertidumbre entrópica y la dualidad ondapartícula eran una misma, al igual que la dualidad onda-partícula y el principio de incertidumbre lo son. Una publicación anterior
argumentó que no eran equivalentes, sin embargo este nuevo trabajo muestra que en realidad lo son. Esto es útil para las personas que estudian la información cuántica, pero no es un avance que revolucione la cuántica. Es un buen trabajo, pero lamentablemente los artículos de divulgación más populares no ven más allá de las exageraciones.
