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.
Le principe d'incertitude d'Heisenberg est l'une de ces rares idées de la physique quantique à se répandre dans la culture populaire. Il stipule que l'on ne peut jamais connaitre simultanément la position exacte et la vitesse exacte d'un objet et apparaît comme une métaphore de presque tout, de la critique littéraire au commentaire sportif. L'incertitude est souvent expliquée comme un résultat de la mesure, que l'acte de mesurer la position d'un objet modifie sa vitesse, ou vice versa. La véritable origine est beaucoup plus profonde et plus étonnante. Le Principe d'Incertitude existe parce que tout dans l'univers se comporte à la fois comme une onde et une particule en même temps. En mécanique quantique, la position exacte et la vitesse exacte d'un objet n'ont pas de signification. Pour le comprendre, nous devons réfléchir à ce que signifie se comporter comme une particule ou une onde. Les particules, par définition, existent à chaque instant, dans un seul endroit. Nous pouvons le représenter sur un graphique. La probabilité de trouver l'objet à un endroit précis ressemble à un pic : 100% à une position spécifique, et zéro partout ailleurs. Les ondes, en revanche, sont des perturbations qui se propagent dans l'espace, comme des ondulations à la surface d'un étang. Nous pouvons clairement identifier les caractéristiques de la forme d'onde dans son ensemble, surtout sa longueur d'onde, qui est la distance entre deux sommets voisins, ou deux creux voisins. Mais nous ne pouvons pas lui attribuer une position unique. Elle a une bonne probabilité d'être dans de nombreux différents endroits. La longueur d'onde est essentielle en physique quantique parce qu'elle est liée à son moment, le produit de la masse par la vitesse. Un objet se déplaçant rapidement a un moment important, ce qui correspond à une très courte longueur d'onde. Un objet lourd a un moment important, même si il n'est pas en mouvement très rapide, ce qui signifie de nouveau une très courte longueur d'onde. C'est pourquoi nous ne remarquons pas la nature ondulatoire des objets du quotidien. Si vous jetez une balle de baseball en l'air, sa longueur d'onde est un milliardième du billionième du billionième de mètre, beaucoup trop petite pour être détectée. En revanche, les petites choses, comme des atomes ou des électrons, peuvent avoir des longueurs d'onde assez grandes pour être mesurées. Donc, si nous avons une onde pure, nous pouvons mesurer sa longueur d'onde, et par conséquent, son moment, mais elle n'a pas de position. Nous pouvons très bien connaître la position d'une particule, mais elle n'a pas de longueur d'onde, son moment reste donc inconnu. Pour obtenir les deux à la fois, nous avons besoin de mélanger les deux images, de faire un graphique qui a des ondes, mais seulement dans une petite zone. Comment pouvons-nous faire cela ? En combinant les ondes de différentes longueurs d'onde, ce qui signifie donner à notre objet quantique la possibilité d'avoir différents moments. Lorsque nous additionnons deux ondes, il y a des endroits où les sommets s'ajoutent, pour former une onde plus grande et d'autres endroits où les sommets de l'une vont combler les creux de l'autre. Le résultat comporte des endroits avec des sommets séparées par des endroits plats. Si nous ajoutons une troisième onde, les régions où les ondes s'annulent grandissent, une quatrième onde amplifie cela, avec des sommets plus étroits. En continuant à ajouter des ondes, nous pouvons faire un paquet d'ondes avec une longueur d'onde claire dans une petite zone. C'est un objet quantique avec une nature à la fois ondulatoire et corpusculaire, mais pour ce faire, nous avons dû perdre toute certitude sur sa position et son moment. Sa position n'est pas limitée à un seul point. Il y a une bonne probabilité de le trouver dans une zone bornée en dehors du centre du paquet d'ondes; et nous avons formé ce paquet en additionnant de nombreuses ondes : il est donc possible trouver cet objet avec un moment correspondant à n'importe laquelle de ces ondes. La position et le moment sont incertains, et ces incertitudes sont reliées. Si vous voulez réduire l'incertitude sur la position, en faisant un paquet d'ondes plus petit, vous devez ajouter plus d'ondes, d'où une plus grande incertitude quant au moment. Pour mieux connaitre le moment, il vous faut un paquet d'ondes plus grand, donc plus d'incertitude sur la position. Voilà le principe d'incertitude de Heisenberg, établi pour la première fois par le physicien allemand Werner Heisenberg en 1927. Cette incertitude est pas une question de mesure mal ou bien effectuée, mais un résultat inéluctable de la combinaison des natures ondulatoire et corpusculaire. Le principe d'incertitude est pas une simple limite pratique à la mesure. C'est une limite sur les propriétés qu'un objet peut avoir,