Principio de incertidumbre

el principio de incertidumbre establece que la posición y la velocidad
ambos no pueden medirse exactamente al mismo tiempo (en realidad, pares de posición, energía y
hora)

el principio de incertidumbre deriva del problema de medición, la conexión íntima entre la onda y
naturaleza de partículas de objetos cuánticos

el cambio en la velocidad de una partícula se define más mal a medida que la función de onda se limita a una menor
región

La física clásica andaba floja con problemas de
dualidad onda / partícula, pero
fue sorprendido por completo con el descubrimiento del
incertidumbre
principio.

El principio de incertidumbre también llamado Principio de incertidumbre de Heisenberg,
o Principio de indeterminación, articulado (1927) por el físico alemán Werner
Heisenberg, que la posición y la velocidad de un objeto no pueden ser ambas
medido exactamente, al mismo tiempo, incluso en teoría. Los mismos conceptos de
la posición exacta y la velocidad exacta juntas, de hecho, no tienen significado en
naturaleza.

La experiencia ordinaria no proporciona ninguna pista de este principio. Es fácil
medir tanto la posición como la velocidad de, por ejemplo, un automóvil, porque
las incertidumbres implicadas por este principio para los objetos ordinarios son demasiado
Pequeño para ser observado. La regla completa estipula que el producto de la
incertidumbres en la posición y la velocidad es igual o mayor que un pequeño
cantidad física, o constante (aproximadamente 10 ^-34 joule-segundo, el
valor de la cantidad h (donde h es la constante de Planck). Solo para el
El producto produce masas extremadamente pequeñas de átomos y partículas subatómicas.
de las incertidumbres se vuelven significativas.

Cualquier intento de medir con precisión la velocidad de una partícula subatómica,
como un electrón, lo golpeará de una manera impredecible, de modo que
Una medición simultánea de su posición no tiene validez. Este resultado
no tiene nada que ver con las deficiencias en los instrumentos de medición, el
técnica, o el observador; surge de la conexión íntima en
naturaleza entre partículas y ondas en el ámbito de las dimensiones subatómicas.

Cada partícula tiene una onda asociada a ella; cada partícula en realidad
exhibe un comportamiento ondulatorio. La partícula es más probable que se encuentre en
aquellos lugares donde las ondulaciones de la ola son mayores, o más
intenso. Cuanto más intensas se vuelven las ondulaciones de la onda asociada,
sin embargo, cuanto más mal definido se convierte en la longitud de onda, que a su vez
determina el impulso de la partícula. Entonces una ola estrictamente localizada tiene
una longitud de onda indeterminada; su partícula asociada, mientras que tiene un
posición definida, no tiene cierta velocidad. Una onda de partículas que tiene un
la longitud de onda bien definida, por otro lado, se extiende; el asociado
La partícula, aunque tiene una velocidad bastante precisa, puede estar en casi cualquier lugar.
Una medición bastante precisa de un observable implica un relativamente grande
incertidumbre en la medida del otro.

El principio de incertidumbre se expresa alternativamente en términos de un
impulso y posición de la partícula. El impulso de una partícula es igual a
El producto de su masa multiplicado por su velocidad. Por lo tanto, el producto de la
incertidumbres en el momento y la posición de una partícula es igual a h / (2)
o más. El principio se aplica a otros pares relacionados (conjugados) de
observables, como la energía y el tiempo: el producto de la incertidumbre en un
medición de energía y la incertidumbre en el intervalo de tiempo durante el cual
la medida se realiza también es igual a h / (2) o más. La misma relacion
se mantiene, para un átomo o núcleo inestable, entre la incertidumbre en el
cantidad de energía radiada y la incertidumbre en la vida útil de la
sistema inestable ya que hace una transición a un estado más estable.

la naturaleza de onda a partículas significa que una partícula es un paquete de ondas, el compuesto de muchas ondas

muchas ondas = muchos impulsos, la observación genera un impulso entre muchos

el conocimiento exacto de los pares de complementariedad (posición, energía, tiempo) es imposible

El principio de incertidumbre, desarrollado por W. Heisenberg, es una declaración de
Los efectos de la dualidad onda-partícula sobre las propiedades de la subatómica
objetos. Considere el concepto de impulso en el microscopio de onda
mundo. El impulso de la onda viene dado por su longitud de onda. Un paquete de olas
como un fotón o un electrón es un compuesto de muchas ondas. Por lo tanto, debe
estar hecho de muchos impulsos. Pero, ¿cómo puede un objeto tener muchos impulsos?

Por supuesto, una vez que se realiza una medición de la partícula, un solo impulso
es observado. Pero, como la posición difusa, el impulso antes de la observación es
intrínsecamente incierto. Esto es lo que se conoce como incertidumbre.
principio, que ciertas cantidades, como la posición, la energía y el tiempo, son
desconocido, excepto por probabilidades. En su forma más pura, la incertidumbre
principio establece que el conocimiento exacto de
pares de complementariedad es
imposible. Por ejemplo, puede medir la ubicación de un electrón, pero
no su impulso (energía) al mismo tiempo.

complementariedad también significa que diferentes experimentos producen diferentes resultados (por ejemplo, el experimento de dos rendijas)

por lo tanto, una sola realidad no puede aplicarse a nivel cuántico

Un rasgo característico de la física cuántica es el principio de complementariedad,
que “implica la imposibilidad de una separación aguda entre el comportamiento
de objetos atómicos y la interacción con los instrumentos de medición que
sirven para definir las condiciones bajo las cuales aparecen los fenómenos “. Como resultado,
“la evidencia obtenida bajo diferentes condiciones experimentales no puede ser comprendida
dentro de una sola imagen, pero debe considerarse como complementaria en el sentido
que solo la totalidad de los fenómenos agota la información posible
sobre los objetos “. Esta interpretación del significado de la física cuántica,
que implicaba una visión alterada del significado de la explicación física, gradualmente
llegó a ser aceptado por la mayoría de los físicos durante la década de 1930.

Matemáticamente describimos el principio de incertidumbre como el siguiente,
donde ‘x’ es la posición y ‘p’ es el momento:

[ 19459010]

la forma matemática del principio de incertidumbre se relaciona con la constante de Planck

el conocimiento no es ilimitado, existe indeterminación incorporada, sino que solo en el mundo microscópico, todo colapsa
al determinismo en el mundo macroscópico

Esta es quizás la ecuación más famosa junto a E = mc ² en física. Básicamente dice que la combinación
del error en la posición multiplicado por el error en el momento siempre debe ser
mayor que la constante de Planck. Entonces, puedes medir la posición de un
electrón con cierta precisión, pero entonces su impulso estará dentro de un muy
Amplio rango de valores. Del mismo modo, puede medir el impulso con precisión,
pero entonces su posición es desconocida.

Tenga en cuenta que este no es el problema de medición en otra forma, la
combinación de posición, energía (momento) y tiempo en realidad no están definidos
para una partícula cuántica hasta que se realice una medición (entonces la función de onda
se derrumba).

Observe también que el principio de incertidumbre no es importante para los macroscópicos.
debido a que la constante de Planck, h, es muy pequeña (10 ^-34). Por ejemplo, la incertidumbre en la posición de un
el béisbol lanzado es de 10 ^-30 milímetros.

La profundidad del principio de incertidumbre se realiza cuando preguntamos
pregunta; ¿Es ilimitado nuestro conocimiento de la realidad? La respuesta es no,
porque el principio de incertidumbre establece que hay una función incorporada
incertidumbre, indeterminación, imprevisibilidad para la naturaleza.

   A menudo se afirma que de todas las teorías propuestas en este
   siglo, el más tonto es la teoría cuántica. Algunos dicen que el único
   Lo que la teoría cuántica tiene a su favor, de hecho, es que
   Es indudablemente correcto.

  - R. Feynman

Mecánica cuántica :

la mecánica cuántica es para el mundo microscópico lo que la mecánica clásica y el cálculo son para el mundo macroscópico

es el proceso operativo de cálculo del fenómeno de la física cuántica

su tarea principal es llevar el orden y la predicción a la incertidumbre del mundo cuántico, su herramienta principal es
Ecuación de Schrodinger

El campo de cuántico
mecánica se refiere a la descripción del fenómeno a pequeña escala donde
la física clásica se descompone. La mayor diferencia entre el
reino clásico y microscópico, es que el mundo cuántico no puede ser
percibido directamente, sino más bien a través del uso de instrumentos. Y una llave
suposición a una física cuántica es que los principios de la mecánica cuántica
debe reducirse a los principios newtonianos a nivel macroscópico (hay una
continuidad entre mecánica cuántica y newtoniana).

La mecánica cuántica fue capaz de poner orden en la incertidumbre de la
mundo microscópico mediante el tratamiento de la función de onda con nuevas matemáticas.
La clave de esta idea fue el hecho de que las probabilidades relativas de diferentes
los posibles estados aún están determinados por las leyes. Por lo tanto, hay una diferencia
entre el papel del azar en la mecánica cuántica y el caos irrestricto
de un universo sin ley.

Cada partícula cuántica se caracteriza por una función de onda. En 1925 Erwin
Schrodinger desarrolló la ecuación diferencial que describe la
evolución de esas funciones de onda. Al usar la ecuación de Schrodinger,
los científicos pueden encontrar la función de onda que resuelve un problema particular en
mecánica cuántica. Desafortunadamente, generalmente es imposible encontrar un
solución exacta a la ecuación, por lo que se utilizan ciertos supuestos en orden
para obtener una respuesta aproximada para el problema particular.

la diferencia clave entre la mecánica cuántica y la clásica es el papel de la probabilidad y el azar

los objetos cuánticos se describen por campos de probabilidad, sin embargo, esto no significa que sean indeterminados, solo
incierto

La diferencia entre la mecánica cuántica y la mecánica newtoniana es la
papel de probabilidad y estadística. Mientras que el principio de incertidumbre
significa que los objetos cuánticos tienen que ser descritos por campos de probabilidad,
Esto no significa que el mundo microscópico no se ajuste a
leyes deterministas De hecho lo hace. Y la medición es un acto por el cual
el medidor y lo medido interactúan para producir un resultado. Aunque esto
no es simplemente la determinación de una propiedad preexistente.

La descripción cuántica de la realidad es objetiva (forma débil) en el sentido
que todos los armados con una educación en física cuántica pueden hacer lo mismo
experimentos y llegar a las mismas conclusiones. Fuerte objetividad, como en
física clásica, requiere que la imagen del mundo producida por el
suma total de todos los resultados experimentales para ser no solo una imagen o
modelo, pero idéntico al mundo objetivo, algo que existe
fuera de nosotros y antes de cualquier medición que podamos tener de ella. Cuántico
la física no tiene esta característica debido a su función incorporada
indeterminación

Durante siglos, los científicos se han acostumbrado a la idea de que algo así como
La fuerte objetividad es la base del conocimiento. Tanto es así que nosotros
hemos llegado a creer que es una parte esencial del método científico
y que sin este tipo de objetividad más sólido la ciencia sería
inútil y arbitrario. Sin embargo, la interpretación de Copenhague de
la física cuántica (ver abajo) niega que exista algo así como un verdadero
y una realidad inequívoca en el fondo de todo. La realidad es lo que tú
medirlo para ser, y no más. No importa cuán incómoda sea la ciencia
con este punto de vista, la física cuántica es extremadamente precisa y es la
fundamento de la física moderna (quizás entonces una visión objetiva de la realidad es
no es esencial para la conducta de la física). Y conceptos, como
causa y efecto, sobrevivir solo como consecuencia del comportamiento colectivo
de grandes sistemas cuánticos.

El gato de Schrodinger y la realidad cuántica :

la famosa paradoja del gato Schrodinger da un ejemplo de la rareza del mundo cuántico

En 1935, Schrodinger, responsable de formular gran parte de la ola.
mecánica en física cuántica, publicó un ensayo que describe lo conceptual
problemas en mecánica cuántica. Un breve párrafo en este ensayo describe
la, ahora famosa, paradoja del gato.

la paradoja está redactada de tal manera que un evento cuántico determina si un gato es asesinado o no

desde una perspectiva cuántica, todo el estado del sistema está vinculado a la función de onda del evento cuántico, es decir
el gato está vivo y muerto al mismo tiempo

Incluso se pueden establecer casos bastante ridículos donde la física cuántica se rebela
contra el sentido común. Por ejemplo, considere que un gato está encerrado en un acero
cámara, junto con el siguiente dispositivo diabólico (que debe asegurarse
contra la interferencia directa del gato). En el dispositivo hay un contador Geiger
con un poquito de sustancia radiactiva, tan pequeña que quizás en el
curso de una hora solo uno de los átomos se descompone, pero también, con igual
probabilidad, quizás ninguna. Si ocurre la descomposición, el tubo contador
descargas y a través de un relé libera un martillo que rompe un pequeño
matraz de ácido hidrocianico. Si uno ha dejado todo este sistema solo
durante una hora, uno diría que el gato todavía vive si mientras tanto no hay átomo
ha decaído La primera desintegración atómica lo habría envenenado. La ola
la función para todo el sistema expresaría esto al tener en él
vivo y el gato muerto mezclado o manchado en partes iguales.

la paradoja en cierto sentido no es una paradoja, sino que señala la tensión entre lo microscópico y
mundos macroscópicos y la importancia del observador en un escenario cuántico

los objetos cuánticos existen en superposición, muchos estados, como se muestra por interferencia

el observador colapsa la función de onda

Es típico de estos casos que una indeterminación restringiera originalmente
al dominio atómico se transforma en indeterminación macroscópica,
que luego puede resolverse mediante observación directa. Eso nos impide
aceptando ingenuamente como válido un “ modelo borroso ” para representar la realidad.
En sí mismo, no representaría nada poco claro o contradictorio. Ahi esta
una diferencia entre una fotografía temblorosa o desenfocada y una instantánea de
nubes y bancos de niebla.

Sabemos que la superposición de posibles resultados debe existir simultáneamente en
un nivel microscópico porque podemos observar los efectos de interferencia de estos.
Sabemos (al menos la mayoría de nosotros lo sabemos) que el gato en la caja está muerto, vivo o
muriendo y no en un estado manchado entre las alternativas. Cuando y cómo
¿El modelo de muchas posibilidades microscópicas se resuelve en un
particular estado macroscópico? ¿Cuándo y cómo funciona el banco de niebla de microscópico?
las posibilidades se transforman en la imagen borrosa que tenemos de un definido
estado macroscópico Ese es el colapso
del problema de la función de onda y el gato de Schrodinger es un simple y elegante
explicación de ese problema.

Interfaz mundial macroscópica / microscópica :

los eventos en el mundo microscópico pueden ocurrir * sin * causa = indeterminación

fenómeno como el túnel muestra que la física cuántica se filtra en el mundo macroscópico

El mundo macroscópico es newtoniano y determinista para eventos locales.
(Sin embargo, tenga en cuenta que incluso el mundo macroscópico sufre el caos ). Por otro lado, el
La indeterminación radical microscópica del mundo cuántico limita cualquier certeza
rodeando el desarrollo de eventos físicos. Muchas cosas en el
El mundo newtoniano es impredecible ya que nunca podemos obtener todos los
factores que afectan un sistema físico. Pero la teoría cuántica es mucho más.
inquietante en que los eventos a menudo suceden sin causa (por ejemplo, radiactivo
decaer).

Tenga en cuenta que la indeterminación del mundo microscópico tiene poco efecto en
objetos macroscópicos Esto se debe al hecho de que la función de onda para grandes
Los objetos son extremadamente pequeños en comparación con el tamaño del mundo macroscópico.
Su función de onda personal es mucho más pequeña que cualquier medición actual
Tamaños. Y la indeterminación del mundo cuántico no está completa porque
Es posible asignar probabilidades a la función de onda.

Pero, como nos muestra la paradoja del gato de Schrodinger, las reglas de probabilidad de
El mundo microscópico puede filtrarse al mundo macroscópico. La paradoja de
El gato de Schrodinger ha provocado un gran debate entre los teóricos
físicos y filósofos. Aunque algunos pensadores han argumentado que el
cat realmente existe en dos estados superpuestos, la mayoría afirma que
la superposición solo ocurre cuando un sistema cuántico está aislado del resto
de su entorno. Se han avanzado varias explicaciones para dar cuenta de
esta paradoja, incluida la idea de que el gato, o simplemente el animal
El entorno físico (como los fotones en la caja), puede actuar como un
observador.

La pregunta es, ¿en qué punto, o escala, las reglas probabilísticas de
el reino cuántico da paso a las leyes deterministas que gobiernan el
mundo macroscópico? Esta pregunta ha sido puesta en relieve por el
trabajo reciente donde un grupo NIST confinó un átomo de berilio cargado en un
pequeña jaula electromagnética y luego la enfrió con un láser a su punto más bajo
estado de energía En este estado, la posición del átomo y su “giro” (un
propiedad cuántica que solo es metafóricamente análoga a girar en el
sentido común) podría determinarse dentro de un grado muy alto de
precisión, limitada por el principio de incertidumbre de Heisenberg.

la decoherencia evita una paradoja macroscópica del gato Schrodinger

la nueva tecnología permite la manipulación de objetos a nivel cuántico

investigaciones futuras investigarán áreas como la teletransportación cuántica y la computación cuántica

Luego, los trabajadores estimularon el átomo con un láser lo suficiente como para cambiar
su función de onda; de acuerdo con la nueva función de onda del átomo, ahora
tenía una probabilidad del 50 por ciento de estar en un estado “giratorio” en su estado inicial
posición y una probabilidad igual de estar en un estado “spin-down” en un
posicionarse a una distancia de hasta 80 nanómetros, una gran distancia para
reino atómico En efecto, el átomo estaba en dos lugares diferentes, así como
dos estados de giro diferentes, al mismo tiempo: un análogo atómico de un gato
tanto vivos como muertos.

La evidencia de que los investigadores del NIST habían logrado su objetivo
vinieron de su observación de un patrón de interferencia; ese fenómeno es
una señal reveladora de que un solo átomo de berilio produjo dos ondas distintas
funciones que interfieren entre sí.

La visión moderna de la mecánica cuántica establece que el gato de Schrodinger, o cualquier
objeto macroscópico, no existe como superposiciones de existencia debido a
decoherencia Una función de onda prístina es coherente, es decir, no perturbada por
observación. Pero el gato de Schrodinger no es una función de onda prístina, es
interactuando constantemente con otros objetos, como las moléculas de aire en la caja,
o la caja en sí. Así, un objeto macroscópico se vuelve decoherente por muchos
interacciones atómicas con su entorno circundante.

La decoherencia explica por qué no vemos rutinariamente superposiciones cuánticas en
el mundo alrededor de nosotros. No es porque la mecánica cuántica se detenga intrínsecamente
trabajando para objetos más grandes que algunos de tamaño mágico. En cambio, macroscópico
objetos como gatos y cartas son casi imposibles de mantener aislados
medida necesaria para evitar la decoherencia. Objetos microscópicos, en contraste,
están más fácilmente aislados de su entorno para que retengan su
secretos cuánticos y comportamiento cuántico.

Fisión / Fusión :

dado que los eventos cuánticos no tienen una “causa”, esto también significa que todos los eventos cuánticos posibles deben y serán
suceder

sin causa y efecto, las leyes de conservación pueden ser violadas, aunque solo en plazos muy cortos (cosas
tiene que sumar al final)

la violación de masa / energía permitió la comprensión de la fuente de energía nuclear en el Universo,
fisión y fusión

Uno de los resultados sorprendentes de la física cuántica es que si un evento físico no es
específicamente prohibido por una regla cuántica, de lo que puede y sucederá. Mientras esto
Puede ser extraño, es un resultado directo del principio de incertidumbre. Cosas que son
leyes estrictas en el mundo macroscópico, como la conversación de masa y energía,
puede romperse en el mundo cuántico con la advertencia de que solo pueden romperse por
intervalos de tiempo muy pequeños (menos de un tiempo de Planck).
La violación de las leyes de conservación llevó a uno de los mayores
avances de principios del siglo 20, la comprensión de
desintegración de la radiactividad (fisión) y la fuente del poder en las estrellas
(fusión).

La fisión nuclear es la descomposición de grandes núcleos atómicos en pequeños
elementos. Esto puede suceder espontáneamente (desintegración radiactiva) o inducida por
La colisión con un neutrón libre. La fisión espontánea se debe a la
hecho de que la función de onda de un núcleo grande es “más difusa” que la onda
función de una partícula pequeña como la partícula alfa. La incertidumbre
El principio establece que, a veces, una partícula alfa (2 protones y 2
neutrones) pueden hacer un túnel fuera del núcleo y escapar.

la fisión es la división de núcleos atómicos, ya sea espontáneamente o por colisión (inducida)

la fusión es la fusión de partículas atómicas para formar nuevas partículas

La fisión inducida ocurre cuando un neutrón libre golpea un núcleo y lo deforma. Debajo
física clásica, el núcleo simplemente se reformaría. Sin embargo, bajo física cuántica
hay una probabilidad finita de que el núcleo deformado se convierta en dos nuevos
núcleos y liberan algunos neutrones en el proceso, para producir una reacción en cadena.

Fusión
es la producción de elementos más pesados por la fusión de encendedores
elementos. El proceso requiere altas temperaturas para producir
velocidades suficientemente altas para que los dos elementos ligeros superen
cada uno otras barreras electrostáticas.

se requiere túnel cuántico e incertidumbre para estos procesos

y la física cuántica, aunque centrada en las probabilidades, es nuestra ciencia más precisa en sus predicciones

Incluso para las altas temperaturas en el centro de una estrella, la fusión requiere
la tunelización cuántica de un neutrón o protón para vencer el repulsivo
fuerzas electrostáticas de un núcleo atómico. Tenga en cuenta que tanto la fisión como
fusión libera energía al convertir parte de la masa nuclear en
rayos gamma, esta es la famosa formulación de Einstein que E = mc ².

Aunque se trata de probabilidades e incertidumbres, el cuanto
la mecánica ha tenido un éxito espectacular al explicar lo contrario
fenómenos atómicos inaccesibles y en el cumplimiento de todos los experimentos
prueba. Sus predicciones son las más precisas y mejor comprobadas de todas en
física; algunos de ellos han sido probados y se han encontrado precisos para mejorar
una parte por mil millones.

Antimateria :

la simetría en física cuántica conduce a la predicción de la materia opuesta, o antimateria

la materia y la antimateria pueden combinarse para formar energía pura, y lo contrario es cierto, la energía puede combinarse para formar
pares de materia / antimateria

Una combinación de mecánica cuántica y relatividad nos permite examinar subatómicos
procesos en una nueva luz. La simetría es muy importante para las teorías físicas. Así,
La existencia de un tipo de materia “opuesta” fue hipotetizada poco después de la
desarrollo de la física cuántica. La materia ‘opuesta’ se llama antimateria. Partículas
de antimateria tiene la misma masa y características de la materia regular, pero opuesta
en cargo. Cuando la materia y la antimateria entran en contacto, ambas son instantáneamente
convertido en energía pura, en forma de fotones.

La antimateria se produce todo el tiempo por la colisión de fotones de alta energía, un
proceso llamado producción de pares, donde un electrón y su gemelo antimateria (el
positrón) se crean a partir de energía (E = mc ²). Un típico
El diagrama de espacio-tiempo de la producción de pares se ve así:

los diagramas de espacio-tiempo proporcionan una interpretación del tiempo hacia atrás para la antimateria, la simetría en el espacio y el tiempo

Los positrones solo sobreviven por un corto tiempo ya que son atraídos por otros electrones.
y se desintegran. Dado que la mecánica cuántica afirma que la energía, el tiempo y el espacio pueden ser
violado, otra forma de ver la producción de pares es afirmar que el positrón
no existe, sino que es un electrón que viaja hacia atrás en el tiempo. Desde que
retrocede en el tiempo, su carga se revertiría y su diagrama de espacio-tiempo
se vería así:

el mundo cuántico conduce a nuevas formas de ver la existencia y la realidad

En esta interpretación, la colisión de un electrón y dos fotones provoca la
electrón para retroceder en el tiempo hasta que se encuentre con otro par de fotones, luego se invierte
de nuevo El mundo de la física cuántica permite muchas vistas extrañas de
interacciones subatómicas.

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