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» » ¿Está usted seguro, señor Heisenberg?

Las mediciones realizadas en la Universidad Tecnológica de Viena profundizan en nuestra comprensión de la incertidumbre cuántica.

El principio de incertidumbre de Heisenberg es sin duda uno de los fundamentos más sobresalientes de la física cuántica. Nos indica que no todas las propiedades de una partícula cuántica se pueden medir con una precisión ilimitada. Hasta ahora, esto se ha justificado con la idea de que cada medida, necesariamente, altera la partícula cuántica, con la consiguiente distorsión de los resultados de las mediciones. Esto, sin embargo, resulta ser una simplificación excesiva. En los experimentos de neutrones llevó a cabo por el profesor Yuji Hasegawa y su equipo, en Universidad Tecnológica de Viena, las diferentes fuentes de incertidumbre cuántica pueden ahora distinguirse, siendo validados los resultados teóricos por sus colaboradores de Japón. La influencia de la medición en el sistema cuántico no es siempre la razón para la incertidumbre. Los argumentos de Heisenberg a favor del principio de incertidumbre deben ser revisados, aunque en sí mismo, no obstante, siga siendo válido. Dichos resultados han sido publicados en la revista "Nature Physics".

Posición o moméntum, pero nunca ambos

Es bien sabido que algunas magnitudes físicas no se pueden medir al mismo tiempo. La pregunta es, ¿cómo debe ser interpretada esta realidad?. "El famoso experimento mental de Heisenberg acerca de usar la luz para medir la posición de un electrón aún hoy se citan", señala Jacqueline Erhart, del Instituto de física subatómica de la Universidad Tecnológica de Viena. Para medir la posición de una partícula con alta precisión, debe utilizarse una luz con una longitud de onda muy corta (y por lo tanto, de alta energía). Esto significa que el moméntum se transfiere a la partícula, o sea, la partícula es golpeada por la luz. Por eso, Heisenberg argumentaba que era imposible medir a la vez la posición y el moméntum exacto. Esto mismo también es cierto para otros pares de magnitudes físicas. Heisenberg creía que en estos casos, el error en una medida conducía a una perturbación inevitable de la medición. El producto del error y la perturbación, afirmaba Heisenberg, no pueden ser inferiores al umbral de seguridad.

La naturaleza es incierta, incluso sin mediciones

Sin embargo, el efecto de la medición en el sistema cuántico y la perturbación resultante de la segunda medición, no es el núcleo del problema. "Estas perturbaciones también están presentes en la física clásica, no están necesariamente relacionadas con la física cuántica", explica Stephan Sponar (Viena UT). La incertidumbre radica en la naturaleza cuántica de las partículas. Las partículas cuánticas no puede ser descritas como un objeto puntual, con velocidades bien definidas. Las partículas cuánticas se comportan como una onda, y como tal, la posición y el moméntum no se pueden definir con precisión al mismo tiempo. Se podría decir que una partícula en sí misma, ni tan siquiera "sabe" dónde se encuentra exactamente ni con qué rapidez se desplaza, independientemente de que dicha partícula sea o no medida.

La relación de incertidumbre generalizada. Tomando en cuenta la medición

"Con el fin de describir la incertidumbre fundamental y la perturbación adicional, debido al proceso de medición, tanto la partícula como el dispositivo de medición han de tratarse en el marco de la teoría cuántica", señala Georg Sulyok (Viena UT). Esto fue lo que hizo el profesor y físico japonés Masanao Ozawa, en 2003, que le llevó a un principio de incertidumbre generalizado. Sus ecuaciones contienen diferentes "tipos de incertidumbre": Por un lado está la incertidumbre que proviene de la medición, lo que perturba la partícula (esta es la incertidumbre descrita en el experimento mental de Heisenberg de la posición-moméntum-medición), y por otro lado, están las ecuaciones que contienen la incertidumbre cuántica fundamental, que está presente en cualquier sistema cuántico, independientemente de la medida.

Neutrones y su espín

Un experimento de sofisticado diseño ha hecho posible estudiar esta contribución a la incertidumbre por la Universidad Tecnológica de Viena. En lugar de la posición de una partícula y su moméntum, se midió el espín de los neutrones. El espín en la dirección x y el espín en la dirección y no se pueden medir al mismo tiempo, cumplen la relación de incertidumbre, de igual forma que la posición y el moméntum. Con los campos magnéticos, los espines de los neutrones fueron rotados en la dirección correcta, entonces se pudieron medir los espines en dos experimentos consecutivos. Se llevaron a cabo un gran número de mediciones con pequeños y bien definidos los cambios en el aparato de medición, los físicos pudieron así estudiar la interacción entre las diferentes fuentes de incertidumbre.

Perturbación arbitrariamente pequeña

"Cuanto más pequeño sea el error en una medida, tanto más grande será la perturbación del otro, esta regla sigue siendo válida. Pero, el producto del error y la perturbación se pueden hacer arbitrariamente pequeños, incluso más pequeño de lo que permitiría la formulación original de Heisenberg del principio de incertidumbre", señala el profesor Yuji Hasegawa.

No obstante, si dos medidas tienen gran influencia entre sí: la física cuántica sigue siendo "incierta". "El principio de incertidumbre, por supuesto, sigue siendo cierto", confirman los investigadores. "Pero la incertidumbre no siempre proviene de la influencia perturbadora de la medición, sino de la naturaleza cuántica de la propia partícula."

  • Referencia: AlphaGalileo.org, 16 de enero 2012 
  • Fuente: Vienna University of Technology.
  • Imagen: El equipo de Hasegawa klein
  • Información bibliográfica: Jacqueline Erhart, Stephan Sponar, Georg Sulyok, Gerald Badurek, Masanao Ozawa & Yuji Hasegawa, Experimental demonstration of a universally valid error–disturbance uncertainty relation in spin measurements, Nature Physics (2012), doi:10.1038/nphys2194.

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Editor del blog Pedro Donaire

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