El principio de incertidumbre de Heisenberg

imagen principio de indeterminacion de heisenberg

La mecánica cuántica hace que los científicos se rompan la cabeza para intentar dar explicación a sus leyes. Sabemos trabajar con ella matemáticamente y podemos hacer las predicciones más exáctas que existen. De hecho, un campo de la mecánica cuántica llamado electrodinámica cuántica tiene el record de exactitud del valor experimental con el valor teórico con una precisión de hasta 11 decimales.

¿Increible verdad?

Sin embargo somos incapaces de dar explicaciones a los fenómenos cuánticos.

¿Cómo puede ser que una partícula se encuentre en distintos sitios a la vez? ¿Cómo es posible que una partícula cuántica tenga varias velocidades a la vez? ¿Qué mecanismo permite que dos partículas infinitamente alejadas entre ellas puedan comunicarse instantáneamente, más rápido que la velocidad de la luz?

No sabemos nada de la cuántica... Solo podemos limitarnos a utilizar las matemáticas y creernos los resultados que obtenemos...

Hoy quiero hablaros del principio de incertidumbre de Heisenberg, una de las leyes más conocidas de la mecánica cuántica pero a la vez más increibles.

¿Te unes a descubrir el increíble universo cuántico? ¡Adelante!

¿Qué es el principio de incertidumbre de Heisenberg?

El principio de incertidumbre de Werner Heisenberg consiste en la imposibilidad de medir con exactitud dos observables relacionados. El ejemplo clásico que se usa siempre son la pareja velocidad-posición.

Si intentamos medir con precisión la posición de una partícula cuántica, como por ejemplo un electrón, entonces no seremos capaces de obtener su velocidad. Tendremos una incertidumbre en la observable velocidad.

Comúnmente se ha utilizado también el termino de indeterminación. Sin embargo, no es un nombre correcto ya que la imposibilidad de medir con precisión el valor de velocidad no es porque no tengamos un buen equipo de medición, sinó que realmente este valor no esta determinado.

Por lo tanto, el nombre de principio de indeterminación de Heisenberg consideramos que no es correcto.

¿Increíble verdad? La magia de la mecánica cuántica...

Este principió acabó con el determinismo de nuestro universo y abre la posibilidad de que realmente nuestro universo, en su parte más pequeña se base en reglas del azar.

Una de las conclusiones más relevantes de este principio es que nuestras experiencias no son la realidad ya que a la que interaccionamos con la realidad está cambia a causa de la medición a través de nuestros sentidos, por lo tanto, nunca podremos saber cual es la verdadera realidad ya que siempre la estamos modificando.

Incertidumbre de Heisenberg: posición vs velocidad

La posición y el momento lineal (o velocidad) son dos magnitudes relacionadas que cumplen este principio de incertidumbre. Los electrones y en general las partículas cuánticas no siguen trayectorias definidas a diferencia de lo que pasa en el mundo clásico.

Por lo tanto, saber las variables como velocidad o posición que definen la trayectoria de una de estas partículas de forma precisa es imposible. Solo podemos conocer una distribución estadística de la probabilidad que tiene la partícula de tener ciertos valores de velocidad o posición.

Relación de Incertidumbre de Heisenberg: energía vs tiempo

Otras dos variables relacionadas a través de este principio son las magnitudes de tiempo y energía. Esto trae a la física consecuencias muy importantes.

El principio de Heisenberg permite que durante un tiempo muy pequeño haya una gran incertidumbre en la energía permitiendo que unos de los principios más establecidos de la física se rompan: el principio de la conservación de la energía.

Es decir, para valores muy pequeños de tiempo, se puede crear energía y por tanto materia de la “nada”.

Extrapolando este hecho en nuestro mundo clásico, es como si de repente aparecieran ordenadores, relojes o cualquier cosa de la nada.

Alucinante, ¿verdad?

De este principio surgen conceptos como la espuma cuántica, partículas virtuales, la radiación de Hawking entre otras que veremos en próximos artículos.

Observar modifica la realidad: experimento de la doble rendija de Young

Este experimento fue pensado por el científico Thomas Young en el año 1801 con el objetivo de entender la naturaleza de la luz.

Este experimento consiste en hacer pasar un haz de fotones o electrones a través de una rendija con dos ranuras. Al chocar los electrones o fotones contra una placa el patrón que se muestra es el siguiente:

patron de interferencias cuantica

Este patrón de interferencias es el generado por ondas. Por lo tanto, Young, había demostrado el comportamiento ondulatorio de la materia.

¡Lo que contaremos a continuación te dejará con la boca abierta!😮

Pasamos al experimento moderno de la doble rendija. Para esto necesitamos:

Un aparato que emita electrones al azar
Dos cajas opacas con una abertura
Dos aparatos para detectar electrones
Una placa para la detección de los electrones
El aparato de emisión de electrones soltará un electrón cada vez que apretamos el botón. Al ser una maquina aleatoria depositará un electrón en una de las dos cajas.

Después pondremos el detector en las dos cajas y abriremos la ranura. Gracias al medidor de electrones podremos detectar en cual de las dos cajas se encuentra el electrón.

Plantearemos 3 experimentos distintos para averiguar la naturaleza del electrón (corpuscular o ondulatoria).

Experimento 1:

Accionamos el botón de nuestra maquina de azar. Activamos el detector de la primera caja y no detecta nada. Por lo tanto, el electrón tiene que encontrarse en la segunda caja.

Pulsamos el medidor en la segunda caja y... ¡BINGO! El electrón se encuentra en la segunda.

Si repetimos este experimento obtendremos un patrón con la siguiente imagen, indicando que la mitad de las veces se encuentra en una caja y la otra mitad en la otra caja.

patron interferencias de particulas

Experimento 2:

En el segundo experimento mantenemos las ranuras abiertas todo el rato. También mantenemos los detectores de electrones activos durante todo el experimento.

Accionamos varias veces nuestra maquina de emisión de electrones aleatorias y ¿Qué obtenemos? Como cabe esperar la placa muestra el mismo patrón que el experimento uno. El típico patrón de partícula. ¿Por lo tanto los electrones son partículas?

El tercer experimento va a cambiar todo… ¡Lo que va a pasar no te lo vas a creer!

Experimento 3:

Repetimos el anterior experimento (experimento 2) pero ahora apagamos los detectores de electrones. De esta forma no podremos saber de que caja proviene el electrón que se muestra en la placa.

¿Y que resultado obtenemos?

Obtenemos el siguiente patrón:

patron interferencias ondas

Lo que vemos en la placa es un claro patrón de interferencia. Esto nos indica que cada electrón se encuentra en ambas cajas a la vez.

Pero… ¿Cómo puede pasar esto?

El electrón está adoptando un comportamiento ondulatorio cuando no estamos midiendo. Es como si los electrones supieran que estamos observando y en ese momento se comportaran como partículas.

¿Cómo podemos explicar esto?

Los científicos siempre han tenido problemas para dar explicaciones a los datos experimentales que obtenemos. Este experimento se ha realizado miles de veces en muchos laboratorios distintos de todo el mundo, obteniendo siempre el mismo resultado.

Podemos intentar dar una explicación a este fenómeno a través del principio de incertidumbre de Heisenberg.

Cuando no existe una observación la posición del electrón es indefinida pudiendo estar en las dos cajas al mismo tiempo. Sin embargo, cuando hacemos una medición, la posición se define (decimos que la función de onda colapsa) y por lo tanto el electrón solo se encuentra en una de las dos cajas.

NUESTRA OBSERVACIÓN AFECTA LA REALIDAD.