La incertidumbre cuántica no está toda en la medida

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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 alPhys. Rev. Lett. 109, 100404 (2012).
2.- Erhart, J. et alNature Phys. 8, 185–189 (2012).

Autor: Geoff Brumfield
Fecha Original: 11 de septiembre de 2012
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