El principio de incertidumbre es una de las ideas más famosas (y probablemente mal comprendidas) de la física. Nos dice que hay una borrosidad en la naturaleza, un límite fundamental de lo que podemos saber sobre el comportamiento de las partículas cuánticas y, por lo tanto, las escalas más pequeñas de la naturaleza. De estas escalas, lo máximo que podemos esperar es calcular las probabilidades de dónde están las cosas y cómo A diferencia del universo mecánico de Isaac Newton, donde todo sigue leyes bien definidas sobre cómo moverse y la predicción es fácil si conoce las condiciones iniciales, el principio de incertidumbre consagra un nivel de confusión en la teoría cuántica.
La simple idea de Werner Heisenberg nos dice por qué los átomos no implosionan, cómo el sol logra brillar y, extrañamente, que el vacío del espacio no está realmente vacío.
Una encarnación temprana del principio de incertidumbre apareció en un Artículo de 1927 de Heisenberg, un físico alemán que trabajaba en el instituto Niels Bohr en Copenhague en ese momento, titulado «Sobre el contenido perceptual de la cinemática y la mecánica teóricas cuánticas». La forma más familiar de la ecuación llegó unos años más tarde, cuando perfeccionó aún más sus pensamientos en conferencias y trabajos posteriores.
Heisenberg estaba trabajando en las implicaciones de la teoría cuántica, una extraña nueva forma de explicar cómo los átomos se comportó que había sido desarrollado por físicos, incluidos Niels Bohr, Paul Dirac y Erwin Schrödinger, durante la década anterior. Entre sus muchas ideas contrarias a la intuición, la teoría cuántica propuso que la energía no era continua, sino que venía en paquetes discretos (cuantos) y que la luz podría describirse como una onda y una corriente de estos
cuantos. Al desarrollar esta visión radical del mundo, Heisenberg descubrió un problema en la forma en que se podían medir las propiedades físicas básicas de una partícula en un sistema cuántico. En una de sus cartas habituales a un colega, Wolfgang Pauli, presentó los indicios de una idea que desde entonces se ha convertido en parte fundamental de la descripción cuántica del mundo.
El principio de incertidumbre dice que no podemos medir la posición (x) y el momento (p) de una partícula con absoluta precisión. Cuanto más exactamente conocemos uno de estos valores, menos exactamente conocemos el otro. Multiplicando los errores en las medidas de estos valores (los errores están representados por el símbolo del triángulo delante de cada propiedad, la letra griega «delta») tiene que dar un número mayor o igual a la mitad de una constante llamada «h- bar». Esto es igual a la constante de Planck (generalmente escrita como h) dividida por 2π. La constante de Planck es un número importante en la teoría cuántica, una forma de medir la granularidad del mundo en sus escalas más pequeñas y tiene el valor 6.626 x 10-34 julios segundos.
Una forma de pensar sobre el principio de incertidumbre es como una extensión de cómo vemos y medimos las cosas en el mundo cotidiano . Puede leer estas palabras porque partículas de luz, fotones, rebotaron en la pantalla o el papel y llegaron a sus ojos. Cada fotón en ese camino lleva consigo alguna información sobre la superficie desde la que ha rebotado, a la velocidad de la luz. Ver una partícula subatómica, como un electrón, no es tan simple. De manera similar, podría hacer rebotar un fotón y luego esperar detectar ese fotón con un instrumento. Pero lo más probable es que el fotón imparta algo de impulso al electrón cuando lo golpee y cambie el camino de la partícula que está tratando de medir. O bien, dado que las partículas cuánticas a menudo se mueven tan rápido, es posible que el electrón ya no esté en el lugar donde estaba cuando el fotón originalmente rebotó en él. De cualquier manera, su observación de la posición o el momento será inexacta y, lo que es más importante, el acto de observación afectará a la partícula que se está observando.
El principio de incertidumbre está en el corazón de muchas cosas que observamos pero que no podemos observar. explicar utilizando la física clásica (no cuántica). Tomemos los átomos, por ejemplo, donde los electrones cargados negativamente orbitan un núcleo cargado positivamente. Según la lógica clásica, podríamos esperar que las dos cargas opuestas se atraigan entre sí, haciendo que todo colapse en una bola de partículas. El principio de incertidumbre explica por qué esto no sucede: si un electrón se acercara demasiado al núcleo, entonces se conocería con precisión su posición en el espacio y, por lo tanto, el error en la medición de su posición sería minúsculo. Esto significa que el error en medir su momento (y, por inferencia, su velocidad) sería enorme. En ese caso, el electrón podría moverse lo suficientemente rápido como para volar fuera del átomo por completo.
La idea de Heisenberg también puede explicar un tipo de radiación nuclear llamada desintegración alfa. Las partículas alfa son dos protones y dos neutrones emitidos por algunos núcleos pesados, como el uranio-238.Por lo general, estos están ligados dentro del núcleo pesado y necesitarían mucha energía para romper los enlaces que los mantienen en su lugar. Pero, debido a que una partícula alfa dentro de un núcleo tiene una velocidad muy bien definida, su posición no está tan bien definida. Eso significa que hay una posibilidad pequeña, pero no nula, de que la partícula pueda, en algún momento, encontrarse fuera del núcleo, aunque técnicamente no tenga suficiente energía para escapar. Cuando esto sucede, un proceso conocido metafóricamente como «túnel cuántico» porque la partícula que escapa tiene que abrirse camino de alguna manera a través de una barrera de energía que no puede saltar, la partícula alfa escapa y vemos radioactividad.
A Un proceso similar de tunelización cuántica ocurre, a la inversa, en el centro de nuestro sol, donde los protones se fusionan y liberan la energía que permite que nuestra estrella brille. Las temperaturas en el núcleo del sol no son lo suficientemente altas para que los protones tengan energía suficiente para superar su repulsión eléctrica mutua. Pero, gracias al principio de incertidumbre, pueden abrirse camino a través de la barrera de energía.
Quizás el resultado más extraño del principio de incertidumbre es lo que dice acerca de las aspiradoras. Las aspiradoras a menudo se definen como la ausencia de todo. Pero no es así en la teoría cuántica. Existe una incertidumbre inherente en la cantidad de energía involucrada en los procesos cuánticos y en el tiempo que tardan en ocurrir esos procesos. En lugar de posición y momento, la ecuación de Heisenberg también se puede expresar en términos de energía y tiempo. Nuevamente, cuanto más restringida es una variable, menos restringida está la otra. Por lo tanto, es posible que, durante períodos muy, muy cortos de Con el tiempo, la energía de un sistema cuántico puede ser muy incierta, tanto que pueden aparecer partículas del vacío. Estas «partículas virtuales» aparecen en pares – un electrón y su par de antimateria, el positrón, digamos – por un corto tiempo y luego se aniquilan entre sí. Esto está bien dentro de las leyes de la física cuántica, siempre que las partículas solo existan fugazmente y desaparezcan cuando se acabe su tiempo. La incertidumbre, entonces, no es nada de qué preocuparse en la física cuántica y, de hecho, no estaríamos aquí si este principio no existiera.
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