¿Por qué no es posible visualizar al electrón en un instante determinado?

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Natalia García Rello >

El físico alemán Werner Heisenberg se dio cuenta de esto y enunció el conocido principio de incertidumbre o indeterminación, que establece la imposibilidad de conocer con precisión la posición y la cantidad de movimiento de un electrón en un instante de tiempo determinado. En términos de física clásica, esto podría parecer extraño, ya que mediante ella podríamos conocer éstas variables dinámicas con la precisión que se quisiese, pero, ¿y si nos adentramos en el mundo de la física cuántica?

Pongamos un ejemplo que clarifica una propiedad innata de la luz: la dualidad onda-corpúsculo.

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En el primer caso, (la imagen superior izquierda) si se hace pasar un flujo de partículas, el resultado que se espera visualizar es el mostrado, un patrón de dos bandas.

En el segundo caso, (la imagen de la derecha) refiriéndonos a ondas, su comportamiento observado al traspasar una doble rendija es el bandeado o patrón de interferencia.

Ahora bien, cuando hablamos de la dualidad onda-partícula, ¿qué resultado cabría esperar?

Experimento de Young de la doble rendija

 

Según el experimento de la doble rendija, el electrón no es una onda ni una partícula, si no que se comporta como una mezcla de ambas al atravesar una doble rendija por la que se hace pasar un flujo de electrones. Esto quedó reflejado en un resultado que sorprendió a los físicos en un principio, aunque no tardaron en darle una explicación: los electrones, al traspasar la doble rendija, interferían unos con otros y así se formaba aquel patrón bandeado.

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Entonces decidieron quitar aquellas interferencias para poder observar el comportamiento del electrón, disparándolos de uno en uno a través de las mismas rendijas.

Para su gran asombro, el patrón de interferencia de las ondas, después de muchos disparos, se volvía a repetir.

Observaron que:

  • La distancia entre las pantallas que se formaban era grande en comparación con la distancia entre las rendijas.
  • Los ángulos correspondientes a los máximos θ son muy pequeños, por lo que el patrón de interferencia se produce en las proximidades del centro de la pantalla.

Pero esto sólo era el principio. Entonces quisieron observar y determinar con precisión cuál era el comportamiento del electrón en cada momento, y cómo atravesaba cada rendija, si como corpúsculo o como onda y así deducir ése resultado tan intrigante.

Colocaron un objeto de medida para poder visualizar de alguna manera el comportamiento del electrón. En éste caso, el resultado que se obtuvo fue de nuevo desconcertante: un patrón de dos bandas.

Fue como si el electrón hubiera “elegido”, al estar siendo observado, mostrar su “modo partícula” comportándose como tal en éste último experimento.

¿Qué se deduce de todo esto?

Primero, que las variables dinámicas que por medio de la física clásica se explicarían con la precisión que se quisiera, en la física cuántica el propio proceso de medida modifica el procedimiento haciendo imposible conocer magnitudes como posición, momento angular o lineal, ya que, para observar al electrón, hay que utilizar fotones de luz que interfieren con los electrones objeto de estudio.

Debemos partir de la idea de que, en la física cuántica, las partículas al moverse no tienen asociado un movimiento como lo tienen en la física clásica.

Por ello, un concepto importante a tener en cuenta es que en éste contexto existe un límite, hasta el cual la física clásica no se puede aplicar.

 

Dualidad onda-partícula: “concepto de la mecánica cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa”. (Stephen Hawking, 2001)

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Bibliografía

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