La mecánica cuántica y el principio de incertidumbre

En el universo del átomo y sus componentes, todo se presenta en montones. Quantum, de donde deriva el término cuánto, es una palabra del latín que significa “mucho” o “montón”. Dentro de los átomos, todo (masa, carga eléctrica, momento y demás elementos) aparece en montones. Nada en este mundo es liso y continuo.

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La «mecánica» es el antiguo término para la ciencia del movimiento, de manera que “mecánica cuántica” es la rama de la ciencia que encargada de describir el movimiento de las cosas en el mundo subatómico.

El principal problema que tiene la gente en el momento de enfrentarse a la mecánica cuántica, reside en nuestra suposición inconsciente de que las cosas se comportarán de la misma manera en el mundo cuántico que como lo hacen en el mundo normal de nuestra experiencia diaria.

Nuestra intuición sobre cómo deberían comportarse las cosas se apoya en nuestra experiencia con objetos enormes que se mueven a velocidades normales. No existe ninguna razón para esperar que, cuando observamos objetos muy pequeños u objetos que se mueven a velocidades muy altas, éstos se comporten de igual manera que lo hacen los objetos con los que estamos familiarizados.

En el mundo cuántico no es posible contemplar nada sin afectarlo. En la mecánica newtoniana, suponemos que podemos ver algo como una bola de billar o la Tierra sin modificarla. Eso se debe a que, cuando observamos una bola de billar, las ondas de luz que rebotan contra ella y vuelven a nuestros ojos son tan infinitésimas que podemos estar seguros de que no puedan afectar la bola de ninguna otra manera.

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En el mundo cuántico, no obstante, la única forma de observar un electrón es haciendo que rebote contra otro electrón (o algo equivalente). En este proceso, el electrón observado cambiará. En palabras del presidente Mao Tse-Tung “si quieres probar una pera, debes cambiar la pera comiéndola.”

El principio de incertidumbre de Heisenberg constituye una parte de la mecánica cuántica. Fue el físico alemán Werner Heisenberg quien se dio cuenta por primera vez y de manera completa, de las implicaciones de la observación en la mecánica cuántica. El principio (o relación de indeterminación) que fue nombrado en su honor, explica que debido a que un objeto cuántico no puede ser observado sin cambiarlo, es imposible, incluso en el inicio, medir ciertas cosas de manera simultánea.

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Werner Karl Heisenberg (1901-1976)

Por ejemplo, no se puede conocer de manera exacta su posición y velocidad en un momento determinado. Si percibimos de manera exacta el valor de su posición, menos seguridad tendremos sobre lo rápido que se estará moviendo algo, e igual a la inversa.

Un enunciado exacto del principio de incertidumbre de Heisenberg es:
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en la que principio-incertidumbre-heisenberg-1 es la incertidumbre en nuestro conocimiento y el emplazamiento de la partícula, principio-incertidumbre-heisenberg-2 es nuestra incertidumbre en la velocidad de la molécula, h es el guarismo conocido como constante de Plank, y m es la masa de la partícula.

El principio de incertidumbre no declara que es imposible realizar mediciones exactas en el mundo cuántico. Tan sólo expresa que, si decidimos medir de manera exacta una cosa, debemos compensar por este conocimiento renunciando a cualquier esperanza de lograr el conocimiento sobre algo diferente. Dicho de otro modo, si deseamos conocer exactamente la posición de una partícula, deberemos ejecutar una medición de tal modo, que principio-incertidumbre-heisenberg-1 (la incertidumbre en la posición) sea cero.

 

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Para que el principio de incertidumbre sea verdadero en este caso, principio-incertidumbre-heisenberg-2 (la incertidumbre en la velocidad) debería ser infinito: la velocidad podría poseer cualquier valor. Se puede medir exactamente la posición, se puede calcular exactamente la velocidad, o se pueden medir las dos cosas dentro de cierto nivel de compromiso en la precisión. Todo lo que dice el principio de incertidumbre es que no se pueden medir las dos cosas con exactitud al mismo tiempo.

A causa del principio de incertidumbre, los físicos especifican los sistemas de mecánica cuántica en términos de probabilidades. Si no es posible determinar si una partícula se mueve a cinco metros por segundo o a quince metros por segundo, por ejemplo, no podremos predecir con mucha exactitud dónde se encontrará dentro de doce segundos.

De esta manera, tenemos que describir el proceder de la partícula en términos de un conjunto de probabilidades. En este ejemplo, podemos manifestar que en doce segundos la partícula tiene muchas probabilidades de estar a treinta y ocho metros de distancia, pero hay una posibilidad de que haya viajado sólo veinte, y otra posibilidad de que haya llegado hasta los cincuenta.

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En mecánica cuántica, por lo tanto, todo se encuentra explicado en términos de cosas denominadas funciones ondulatorias. Como el nombre apunta, la función ondulatoria es una descripción del electrón o fotón u otra “partícula” como una onda. La altura de la “onda” es un punto determinado, no obstante, se encuentra relacionada con la posibilidad de encontrar la partícula en ese punto.

De esta manera, si disponemos de una onda con una joroba en el centro que desciende en cola a los dos lados, decimos que la partícula tiene muchas posibilidades de encontrarse en el centro y que tiene muy pocas posibilidades de estar en cualquiera de los dos extremos.

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