La mecánica cuántica obedece a leyes muy diferentes a la física clásica. Muchos científicos influyentes han trabajado en este campo, incluidos Albert Einstein, Erwin Schrodinger, Werner Heisenberg, Niels Bohr, Louis De Broglie, David Bohm y Wolfgang Pauli.

La interpretación estándar de Copenhague de la física cuántica afirma que todo lo que puede ser conocido está dado por la función de onda. En otras palabras, no podemos conocer ciertas propiedades de las partículas cuánticas en términos absolutos. Muchos encontraron esta noción inquietante y propusieron todo tipo de experimentos de pensamiento e interpretaciones alternativas, pero las matemáticas consistentes con la interpretación original aún se confirman.
Longitud de onda y posición

Piense en sacudir una cuerda repetidamente hacia arriba y hacia abajo , creando una ola viajando hacia abajo. Tiene sentido preguntar cuál es la longitud de onda, esto es bastante fácil de medir, pero tiene menos sentido preguntar dónde está la onda, porque la onda es realmente un fenómeno continuo a lo largo de la cuerda.

Por el contrario, si se envía un solo pulso de onda por la cuerda, identificando dónde se vuelve directo, pero determinar su longitud de onda ya no tiene sentido porque no es una onda.

También puedes imaginar todo lo que hay en medio: enviar un paquete de onda bajando la cuerda, por ejemplo, la posición está algo definida, y la longitud de onda también, pero no ambas por completo. Esta diferencia está en el corazón del Principio de incertidumbre de Heisenberg.
Dualidad partícula-onda

Escuchará a las personas usar las palabras fotón y radiación electromagnética de manera intercambiable, aunque parezca que son cosas diferentes. Cuando hablan de fotones, generalmente hablan de las propiedades de las partículas de este fenómeno, mientras que cuando hablan de ondas electromagnéticas o radiación, hablan de las propiedades de las ondas.

Los fotones o la radiación electromagnética exhiben lo que se llama dualidad onda-partícula En ciertas situaciones y en ciertos experimentos, los fotones exhiben un comportamiento similar a las partículas. Un ejemplo de esto es el efecto fotoeléctrico, donde la luz que golpea una superficie provoca la liberación de electrones. Los detalles de este efecto solo se pueden entender si la luz se trata como paquetes discretos que los electrones deben absorber para ser emitidos.

En otras situaciones y experimentos, actúan más como ondas. Un buen ejemplo de esto son los patrones de interferencia observados en experimentos de rendija simple o múltiple. En estos experimentos, la luz pasa a través de rendijas estrechas y estrechamente espaciadas, y como resultado, produce un patrón de interferencia consistente con lo que verías en una onda.

Aún más extraño, los fotones no son lo único que exhibir esta dualidad. De hecho, ¡todas las partículas fundamentales, incluso los electrones y protones, parecen comportarse de esta manera! Cuanto más grande es la partícula, más corta es su longitud de onda, por lo que menos aparece esta dualidad. Es por eso que no notamos nada de esto en nuestra escala macroscópica cotidiana.
Interpretación de la mecánica cuántica

A diferencia del comportamiento claro de las leyes de Newton, las partículas cuánticas exhiben una especie de borrosidad. No se puede decir exactamente lo que están haciendo, pero solo se dan probabilidades de los resultados de las mediciones. Y si su instinto es suponer que esto se debe a la incapacidad de medir las cosas con precisión, sería incorrecto, al menos en términos de las interpretaciones estándar de la teoría.

La llamada interpretación de Copenhague de la teoría cuántica establece que todo lo que se puede saber sobre una partícula está contenido dentro de la función de onda que la describe. No hay variables ocultas adicionales o cosas que simplemente no hemos descubierto que darían más detalles. Es fundamentalmente difuso, por así decirlo. El Principio de incertidumbre de Heisenberg es solo otro desarrollo que solidifica esta confusión.
Principio de incertidumbre de Heisenberg

El principio de incertidumbre fue propuesto por primera vez por su homónimo, el físico alemán Werner Heisenberg, en 1927 mientras trabajaba en el instituto de Neils Bohr. en Copenhague Publicó sus hallazgos en un artículo titulado "Sobre el contenido perceptual de la cinemática y la mecánica teórica cuántica".

El principio establece que la posición de una partícula y el momento de una partícula (o la energía y el tiempo de un partícula) no se pueden conocer simultáneamente con certeza absoluta. Es decir, cuanto más precisa es la posición, menos precisa es el impulso (que está directamente relacionado con la longitud de onda), y viceversa.

Las aplicaciones del principio de incertidumbre son numerosas e incluyen el confinamiento de partículas (determinación la energía requerida para contener una partícula dentro de un volumen dado), procesamiento de señal, microscopios electrónicos, comprensión de fluctuaciones cuánticas y energía de punto cero.
Relaciones de incertidumbre

La relación de incertidumbre primaria se expresa como la siguiente desigualdad:
\\ sigma_x \\ sigma_p \\ geq \\ frac {\\ hbar} {2}

donde ℏ es la constante reducida de Planck y σ _{x
y σ p
son la desviación estándar de posición y momento, respectivamente. Tenga en cuenta que cuanto menor sea la desviación estándar, mayor será la otra para compensar. Como resultado, cuanto más preciso conozca un valor, menos exactamente conocerá el otro.}

Las relaciones de incertidumbre adicionales incluyen incertidumbre en los componentes ortogonales del momento angular, incertidumbre en el tiempo y la frecuencia en el procesamiento de la señal, incertidumbre en la energía. y el tiempo, y así sucesivamente.
La fuente de incertidumbre

Una forma común de explicar los orígenes de la incertidumbre es describirla en términos de medición. Considere que, para medir la posición de un electrón, por ejemplo, se requiere interactuar con él de alguna manera, por lo general golpeándolo con un fotón u otra partícula.

Sin embargo, el acto de golpearlo con el fotón causa su impulso para cambiar. No solo eso, hay una cierta imprecisión en la medición con el fotón asociado con la longitud de onda del fotón. Se puede lograr una medición de posición más precisa con un fotón de longitud de onda más corta, pero estos fotones transportan más energía y, por lo tanto, pueden causar un mayor cambio en el momento del electrón, lo que hace imposible medir tanto la posición como el momento con una precisión perfecta.

Si bien el método de medición ciertamente dificulta la obtención de los valores de ambos simultáneamente como se describe, el problema real es más fundamental que eso. No se trata solo de nuestras capacidades de medición; Es una propiedad fundamental de estas partículas que no tengan tanto una posición bien definida como un impulso simultáneamente. Las razones radican en la analogía de "onda en una cuerda" realizada anteriormente. Principio de incertidumbre aplicado a las mediciones macroscópicas

Una pregunta común que las personas hacen con respecto a la extrañeza de los fenómenos de la mecánica cuántica es cómo es que no lo hacen. ¿No ve esta rareza en la escala de los objetos cotidianos?

Resulta que no es que la mecánica cuántica simplemente no se aplique a los objetos más grandes, sino que los efectos extraños son insignificantes a gran escala. La dualidad onda-partícula, por ejemplo, no se nota a gran escala porque la longitud de onda de las ondas de materia se vuelve muy pequeña, de ahí el comportamiento similar a las partículas que domina.

En cuanto al principio de incertidumbre, considere el cómo grande es el número en el lado derecho de la desigualdad. ℏ /2 \u003d 5.272859 × 10 ^{-35 kgm 2 /s. Entonces, la incertidumbre en la posición (en metros) multiplicada por la incertidumbre en el momento (en kgm /s) debe ser mayor o igual a esto. En la escala macroscópica, acercarse a este límite implica niveles imposibles de precisión. Por ejemplo, un objeto de 1 kg puede medirse con un momento de 1.00000000000000000 ± 10 -17 kgm /s mientras está en una posición de 1.00000000000000000 ± 10 -17 my aún más que satisfacer la desigualdad.}

Macroscópicamente, el lado derecho de la desigualdad de incertidumbre es relativamente pequeño como para ser insignificante, pero el valor no es insignificante en los sistemas cuánticos. En otras palabras: el principio todavía se aplica a los objetos macroscópicos, ¡simplemente se vuelve irrelevante debido a su tamaño!