Los neutrones reviven la primera aproximación de Heisenberg a la incertidumbre

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Artículo publicado por Hamish Johnston el 20 de enero de 2012 en physicsworld.com

Físicos de Austria y Japón son los primeros en medir dos cantidades físicas que se usaron en 1927 por Werner Heisenberg en una formulación inicial de la mecánica cuántica – pero luego se abandonó debido a que los términos no parecían coincidir con la teoría, que evolucionaba a toda velocidad. El experimento de los neutrones verifica una reformulación de 2003 del famoso principio de incertidumbre de Heisenberg que reintroduce los conceptos de error y perturbación.

Cuando Heisenberg propuso por primera vez el principio de incertidumbre, lo hizo en términos de reacción de una medida realizada sobre un objeto extremadamente pequeño. Su idea se resumía en el experimento mental del “microscopio de Heisenberg” donde se usaba un fotón para determinar la posición de un electrón. El fotón es dispersado por el electrón y luego detectado.

Heisenberg señaló que tal medida debía competir con una incertidumbre inherente en la medida de la posición en la que tenía lugar la dispersión – conocida como “error” – y una incertidumbre inherente sobre cómo cambiaba el momento del electrón por el proceso de dispersión. El último es conocido como “perturbación” y Heisenberg demostró que para un sistema cuántico, el producto de ambos no debe ser menor de un valor dado – el cual ahora se sabe que está relacionado con la constante de Planck.

Incertidumbre© by TMAB2003


Significado estadístico más profundo

Sin embargo, los conceptos de error y perturbación pronto cayeron en desuso, debido a que parecía aparente que existía una interpretación estadística más profunda de la incertidumbre en la mecánica cuántica. Como resultado, las ideas de Heisenberg no pudieron reconciliarse con la expresión matemática de la mecánica cuántica.

Heisenberg y otros empezaron a expresar el principio de incertidumbre usando conceptos estadísticos – el producto de las desviaciones estándar de la posición y el momento no debía ser menor que un cierto valor dado. Aunque esta formulación proporciona una definición más universal del principio de incertidumbre, siempre ha habido un persistente interés entre los físicos acerca de las ideas originales de Heisenberg de error y perturbación.

Entonces, en 2003, Masanao Ozawa de la Universidad de Nagoya en Japón, derivó una nueva expresión universal del principio de incertidumbre que incluye error y perturbación – así como los términos de desviación estándar. Ahora, Ozawa ha unido fuerzas con Yuji Hasegawa y sus colegas de la Universidad Tecnológica de Viena para confirmar los cálculos usando neutrones de espín polarizado. En lugar de mirar la posición y momento, el experimento mide dos componentes ortogonales del espín del neutrón – cantidades también gobernadas por el principio de incertidumbre.

Neutrones polarizados

El experimento empieza con un haz de neutrones termales monoenergéticos procedentes de un reactor de investigación – el tipo de neutrones que se usarían en estudios de difracción de neutrones por parte de sólidos. Los espines de los neutrones se alinean en la dirección Z haciendo pasar el haz a través de un filtro polarizador. El haz se envía entonces a un aparato que determina la desviación estándar en la medida de la polarización-X, y luego a un aparato similar que determina la desviación estándar en la polarización-Y.

El error y la perturbación se crean “adaptando” el primer aparato de forma que mida la polarización en el plano X-Y que es una pequeña desviación angular del eje-X. Además de crear un error bien definido en la medida de la polarización-X, la rotación también provoca una perturbación bien definida en la polarización-Y.

El error y la perturbación se determinan usando datos de las dos medidas de polarización – y están de acuerdo con la teoría de Ozawa.

Arbitrariamente pequeño

“Cuanto menor es el error en una medida, mayor es la perturbación en la otra – esta regla aún se mantiene”, dice Hasegawa. Sin embargo, señala que el experimento confirma el resultado de Ozawa de que el producto del error y la perturbación pueden ser arbitrariamente pequeños, confirmando que Heisenberg estaba en lo cierto al abandonar su formulación original.

“Éste, ciertamente, es el primer experimento en poner a prueba la formulación de Ozawa, por lo que creo que debería atraer más atención sobre dicha formulación, y cómo es universalmente válida, al contrario que la simplista relación medida-perturbación de Heisenberg”, dice Howard Wiseman de la Universidad Griffith de Australia.

“La idea simple de que la relación de incertidumbre puede surgir debido a que cualquier medida de la cantidad X “ronda” el valor de una cantidad complementaria Y, aún está muy presente en las charlas elementales de mecánica cuántica. Esperamos que este experimento ayude a disipar esa idea”.

El experimento se describe en Nature Physics.


Autor: Hamish Johnston
Fecha Original: 20 de enero de 2012
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