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.
Il Principio di Indeterminazione di Heisenberg è uno trai concetti della fisica quantistica ad espandersi nella generica cultura popolare Dice che non si possono mai conoscere simultaneamente la posizione esatta e la velocità esatta di un oggetto ed appare come una metafora per tutto, dalla critica letteraria ai commenti sportivi. L'indeterminazione è spesso spiegata come risultato di una misurazione in cui l'atto di misurazione della posizione di un oggetto cambia la sua velocità, o viceversa. La vera origine è più profonda e più strabiliante. Il Principio di Indeterminazione esiste perché tutto nell'universo si comporta come una particella e come un'onda contemporaneamente. Nella meccanica quantistica, la posizione esatta e la velocità esatta di un oggetto non hanno senso. Per capire ciò, dobbiamo pensare a cosa significa agire come una particella o come un'onda. Le particelle, per definizione, esistono in un unico puntto in ogni istante nel tempo. Possiamo rappresentare ciò in un grafico che mostra la probabilità di trovare l'oggetto in un dato luogo il che appare come un un picco, al 100% in una posizione specifica e zero da ogni altra parte. Invece le onde sono perturbazioni che si diffondono nello spazio come le increspature sulla superficie di un laghetto. Identifichiamo chiaramente elementi dello schema dell'onda nella sua interezza, soprattutto la sua lunghezza d'onda, che è la distanza tra due picchi adiacenti, o due valli adiacenti. Ma non possiamo assegnargli una sola posizione. Ha una buona probabilità di trovarsi in molti punti diversi. La lunghezza d'onda è essenziale per la fisica quantistica: la lunghezza d'onda di un oggetto è collegata alla sua quantità di moto, massa per velocità. Un oggetto che si muove veloce ha una grande quantità di moto, il che corrisponde a una lunghezza d'onda molto breve. Un oggetto pesante ha una grande quantità di moto anche quando non si muove molto velocemente, il che implica, di nuovo, una lunghezza d'onda molto breve Ecco perché non notiamo la natura ondulatoria degli oggetti quotidiani. Se lanci una palla da baseball in aria, la sua lunghezza d'onda è un miliardesimo di trilionesimo di trilionesimo di metro, decisamente troppo breve per essere mai rilevato. Invece le piccole cose, come gli atomi o gli elettroni possono avere lunghezze d'onda grandi abbastanza da essere misurate in esperimenti di fisica. Quindi, se abbiamo un'onda pura, misuriamo la sua lunghezza d'onda, e dunque la sua quantità di moto, ma senza la sua posizione. Possiamo conoscere esattamente la posizione di una particella, ma essa non ha una lunghezza d'onda, quindi non possiamo conoscere la sua quantità di moto. Per avere sia la posizione sia la quantità di moto di una particella dobbiamo fondere le due immagini per creare un grafico che ha le onde, ma solo in una piccola area. Come possiamo realizzarlo? Combinando le onde con le diverse lunghezze d'onda, il che vuol dire dare al nostro oggetto quantistico la possibilità di avere diverse quantità di moto. Quando sommiamo due onde, scopriamo che ci sono dei luoghi dove i picchi si allineano, creando un'onda più grande, e altri luoghi dove i picchi di una riempiono le le valli di un'altra. Il risultato ha aree dove vediamo delle onde separate da aeree di vuoto assoluto. Se aggiungiamo una terza onda, le aree dove le onde si annullano diventano più grandi, con una quarta aumentano ancora, e le aree con le onde si fanno più strette. Se continuiamo ad aggiungere onde, possiamo creare un pacchetto di onde con una ben distinta lunghezza d'onda in una piccola area Questo è un oggetto quantistico con una natura sia di onda sia di particella, ma per ottenere ciò, dobbiamo perdere la certezza sia della posizione sia della quantità di moto. Le posizioni non sono riconducibili ad un singolo punto. C'è una buona probabilità di trovarle all'interno di un qualche intervallo dal centro del pacchetto d'onda ed otteniamo il pacchetto d'onda sommando molte onde, il che vuol dire che c'è la probabilità di trovarla con la quantità di moto corrispondente ad una di queste. Sia la posizione sia la quantità di moto sono ora indeterminate, e le indeterminazioni sono connesse Se si vuole ridurre l'indeterminazione della posizione creando un pacchetto d'onda più piccolo bisogna aggiungere più onde, il che vuol dire ingrandire l'indeterminazione della quantità di moto. Se si vuole conoscere meglio la quantità di moto si necessita di un pacchetto d'onda più grande che vuol dire aumentare l'indeterminazione della posizione Questo è il Principio di Indeterminazione di Heisenberg formulato per la prima volta dal fisico tedesco Werner Heisenberg nel 1927. Tale indeterminazione non dipende da una buona o da una cattiva misurazione, ma è il risultato inevitabile derivante dalla combinazione della natura di particella e di onda. Il Principio di Indeterminazione non è solo un limite pratico in misurazione. E' un limite sulle proprietà che un oggetto può avere, insito nella struttura fondamentale dell'universo stesso.