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martes, 17 de abril de 2012

Texto Química - Principio de Incertidumbre de Heisenberg

Último texto de Química, sobre el Principio de Incertidumbre de Heisenberg. Creo que no hay que estudiarlo ni imprimirlo, sólo leerlo para tener una idea de qué es.

FÍSICA CUÁNTICA
PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE DE HEISENBERG.
Escrito por Juan Francisco Montiel   

     Fue en 1927 cuando Werner Karl Heisenberg enunció su famoso y demoledor principio de incertidumbre que marca la formulación de la mecánica cuántica actual y para siempre. Pero ¿por qué digo lo de demoledor?, enunciemos primero y discutamos después.
    Existen dos enunciados "clásicos" del  principio de incertidumbre (aunque muchas más interpretaciones), uno atañe a energías y tiempos mientras que otro nos habla de la relación entre  posición y momento lineal de una partícula.
    a)Enunciado para posiciones y momentos lineales:
"No puede determinarse con total precisión y de forma simultánea, la posición y el momento lineal (velocidad) de una partícula"; matemáticamente:
ΔxΔp≥(h/4p)
    b)Enunciados para energías y tiempos: 
"No puede determinarse con total precisión y de forma simultánea, el tiempo durante el cual una partícula posee una cierta energía y dicho valor concreto de energía"; matemáticamente:
ΔEΔt≥(h/4p)

NOTAS A TENER EN CUENTA: En ambos casos;
  • Δi; representa la incertidumbre en la medida de "i", esto es, el error que se comete cuando medimos la magnitud física "i". En cualquier experimento físico, cualquier medida que hagamos depende del instrumental utilizado para hacer dicha medida, por ejemplo, una regla que mide hasta el milímetro tendrá un error en cualquier medida de Δx≥0.001m (no podría medir más allá de un milímetro) de tal forma que si la medida realizada es de un metro diríamos que x=1±0,001(m).
  • Teniendo en cuenta el punto anterior, Δi=0 implicaría la total certeza en una medida (ausencia de error) mientras que Δi=∞ implicaría la total incertidumbre. De todas maneras, no es necesario llegar a valores tan altos del error. Habitualmente, en física se considera incertidumbre total al momento en que el valor del error es del orden de la magnitud medida. Por ejemplo, si al medir la gravedad obtenemos g=9,8x±9,8(m/s2) concluiremos diciendo que no tenemos ni idea del valor de g.
  • h=constante de Planck=6,634·10-34J·s (un número extremadamente pequeño).
  • (h/4p)=5,276·10-35J·s (un número aún más extremadamente pequeño).
  • p=m·v; momento lineal o cantidad de movimiento; en la mayoría de los casos hablaremos de una indeterminación en la medida de la velocidad ya que la masa se considerará perfectamente conocida, esto es,  Δp=Δ(mv)=mΔv. Así, aunque escribamos p, estaremos hablando de v.
 
    Consecuencias del principio de incertidumbre:
1. Una primera consecuencia del principio de incertidumbre resulta evidente sin más que despejar de las ecuaciones; por ejemplo si tenemos en cuenta el postulado a) y despejamos la posición:
Δx≥(5,276·10-35/Δp)
 ¿qué podemos decir sobre esto? Cuanto mejor conozcamos la medida de la posición (Δx→0), menos sabremos sobre la medida de la velocidad (Δp→∞).
2. Este asunto nos lleva directamente a la eliminación del concepto de órbita. Antes hemos utilizado distintos tipos de órbitas para distintos modelos atómicos. El problema es que para hablar de órbitas debo tener perfectamente determinadas la posición y la velocidad del cuerpo que describe dicha órbita, a fin de cuentas una órbita no es más que eso, el conocimiento exacto y simultáneo de posición y velocidad de un móvil. Si no puedo conocer de forma simultánea la posición y la velocidad de un electrón ¿cómo podré saber el tipo de  órbita que describe dicho electrón?. Simplemente, no podremos saberlo nunca, al menos tal y como entendemos las órbitas en física clásica. Cuando analicemos las teorías atómicas de Schrödinger definiremos el concepto de "orbital" muy relacionado con la probabilidad de encontrar al electrón en una zona del espacio. Un orbital es el sustituto obligatorio de la órbita que, según el principio de incertidumbre, no podemos conocer.
3. El principio de incertidumbre supone el fin del determinismo en la física. pero...¿qué es eso del determinismo?. Hasta la aparición y posterior demostración del principio de incertidumbre toda la física era determinista, o sea, se creía que todas las leyes de la física tenían como fin la completa y perfecta determinación matemática de la naturaleza en cualquier instante de tiempo, o sea, la física pretendía poder determinar el futuro de cualquier sistema. Por ejemplo, ¿a que recordáis esta ecuación?:
Efectivamente se trata de la ley del movimiento si una partícula se mueve con velocidad constante, o sea, el Movimiento rectilíneo Uniforme . Con esta ecuación podíamos determinar perfectamente la posición de una partícula sin más que conocer su posición inicial y su velocidad inicial, así se podría conocer la posición y la velocidad de dicho móvil el 20 de Marzo de 2023 a las 22:31 horas sin ningún problema. Así puedo conocer el futuro de dicha partícula. ¡Eso es determinismo!.
Heisenberg rompió con todo eso, de hecho lo prohibió e invalidó ya que no podemos conocer simultáneamente (en un mismo instante de tiempo) posición y velocidad (y todas las demás magnitudes que derivan o están relacionadas con la velocidad, aceleraciones, fuerzas ,...). Esto no quiere decir que los estudios del MRU estén mal y que tengamos que empezar otra vez la física desde el principio. La clave está en el numerito 5,276·10-35 . El principio de incertidumbre sólo afecta a magnitudes cuyas velocidades o posiciones tengan ese orden de magnitud, o sea, partículas muy pequeñas y/o que se muevan a velocidades muy grandes, lo que llamaremos el mundo microscópico . Mientras juguemos con partículas macroscópicas (pelotas, balas, satélites, planetas,...) los efectos del principio de incertidumbre, aunque están presentes, son despreciables...¡menos mal! ¿os imagináis que llegados a este punto hubiera que empezar TODO desde el principio?.
Aunque el asuntillo de Heisenberg no afecta demasiado al mundo macroscópico no deja de ser importante el saber que la naturaleza no es determinista, esto es, a partir de ahora ya existe un principio físico que nos dice que hay cosas que no podremos saber jamás (al menos con total certeza): fue un "pequeño gran desastre" para todos los científicos deterministas y una ruptura total con la ideología científica "oficial" de la época (¡y de todas las épocas anteriores!).
4. Todos los puntos anteriores nos llevan al nacimiento de una nueva rama de la física: la física estadística: Como nos prohíben el conocimiento CON EXACTITUD, habrá que generar mecanismos para calcular qué probabilidad hay de que un suceso ocurra o no ocurra o qué probabilidad hay de que ocurra en unas condiciones o en otras.
La física estadística ya no sólo como herramienta sino como parte independiente de la física es una de las que más satisfacciones ha dado a la ciencia en los últimos tiempos ya que no sólo ha conseguido explicar fenómenos naturales hasta ahora inexplicados sino que ha abierto un enorme campo de investigación para nuevos fenómenos de los que no hubiéramos tenido ni idea de no haberse tenido que desarrollar tan rápido ¿sabéis que la física estadística tiene mucho que ver en los últimos adelantos contra el cáncer mediante la realización de estudios sobre porqué la radiación afecta más a unas células cancerígenas que a otras?... ¡a ver si encima vamos a tener que agradecer a Heisenberg tanta incertidumbre!.
    Es fácil entender ahora porqué empecé este artículo diciendo que el principio de incertidumbre fue demoledor para la física y los científicos de la época, sencillamente hubo que reinventarlo todo sobre la base de dicho principio.
    Actualmente, se sigue "luchando" contra él en el mundo de la tecnología; los microprocesadores y circuitos electrónicos en general se han convertido en instrumentos tan diminutos y los electrones se mueven tan rápido a través de ellos (aumentando continuamente la frecuencia de dichos dispositivos) que son afectados en sus "órbitas" por el principio de incertidumbre produciendo fallos en los diseños y por tanto haciendo imposible la disminución de tamaños hasta un cierto rango. Es por esto por lo que actualmente se estudian nuevas formas de fabricar dispositivos microscópicos que no se vean afectados por el principio de incertidumbre (nanotecnologías, microprocesadores cuánticos,...).

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