El principio de incertidumbre debe ser aplicable a la luz, porque los fotones son objetos cuánticos. Un fotón representa un estado cuántico de luz.
En mecánica cuántica, las cantidades medibles corresponden a operadores hermitianos, que actúan sobre los estados. El principio de incertidumbre se aplica cuando los operadores no viajan. En general, hay al menos dos operadores que no viajan diariamente para cada estado cuántico, lo que significa que debe aplicarse el principio de incertidumbre de Heisenberg.
La mecánica cuántica es un formalismo que describe los resultados de medición.
- ¿Cómo debería comportarse el físico en Quora con la negación de la relatividad y las respuestas pseudocientíficas?
- Relatividad especial: ¿Hay algún ejemplo observado de aumento de masa con la velocidad?
- Si un fotón pudiera viajar más rápido que la luz, ¿ganaría masa? Si es así, ¿fue creada toda la materia por un evento que hizo que la energía viajara más rápido que la luz?
- ¿Por qué el arrastre es proporcional a la velocidad al cuadrado en lugar de ser proporcional a la velocidad?
- Cómo explicar la paradoja gemela en la relatividad especial
¿Qué queremos o qué podemos medir sobre el fotón?
Como un fotón es una excitación fundamental del campo electromagnético, tiene sentido hacer alguna medición del campo de un fotón. Para un campo electromagnético clásico, podemos medir componentes tanto de campo eléctrico como magnético. Por lo tanto, tiene sentido mirar primero una versión cuántica de tales mediciones.
El campo eléctrico es un operador hermitiano en la descripción mecánica cuántica de la luz, como lo es el campo magnético. La teoría no es sencilla, pero el resultado es que hay dos operadores hermitianos que no se desplazan para el campo electromagnético y corresponden a mediciones (al menos en una base) de la amplitud y fase del campo. Por lo tanto, el principio de incertidumbre de Heisenberg se aplica a las mediciones de amplitud y fase de un campo electromagnético. Esto funciona hasta el nivel de fotón único.
En general, los dos operadores que no viajan se refieren a lo que se denominan cuadraturas de fase. La incertidumbre en las mediciones de estas cuadraturas de fase representa el límite de ruido fundamental para la detección, denominado ruido de disparo. Esto establece un límite para detectar señales débiles. Sin embargo, el principio de incertidumbre de Heisenberg ofrece cierto margen de maniobra. Puede hacer estados cuánticos con ruido reducido en una cuadratura de fase a expensas del exceso de ruido en la otra. Esto se conoce como luz exprimida. De hecho, hay varias maneras diferentes de superar el límite de ruido cuántico estándar, que aún satisfacen la relación de incertidumbre de Heisenberg. Este es un campo rico y fascinante conocido como óptica cuántica con una historia de más de 30 años.
Finalmente, debo señalar que solo detectar un fotón destruye el estado cuántico y cualquier información cuántica que contenga. La detección de fotos no está representada por un operador hermitiano. Sin embargo, los fotodetectores son el equipo estándar para realizar mediciones de luz. Para obtener cualquier información, realmente necesita otros analizadores en la ruta del haz, como polarizadores y divisores de haz, que pueden proporcionar información adicional sobre la detección.
Cuando se detecta un fotón, en realidad no está obteniendo ninguna información sobre la posición del fotón, porque lo ha destruido. Sin embargo, en principio puede obtener información sobre la energía del fotón (limitada por el ancho de banda del detector) e incluso la cantidad de fotones.
En resumen, los fotones son objetos cuánticos que no se pueden tratar como balas en forma de partículas que se pueden medir en vuelo. Debe considerar cuidadosamente lo que puede y no puede medir al considerar cualquier sistema cuántico.
