El físico teórico alemán Werner Heisenberg escribe una carta al también físico Wolfgang Pauli, en la que describe su principio de incertidumbre por primera vez.
En mecánica cuántica, el principio de incertidumbre (también conocido como principio de incertidumbre de Heisenberg) es cualquiera de una variedad de desigualdades matemáticas que afirman un límite fundamental a la precisión con la que los valores de ciertos pares de cantidades físicas de una partícula, como la posición, x, y el impulso, p, se puede predecir a partir de las condiciones iniciales.
Estos pares de variables se conocen como variables complementarias o variables canónicamente conjugadas; y, dependiendo de la interpretación, el principio de incertidumbre limita hasta qué punto tales propiedades conjugadas mantienen su significado aproximado, ya que el marco matemático de la física cuántica no admite la noción de propiedades conjugadas simultáneamente bien definidas expresadas por un solo valor. El principio de incertidumbre implica que, en general, no es posible predecir el valor de una cantidad con certeza arbitraria, incluso si se especifican todas las condiciones iniciales.
Introducido por primera vez en 1927 por el físico alemán Werner Heisenberg, el principio de incertidumbre establece que cuanto más precisamente se determina la posición de una partícula, menos precisamente se puede predecir su momento a partir de las condiciones iniciales, y viceversa. En el artículo publicado en 1927, Heisenberg concluye que el principio de incertidumbre fue originalmente
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q ~ h usando la constante de Planck completa. La desigualdad formal que relaciona la desviación estándar de la posición x y la desviación estándar del momento p fue derivada por Earle Hesse Kennard ese mismo año y por Hermann Weyl en 1928:
donde es la constante de Planck reducida, h/(2).
Históricamente, el principio de incertidumbre se ha confundido con un efecto relacionado en la física, llamado efecto del observador, que señala que las mediciones de ciertos sistemas no se pueden realizar sin afectar el sistema, es decir, sin cambiar algo en un sistema. Heisenberg utilizó tal efecto de observador a nivel cuántico (ver más abajo) como una "explicación" física de la incertidumbre cuántica. Sin embargo, desde entonces ha quedado más claro que el principio de incertidumbre es inherente a las propiedades de todos los sistemas ondulatorios y que surge en la mecánica cuántica simplemente debido a la naturaleza ondulatoria de la materia de todos los objetos cuánticos. Por lo tanto, el principio de incertidumbre en realidad establece una propiedad fundamental de los sistemas cuánticos y no es una declaración sobre el éxito observacional de la tecnología actual. De hecho, el principio de incertidumbre tiene sus raíces en cómo aplicamos el cálculo para escribir las ecuaciones básicas de la mecánica. Debe enfatizarse que la medición no significa solo un proceso en el que participa un físico-observador, sino cualquier interacción entre objetos clásicos y cuánticos independientemente de cualquier observador. Dado que el principio de incertidumbre es un resultado tan básico en la mecánica cuántica, los experimentos típicos en la mecánica cuántica observan rutinariamente aspectos del mismo. Ciertos experimentos, sin embargo, pueden probar deliberadamente una forma particular del principio de incertidumbre como parte de su principal programa de investigación. Estos incluyen, por ejemplo, pruebas de relaciones de incertidumbre número-fase en sistemas superconductores o de óptica cuántica. Las aplicaciones que dependen del principio de incertidumbre para su funcionamiento incluyen tecnología de ruido extremadamente bajo, como la que se requiere en los interferómetros de ondas gravitacionales.
La física teórica es una rama de la física que emplea modelos matemáticos y abstracciones de objetos y sistemas físicos para racionalizar, explicar y predecir fenómenos naturales. Esto contrasta con la física experimental, que utiliza herramientas experimentales para probar estos fenómenos.
El avance de la ciencia generalmente depende de la interacción entre los estudios experimentales y la teoría. En algunos casos, la física teórica se adhiere a los estándares de rigor matemático mientras da poca importancia a los experimentos y observaciones. Por ejemplo, mientras desarrollaba la relatividad especial, Albert Einstein estaba preocupado por la transformación de Lorentz que dejaba invariables las ecuaciones de Maxwell, pero aparentemente no estaba interesado en el experimento de Michelson-Morley sobre la deriva de la Tierra a través de un éter luminífero. Por el contrario, Einstein recibió el Premio Nobel por explicar el efecto fotoeléctrico, anteriormente un resultado experimental que carecía de una formulación teórica.