La teoría cuántica dice que una partícula puede estar en cualquier parte del universo en el próximo instante. Los fotones son la partícula más rápida pero están limitados a la velocidad de la luz. ¿Cómo pueden ambos ser verdad?

La respuesta completa a esta pregunta es bastante técnica y se puede encontrar, por ejemplo, aquí: http://en.wikipedia.org/wiki/Pat….

La respuesta breve es que esta técnica se denomina enfoque integral de ruta para calcular resultados en Mecánica Cuántica. Fue inventado por Paul Dirac y refinado y probado por Richard Feynman en 1948. Básicamente es un método de cálculo y ciertamente no es cierto que la partícula realmente pueda viajar más rápido que la velocidad de la luz y estar en cualquier parte del universo.

El enfoque se deriva de la formulación lagrangiana de la mecánica clásica que dice que el camino que toma un objeto cuando se mueve del punto A al punto B es el camino que tiene una acción estacionaria (que significa algo así como el mínimo).

En la mecánica cuántica, los experimentos como el patrón de interferencia de doble rendija muestran que las partículas no tienen una sola ruta única (la partícula tiene que pasar por ambas rendijas para producir interferencia), por lo que la formulación clásica tuvo que generalizarse en una suma sobre todas las posibles rutas .

El formalismo integral de la ruta produce el resultado correcto aunque incluye rutas no físicas porque todas las rutas no físicas se cancelarán entre sí por completo. En resumen, es una técnica de cálculo y no significa que las partículas realmente tomen todos los caminos posibles para llegar del punto A al punto B. Esa es la mejor respuesta verbal que puedo dar sin entrar en las matemáticas detalladas.

Actualización : estoy convencido por las otras respuestas, de que realmente hay una probabilidad muy pequeña de que una partícula o un fotón parezca superar ligeramente la velocidad de la luz. Mi explicación para esto es que el principio de incertidumbre evita mediciones absolutamente precisas, por lo que siempre hay incertidumbre en la posición que se está midiendo. Además, la mecánica cuántica no puede producir funciones de onda que sean discontinuas; lo mejor que puede suceder es que la función de onda tenga una disminución exponencial cuando exista una posibilidad no física como ir más rápido que la luz (como se menciona en la respuesta de Henry Lin). Otro ejemplo no físico sería cuando una partícula impacta una barrera potencial (hay una probabilidad distinta de cero de que la partícula pueda hacer un túnel a través de la barrera), la función de onda disminuye exponencialmente cuando la barrera potencial es mayor que la energía de la partícula.

A un nivel muy profundo, todavía hay un conflicto allí. La formulación original de la mecánica cuántica no tuvo en cuenta la relatividad: el tiempo y el espacio eran “planos”. Y la relatividad se define en términos de que todo tiene una ubicación y energía muy específicas, lo que la mecánica cuántica prohíbe.

Como dice Frank Heile, Paul Dirac pudo incorporar la relatividad especial (es decir, el límite de velocidad de la luz) en la mecánica cuántica. La matemática es desgarbada, pero funciona. La partícula no tiene una posición definida, y está (en pequeña medida) literalmente en todas partes a la vez. En promedio, puede reducir su posición a un lugar en particular, y eso se aproxima al tipo de mundo no cuántico del que depende la relatividad. La matemática considera todas las rutas posibles, incluso aquellas que la relatividad parece prohibir, pero los puntos finales siempre funcionan.

La mecánica cuántica tiene el molesto hábito de prohibirle preguntar qué sucede entre el principio y el final. Las reglas están escritas con mucho cuidado para que no te permitan mirar dentro. Todo tipo de cosas extrañas “suceden” entre mediciones, pero cuando miras, todo funciona bien.

Aún así, eso solo incorpora la relatividad especial , que es de donde proviene el límite de velocidad de la luz. Para la relatividad general , que explica cómo funciona la gravedad, los científicos todavía están tratando de unirlos. Eso está resultando realmente difícil, y genera Teorías de todo altamente especulativas.

Creo que está confundido acerca de lo que dice exactamente la teoría cuántica (QM). QM no se trata de qué son las cosas, sino de qué información podemos obtener sobre un sistema físico pequeño.

En QM, parece que la posición y el momento (o la velocidad) son información dual: cuando se mide la posición, altera fundamentalmente la información que ya puede tener sobre el momento / velocidad, y viceversa. Peor aún, cuanto más mide con precisión uno, menos confiable se vuelve la información que tenía sobre el otro.

Nuevamente, al medir con precisión la posición de una partícula, básicamente difumina la información que tiene sobre su velocidad / momento.
Recíprocamente, cuanto más preciso intente ser al medir la velocidad / momento, más “destruirá” la información que tiene sobre la posición de la partícula.

En el caso extremo de medir la velocidad / momento exactos de una partícula con un aparato de medición infinitamente preciso (con un número infinito de decimales), terminaría con una falta total de información sobre su posición. Podría estar en cualquier parte del Universo por lo que sabes.

Ahora, esta es la historia de QM sin tener en cuenta la relatividad (porque la relatividad no es parte de la mecánica cuántica). Al tener en cuenta la relatividad, su partícula ahora está limitada a un cierto “cono de luz” de la existencia, en lugar de todo el Universo. Y para el resto de la historia, Henry Lin proporcionó una explicación muy clara.