En el transcurso de la física moderna actual es importante hacer énfasis y comprender los principios que nos pueden ayudar a entender y estar más compaginados a la física cuántica, sin necesidad de abstracciones y fórmulas matemáticas. No quiero decir que estas no sean útiles y menos importantes de lo que es un experimento mental, solo voy a prescindir de ellas para hacer posible entender algo sobre dicho principio.
La luz, concebida por Einstein, es una manifestación estadística de un grupo muy grande de partículas cuánticas llamadas fotones. Por ahora, no nos preocupemos por entender este concepto muy a fondo y pensemos que la luz está conformada por millones y millones de pepitas o puntos que no pueden ser vistas a ojo. Estas pepitas tienen propiedades bien peculiares, de las cuales hablaremos en otra ocasión; imaginemos que son puntos distribuidos en el espacio, específicamente a que cada una de esas partículas tiene localización, una ubicación en el espacio y puede ser determinado por unas coordenadas.
Física clásica vs Física cuántica
La realidad al medir en física clásica:
En la física clásica conociendo las condiciones iniciales, es decir, el dónde inicia el movimiento el objeto puntual y su velocidad inicial, se puede predecir con certeza dónde puede estar en un instante posterior. Por ejemplo, una avispa que se mueve en forma de espiral en una ventisca alrededor de una planta, se puede describir por la posición en la que se encuentra mientras pasa el tiempo.
Así ha sido el tratamiento de la física clásica desde tiempos antiguos. Todo ente u objeto tiene una ubicación en el espacio y el estado de un objeto esta descrito por unas características o atributos de origen físico. Por ejemplo, para describir el estado de un café podría describirse por su ubicación es decir la posición en el espacio de ese punto y la temperatura del café, entiéndase la temperatura del café como una propiedad medible con un termómetro.
La realidad al medir en física cuántica:
Ahora realicemos otro experimento mental: imaginemos que contamos con un dispositivo óptico o un microscopio que nos permite ver una partícula muy pequeña, como por ejemplo un electrón (partícula que rodea el núcleo de los átomos y que aporta carga eléctrica a los mismos). Para poder observar el electrón (o cualquier cosa), necesitamos una mínima cantidad de luz (si no lo crees, intenta sacarte una espinilla de la cara en el espejo con todas las luces apagadas). Entonces, como mínimo para poder ver el electrón necesitamos un fotón; asumiendo este hecho, supongamos que queremos observar el electrón por medio de un microscopio y que el electrón está en un estado inicial al que llamaremos A .
Al iluminar, supongamos que contamos con un dispositivo con el cual podemos enviar un único fotón. Este viaja en el espacio sin ninguna perturbación, es decir, ninguna particula o fuerza externa lo afecta en el camino hacia el electrón y finalmente supongamos que el fotón choca con el electrón. El fotón es una partícula que transporta energía cinética o de movimiento (porque la empujamos para que llegara al electrón), esta energía es transferida al electrón por el choque, haciendo que el electrón cambie del estado A un estado final B con una posición posiblemente diferente a la que tenía en el estado A. El fotón «rebota» hasta llegar a nuestro ojo con la información del estado inicial A, pero no tiene información del estado final B. Este curioso fenómeno origina una incertidumbre en la medición del estado del electrón, como su posición. Es decir, ya no es posible decir donde está exactamente y, por lo tanto, en física cuántica se abandona
la idea de que existen trayectorias definidas. Solo podemos decir que el electrón se describe por un ancho de probabilidad y no en un punto bien definido del espacio. De ahí la no-localidad de las partículas cuánticas como electrones, protones, etc.
Ahora, como no podemos hablar de trayectorias definidas tenemos que hablar de qué tan probable es que la partícula cuántica se encuentre en una región del espacio.
La figura muestra un ejemplo de distribución de probabilidad con dependencia solo de una coordenada espacial, esta aparece siempre en un sinnúmero de problemas en física cuántica. Fíjese que las probabilidades van a cambiar dependiendo de la región del espacio que se considere en x. Por ejemplo, para la región de amarillo que se encuentra entre [0.75, 1.25], la probabilidad es de 0.48518 es casi la mitad de probable que la partícula este ahí. Bien, ahora supongamos que tenemos un 0.9823 de probabilidad en alguna región del espacio, pero no por esta razón podemos asumir con plena certeza que la partícula cuántica está ahí, sin embargo es muy probable de que este se encuentre en dicha región. Entonces, se ha originado una incomodidad y una insatisfacción de muchos de los físicos a lo largo de la historia sobre la mecánica cuántica y sus leyes. En principio, el solo hecho de observar un sistema causa una perturbación, y en consecuencia, es imposible que en un experimento donde se trabaja con partículas cuánticas (por ejemplo, nanoestructuras) se deben introducir las leyes que rigen la física cuántica.
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