La palabra incertidumbre se usa mucho en mecánica cuántica. Una escuela de pensamiento es que esto significa que hay algo en el mundo de lo que no estamos seguros. Pero la mayoría de los físicos creen que la naturaleza en sí misma es incierta.

La incertidumbre intrínseca fue fundamental en la forma en que el físico alemán Werner Heisenberg, uno de los creadores de la mecánica cuántica moderna, presentó la teoría.

Puso Adelante el principio de incertidumbre que demostró que nunca podemos conocer todas las propiedades de una partícula al mismo tiempo.

Por ejemplo, medir la posición de la partícula nos permitiría conocer su posición. Pero esta medición perturbaría necesariamente su velocidad, en una cantidad inversamente proporcional a la precisión de la medición de la posición.

¿Estaba equivocado Heisenberg?

Heisenberg usó el principio de incertidumbre para explicar cómo la medición destruir esa característica clásica de la mecánica cuántica, el patrón de interferencia de dos rendijas (más sobre esto a continuación).

Pero en la década de 1990, algunos físicos cuánticos eminentes afirmaron haber demostrado que es posible determinar cuál de los dos rendijas por las que pasa una partícula, sin alterar significativamente su velocidad.

¿Significa eso que la explicación de Heisenberg debe ser incorrecta? En un trabajo recién publicado en Science Advances, mis colegas experimentales y yo hemos demostrado que no sería prudente llegar a esa conclusión.

Mostramos que siempre existe una alteración de la velocidad, del tamaño esperado del principio de incertidumbre. , en cierto sentido.

Pero antes de entrar en detalles, debemos explicar brevemente sobre el experimento de dos rendijas.

El experimento de dos rendijas

En este tipo de experimento hay es una barrera con dos agujeros o rendijas. También tenemos una partícula cuántica con una incertidumbre de posición lo suficientemente grande como para cubrir ambas rendijas si se dispara a la barrera.

Dado que no podemos saber por qué rendija pasa la partícula, actúa como si fuera a través de ambas ranuras. La firma de esto es el llamado «patrón de interferencia»: ondas en la distribución de donde es probable que se encuentre la partícula en una pantalla en el campo lejano más allá de las ranuras, es decir, un largo camino (a menudo varios metros) más allá de las ranuras. .

Pero, ¿qué pasa si ponemos una medida dispositivo cerca de la barrera para averiguar qué rendija atraviesa la partícula? ¿Seguiremos viendo el patrón de interferencia?

Sabemos que la respuesta es no, y la explicación de Heisenberg fue que si la medición de posición es lo suficientemente precisa para decir por la hendidura que atraviesa la partícula, dará una perturbación aleatoria a su velocidad lo suficientemente grande como para afectar dónde termina s arriba en el campo lejano, y así eliminar las ondas de interferencia.

Lo que los eminentes físicos cuánticos se dieron cuenta es que descubrir por qué rendija pasa la partícula no requiere una medición de posición como tal. Cualquier medición que dé resultados diferentes dependiendo de la rendija por la que pase la partícula servirá.

Y se les ocurrió un dispositivo cuyo efecto sobre la partícula no es el de una patada de velocidad aleatoria a medida que pasa. Por lo tanto, argumentaron, no es el principio de incertidumbre de Heisenberg lo que explica la pérdida de interferencia, sino algún otro mecanismo.

Como predijo Heisenberg

No tenemos que entrar en lo que ellos Se afirmó que era el mecanismo para destruir la interferencia, porque nuestro experimento ha demostrado que hay un efecto sobre la velocidad de la partícula, exactamente del tamaño que predijo Heisenberg.

Vimos lo que otros han pasado por alto porque esta alteración de la velocidad no ocurre cuando la partícula pasa por el dispositivo de medición. Por el contrario, se retrasa hasta que la partícula haya pasado bien las rendijas, en el camino hacia el campo lejano.

¿Cómo es esto posible? Bueno, porque las partículas cuánticas no son solo partículas. También son ondas.

De hecho, la teoría detrás de nuestro experimento fue una en la que se manifiestan tanto la naturaleza de onda como de partícula: la onda guía el movimiento de la partícula de acuerdo con la interpretación introducida por el físico teórico David Bohm , una generación después de Heisenberg.

Experimentemos

En nuestro último experimento, los científicos en China siguieron una técnica sugerida por mí en 2007 para reconstruir el movimiento hipotético de las partículas cuánticas, desde muchos puntos de partida posibles diferentes en ambos rendijas y para ambos resultados de la medición.

Compararon las velocidades a lo largo del tiempo cuando no había un dispositivo de medición presente con las de cuando sí lo había, y así determinaron el cambio en las velocidades como resultado de la medición.

El experimento demostró que el efecto de la medición sobre la velocidad de las partículas continuó mucho después de que las partículas hubieran despejado el dispositivo de medición, a una distancia de hasta 5 metros de él.

En ese punto, en el campo lejano, el cambio acumulativo en la velocidad fue lo suficientemente grande, en promedio, para eliminar las ondas en el patrón de interferencia.

Entonces, al final, el Principio de Incertidumbre de Heisenberg emerge triunfante.

¿El mensaje para llevar a casa? No haga afirmaciones de gran alcance sobre qué principio puede o no puede explicar un fenómeno hasta que haya considerado todas las formulaciones teóricas del principio.

Sí, es un mensaje un tanto abstracto, pero es un consejo que podría aplicarse en campos alejados de la física.