مبدأ هايزنبرج لللايقين هو أحد الأفكار القليلة المأخوذة من فيزياء الكم والتي توسعت في الثقافة الشعبية العامة. ويقضي باستحالة معرفة المكان الدقيق والسرعة الدقيقة للجسم في نفس الوقت، ويظهر كاستعارة في كل شيء، بدءً بالنقد الأدبي وحتى التعليق الرياضي. عادةً ما يُفسّر اللايقين بأنه نتيجة للقياس، أي أن قياس موقع الجسم يغير سرعته أو العكس. إلا أن الأصل الحقيقي أكثر عمقاً وإثارة. يتواجد مبدأ اللايقين لأن كل شيء في الكون يعمل كجسيم وكموجة في الوقت نفسه. في ميكانيكا الكم، الموقع المحدد والسرعة المحددة لجسم ما لا معنى لهما. ولاستيعاب ذلك، علينا أن نفكر في طبيعة سلوك الجسيم أو الموجة. الجسيمات حسب تعريفها توجد في مكان واحد في أي لحظة زمنية. يُمككنا تمثيل ذلك برسمٍ يوضح احتمالية إيجاد الجسم في مكان معين، الذي يبدو كمسمار، في موقع واحد محدد 100%، وليس في أي موقع آخر. وعلى الجانب الآخر، الموجات عبارة عن اهتزازات تنتشر في الفضاء كالتموجات التي تغطي سطح بِركةٍ ما. يُمكننا بوضوح تحديد سمات نمط الموجة ككل، والأهم من ذلك طولها الموجي، وهو المسافة بين قمّتين متجاورتين، أو تجويفين متجاورين. لكن لا يُمكننا تخصيص موقع واحد لها، إذ توجد احتمالية كبيرة لوجودها في أماكن مختلفة عديدة. والطول الموجي أمر أساسي في فيزياء الكم لأن الطول الموجي لجسمٍ ما يرتبط بقوته الدافعة، الكتلة مضروبة بالسرعة. وللجسم سريع الحركة قوة دافعة كبيرة، التي تتماشى مع الطول الموجي القصير جدّاً. والجسم الثقيل له قوة دافعة كبيرة حتى وإن لم يكن يتحرك بسرعة ما يعني مرة أخرى طول موجي قصير. ولهذا فنحن لا نلاحظ طبيعة الموجة للأجسام اليومية. فلو قذفت كرة بيسبول عالياً في الهواء، فإن طولها الموجي يبلغ جزء من مليار من تريليون من تريليون متر صغير جدًّا إلى حد يستحيل كشفه. الأشياء الصغيرة كالذرات أو الإلكترونات يُمكن أن يكون لها أطوال موجية كبيرة بما يكفي لقياسها في التجارب الفيزيائية فعندما يكون لدينا موجة نقية، يُصبح من الممكن قياس طولها الموجي. ومن ثم قوتها الدافعة، ولكنها تكون بلا موقع. يُمكننا تحديد موقع الجسيم جيداً، ولكنه لا يملك طولاً موجياً، فلا نعرف قوته الدافعة. وللحصول على جسيم بموقع وقوة دافعة، يلزمنا مزج الصورتين لعمل رسم بياني يتألف من موجات، ولكن في مناطق صغيرة فقط. كيف يمكننا فعل ذلك؟ من خلال مزج الموجات بأطوال موجية مختلفة، ما يعني إعطاء الجسم الكمي احتمالية الحصول على قوى دافعة مختلفة. عندما نضيف موجتين، نجد أن هناك أماكن تصطف فيها القمم مكونةً موجةً أكبر، وأماكن أخرى حيث قمم مكانٍ واحدٍ تملأ تجاويف مكانٍ آخرٍ. وينتج عن ذلك وجود مناطق فيها موجات تفصلها مناطق بلا موجات على الإطلاق. وعندما نضيف موجة ثالثة، يكبر حجم المناطق التي تخلو من الموجات، وإضافة موجة رابعة يعطي نفس النتيجة، مع زيادة ضآلة المناطق الأكثر تموُّجاً وإذا تابعنا إضافة الموجات، يتكون لدينا حزمة موجية مع طولٍ موجيٍ واضحٍ في منطقةٍ واحدةٍ صغيرة. هذا جسمٌ كميٌّ له طبيعة الموجة والجسيم. ولكن لتحقيق ذلك، اضطررنا لفقدان اليقين حول الموقع والقوة الدافعة. المواقع ليست محصورة بنقطة واحدة. وتوجد احتمالية كبيرة لإيجادها داخل بعض نطاقات مركز الحزمة الموجية، وقد صنعنا الحزمة الموجية بإضافة الكثير من الموجات، ما يعني وجود احتمالية إيجادها مع قوة دافعة تصاحب أياً من تلك الموجات. الموقع والقوة الدافعة كلاهما غير محددٍ الآن، والشكوك متصلة ببعضها. وإن أردت تقليل لايقينية الموقع من خلال صنع حزمة موجية أصغر، فيلزمك إضافة مزيدٍ من الموجات، ما يعني لايقينيةً أكبر للقوة الدافعة. ولو أردت تحديد القوة الدافعة بشكل أفضل، فيلزمك حزمةٌ موجيةٌ أكبر، ما يعني لا يقينية أكبر للموقع. وهذا هو مبدأ اللايقين لهايزنبرج، الذي وضعه الفيزيائي الألماني فيرنر هايزنبرج عام 1927. وهذا اللايقين لا يتعلق بسوء أو جودة القياس، ولكنه نتيجة حتمية تصاحب مزج طبيعتي الجسيم و الموجة. ومبدأ اللايقين ليس حدّاً عمليّاً على القياس فحسب، بل هو حد على الخصائص التي قد يمتلكها الجسم، والموجود في البنية الأساسية للكون نفسه.
The Heisenberg Uncertainty Principle is one of a handful of ideas from quantum physics to expand into general pop culture. It says that you can never simultaneously know the exact position and the exact speed of an object and shows up as a metaphor in everything from literary criticism to sports commentary. Uncertainty is often explained as a result of measurement, that the act of measuring an object's position changes its speed, or vice versa. The real origin is much deeper and more amazing. The Uncertainty Principle exists because everything in the universe behaves like both a particle and a wave at the same time. In quantum mechanics, the exact position and exact speed of an object have no meaning. To understand this, we need to think about what it means to behave like a particle or a wave. Particles, by definition, exist in a single place at any instant in time. We can represent this by a graph showing the probability of finding the object at a particular place, which looks like a spike, 100% at one specific position, and zero everywhere else. Waves, on the other hand, are disturbances spread out in space, like ripples covering the surface of a pond. We can clearly identify features of the wave pattern as a whole, most importantly, its wavelength, which is the distance between two neighboring peaks, or two neighboring valleys. But we can't assign it a single position. It has a good probability of being in lots of different places. Wavelength is essential for quantum physics because an object's wavelength is related to its momentum, mass times velocity. A fast-moving object has lots of momentum, which corresponds to a very short wavelength. A heavy object has lots of momentum even if it's not moving very fast, which again means a very short wavelength. This is why we don't notice the wave nature of everyday objects. If you toss a baseball up in the air, its wavelength is a billionth of a trillionth of a trillionth of a meter, far too tiny to ever detect. Small things, like atoms or electrons though, can have wavelengths big enough to measure in physics experiments. So, if we have a pure wave, we can measure its wavelength, and thus its momentum, but it has no position. We can know a particles position very well, but it doesn't have a wavelength, so we don't know its momentum. To get a particle with both position and momentum, we need to mix the two pictures to make a graph that has waves, but only in a small area. How can we do this? By combining waves with different wavelengths, which means giving our quantum object some possibility of having different momenta. When we add two waves, we find that there are places where the peaks line up, making a bigger wave, and other places where the peaks of one fill in the valleys of the other. The result has regions where we see waves separated by regions of nothing at all. If we add a third wave, the regions where the waves cancel out get bigger, a fourth and they get bigger still, with the wavier regions becoming narrower. If we keep adding waves, we can make a wave packet with a clear wavelength in one small region. That's a quantum object with both wave and particle nature, but to accomplish this, we had to lose certainty about both position and momentum. The positions isn't restricted to a single point. There's a good probability of finding it within some range of the center of the wave packet, and we made the wave packet by adding lots of waves, which means there's some probability of finding it with the momentum corresponding to any one of those. Both position and momentum are now uncertain, and the uncertainties are connected. If you want to reduce the position uncertainty by making a smaller wave packet, you need to add more waves, which means a bigger momentum uncertainty. If you want to know the momentum better, you need a bigger wave packet, which means a bigger position uncertainty. That's the Heisenberg Uncertainty Principle, first stated by German physicist Werner Heisenberg back in 1927. This uncertainty isn't a matter of measuring well or badly, but an inevitable result of combining particle and wave nature. The Uncertainty Principle isn't just a practical limit on measurment. It's a limit on what properties an object can have, built into the fundamental structure of the universe itself.