¿Cómo pueden coexistir la ecuación de Schrodinger (determinista) y el principio de incertidumbre?

La ecuación de Schrodinger es una ecuación diferencial parcial que describe exactamente la función de onda de una partícula masiva. Podemos resolver la ecuación para obtener una función de onda exacta [math] \ psi (r, t) [/ math]. Al menos, existe una solución para potenciales más complejos que no sabemos cómo resolver analíticamente. En ese sentido, la ecuación de Schrodinger es determinista.

El principio de incertidumbre es el resultado de la interpretación probabilística de la función de onda, donde suponemos que la función de onda (normalizada) es la función de densidad de probabilidad de la ubicación de una partícula en el espacio y el tiempo. Esta suposición está fuertemente respaldada por evidencia empírica, por lo que es la interpretación más común de la función de onda cuántica.

El principio de incertidumbre proviene de la relación entre la representación de la función de onda en el espacio de posición y el espacio de momento, que están relacionadas por la transformada de Fourier:

[matemáticas] \ psi_k = \ frac {1} {\ sqrt {2 \ pi}} \ int _ {- \ infty} ^ {\ infty} \ psi_x e ^ {- ikx} dx [/ math]
[matemáticas] \ psi_x = \ frac {1} {\ sqrt {2 \ pi}} \ int _ {- \ infty} ^ {\ infty} \ psi_k e ^ {ikx} dk [/ math]

Como resultado, el producto de los anchos de las funciones de onda en posición y espacio de momento [matemática] \ Delta x \ Delta p [/ matemática] se minimiza cuando ambas funciones de onda son gaussianas, en cuyo caso tenemos:

[matemáticas] \ sigma_x \ sigma_p = \ Delta x \ Delta p = \ frac {\ hbar} {2} [/ matemáticas]

Recuerde que [matemáticas] p = \ hbar k [/ matemáticas].

Luego, para una función de onda general, tenemos:

[matemáticas] \ Delta x \ Delta p \ geq \ frac {\ hbar} {2} [/ matemáticas]

No hay nada acerca de la ecuación de Schrodinger y el principio de incertidumbre que se contradicen entre sí; La ecuación de Schrodinger describe la función de onda, y el principio de incertidumbre surge de la interpretación probabilística de la función de onda.

Hay un excelente artículo del profesor David Ward de Cambridge, donde deriva la ecuación de Schrodinger de una analogía a la ecuación determinista de ondas electromagnéticas. Conecta la relación de longitud de onda de energía y la ecuación de DeBroglie en una solución de campo y prescinde de los aspectos relativistas de la ecuación para llegar a la ecuación de Schrodinger. En lugar del campo, conecta la función de onda. Argumenta que dado que el cuadrado de una amplitud de campo eléctrico es la intensidad (normalizable, es decir, a un valor unitario), uno debe ser capaz de normalizar de manera análoga la función de onda a un valor de probabilidad unitario.

La naturaleza probabilística de la función de onda es lo que acomoda la incertidumbre. Si pasa luz a través de una ranura, es decir, confina fotones dentro de una dimensión, puede ver puntos de intensidad en una pantalla. Si reduce el ancho de la ranura, los puntos de intensidad son de dimensión más estrecha. Sin embargo, si estrecha la ranura lo suficiente, puede ver que los puntos de intensidad parecen extenderse a lo largo de la dirección de la dimensión en lugar de disminuir en ancho. Está arreglando la precisión posicional a través del ancho de la ranura, pero ahora la incertidumbre de momento es lo suficientemente grande como para que los puntos aparezcan en diferentes lugares en diferentes puntos en el tiempo, dando lugar a la apariencia extendida.

Lo que esto significa es que puede conocer la función de onda, es decir, el comportamiento determinista de la probabilidad, pero una medida particular de la función de onda (digamos una ubicación particular del punto) es indeterminista según lo dicta el principio de incertidumbre. Como observó Feynman, el principio de incertidumbre evita que la mecánica cuántica se derrumbe.

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