Artículo publicado por Geoff Brumfield el 11 de septiembre de 2012 en Nature News
Se demuestra la falsedad de una interpretación común del principio de incertidumbre de Heisenberg.
Contrariamente a lo que se enseña a
muchos estudiantes, la incertidumbre cuántica puede no estar siempre en
el ojo del que mira. Un nuevo experimento demuestra que medir un sistema
cuántico no siempre introduce necesariamente incertidumbre. El estudio
derroca una explicación común en las aulas sobre por qué el mundo
cuántico parece tan difuso, pero el límite fundamental a lo conocible en
las menores escalas sigue sin cambios.
Incertidumbre © by TMAB2003
En las bases de la mecánica cuántica se encuentra el principio de incertidumbre de Heisenberg. Expresado simplemente, dicho principio afirma que existe un límite fundamental a lo que se puede conocer acerca de un sistema cuántico. Por ejemplo, cuanta mayor precisión se tenga sobre la posición de una partícula, menos se sabrá sobre su momento, y viceversa. El límite se expresa como una ecuación simple que es fácil de demostrar matemáticamente.
Heisenberg a veces explicó el principio
de incertidumbre como un problema al realizar medidas. Su experimento
mental más famoso implicaba la fotografía de un electrón. Para tomar la
imagen, un científico tendría que hacer rebotar una partícula de luz
sobre la superficie del electrón. Esto revelaría su posición, pero
también impartiría energía al mismo, provocando su movimiento. Conocer
la posición del electrón crearía una incertidumbre sobre su velocidad; y
el acto de la medida produciría la incertidumbre necesaria para
satisfacer el principio.
Los estudiantes de física aún aprenden
esta versión de medida-perturbación del principio de incertidumbre en
las clases introductorias, pero resulta que no siempre es cierto.
Aephraim Steinberg de la Universidad de Toronto en Canadá y su equipo
han realizado medidas sobre fotones (partículas de luz) y demostraron
que la medida puede introducir menos incertidumbre de la requerida por
el principio de Heisenberg1. La incertidumbre total de lo que
podemos saber sobre las propiedades del fotón, sin embargo, sigue por
encima del límite de Heisenberg.
Medidas delicadas
El grupo de Steinberg no mide la
posición y momento, sino dos propiedades interrelacionadas distintas del
fotón: sus estados polarizados. En este caso, la polarización a lo
largo de un plano está intrínsecamente ligada a la polarización del
otro, y por el principio de Heisenberg, existe un límite a la
certidumbre con la que podemos conocer ambos estados.
Los investigadores realizaron una medida
‘débil’ sobre la polarización del fotón en un plano – no lo suficiente
como para perturbarlo, pero suficiente para producir un cambio
apreciable en su orientación. Luego midieron la polarización en el
segundo plano. Realizaron una medida exacta, o ‘fuerte’, de la primera
polarización para ver si se había visto perturbada por la segunda
medida.
Cuando los investigadores realizaron
múltiples veces el experimento, encontraron que las medidas de la
polarización no siempre perturbaban el otro estado tanto como predecía
el principio de incertidumbre. En el caso de la medida fuerte, la
incertidumbre inducida fue menos de la mitad de la predicha por el
principio de incertidumbre.
No te entusiasmes demasiado: el
principio de incertidumbre aún se mantiene, dice Steinberg: “Finalmente,
no hay forma de que puedas medir con precisión [ambos estados
cuánticos] a la vez”. Pero el experimento demuestra que el acto de la
medida no es siempre lo que provoca la incertidumbre. “Si ya hay una
gran cantidad de incertidumbre en el sistema, entonces no hay necesidad
de ruido para la medida”, dice.
El último experimento es el segundo en
hacer una medida por debajo del límite del ruido de incertidumbre. A
principios de año, Yuji Hasegawa, físico de la Universidad Tecnológica
de Viena en Austria, midió grupos de espines de neutrones y derivó los
resultados muy por debajo de lo que se predeciría si las medidas
insertaran toda la incertidumbre al sistema2.
Pero los últimos resultados son el
ejemplo más claro de por qué la explicación de Heisenberg era
incorrecta. “Esta es la prueba experimental más directa de la
incertidumbre medida-perturbación enel principio de incertidumbre de
Heisenberg”, dice Howard Wiseman, físico teórico en la Universidad de
Griffith en Brisbane, Australia. “Esperemos que sea útil para los
escritores de libros de texto ya que ahora saben que el ingenuo
argumento de la relación medida-perturbación es incorrecto”.
Sacudirnos de encima la vieja
explicación de medida-incertidumbre puede ser difícil, no obstante.
Incluso tras realizar el experimento, Steinberg aún incluye una cuestión
sobre cómo las medidas crean incertidumbre en un reciente trabajo
encargado a sus estudiantes. “Solo cuando estaba empecé a evaluarlo me
di cuenta de que el trabajo que había encargado era incorrecto”, dice.
“Ahora tengo que ser más cuidadoso”.
Nature doi:10.1038/nature.2012.11394
Artículos de Referencia:
1.- Rozema, L. A. et al. Phys. Rev. Lett. 109, 100404 (2012).
2.- Erhart, J. et al. Nature Phys. 8, 185–189 (2012).
Autor: Geoff Brumfield
Fecha Original: 11 de septiembre de 2012
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