Por Geoff Brumfiel de Revista Nature

Al contrario de lo que se enseña a muchos estudiantes, es posible que la incertidumbre cuántica no siempre esté en el ojo del espectador. Un nuevo experimento muestra que medir un sistema cuántico no necesariamente introduce incertidumbre. El estudio derroca una explicación en el aula de por qué el mundo cuántico parece tan difuso, pero el límite fundamental de lo que es cognoscible en las escalas más pequeñas permanece sin cambios.

En la base de la mecánica cuántica está el principio de incertidumbre de Heisenberg. En pocas palabras, el principio establece que existe un límite fundamental a lo que uno puede saber acerca de un sistema cuántico. Por ejemplo, cuanto más precisamente se conoce la posición de una partícula, menos se puede saber acerca de su momento, y viceversa. El límite se expresa como una ecuación simple que es fácil de probar matemáticamente.

Heisenberg a veces explicaba el principio de incertidumbre como un problema de realizar mediciones. Su experimento mental más conocido consistió en fotografiar un electrón. Para tomar la fotografía, un científico podría hacer rebotar una partícula de luz en la superficie del electrón. Eso revelaría su posición, pero también impartiría energía al electrón, haciendo que se mueva. Aprender sobre la posición del electrón crearía incertidumbre en su velocidad; y el acto de medir produciría la incertidumbre necesaria para satisfacer el principio.

A los estudiantes de física todavía se les enseña esta versión de medición-perturbación del principio de incertidumbre en clases introductorias, pero resulta que no siempre es Es cierto. Aephraim Steinberg de la Universidad de Toronto en Canadá y su equipo han realizado mediciones en fotones (partículas de luz) y han demostrado que el acto de medir puede introducir menos incertidumbre que la requerida por el principio de Heisenberg. La incertidumbre total de lo que se puede saber sobre las propiedades del fotón, sin embargo, permanece por encima del límite de Heisenberg.

Medición delicada
El grupo de Steinberg no mide la posición y el momento, sino más bien dos propiedades diferentes interrelacionadas de un fotón : sus estados de polarización. En este caso, la polarización a lo largo de un plano está intrínsecamente ligada a la polarización a lo largo del otro, y según el principio de Heisenberg, existe un límite a la certeza con la que se pueden conocer ambos estados.

Los investigadores hicieron un Medición «débil» de la polarización del fotón en un plano: no lo suficiente para perturbarlo, pero sí lo suficiente para producir una idea aproximada de su orientación. A continuación, midieron la polarización en el segundo plano. Luego hicieron una medición exacta o «fuerte» de la primera polarización para ver si había sido alterada por la segunda medición.

Cuando los investigadores hicieron el experimento varias veces, encontraron que la medición de una La polarización no siempre perturbó al otro estado tanto como predijo el principio de incertidumbre. En el caso más fuerte, la falta de claridad inducida fue tan pequeña como la mitad de lo que predeciría el principio de incertidumbre.

No se emocione demasiado: el principio de incertidumbre sigue en pie, dice Steinberg: «Al final , no hay forma de que puedas saberlo con precisión al mismo tiempo «. Pero el experimento muestra que el acto de medir no siempre es lo que causa la incertidumbre. «Si ya hay mucha incertidumbre en el sistema, entonces no es necesario que haya ningún ruido en la medición», dice.

El último experimento es el segundo en hacer un medición por debajo del límite de ruido de incertidumbre. A principios de este año, Yuji Hasegawa, un físico de la Universidad de Tecnología de Viena en Austria, midió grupos de espines de neutrones y obtuvo resultados muy por debajo de lo que se predeciría si las mediciones insertaran toda la incertidumbre en el sistema.

Pero los últimos resultados son el ejemplo más claro hasta ahora de por qué la explicación de Heisenberg era incorrecta. «Esta es la prueba experimental más directa del principio de incertidumbre de perturbación de medición de Heisenberg», dice Howard Wiseman, físico teórico de Griffith Universidad en Brisbane, Australia «Con suerte, será útil para educar a los escritores de libros de texto para que sepan que la relación ingenua entre medición y perturbación es incorrecta».

Puede resultar difícil sacudir la vieja explicación de la incertidumbre de la medición t, sin embargo. Incluso después de hacer el experimento, Steinberg todavía incluyó una pregunta sobre cómo las mediciones crean incertidumbre en una tarea reciente para sus estudiantes. «Solo mientras lo calificaba me di cuenta de que mi tarea estaba mal», dice. «Ahora tengo que tener más cuidado».

Este artículo se reproduce con permiso de la revista Nature. El artículo se publicó por primera vez el 11 de septiembre de 2012.