¿Es la luz una partícula o una onda?
Según matizó el célebre físico, y premio Nobel, Werner Heisenberg hacia el año 1927 en su Principio de Incertidumbre: «La complementariedad es la comprensión de que el comportamiento de las partículas y de las ondas son mutuamente excluyentes, pero que ambos son necesarios para una descripción completa de todos los fenómenos.»
Werner Heisenberg. Múnich, Alemania. Boceto a lápiz de JMP basado en un original de 1930.
¿Qué es el principio de incertidumbre?
El principio de incertidumbre no es evidente para los tamaños de la vida ordinaria (macroscópicos). Para escalas de ‘lo muy pequeño’, que es donde la mecánica cuántica se hace más evidente, se puede decir que la posición y el momento lineal de una partícula no se pueden medir simultáneamente con una precisión arbitrariamente alta. Hay un mínimo para el producto de las incertidumbres de estas dos medidas:
Δx Δp ≥ ħ/2
Donde Δp es la incertidumbre en conocer el momento lineal de la partícula (momento lineal: masa por velocidad), Δx es la incertidumbre en conocer la posición de la partícula y h es la constante de Planck: h = 6,63×10⁻³⁴ Js y ħ = h/(2π). Asimismo, existe un mínimo para el producto de las incertidumbres de la energía y el tiempo.
Lo anterior se puede aplicar a todo par de observables no compatibles (cuyos operadores no conmuten)
Obsérvese que Δx Δp ≥ ħ/2 se vuelve hacia un enfoque clásico cuando ħ → 0, es decir Δx Δp → 0; esto concuerda con el principio de correspondencia de Bohr.
El principio de incertidumbre de Heisenberg es una teoría fundamental en mecánica cuántica que define por qué un científico no puede medir múltiples variables cuánticas simultáneamente. Hasta los albores de la mecánica cuántica, se sostenía como un hecho que todas las variables de un objeto podían conocerse con precisión exacta simultáneamente en un momento dado. La física newtoniana no puso límites sobre procedimientos y técnicas con el objetivo de reducir la incertidumbre de la medición. Heisenberg hizo la audaz propuesta de que existe un límite inferior para esta precisión, lo que hace que nuestro conocimiento completo de una partícula sea inherentemente incierto. [Heisenberg, 1967]
El principio de incertidumbre impone restricciones a la precisión de la medición simultánea de dos observables (magnitudes físicas) que no conmuten. Por ejemplo, el momento lineal (masa por velocidad) y la posición, la energía y el tiempo, etc.
En mecánica cuántica, la luz está en un estado comprimido, ‘squeezed state’, si su intensidad de campo eléctrico E para algunas fases tiene una incertidumbre cuántica menor que la de un estado coherente. Por tanto, el término ‘squeeze’ (comprimido) se refiere a una incertidumbre cuántica reducida. Para obedecer la relación de incertidumbre de Heisenberg, un estado comprimido (squeezed state) también debe tener fases en las que la incertidumbre del campo eléctrico está anti-comprimida (anti-squeezed), es decir, más grande que la de un estado coherente. Los ‘squeezed state’ están asociados a distribuciones de Poisson en la cuenta de fotones detectados por dispositivos ‘CCD a baja temperatura’, como parece ser el caso de los biofotones. [Popp, F. A. Et. al., 2002] [Popp, F. A.,1992] [Van Wijk, 2014]