El microscopio de Heisenberg.

Experimento mental que establece ideas cuánticas.

El microscopio de Heisenberg es un experimento mental propuesto por Werner Heisenberg que ha servido como núcleo de algunas ideas comúnmente sostenidas sobre la mecánica cuántica . En particular, proporciona un argumento a favor del principio de incertidumbre sobre la base de los principios de la óptica clásica .

El concepto fue criticado ^{[ se necesita aclaración ]} por el mentor de Heisenberg, Niels Bohr , y los desarrollos teóricos y experimentales han sugerido que la explicación intuitiva de Heisenberg ^{[ se necesita aclaración ]} de su resultado matemático podría ser engañosa. ^{[1] [2]} Si bien el acto de medir conduce a incertidumbre, la pérdida de precisión es menor que la predicha por el argumento de Heisenberg cuando se mide al nivel de un estado individual . Sin embargo, el resultado matemático formal sigue siendo válido y el argumento intuitivo original también ha sido reivindicado matemáticamente cuando la noción de perturbación ^{[ aclaración necesaria ]} se amplía para que sea independiente de cualquier estado específico. ^{[3] [4]}

El argumento de Heisenberg

El electrón es iluminado desde abajo por una luz representada como fotones y ondas , con frentes de onda mostrados como líneas azules. Los fotones que entran en el microscopio se desvían de la vertical en un ángulo menor que ε/2 e imparten impulso al electrón a medida que se dispersan . La representación de los frentes de onda dentro del microscopio no es física debido a los efectos de difracción que producen una imagen borrosa y, por tanto, incertidumbre en la posición.

Heisenberg supone que un electrón es como una partícula clásica , que se mueve en la dirección a lo largo de una línea debajo del microscopio. Deje que el cono de rayos de luz que sale de la lente del microscopio y se enfoca en el electrón forme un ángulo con el electrón. Sea la longitud de onda de los rayos de luz. Entonces, según las leyes de la óptica clásica, el microscopio sólo puede resolver la posición del electrón con una precisión de ^{[5] : 21  [6]} ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle \varepsilon }$ ${\displaystyle \lambda }$

${\displaystyle \Delta x={\frac {\lambda }{\sin \varepsilon }}.}$

Un observador percibe una imagen de la partícula porque los rayos de luz inciden en la partícula y rebotan a través del microscopio hasta el ojo del observador. Sabemos por evidencia experimental que cuando un fotón choca con un electrón, este último tiene un retroceso Compton con impulso proporcional a , donde es la constante de Planck . Sin embargo, el alcance del "retroceso no se puede conocer con exactitud, ya que la dirección del fotón dispersado es indeterminada dentro del haz de rayos que ingresa al microscopio". ^{[ cita necesaria ]} En particular, el impulso del electrón en la dirección solo se determina hasta ^[6] ${\displaystyle h/\lambda }$ ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle x}$

${\displaystyle \Delta p_{x}\approx {\frac {h}{\lambda }}\sin \varepsilon .}$

Combinando las relaciones para y tenemos así ^[6] ${\displaystyle \Delta x}$ ${\displaystyle \Delta p_{x}}$

${\displaystyle \Delta x\Delta p_{x}\approx \left({\frac {\lambda }{\sin \varepsilon }}\right)\left({\frac {h}{\lambda }}\sin \varepsilon \right)=h}$,

que es una expresión aproximada del principio de incertidumbre de Heisenberg . ^{[ cita necesaria ]}

Análisis del argumento

Aunque el experimento mental se formuló como una introducción al principio de incertidumbre de Heisenberg , uno de los pilares de la física moderna, ataca las premisas mismas bajo las cuales fue construido, contribuyendo así al desarrollo de un área de la física (a saber, la mecánica cuántica) que redefinió los términos bajo los cuales se concibió el experimento mental original.

La mecánica cuántica cuestiona si un electrón realmente tiene una posición determinada antes de ser perturbado por la medición utilizada para establecer dicha posición determinada. Bajo un análisis mecánico cuántico más exhaustivo, un electrón tiene cierta probabilidad de aparecer en cualquier punto del universo, aunque la probabilidad de que esté lejos de donde se espera se vuelve muy baja a grandes distancias del vecindario en el que se encontró originalmente. . En otras palabras, la "posición" de un electrón sólo puede expresarse en términos de una distribución de probabilidad , al igual que las predicciones sobre hacia dónde puede moverse. ^{[ cita necesaria ]}

Ver también

• localización de átomos
• Mecánica cuántica
• Conceptos básicos de la mecánica cuántica.
• Interpretación de la mecánica cuántica.
• Interpretación filosófica de la física clásica.
• El gato de Schrödinger
• Principio de incertidumbre
• Teoría cuántica de campos
• Radiación electromagnética

Referencias

1. Lee A. Rozema; et al. (6 de septiembre de 2012). "Violación de la relación medición-perturbación de Heisenberg por mediciones débiles". Física. Rev. Lett . 109 (18): 100404. arXiv : 1208.0034 . Código Bib : 2012PhRvL.109j0404R. doi :10.1103/PhysRevLett.109.100404. PMID  23005268. S2CID  37576344.
2. "Los científicos ponen en duda el principio de incertidumbre de Heisenberg". Ciencia diaria . 7 de septiembre de 2012.
3. Paul Busch ; Pekka Lahti; Richard Werner (octubre de 2013). "Prueba de la relación error-perturbación de Heisenberg". Cartas de revisión física . 111 (16): 160405. arXiv : 1306.1565 . Código bibliográfico : 2013PhRvL.111p0405B. doi : 10.1103/PhysRevLett.111.160405. PMID  24182239. S2CID  24507489.
4. Lett, Caron (17 de octubre de 2013). "Los científicos demuestran que la intuición de Heisenberg es correcta". Universidad de York.
5. Werner Heisenberg (1949). Los principios físicos de la teoría cuántica . Publicaciones de Courier Dover. ISBN 978-0-486-60113-7.
6. Richmond, Michael. "Microscopio de Heisenberg" . Consultado el 1 de septiembre de 2016 .

Fuentes

• Aczel, Amir (2003). Enredo: la improbable historia de cómo científicos, matemáticos y filósofos demostraron la teoría más espeluznante de Einstein . Nueva York: penacho. pag. 77-79. ISBN 978-0-452-28457-9. OCLC  53378914.
• Bohr, N. (1928). "El postulado cuántico y el reciente desarrollo de la teoría atómica". Naturaleza . 121 (3050). Springer Science y Business Media LLC: 580–590. Código Bib :1928Natur.121..580B. doi : 10.1038/121580a0 . ISSN  0028-0836. S2CID  4097746.
• Heisenberg, Werner (2007). Física y filosofía: la revolución en la ciencia moderna . Nueva York: HarperPerennial. pag. 46.ISBN​ 978-0-06-120919-2. OCLC  135128032.
• Mesías, Albert (2014). Mecánica cuántica . vol. I. Publicaciones de Dover. pag. 143.ISBN​ 978-0-486-78455-7. OCLC  874097814.
• Newman, James (2003). Conjunto El Mundo de las Matemáticas . vol. II. Ciudad: Publicaciones de Dover. pag. 1051-1055. ISBN 978-0-486-43268-7. OCLC  691512261.

enlaces externos

• Historia del microscopio de Heisenberg Archivado el 2 de diciembre de 2005 en la Wayback Machine.
• Conferencias sobre el microscopio de Heisenberg.