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El efecto del observador
En la vida cotidiana, calcular la velocidad y la posición de un objeto en movimiento es relativamente sencillo. Podemos medir un coche que se desplaza a 100 kilómetros por hora o una tortuga que se arrastra a 0,5 kilómetros por hora y, al mismo tiempo, señalar dónde se encuentran los objetos. Pero en el mundo cuántico de las partículas, hacer estos cálculos no es posible debido a una relación matemática fundamental llamada principio de incertidumbre.
Esta ley fundamental entra en juego en el mundo cuántico porque las partículas subatómicas pueden comportarse como ondas. Un error común sobre el principio de incertidumbre en la física cuántica es que implica que nuestras mediciones son inciertas o inexactas. En realidad, la incertidumbre es un aspecto inherente a todo lo que tiene un comportamiento ondulatorio.
Incertidumbre tiempo-energía
Permítanme resumir lo que he dicho hasta ahora. El mundo microscópico tiene una propiedad llamada “dualidad onda-artículo”. (También lo tiene el mundo macroscópico, pero los efectos de la dualidad onda-artículo no son perceptibles para los objetos grandes). Esto significa que cada partícula, como un fotón, un electrón, un protón, un positrón, etc., tiene una onda asociada. La amplitud (tamaño) de esta onda describe la probabilidad de encontrar la partícula en esa región. En cualquier observación de la partícula, probablemente se encontrará donde la amplitud es grande, y probablemente no se encontrará donde la amplitud es pequeña, pero hay una incertidumbre en la posición de la partícula.
Por lo general, la onda no se extenderá por todo el universo, sino que se limitará a una pequeña región del espacio. Esta onda “localizada” se llama paquete de ondas. Un paquete de ondas no tiene una longitud de onda específica, sino que está formado por ondas de distintas longitudes de onda. Y el momento de una partícula de onda depende de su longitud de onda. Por lo tanto, una partícula de onda que no está repartida por todo el universo no tiene un momento específico, sino que tiene muchos momentos. En otras palabras, hay una incertidumbre en el momento de la partícula. (Nos estamos acercando, ¿te das cuenta?)
El principio de incertidumbre de Heisenberg
En contra de lo que se enseña a muchos estudiantes, la incertidumbre cuántica puede no estar siempre en el ojo del espectador. Un nuevo experimento demuestra que la medición de un sistema cuántico no introduce necesariamente la incertidumbre. El estudio echa por tierra una explicación habitual en las aulas de por qué el mundo cuántico parece tan difuso, pero el límite fundamental de lo que se puede conocer a las escalas más pequeñas permanece inalterado.
La base de la mecánica cuántica es el principio de incertidumbre de Heisenberg. En pocas palabras, el principio afirma que hay un límite fundamental en lo que se puede saber sobre un sistema cuántico. Por ejemplo, cuanto más se conoce la posición de una partícula, menos se puede saber sobre su momento, y viceversa. El límite se expresa como una simple ecuación que es fácil de demostrar matemáticamente.
En ocasiones, Heisenberg explicó el principio de incertidumbre como un problema de realización de mediciones. Su experimento mental más conocido consistía en fotografiar un electrón. Para tomar la fotografía, un científico podría hacer rebotar una partícula de luz en la superficie del electrón. Esto revelaría su posición, pero también impartiría energía al electrón, haciendo que se moviera. El conocimiento de la posición del electrón crearía incertidumbre en su velocidad, y el acto de medición produciría la incertidumbre necesaria para satisfacer el principio.
Prueba del principio de incertidumbre de Heisenberg
Es una ley fundamental de la teoría cuántica, que define el límite de precisión con el que se pueden determinar dos magnitudes físicas complementarias. Si una de las magnitudes se mide con gran precisión, la otra magnitud correspondiente sólo puede determinarse necesariamente de forma imprecisa. En otras palabras, es imposible medir simultáneamente ambas magnitudes complementarias con una precisión mayor que el límite definido por el principio de incertidumbre de Heisenberg.
Un ejemplo de estas cantidades complementarias son la localización y el momento de una partícula cuántica: Una determinación muy precisa de la ubicación imposibilita las afirmaciones precisas sobre su momento y viceversa.
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