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.
O Princípio de Incerteza de Heisenberg é uma de várias ideias da Física quântica até à expansão para a cultura pop em geral. Diz que nunca podemos saber simultaneamente qual a posição exata e a velocidade exata de um objeto e aparece como uma metáfora em tudo da crítica literária aos comentários desportivos. A incerteza é muitas vezes explicada como resultado da medição, que o ato de medir a posição de um objeto altera a sua velocidade ou vice-versa. A origem real é muito mais profunda e mais espantosa. O Princípio da Incerteza existe porque tudo no universo se comporta como uma partícula e como uma onda, ao mesmo tempo. Na mecânica quântica, a posição exata e a velocidade exata de um objeto não têm significado. Para perceber isto, precisamos de pensar no que significa agir como uma partícula ou uma onda. As partículas, por definição, existem num único local, num instante no tempo. Podemos mostrar isto num gráfico que expõe a probabilidade de encontrar o objeto num determinado local, que se parece com um espigão, 100% numa posição específica, e zero noutra qualquer. Por outro lado, as ondas são perturbações espalhadas no espaço, como ondulações que cobrem a superfície de um lago. Podemos identificar características do padrão de ondulação como um todo, e mais importante, o seu comprimento de onda. que é a distância entre dois picos vizinhos ou dois vales vizinhos. Mas não podemos atribuir-lhe uma única posição. Há uma boa probabilidade de estar em vários locais diferentes. O comprimento de onda é essencial para a física quântica porque o comprimento de onda do objeto relaciona-se com o seu impulso, a massa vezes a velocidade. Um objeto em rápido movimento tem muito momentum, o que corresponde a um comprimento de onda muito curto. Um objeto pesado tem muito momentum mesmo que não se mova muito rápido, o que significa um comprimento de onda muito curto. Isto é o motivo pelo qual não notamos as ondas naturais dos objetos diários. Se lançarmos uma bola ao ar, o seu comprimento de onda é o bilionésimo do trilionésimo do trilionésimo do metro, demasiado pequeno para ser detetado. Coisas pequenas, como átomos ou eletrões, podem ter comprimentos de onda que podem ser medidos em experiências de física. Se temos uma onda pura, podemos medir o seu comprimento de onda, e o seu momentum, mas não tem posição. Podemos saber a posição exata da partícula, mas não tem comprimento de onda, então não sabemos o seu momentum. Para ter uma partícula com posição e momentum, precisamos de misturar as duas imagens para fazer um gráfico que tem ondas, mas apenas numa pequena área. Como podemos fazer isto? Combinando ondas, com diferentes comprimentos de onda, ou seja, dar ao nosso objeto quântico a possibilidade de ter momentums diferentes Quando adicionamos duas ondas, descobrimos que há locais onde os picos se alinham, criando uma onda maior, e outros locais onde uns dos picos enchem os vales de outros. O resultado tem regiões onde vemos ondas separadas por regiões onde não há nada. Se adicionarmos uma 3.ª onda, as regiões onde as ondas se cancelam ficam maiores, uma 4.ª onda e elas ficam ainda maiores, e as regiões com mais ondas a ficar menores. Se continuarmos a adicionar ondas, podemos fazer um pacote de ondas com um comprimento de onda exato numa pequena região. Isso é um objeto quântico com natureza de onda e de partícula, mas para conseguir isto, tivemos de perder a certeza sobre a posição e o momentum. A posição não é restringida a um único ponto. Há uma boa probabilidade de a achar a alguma distância do centro do pacote de ondas, e fizemos o pacote de ondas ao adicionar várias ondas, assim existe alguma probabilidade de a encontrar com o momentum correspondente a alguma delas. Tanto a posição como o momentum são agora incertos, e as incertezas estão conectadas. Se quisermos reduzir a incerteza da posição ao fazer um pacote de ondas menor, precisamos de adicionar mais ondas, o que significa maior incerteza do momentum. Se quisermos saber o momentum, precisamos de um pacote de ondas maior, ou seja, maior incerteza da posição. Este é o Princípio da Incerteza de Heisenberg, afirmado pela primeira vez pelo físico alemão Werner Heisenberg em 1927. Esta incerteza não é uma questão de medir bem ou mal, mas um resultado inevitável da natureza conjunta de partícula e onda O Princípio da Incerteza não é apenas um limite prático à medição. É um limite das propriedades que um objeto pode ter,