El acto de localizar algo, de encontrar o definir su ubicación, es una idea básica de la ciencia moderna. En física, para decir con precisión qué significa "ubicación" o "posición", primero debemos explicar con claridad cómo se mide y respecto de qué se mide. La posición no es una idea absoluta: siempre se expresa en relación con un sistema de referencia, es decir, con un punto, una línea, un plano o un conjunto de ejes que tomamos como base para describir dónde está un objeto.
Para los objetos de tamaño cotidiano, normalmente usamos puntos de referencia conocidos y luego medimos distancias y direcciones desde ellos. Podríamos empezar con la Roca de Plymouth y la Piedra de Blarney. Entonces podríamos decir: "El barco del capitán Smith está a 1400 millas de Plymouth Rock yendo hacia la Piedra de Blarney". O, en otro caso, podríamos decir: "El barco del capitán Jones se puede encontrar trazando una línea desde Plymouth Rock hasta la Piedra de Blarney, encontrando un punto a 700 millas a lo largo de esta línea desde Plymouth Rock, tomando un giro a la izquierda de 90° al llegar a este punto desde Plymouth Rock, y luego viajando 90 millas adicionales". En ambos casos, la idea es la misma: describir la posición mediante una relación medible con algo que ya conocemos.
En física, estas descripciones suelen expresarse con coordenadas. Por ejemplo, en un mapa se puede usar una pareja de números para indicar una posición en dos dimensiones, o tres números si hace falta incluir la altura. En mecánica clásica, además, la posición suele representarse con un vector de posición, que señala tanto la distancia como la dirección desde el origen del sistema de referencia hasta el objeto. Esto permite calcular trayectorias, velocidades y cambios de movimiento de forma precisa.
Si tenemos una buena forma de conocer las direcciones de la brújula, podemos decir algo como: "Ve tres millas al norte de esa gran roca blanca de allí y luego ve dos millas al este desde ese punto. Ahí es donde pongo el oro". Este tipo de instrucción es una forma simple de definir la posición mediante desplazamientos sucesivos. En la práctica, la elección del sistema de referencia importa mucho, porque una misma posición puede describirse de manera distinta según desde dónde se observe.
La localización de algo se hace normalmente viéndolo en algún lugar, oyéndolo en algún lugar, sintiéndolo en algún lugar, etc. A veces, sabemos dónde está algo mirando una fotografía, encontrándolo con un radar o haciendo un sonar. Estos métodos no solo sirven para encontrar objetos, sino también para estimar su distancia, su dirección y, en algunos casos, su movimiento. En muchos campos de la física, la posición se mide usando instrumentos que convierten una señal en una información espacial útil.
Es mucho más difícil localizar un electrón, un fotón o cualquier otra cosa tan pequeña. Podemos construir una fuente de luz que sólo produzca un fotón cada vez. Podemos apuntar la fuente de luz a un trozo de película fotográfica, dejar que la fuente de luz produzca un fotón y luego revelar la película fotográfica. Si tuviéramos una película fotográfica muy sensible que pudiera ser oscurecida por un solo fotón, entonces encontraríamos una pequeña mota de plata donde el fotón terminara. Un átomo de plata es mucho más grande que un fotón, por lo que habría cierta confusión sobre dónde acabó el fotón, pero la gente probablemente estaría de acuerdo en que el fotón debe haber acabado en algún lugar dentro del blanco formado por el átomo de plata. Sin embargo, todo lo que podemos decir es que el fotón debe haber estado en ese punto cuando terminó su existencia. Cuando un fotón es absorbido por un electrón, le cede su energía y desaparece. Por lo tanto, cuando estuvo brevemente en un lugar determinado, perdió inmediatamente todo su movimiento.
Otra forma de localizar un fotón es hacerlo pasar por un pequeño lugar. Sabiendo cuándo la fuente de luz envía un fotón, y conociendo la velocidad de la luz, podemos saber cuándo debe estar pasando por un agujero en una placa colocada en el centro de su camino hacia la película. Poco a poco podemos acercarnos más y más a saber exactamente en qué punto de su recorrido se encuentra. Sin embargo, el camino que seguirá a partir de ahí se vuelve progresivamente salvaje. Esto se debe a que cuando un fotón atraviesa un agujero como ése, experimenta difracción. En el mundo microscópico, intentar fijar con gran precisión la posición de una partícula puede hacer que su movimiento posterior se vuelva menos predecible, y esta limitación forma parte de la física cuántica.
Por eso, en física la posición no se entiende sólo como "estar en un sitio", sino como una magnitud que depende del método de medida, del sistema de referencia y, en escalas muy pequeñas, de los límites impuestos por la naturaleza. En objetos grandes, la posición puede conocerse con gran exactitud práctica; en partículas subatómicas, en cambio, sólo puede describirse con probabilidades y con un margen de incertidumbre. Así, la idea de posición une la experiencia cotidiana con las reglas más profundas de la física.