¿Alguien puede explicar el principio de incertidumbre de Heisenberg en términos muy simples, con ejemplos fáciles de entender? ¿Hay alguna prueba?

Recientemente me encontré con un video TED, que creo que explica el principio de incertidumbre de Heisenberg de la manera más fácil posible.

Enlace:
¿Cuál es el principio de incertidumbre de Heisenberg? – Chad Orzel

La definición del principio de incertidumbre de Heisenberg implica algunas otras definiciones, así que primero eliminémoslas:

Vector: una cantidad que incluye magnitud y dirección.
La magnitud puede ser cualquier tipo de medida, como la distancia o la velocidad.

Velocidad: un vector, donde magnitud = velocidad
Ejemplo: estoy viajando hacia el norte (dirección) a 55 millas por hora (magnitud)

Momento: masa (no peso) multiplicada por Velocidad
En términos científicos apropiados, Estados Unidos, “libras” (lb) en realidad mide el peso (que se ve afectado por la gravedad), no la masa (que no lo es). En el sistema métrico, kilogramos (kg), también conocido como “kilos”, mide la masa.
Ejemplo : un automóvil de 2,000 kg que viaja hacia el norte a 55 millas por hora

Además, el momento a menudo se confunde con la inercia , que es la tendencia de un objeto que está en movimiento a querer permanecer en movimiento.
Ejemplo de inercia : estaba corriendo y tropecé, y casi me caigo, porque mi inercia me mantuvo avanzando incluso después de haber dejado de mover los pies.

Una vez dicho esto, el Principio de incertidumbre de Heisenberg nos dice que (en el mismo instante), no podemos saber estar 100% seguros de ambas propiedades de un objeto en particular:

• donde está

• cuál es su impulso (o velocidad).

Resumen:
Entonces, si separamos nuestras definiciones anteriores, no podemos estar 100% seguros de todas estas cosas sobre un objeto a la vez:

• donde está
• qué tan rápido va
• en qué dirección va
• que masivo es

Algunas otras cosas:
Si alguna vez quieres saber más sobre algo que simplemente te confunde (o quieres una explicación simple y agradable sin muchas palabras de ciencia locas), la Wikipedia en inglés simple es excelente para esto:
Principio de incertidumbre – Wikipedia en inglés simple, la enciclopedia libre

A continuación se muestra un extracto del manuscrito titulado “Teoría de las singularidades y las partículas espaciales (SP): la estructura fundamental de las partículas subatómicas) que el autor acaba de presentar en la Revista Internacional de Física Teórica (Mahmoud Nafousi). Para obtener la copia completa, envíe un correo electrónico [correo electrónico protegido] .

Debajo está el extracto

B) principio de incertidumbre (Heisenberg).

En esencia, el principio actual dice que no podemos medir la posición y el momento de una partícula con absoluta precisión. Cuanto más precisos conozcamos uno de los dos valores, menos precisos conoceremos el otro. En el mundo subatómico, existe un límite fundamental para lo que podemos saber sobre el comportamiento de las partículas subatómicas. Lo máximo que podemos esperar es calcular las probabilidades de dónde es probable que estén las cosas.

De acuerdo con nuestros experimentos de pensamiento, postulamos que el movimiento continuo de los hilanderos dentro de los núcleos de las partículas subatómicas y sus interacciones con el SP determinan su geometría, momento angular rotacional, posiciones y otros números cuánticos. Una vez que dominemos las matemáticas relevantes para calcular sus comportamientos, la incertidumbre desaparecerá.

El pensamiento actual de los físicos no incorpora la existencia de los hilanderos, por lo tanto, piensan en términos de probabilidades de dónde se pueden encontrar las partículas subatómicas en lugar de estar determinados por la ubicación de los hilanderos en sus núcleos. Por lo tanto, es seguro decir que lo que se expresa como posiciones inciertas pero probabilísticamente predecibles está de hecho determinado por el movimiento de los hilanderos que forman los núcleos de las partículas subatómicas de Fermion. Esto también explica por qué incluso el disparo repetitivo de un solo electrón a la vez a través de una sola ranura mostrará los electrones aterrizando en diferentes posiciones en el detector

Que medir algunas partículas con mucha precisión deja algunos de los detalles sobre dónde está una partícula y en qué dirección se mueve incierta.

Más específicamente, hay pares de propiedades físicas, como la posición y el momento, donde medir uno deja al otro en un valor que ya no conoce con gran precisión.

Esto es un poco diferente al “efecto observador”, donde es bastante obvio que hacer una medición en un sistema afecta al sistema. (por ejemplo, tocar una regla con un objeto cambia ese objeto ligeramente. Nunca sabrá dónde se habría medido ese objeto antes de aplicar la regla).

El principio de incertidumbre en este caso proviene de las matemáticas de la mecánica cuántica. No se trata realmente de “medir”, se trata de las propiedades matemáticas de las partículas de nivel cuántico. Hay pocas formas de usar el inglés común para explicar exactamente cómo se deriva esto de las matemáticas, y poca necesidad. La mecánica cuántica no tiene nada que ver con el mundo cotidiano observable.

Lanza una piedra al aire. Es un movimiento de proyectil. Camino de piedra es de ALMKS.

Sabemos que la ruta es la ruta de menos acción y solo se sigue una ruta única. La energía total siempre se conserva. Podemos verlo fácilmente en nuestra vida diaria. Ahora, lleguemos al punto ‘M’ y hablemos al respecto.

Aquí, usando la Mecánica Newtoniana, puedo encontrar fácilmente el momento lineal de la piedra junto con la posición de la piedra. No hay problema para medir ambos simultáneamente con buena precisión. Obtendremos el resultado con éxito.

Ahora, reemplacemos esta piedra con un electrón. Entonces, lanzo un electrón y tendré que adivinar la probabilidad de que se encuentre piedra en diferentes regiones. Esto significa que un electrón seguiría numerosos caminos. Todos serán caminos de menor acción con probabilidad asociada a ellos. Incluso si colapso la función de onda, no podría medir las propiedades del electrón en una posición particular. Si elijo un punto en esa función de onda colapsada y mido la posición del electrón, no podría medir su momento lineal y viceversa. Me faltará algo, ya sea la posición o el impulso de un electrón.

El Principio de incertidumbre de Heisenberg, aplicado en la mecánica cuántica, establece que es imposible medir la posición y el momento lineal de un electrón simultáneamente con gran precisión. Si habrá certeza en la posición, habrá incertidumbre en el momento lineal y viceversa.

dx. dp> = h / 4 π

‘x’ es posición y ‘p’ es momento lineal.

Para medir la posición de algo, debe rebotar algo fuera de él. Incluso mirar algo requiere hacer rebotar un fotón que luego es recibido por el ojo.

Cualquier impacto de colisión transfiere algo de fuerza del impactador al impactado. Si la cosa impactada es lo suficientemente pequeña y tiene una masa lo suficientemente pequeña en relación con la cosa que la impacta, cambiará la forma en que se mueve como resultado de la fuerza de impacto. Piense en una bola de billar cambiando el movimiento de otra al impactarla.

Las partículas subatómicas son lo suficientemente pequeñas como para que no haya nada que pueda rebotar que no las mueva. Por lo tanto, el solo hecho de tratar de averiguar dónde está cambia la forma en que se mueve después de que se ha medido.

Cuanto más intente saber dónde está algo tan pequeño (el área de ubicación), menos sabrá acerca de su velocidad (su energía). Esto es lo que representa la fórmula del principio de incertidumbre.

Editar: Cabe señalar que lo anterior es una analogía, una que Hiesenberg propuso como una forma de visualizar la incertidumbre utilizando la física clásica a escala macro. Sin embargo, la Mecánica Cuántica como campo difiere notablemente de la física clásica en que se basa únicamente en un esfuerzo por crear un sistema matemático que represente bien algunos resultados experimentales bastante limitados e indirectos.

El principio de incertidumbre real no se formuló de la manera anterior, sino que fue un “efecto secundario” de ese sistema matemático. Para comprender por qué las pistas matemáticas aquí se requiere comprender que esta es una propiedad de las matemáticas que describen una onda y que la mecánica de la onda era se encontró que se ajusta mejor a los resultados experimentales.

Establece que no es posible determinar con precisión tanto la posición como el momento de una pequeña partícula en movimiento.

En palabras de Stephan Hawking, “incluso Dios está sujeto al principio de incertidumbre y no puede predecir el futuro con exactitud”.

Si Δx y ΔΡ son incertidumbre para determinar la posición y el momento respectivamente, de una partícula en movimiento muy pequeña, entonces de acuerdo con el principio de incertidumbre de Heisenberg

Δx ΔΡ ≥ h / 4π, donde h es la constante de Planck. Esto también se puede dar como

Δx Δv ≥h / 4πm, como ΔΡ = mΔv

Entonces, la incertidumbre mínima para determinar la posición y la velocidad es igual a h / 4πm

En la experiencia ordinaria (y física clásica) podemos describir las partículas con valores exactos de posición y momento. No es así con partículas pequeñas como los electrones. Sus valores de posición e impulso son intrínsecamente indefinidos o “difuminados”. Cuanto más se “difumina” el valor, mayor es la incertidumbre en su valor. El principio de incertidumbre de Heisenberg establece un límite cuantitativo definido sobre cuán pequeñas pueden ser estas incertidumbres: la posición y el impulso tienen una incertidumbre de tal manera que el producto de las dos incertidumbres es siempre mayor que un valor mínimo.

La relación de incertidumbre de Heisenberg puede explicarse diciendo primero que es mecánica cuántica y, por lo tanto, es una declaración sobre la distribución estadística de mediciones múltiples.

Específicamente, si midió la posición repetidamente de un sistema en el mismo estado idéntico, y el impulso repetidamente del mismo estado, encontrará que los anchos de estas distribuciones obedecen a la FC

Tenga en cuenta que todas estas mediciones deben ser independientes, ya que la medición posterior del sistema estará en un estado diferente.

Es importante tener en cuenta que la posición y el momento no son el estado del sistema como lo son en la física clásica, sino que son resultados de medición distribuidos al azar que provienen directamente del vector de estado del sistema.

En lenguaje muy laico … es como un hombre ciego tratando de mirar una bola en movimiento con la ayuda de sus manos … ahora, la única forma en que puede ver la bola en movimiento es sentirla, pero en el proceso de hacerlo, altera el velocidad o posición de la pelota. Puede distinguir su impulso, pero alterará su posición en el proceso. O puede decir su posición, pero cambia su impulso en el proceso.

Entonces, ese es el principio de incertidumbre, no puedes estar seguro de la posición o el momento de una partícula subatómica en un momento dado. Porque para calcular lo mismo, altera lo mismo que está calculando.

Espero que esto ayude.

Tome una cámara afuera y tome una fotografía de un automóvil en movimiento. Si opta por una velocidad de obturación rápida, no tiene sensación de movimiento, pero la posición del automóvil, en relación con el fondo, es fija. Si va a una velocidad de obturación más lenta, la foto da una impresión de velocidad, porque el automóvil está borroso, pero no tiene una posición precisa del automóvil con respecto al fondo.

Así que puedes imaginar dibujar una ecuación que combine velocidad y posición de tal manera que si tomas una fotografía nuevamente sabrás cuánto desenfoque deseas y cuánta información de posición precisa. No puedes tener ambas.

Y cuando lo haya hecho, puede escribir “dijo Heisenburg:” en la parte superior de su ecuación y sentirse muy satisfecho consigo mismo. ¿Ver?

Siempre he sentido que la incertidumbre de Heisenberg es el resultado de los efectos del movimiento browniano en una partícula del vacío dinámico que la rodea. En ese caso, la naturaleza dinámica del vacío sería la influencia causal, y la incertidumbre de Heisenberg sería una consecuencia más que un “principio” (de lo contrario, es como decir que ser despedido es el principio / causa de que duermas a través de tu reloj despertador cada mañana – poniendo el carro delante del caballo).

Todos los objetos, incluidas las partículas, existen en el espacio, y el espacio es dinámico. Esto significa que incluso el “espacio vacío” que parecería no tener otros objetos o materia dentro de él todavía está lleno de actividad, que apenas podemos percibir en forma de muchas pequeñas fuerzas de apariencia aleatoria que nos parecen movimiento Browniano. . Esto significa que las diminutas partículas de escala cuántica que son lo suficientemente pequeñas como para ser notablemente empujadas o afectadas por esas fuerzas exhiben una “incertidumbre” continua, que puede cuantificarse por el Principio de incertidumbre de Heisenberg:

Si bien estas fuerzas empujan o agitan las partículas o las afectan, no podemos ver realmente qué es lo que empuja o ejerce la influencia, porque esto está más allá de los límites de nuestras capacidades de observación. Realmente no podemos apagar estas fluctuaciones que provienen del espacio, por lo que siempre están ahí sin importar cuándo lo estemos mirando. Por lo tanto, recurrimos al uso de la probabilidad y las estadísticas para describir lo que está sucediendo, ya que estos son los descriptores de último recurso cuando no tenemos otras medidas disponibles para continuar.

Fue el físico ganador del Premio Nobel Andrei Sakharov quien dijo que “los misterios del Vacío serán el gran desafío para la física del siglo XXI”. Eso significa que tenemos que encontrar alguna manera de ver mejor esas fuerzas invisibles que causan la incertidumbre.

Consideremos un elctron recolocándose alrededor de un núcleo y no podemos juzgar exactamente su posición. Decimos que hay una incertidumbre en su posición, digamos por un factor x.

Entonces, la posición exacta puede ser x o x + ^ x o x- ^ x

(^ x es delta x, es decir, un pequeño cambio de posición)

^ x es la incertidumbre en su posición.

Ahora consideremos un fotón que viene de algún lugar y golpea este electrón y le da su impulso a este elevtron.

Si se conoce la posición exacta del electrón (es decir, si ^ x es pequeño o despreciable), las posibilidades de que el fotón transfiera ese impulso a este electrón son mayores.

Y si existe una incertidumbre en su posición (es decir, un valor pequeño de ^ x), entonces el momento transferido a ese electrón sería menor.

Entonces, este principio de incertidumbre dice que si ^ x es más que ^ p (cambio en el momento) será menor y viceversa, como se explicó anteriormente.

No podemos predecir la posición y el momento exactos y precisos. Esto se demostró más tarde a partir del patrón de difracción de braggs también.

Simplemente en lenguaje casual.

Las partículas de Quantam son de tamaño muy pequeño.

Heisenberg solo dice que … nunca podemos medir el momento y la posición en ningún instante, por ejemplo, en el cricket podemos dibujar un proyectil de pelota y con la ayuda de eso podemos hablar sobre el momento y la posición en cualquier momento, pero para partículas cuánticas podemos No puedo ambos en ningún instante.

Suponga que una aspa de un ventilador es la partícula en cuestión de la que queremos saber la posición y la velocidad. Suponga que el ventilador está ENCENDIDO y gira a alta velocidad. En este punto, si toca cualquier parte (no intente esto) alrededor del ventilador, golpeará la cuchilla, por lo que no puede predecir la posición real del ventilador, donde toque la mano golpeará la cuchilla.
La única forma de verificar la posición de la cuchilla es tomar un palo y colocarlo entre las aspas del ventilador, debido a qué ventilador se detendrá y obtendrá la posición de la aspa. Pero, ¿qué pasa con la velocidad … la velocidad original? No puedes predecir … esta es la forma más simple de entender el principio de incertidumbre.
Nota: ¡Este concepto puede estar equivocado, pero me ayudó a aprobar los exámenes!

Hawkeye lo hace medir algo así como la posición y la velocidad de una pelota de tenis. ¿Pero qué está haciendo Hawkeye? Vemos la pelota porque la luz del sol (o estadio) se refleja en ella, las bolas están hechas de telas que están diseñadas para reflejar mucha luz amarilla. Las pelotas de tenis son bombardeadas con fotones de todo tipo de longitudes de onda o colores. Se absorben los azules, verdes y rojos, pero se refleja suficiente amarillo para que llegue a nuestros ojos y podamos ver la pelota. Hawkeye usa una cámara para capturar la luz reflejada en la pelota.

Este reflejo y absorción de luz ocurre todo el tiempo, ya sea que la pelota esté sentada en la cancha o navegando por el aire. La energía impartida a la pelota al ser golpeada por una raqueta está en un nivel totalmente diferente. Esto significa que la energía involucrada en ser visto es trivial para un objeto grande y lento como una pelota de tenis: el efecto de la luz que rebota en la pelota es insignificante y no cambia el comportamiento de la pelota a la escala que nos interesa. Esto significa que podemos usar una cámara para registrar la posición de la pelota a intervalos y comprender no solo dónde está, sino hacia dónde va.

Imagine una bola más pequeña, un guisante o una mota de polvo. Los guisantes son bastante similares a las pelotas de tenis (más verde, te lo concederé), lanzar un guisante es como lanzar una pelota, solo en miniatura. En el siguiente nivel, una mota de polvo parecerá bailar en el aire. Tiene un tamaño más cercano a las moléculas de aire, por lo que las interacciones se vuelven importantes, describimos esto como movimiento browniano. El efecto de la luz sigue siendo trivial, pero la “bola” ya no cae en un arco parabólico: el comportamiento exhibido a esta escala es diferente. La energía gravitacional es menos importante que la energía de colisión.

Veamos nuevamente nuestra pelota de tenis, lo que sucede cuando refleja la luz amarilla: la luz amarilla que vemos de la pelota de tenis es el efecto de los electrones en los átomos de la pelota de tenis que absorben energía de la luz, pero liberan energía (como luz, como fotones ) en la parte amarilla del espectro. Para los electrones individuales hay un ciclo de excitación y liberación de energía. Al nivel de un electrón individual, como hemos visto, la interacción con la luz no es trivial.

Ahora supongamos que queremos usar fotones para medir dónde está un electrón. El acto de emitir fotones en un electrón cambia la energía del electrón y, por lo tanto, su velocidad. Estamos en una escala donde el acto de medir un sujeto interactúa con el sujeto y cambia sus propiedades. Esta interacción limita cuán confiadamente podemos observar o medir un electrón. Esta falta de confianza es el principio de incertidumbre de Heisenberg.