Paradoja de Einstein-Podolsky y Rosen
“¿Puede considerarse que la descripción cuántica de la realidad física es completa?”
.En su célebre trabajo EPR (Einstein- Podolsky y Rosen) establecen en primer lugar una serie de requisitos que toda teoría que aspire a describir la realidad física debe cumplir. De acuerdo a los autores, las teorías físicas tienen que tener a los “elementos de la realidad” como principales protagonistas.
EPR proveen una definición operacional para distinguir aquellas propiedades de la naturaleza que deben ser considerados “elementos de la realidad”. Esta definición es la siguiente: Si somos capaces de predecir con certeza el valor de alguna propiedad de un objeto sin perturbarlo en modo alguno, entonces esa propiedad debe ser considerada un “elemento de la realidad”.
La idea es simple: si nuestra predicción no afecta en modo alguno al sistema, la propiedad en cuestión tiene que tener un sustrato real, su valor debe de estar “escrito” en el objeto en cuestión.
El objetivo del trabajo de EPR es demostrar que la mecánica cuántica no cumple con estos principios y que, por lo tanto, no puede ser considerada una descripción completa de la realidad física. La clave del trabajo de EPR consistió en analizar las propiedades de los estados entrelazados; obteniendo como conclusión que la mecánica cuántica no puede proveer una descripción completa de la realidad física.
Su trabajo no tardó en recibir una respuesta rápida de Niels Bohr quien hizo notar que su argumento no expone en realidad ninguna contradicción interna de la mecánica cuántica, y estable que su argumento utiliza un razonamiento “contra-fáctico” ya que mezcla los resultados de los experimentos reales con resultados de experimentos imaginarios.
.En su célebre trabajo EPR (Einstein- Podolsky y Rosen) establecen en primer lugar una serie de requisitos que toda teoría que aspire a describir la realidad física debe cumplir. De acuerdo a los autores, las teorías físicas tienen que tener a los “elementos de la realidad” como principales protagonistas.
EPR proveen una definición operacional para distinguir aquellas propiedades de la naturaleza que deben ser considerados “elementos de la realidad”. Esta definición es la siguiente: Si somos capaces de predecir con certeza el valor de alguna propiedad de un objeto sin perturbarlo en modo alguno, entonces esa propiedad debe ser considerada un “elemento de la realidad”.
La idea es simple: si nuestra predicción no afecta en modo alguno al sistema, la propiedad en cuestión tiene que tener un sustrato real, su valor debe de estar “escrito” en el objeto en cuestión.
El objetivo del trabajo de EPR es demostrar que la mecánica cuántica no cumple con estos principios y que, por lo tanto, no puede ser considerada una descripción completa de la realidad física. La clave del trabajo de EPR consistió en analizar las propiedades de los estados entrelazados; obteniendo como conclusión que la mecánica cuántica no puede proveer una descripción completa de la realidad física.
Su trabajo no tardó en recibir una respuesta rápida de Niels Bohr quien hizo notar que su argumento no expone en realidad ninguna contradicción interna de la mecánica cuántica, y estable que su argumento utiliza un razonamiento “contra-fáctico” ya que mezcla los resultados de los experimentos reales con resultados de experimentos imaginarios.
Los principios de complementariedad e incertidumbre
Bohr y Heisenberg discutían sobre la complementariedad y la incertidumbre. Estos son dos de los ingredientes básicos de la mecánica cuántica, que ponen de manifiesto cuan extraño es el comportamiento de la naturaleza a escala microscópica. El principio de complementariedad en su versión más general afirma lo siguiente:
Si preparamos un objeto de manera tal que la propiedad A toma un valor preciso, entonces siempre existe otra propiedad B cuyo valor está completamente indeterminado. En ese caso, afirmamos que las propiedades A y B son “complementarias”.
El principio se aplica a situaciones muy habituales en las que sometemos a un objeto a algún proceso de preparación tal que si posteriormente medimos repetidamente la propiedad A siempre obtenemos el mismo valor. Lo sorprendente es que el principio de complementariedad afirma que “entonces, siempre existe otra propiedad B cuyo valor está completamente indeterminado”.
¿Que quiere decir esto? Simplemente significa que si preparamos el sistema en un estado en el que la propiedad A tiene un valor preciso y medimos la propiedad B entonces obtendremos resultados completamente aleatorios. Si repetimos muchas veces este procedimiento (es decir, preparamos el sistema con un valor de A y medimos la propiedad B) obtendremos resultados diferentes, distribuidos de manera totalmente azarosa.
Construir una teoría sobre la base de un principio como este parece un verdadero acto de renunciamiento intelectual. En efecto, nunca antes de la mecánica cuántica la física se había planteado una limitación epistemológica de este tipo. Siempre se había pensado que los objetos que componen el Universo no solamente pueden ser caracterizados por propiedades mensurables
(O sea, propiedades que toman valores susceptibles de ser medidos experimentalmente).
También, la física siempre aceptó aquello cuya validez resulta obvia a partir de nuestro sentido común: todas las propiedades de un objeto deberían poder determinarse simultáneamente. Por supuesto, la determinación simultánea de los valores de todas las propiedades de un objeto podría ser una tarea técnicamente difícil. Pero las dificultades técnicas o instrumentales son siempre vistas como desafíos, como obstáculos que podemos intentar superar. En cambio, el principio de complementariedad nos habla de otra cosa: nos enfrenta a una limitación de principio. Nos dice que no todas las propiedades de un objeto son compatibles entre sí. Los valores de las propiedades complementarias no pueden ser determinados simultáneamente. Estas propiedades son como dos caras de un objeto que nunca pueden ser vistas al mismo tiempo.
El proceso que llevó a que los físicos se vieran forzados a aceptar la validez de un principio tan desagradable como el de complementariedad fue largo y plagado de debates. Pero fue el único remedio para poder formular una teoría cuyas predicciones estuvieran de acuerdo con los resultados de los experimentos.
El ejemplo más conocido de propiedades complementarias es el de la posición de un objeto, y su momento (el momento de un objeto es el producto de su masa por su velocidad). Posición y momento son variables complementarias.
Esto contradice todo lo establecido por la física clásica, la física de Newton, que establece que un objeto siempre puede caracterizarse por su posición y su velocidad. La velocidad nos dice como se modifica la posición con el tiempo. De esa forma, al moverse todo objeto describe una trayectoria. En cambio, la mecánica cuántica nos dice que para comprender el mundo microscópico debemos abandonar la idea de que las partículas evolucionan siguiendo trayectorias. Si no renunciamos a las trayectorias no podremos explicar ninguno de los famosos experimentos donde se observa la interferencia de ondas de materia: Es necesario aceptar que en el mundo microscópico cuando las partículas se dirigen desde una fuente hasta un detector no siguen trayectorias bien definidas sino que se deslocalizan, se desdoblan y siguen todas las trayectorias posibles. Este es un fenómeno raro y anti–intuitivo, pero no hay más remedio que aceptarlo para poder comprender la curiosa naturaleza del mundo microscópico.
El principio de incertidumbre está íntimamente relacionado con el de complementariedad. En algún sentido es la versión cuantitativa del anterior.
El Spin
El spin fue introducido en el mundo de la mecánica cuántica en 1925, cuando dos físicos Goudsmit y Uhlenbeck descubrieron que, si bien, la teoría cuántica de la época no podía explicar algunas propiedades de los espectros atómicos, añadiendo un número cuántico adicional, el “número cuántico de spin” se lograba dar una explicación más completa de los espectros atómicos.
Es una propiedad física que presentan las partículas subatómicas y está relacionada con su momento angular. Las partículas con spin presentan un momento magnético, corresponde a un cuerpo cargado eléctricamente que se encuentra en rotación.
El spin proporciona una medida del momento angular intrínseco de toda partícula. En contraste con la mecánica clásica, donde el momento angular se asocia a la rotación de un objeto extenso, el spin es un fenómeno exclusivamente cuántico que no se puede relacionar en forma directa con una rotación en el espacio. La intuición de que el spin corresponde al momento angular debido a la rotación de la partícula en torno a su propio eje solo debe tenerse como un una imagen mental útil, puesto que, tal como se deduce de la teoría cuántica relativista, el spin no tiene una representación en términos coordenadas espaciales, de modo que no se puede referir a ningún tipo de movimiento. Esto implica que cualquier observador al hacer una medida del momento angular detectará inevitablemente que la partícula posee un momento angular intrínseco total.
Definición de Mecánica Cuántica
La mecánica cuántica es una rama de la física que tiene como campo de estudio, los sistemas atómicos y las partículas elementales; ya que estos presentan características particulares que impiden que sean descritos por las mismas leyes que rigen al mundo macroscópico.
Bohr y Heisenberg discutían sobre la complementariedad y la incertidumbre. Estos son dos de los ingredientes básicos de la mecánica cuántica, que ponen de manifiesto cuan extraño es el comportamiento de la naturaleza a escala microscópica. El principio de complementariedad en su versión más general afirma lo siguiente:
Si preparamos un objeto de manera tal que la propiedad A toma un valor preciso, entonces siempre existe otra propiedad B cuyo valor está completamente indeterminado. En ese caso, afirmamos que las propiedades A y B son “complementarias”.
El principio se aplica a situaciones muy habituales en las que sometemos a un objeto a algún proceso de preparación tal que si posteriormente medimos repetidamente la propiedad A siempre obtenemos el mismo valor. Lo sorprendente es que el principio de complementariedad afirma que “entonces, siempre existe otra propiedad B cuyo valor está completamente indeterminado”.
¿Que quiere decir esto? Simplemente significa que si preparamos el sistema en un estado en el que la propiedad A tiene un valor preciso y medimos la propiedad B entonces obtendremos resultados completamente aleatorios. Si repetimos muchas veces este procedimiento (es decir, preparamos el sistema con un valor de A y medimos la propiedad B) obtendremos resultados diferentes, distribuidos de manera totalmente azarosa.
Construir una teoría sobre la base de un principio como este parece un verdadero acto de renunciamiento intelectual. En efecto, nunca antes de la mecánica cuántica la física se había planteado una limitación epistemológica de este tipo. Siempre se había pensado que los objetos que componen el Universo no solamente pueden ser caracterizados por propiedades mensurables
(O sea, propiedades que toman valores susceptibles de ser medidos experimentalmente).
También, la física siempre aceptó aquello cuya validez resulta obvia a partir de nuestro sentido común: todas las propiedades de un objeto deberían poder determinarse simultáneamente. Por supuesto, la determinación simultánea de los valores de todas las propiedades de un objeto podría ser una tarea técnicamente difícil. Pero las dificultades técnicas o instrumentales son siempre vistas como desafíos, como obstáculos que podemos intentar superar. En cambio, el principio de complementariedad nos habla de otra cosa: nos enfrenta a una limitación de principio. Nos dice que no todas las propiedades de un objeto son compatibles entre sí. Los valores de las propiedades complementarias no pueden ser determinados simultáneamente. Estas propiedades son como dos caras de un objeto que nunca pueden ser vistas al mismo tiempo.
El proceso que llevó a que los físicos se vieran forzados a aceptar la validez de un principio tan desagradable como el de complementariedad fue largo y plagado de debates. Pero fue el único remedio para poder formular una teoría cuyas predicciones estuvieran de acuerdo con los resultados de los experimentos.
El ejemplo más conocido de propiedades complementarias es el de la posición de un objeto, y su momento (el momento de un objeto es el producto de su masa por su velocidad). Posición y momento son variables complementarias.
Esto contradice todo lo establecido por la física clásica, la física de Newton, que establece que un objeto siempre puede caracterizarse por su posición y su velocidad. La velocidad nos dice como se modifica la posición con el tiempo. De esa forma, al moverse todo objeto describe una trayectoria. En cambio, la mecánica cuántica nos dice que para comprender el mundo microscópico debemos abandonar la idea de que las partículas evolucionan siguiendo trayectorias. Si no renunciamos a las trayectorias no podremos explicar ninguno de los famosos experimentos donde se observa la interferencia de ondas de materia: Es necesario aceptar que en el mundo microscópico cuando las partículas se dirigen desde una fuente hasta un detector no siguen trayectorias bien definidas sino que se deslocalizan, se desdoblan y siguen todas las trayectorias posibles. Este es un fenómeno raro y anti–intuitivo, pero no hay más remedio que aceptarlo para poder comprender la curiosa naturaleza del mundo microscópico.
El principio de incertidumbre está íntimamente relacionado con el de complementariedad. En algún sentido es la versión cuantitativa del anterior.
El Spin
El spin fue introducido en el mundo de la mecánica cuántica en 1925, cuando dos físicos Goudsmit y Uhlenbeck descubrieron que, si bien, la teoría cuántica de la época no podía explicar algunas propiedades de los espectros atómicos, añadiendo un número cuántico adicional, el “número cuántico de spin” se lograba dar una explicación más completa de los espectros atómicos.
Es una propiedad física que presentan las partículas subatómicas y está relacionada con su momento angular. Las partículas con spin presentan un momento magnético, corresponde a un cuerpo cargado eléctricamente que se encuentra en rotación.
El spin proporciona una medida del momento angular intrínseco de toda partícula. En contraste con la mecánica clásica, donde el momento angular se asocia a la rotación de un objeto extenso, el spin es un fenómeno exclusivamente cuántico que no se puede relacionar en forma directa con una rotación en el espacio. La intuición de que el spin corresponde al momento angular debido a la rotación de la partícula en torno a su propio eje solo debe tenerse como un una imagen mental útil, puesto que, tal como se deduce de la teoría cuántica relativista, el spin no tiene una representación en términos coordenadas espaciales, de modo que no se puede referir a ningún tipo de movimiento. Esto implica que cualquier observador al hacer una medida del momento angular detectará inevitablemente que la partícula posee un momento angular intrínseco total.
Definición de Mecánica Cuántica
La mecánica cuántica es una rama de la física que tiene como campo de estudio, los sistemas atómicos y las partículas elementales; ya que estos presentan características particulares que impiden que sean descritos por las mismas leyes que rigen al mundo macroscópico.