El principio de incertidumbre de Heisenberg es,
probablemente, el segundo logro más célebre de la física moderna después de la
fórmula E=mc2 (el más famoso resultado de la Teoría de la
Relatividad), ya que explica cómo se comportan los objetos cuánticos, como por
ejemplo, los átomos y las pequeñas partículas en su interior, y tiene numerosas
consecuencias de importancia. Por ejemplo, sin ella, el Sol no podría brillar,
ya que es la razón por la que los núcleos de hidrógeno pueden fusionarse para
producir luz y calor. Lo formuló el físico alemán Werner Heisenberg en 1927,
por lo que lleva su nombre.
Heisenberg se dio cuenta de que la teoría cuántica contenía ciertas predicciones extrañas. Implicaba que los experimentos nunca podían realizarse en completo aislamiento porque el propio acto de medir afectaba el resultado. El principio afirma, por ejemplo, que nunca es posible saber donde se encuentra exactamente un electrón, y, al mismo tiempo, a qué velocidad se mueve, es decir, que la posición o la velocidad de una partícula no pueden conocerse simultáneamente con precisión, y que una de las dos magnitudes puede medirse, en principio, con extraordinaria precisión, siempre que renunciemos a cualquier conocimiento sobre la otra. Más concretamente, Heisenberg argumentó que aunque fuésemos capaces de construir un instrumento de medida con una precisión infinita, seguiríamos sin ser capaces de determinar, simultáneamente y con exactitud, la posición y el momento (es decir, la masa multiplicada por la velocidad) de una partícula subatómica, por lo que cuanto más precisa sea la medida de posición, más imprecisa será la medida de velocidad, y viceversa. Si se conoce uno de los dos, el otro siempre es incierto. Si atribuimos todo a los efectos de la medición, implícitamente asumimos que lo que medimos tiene propiedades ciertas y bien definidas, y, por tanto, la incertidumbre de esos valores se debería sólo a perturbaciones relacionadas con el acto de medirlas. Sin embargo, sabemos que eso no es así: en la teoría cuántica, esas cantidades no tienen valores seguros. Por tanto, no son inciertos por los límites de la capacidad de medición, sino porque no están definidas y porque, de hecho, no pueden definirse por la naturaleza cuántica de la realidad.
El principio de incertidumbre resulta significativo a la escala de átomos y partículas subatómicas. Es como si cuando medimos la posición de un nadador no pudiéramos conocer su velocidad en ese mismo instante. Se pueden conocer las dos aproximadamente, pero en cuanto se ponen en relación una con otra se vuelve más incierto. Según Heisenberg, no tenemos modo alguno de saber dónde está una cosa hasta que la medimos. También señaló que tampoco es posible predecir la trayectoria futura de una partícula. A causa de estas incertidumbres sobre su posición y velocidad, el resultado futuro también era impredecible. El principio de incertidumbre es la razón por la que los aceleradores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones, son tan grandes. Para poder manejar distancias mil veces menores que el tamño de un protón, se requieren haces de partículas cuyas energías son billones d eveces mayores que las de las partículas a temperatura ambiente. Por ello se necesitan los grandes aceleradores, para aportar a los haces tales magnitudes de energía.
Para aquellos científicos que aceptan la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica, el principio de incertidumbre de Heisenberg significa que el universo físico no existe literalmente de forma determinista, sino que se trata más bien de una serie de probabilidades. Por primera vez, la física sobrepasó la experiencia del laboratorio y penetró con firmeza en el reino de las matemáticas abstractas.
Enunciado Matemático
Heisenberg se dio cuenta de que la teoría cuántica contenía ciertas predicciones extrañas. Implicaba que los experimentos nunca podían realizarse en completo aislamiento porque el propio acto de medir afectaba el resultado. El principio afirma, por ejemplo, que nunca es posible saber donde se encuentra exactamente un electrón, y, al mismo tiempo, a qué velocidad se mueve, es decir, que la posición o la velocidad de una partícula no pueden conocerse simultáneamente con precisión, y que una de las dos magnitudes puede medirse, en principio, con extraordinaria precisión, siempre que renunciemos a cualquier conocimiento sobre la otra. Más concretamente, Heisenberg argumentó que aunque fuésemos capaces de construir un instrumento de medida con una precisión infinita, seguiríamos sin ser capaces de determinar, simultáneamente y con exactitud, la posición y el momento (es decir, la masa multiplicada por la velocidad) de una partícula subatómica, por lo que cuanto más precisa sea la medida de posición, más imprecisa será la medida de velocidad, y viceversa. Si se conoce uno de los dos, el otro siempre es incierto. Si atribuimos todo a los efectos de la medición, implícitamente asumimos que lo que medimos tiene propiedades ciertas y bien definidas, y, por tanto, la incertidumbre de esos valores se debería sólo a perturbaciones relacionadas con el acto de medirlas. Sin embargo, sabemos que eso no es así: en la teoría cuántica, esas cantidades no tienen valores seguros. Por tanto, no son inciertos por los límites de la capacidad de medición, sino porque no están definidas y porque, de hecho, no pueden definirse por la naturaleza cuántica de la realidad.
El principio de incertidumbre resulta significativo a la escala de átomos y partículas subatómicas. Es como si cuando medimos la posición de un nadador no pudiéramos conocer su velocidad en ese mismo instante. Se pueden conocer las dos aproximadamente, pero en cuanto se ponen en relación una con otra se vuelve más incierto. Según Heisenberg, no tenemos modo alguno de saber dónde está una cosa hasta que la medimos. También señaló que tampoco es posible predecir la trayectoria futura de una partícula. A causa de estas incertidumbres sobre su posición y velocidad, el resultado futuro también era impredecible. El principio de incertidumbre es la razón por la que los aceleradores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones, son tan grandes. Para poder manejar distancias mil veces menores que el tamño de un protón, se requieren haces de partículas cuyas energías son billones d eveces mayores que las de las partículas a temperatura ambiente. Por ello se necesitan los grandes aceleradores, para aportar a los haces tales magnitudes de energía.
Para aquellos científicos que aceptan la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica, el principio de incertidumbre de Heisenberg significa que el universo físico no existe literalmente de forma determinista, sino que se trata más bien de una serie de probabilidades. Por primera vez, la física sobrepasó la experiencia del laboratorio y penetró con firmeza en el reino de las matemáticas abstractas.
Enunciado Matemático
No se trata de una ecuación, sino de una inecuación, que establece que la energía total de una partícula puede variar en un determinado valor, ΔE, por un corto tiempo, Δt, siempre que se verifique
que el producto del miembro izquierdo siempre es mayor que un valor constante,
(en este caso, h, que representa la constante de Planck) aunque sea muy
pequeño. Esto significa que si queremos medir la ubicación de una
partícula de forma precisa, es decir, con un ΔE reducido, entonces el
desvío de la medición de su impulso, Δt, será tanto mayor. La precisión en
el caso de ambas magnitudes es por principio imposible e implica a su
vez que la ley de la conservación de la energía puede dejar de cumplirse
durante períodos de tiempo muy cortos.
Bibliografía
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El enigma cuántico : encuentros
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S/A, Y si Einstein estuviera equivocado?
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revolucionarias e imaginativas / Tom Jackson ; colaboradores, Jim Al-Khalili
... [et al.] ; [traducción, Alfonso Rodríguez Arias]. Barcelona : Blume, cop.
2010. 160 p.
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