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.
Zasada nieokreśloności Heisenberga jest jedną z niewielu koncepcji fizyki kwantowej, które przeniknęły do kultury popularnej. Według niej nie można jednocześnie określić dokładnego położenia i dokładnej prędkości obiektu, co jako metafora pojawia się wszędzie, od krytyki literackiej po komentarz sportowy. Nieokreśloność tłumaczy się często wynikiem pomiaru. Pomiar położenia obiektu zmienia jego prędkość, i odwrotnie. Przyczyna tkwi głębiej i jest bardziej niezwykła. Zasada nieokreśloności istnieje, bo wszystko we wszechświecie zachowuje się równocześnie jak cząstka i fala. W mechanice kwantowej dokładne położenie i prędkość obiektu nie mają znaczenia. Aby to zrozumieć, trzeba pomyśleć, co oznacza zachowywać się jak cząstka albo fala. Cząstki z definicji istnieją w jednym miejscu w czasie. Można to pokazać na wykresie prawdopodobieństwa znalezienia obiektu w określonym miejscu, który wygląda jak iglica, w 100% w jednym miejscu, i nigdzie indziej. Za to fale są zaburzeniami rozchodzącymi się w przestrzeni jak kręgi po powierzchni stawu. Można wyraźnie określić wzór fali jako całości, a przede wszystkim jej długość, czyli odległość między dwoma sąsiadującymi grzbietami albo dwoma sąsiadującymi dolinami, ale nie można przypisać im jednego położenia. Istnieje spore prawdopodobieństwo, że będą w wielu różnych miejscach. Długość fali jest bardzo ważna w fizyce kwantowej, bo długość fali obiektu jest związana z jego pędem, czyli iloczynem masy i prędkości. Szybko poruszający się obiekt ma większy pęd, który odpowiada bardzo krótkiej długości fali. Ciężki obiekt ma większy pęd, nawet nieporuszając się bardzo szybko, co z kolei także oznacza bardzo krótką długość fali. Dlatego nie dostrzegamy na co dzień natury fali w przedmiotach. Jeśli podrzucisz piłkę do bejsbola, długość fali wynosi maciupeńką część metra, zbyt małą, aby móc ją wykryć. Długość fali małych obiektów, jak atomy czy elektrony, jest na tyle duża, że można ją zmierzyć w eksperymentach fizycznych. Można zmierzyć długość i pęd czystej fali, ale nie jej położenie. Można dokładnie określić położenie cząstki, ale bez długości fali, nie znamy jej pędu. Żeby uzyskać cząstkę posiadająca położenie i pęd, trzeba połączenia dwóch obrazów, żeby powstał wykres z falami, ale tylko na małej przestrzeni. Jak to zrobić? Łącząc fale o różnych długościach, czyli dając obiektom kwantowym szansę na różne pędy. Dodając dwie fale, odkrywamy miejsca, gdzie grzbiety pokrywają się, dając większą falę, oraz gdzie grzbiety wypełniają doliny. Efektem są przestrzenie z falami oddzielonymi miejscami, w których nie ma nic. Jeśli dodamy trzecią falę, miejsca, w których fale znosiły się, powiększają się. Przy czwartej nadal rosną, a przestrzenie fal stają się węższe. Dodając kolejne, otrzymamy pakiet falowy o wyraźnej długości fali na jednej małej przestrzeni. To obiekt kwantowy o dwoistej naturze fali i cząstki, ale żeby to osiągnąć, trzeba zapomnieć o określoności, zarówno położenia jak i pędu. Położenie nie jest ograniczone do punktu. Istnieje prawdopodobieństwo znalezienia go w pewnym przedziale środka pakietu falowego, tworzonego przez dodawanie wielu fal, co oznacza możliwość znalezienie go z pędem odpowiadającym którejś z fal. Zarówno położenie jak i pęd są teraz nieokreślone a ich nieokreśloności są od siebie zależne. Chcąc zredukować nieokreśloność położenia, tworząc mniejszy pakiet falowy, trzeba dodać więcej fal, co zwiększa nieokreśloność pędu. Chcąc lepiej określić pęd, potrzeba większego pakietu falowego, co zwiększa nieokreśloność położenia. To jest właśnie zasada nieokreśloności, którą sformułował niemiecki fizyk, Werner Heisenberg, w 1927 roku. Nieokreśloność nie jest kwestią dobrego albo złego pomiaru, ale nieuniknionym skutkiem połączenia istoty cząstki i fali. Zasada nieokreśloności nie jest jedynie ograniczeniem pomiaru. To ograniczenie właściwości, jakie może posiadać obiekt, wbudowane w fundamentalną strukturę wszechświata.