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.
עיקרון אי הוודאות של הייזנברג הוא אחד ממספר רעיונות מפיזיקה קוואנטית שהגיעו לתרבות הפופולרית. הוא אומר שאתם לעולם לא יכולים לדעת בו זמנית את המיקום המדוייק והמהירות המדוייקת של עצמים ומופיע כמטאפורה בהכל מביקורת ספרותית לפרשנות ספורט. אי וודאות מוסברת פעמים רבות כתוצאה של מדידה, שפעולת המדידה של מיקום של עצם משנה את המהירות שלו, או להפך. המקור האמיתי הוא הרבה יותר מעמיק והרבה יותר מדהים. עקרון אי הוודאות קיים מפני שהכל ביקום מתנהג גם כמו חלקיקים וגם כמו גלים באותו הזמן. במכניקה קוואנטית, למיקום המדוייק והמהירות המדוייקת של עצם אין משמעות. כדי להבין את זה, אנחנו צריכים לחשוב על מה זה אומר להתנהג כמו חלקיק או גל. חלקיקים, לפי הגדרה, קיימים במיקום יחיד בזמן מסויים. אנחנו יכולים לייצג את זה בגרף שמראה את ההסתברות למציאת העצם במיקום מסויים, מה שנראה כמו ספייק, 100% במיקום מסויים, ואפס בכל מקום אחר. גלים, מצד שני, הם הפרעות פרושות בחלל, כמו גלים שמכסים את פני הבריכה. אנחנו יכולים לזהות בברור את התכונות של תבניות הגלים ככלל, והכי חשוב, את אורך הגל, שהוא המרחק בין שני שיאים צמודים, או שני גאיות צמודים. אבל אנחנו לא יכול לשייך מיקום יחיד. יש סבירות טובה שהוא בהרבה מקומות. אורך הגל הוא חיוני לפיזיקה קוואנטית מפני שאורך הגל של עצם קשור למומנטום שלו, מאסה כפול מהירות. לעצם שנע מהר יש מומנט גדול, שמתאים לאורך גל מאוד קצר. לעצם כבד יש הרבה מומנט אפילו אם הוא לא נע מהר, ששוב אומר אורך גל קצר מאוד. לכן אנחנו לא שמים לב לטבע הגלי של עצמים יום יומיים, אם תזרקו כדור בסיס למעלה לאויר, אורך הגל שלו הוא מיליארדית של טריליונית של טריליונית המטר, קטן מדי כדי לגלות. לדברים קטנים, כמו אטומים או אלקטרונים עם זאת, יכול להיות אורך גל גדול מספיק למדידה בניסויים פיזיים. אז, אם יש לנו גל טהור, אנחנו יכולים למדוד את אורך הגל שלו, ולכן את המומנט שלו, אבל אין לו מיקום. אנחנו יכולים לדעת את המיקום של חלקיק בקלות, אבל אין לו אורך גל, אז אנחנו לא יודעים את המומנט שלו. כדי לקבל חלקיק גם עם מיקום וגם עם מומנט, אנחנו צריכים לערב את שתי התמונות כדי ליצור גרף שיש בו גלים, אבל רק באזור קטן. איך אנחנו יכולים לעשות את זה? על ידי שילוב גלים עם אורכי גל שונים, מה שאומר לתת לעצם הקוואנטי שלנו אפשרות להיות בעל מומנט אחר. כשאנחנו מוסיפים שני גלים, אנחנו מוצאים שיש מקומות בהם השיאים מתיישרים ויוצרים גל גדול יותר, ומקומות אחרים בהם השיאים של אחד ממלאים את העמקים של אחר. לתוצאה יש אזורים בהם אנחנו רואים גלים מופרדים על ידי אזורים של כלום בכלל. אם נוסיף גל שלישי, האזור בו הגלים מתבטלים גדל, רביעי והם גדלים עוד, עם האזורים הגליים שהופכים צרים יותר. אם נמשיך להוסיף גלים, אנחנו יכולים ליצור חבילת גלים עם אורך גל ברור באזור אחד קטן. זה עצם קוואנטי גם עם טבע גלי וגם חלקיקי, אבל כדי להשיג את זה, היינו צריכים לאבד וודאות בנוגע למיקום ולמומנט. המיקום לא מוגבל לנקודה יחידה. יש סבירות גבוהה למצוא אותו בטווח מסויים של מרכז חבילת הגלים, ועשינו את חבילת הגלים על ידי הוספת הרבה גלים, מה שאומר שיש הסתברות כלשהי למצוא אותו עם המומנט שמתאים לכל אחד מהם. גם המיקום וגם המומנט עכשיו לא וודאיים, ואי הוודאויות מחוברות. אם אתם רוצים להפחית את אי הוודאות של המיקום על ידי יצירת חבילת גלים קטנה יותר, אתם צריכים להוסיף עוד גלים, מה שאומר אי וודאות גדולה יותר בנוגע למומנט. אם אתם רוצים לדעת את המומנט טוב יותר, אתם צריכים חבילת גלים גדולה יותר, מה שאומר אי וודאות גדולה יותר בנוגע למיקום. זה עיקרון אי הוודאות של הייזנברג, שהועלה לראשונה על ידי הפיזיקאי הגרמני וורנר הייזנברג ב 1927. אי הוודאות הזו היא לא עניין של מדידה טוב או רע, אלא תוצאה בלתי נמנעת של שילוב טבע חלקיקי וגלי. עקרון אי הוודאות הוא לא רק מגבלה פרקטית של מדידה. הוא מגבלה של איזה תכונות יכולות להיות לאובייקט, שבנויות לתוך המבנה הבסיסי של היקום עצמו.