El principio de incertidumbre de Heisenberg supuso un gran aporte a la física de partículas.
El principio de incertidumbre de Heisenberg es un postulado que indica que no resulta posible conocer con precisión el valor de determinados pares de variables físicas complementarias. Quien enunció dicha regla fue el alemán Werner Heisenberg (1901-1976).
De acuerdo a este principio, cuando la incertidumbre sobre la posición que ocupa una partícula es pequeña, la incertidumbre acerca de su momento es grande. Lo mismo ocurre al revés: si la incertidumbre de posición es grande, la incertidumbre de momento es reducida.
Dicho de otra manera, el principio de incertidumbre de Heisenberg afirma que, a medida que se aspira a señalar la posición de una partícula con mayor certeza, se puede conocer menos de su cantidad de movimiento, momento o momentum (y, por consiguiente, de su velocidad y su masa).
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ResumenEntendiendo el principio de incertidumbre de Heisenberg
El principio de incertidumbre de Heisenberg se basa en la superposición cuántica de las propiedades de las partículas. Esto supone que hay partículas cuyas variables observables (como la energía y la posición) presentan dos o más valores de forma simultánea.
Para comprender a qué se refiere el principio, deben considerarse las características de la mecánica cuántica. En el universo cuántico, un sistema físico tiene una existencia teórica simultánea en diferentes estados posibles. Si se realiza una medición, el resultado que se obtiene corresponde únicamente a una configuración de todas las posibles.
Hay, por lo tanto, una superposición de propiedades. Debido a esta particularidad, el principio de incertidumbre de Heisenberg manifiesta que es imposible definir con exactitud ciertas variables físicas, como la posición y el momento.
De una manera simplificada, suele indicarse que estas variables solo pueden definirse operacionalmente, siempre teniendo en cuenta el procedimiento experimental llevado a cabo y tomando un determinado sistema de referencia.
De acuerdo al principio de incertidumbre de Heisenberg, el momento y la posición de los electrones y otras partículas subatómicas no pueden conocerse con precisión debido a la superposición cuántica.
Sus consecuencias
El principio de incertidumbre de Heisenberg hace que intentar conocer los valores de la posición y el momento de manera simultánea sea absurdo. Lo que se puede hacer es apelar a entidades matemáticas que guarden una correspondencia con la posición y el momento, sin ser iguales.
Debe considerarse que, en la mecánica cuántica, las partículas no siguen una trayectoria definida y, por lo tanto, el valor exacto de la totalidad de las magnitudes físicas que permiten describir el estado de movimiento es inaccesible. Lo que hay es una probabilidad de que la partícula en cuestión esté, en un momento dado, en una cierta región espacial.
Si bien hay diferentes visiones en la física cuántica, en general se asocia la indeterminación a la inexistencia de las posiciones de las partículas: existen, en cambio, ondas. A partir del principio de incertidumbre de Heisenberg, en este marco, se deducen fenómenos como la radiación de Hawking, la energía del vacío, la energía del punto cero y el efecto túnel.
Al principio de incertidumbre de Heisenberg también se lo conoce como relación de indeterminación.
El principio de incertidumbre de Heisenberg y las matemáticas
El principio de incertidumbre de Heisenberg puede expresarse mediante la siguiente fórmula:
ΔpΔx ≥ h
En esta fórmula, Δp es la incertidumbre del momentum (que se calcula multiplicando la masa por la velocidad), Δx es la incertidumbre de la posición y h es la constante de Planck (h=6.63×10⁻³⁴Js).
Cabe destacar que la constante de Planck es el cuanto de una acción (es decir, el valor más pequeño que puede adquirir una cierta magnitud en un sistema físico). Como la constante de Planck es muy pequeña, la indeterminación cuántica se considera despreciable para la física determinista y el ámbito macroscópico en general.
Análisis de diversos fenómenos
Como indicábamos líneas arriba, a partir del principio de incertidumbre de Heisenberg es posible la deducción de otros fenómenos que forman parte del ámbito de la mecánica cuántica.
La radiación de Hawking fue propuesta por Stephen Hawking (1942-2018). De acuerdo a este físico, en teoría esta radiación se genera en las proximidades del horizonte de sucesos de un agujero negro. Lo que hace la radiación de Hawking es reducir la energía rotacional y la masa de los agujeros negros, lo cual deriva en su desaparición.
La idea de energía del vacío, por otro lado, hace alusión a un tipo de energía del punto cero que hay en el espacio, inclusive donde no existe la materia. Por eso el concepto se vincula al llamado vacío cuántico. Se cree que la energía del vacío incidió en el comienzo de la inflación cósmica y en la aceleración de la expansión del universo.
En cuanto a la energía del punto cero, así se denomina a la energía más baja que puede tener un sistema físico en la mecánica cuántica. También se trata de la energía que tiene el estado estacionario del sistema en cuestión.
El efecto túnel, en tanto, es un fenómeno que se produce cuando una partícula incumple los preceptos de la mecánica clásica y penetra una barrera de potencial que resulta mayor que su energía cinética.
Asimismo puede nombrarse a la partícula virtual: una fluctuación de tipo cuántico que adopta el formato de una partícula elemental, la cual existe en un periodo temporal muy breve y cuyas propiedades físicas, debido al principio de incertidumbre de Heisenberg, no pueden ser medidas.
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