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 das ideias da física quântica que foram adotadas pela cultura popular. Ele diz que você nunca pode saber ao mesmo tempo a posição exata e a velocidade exata de um objeto e é usado como uma metáfora em situações desde a crítica literária até o comentário esportivo. A incerteza é geralmente explicada como uma consequência da mensuração, o ato de medir a posição de um objeto muda sua velocidade e vice-versa. A causa real é muito mais profunda e mais surpreendente: O Princípio da Incerteza existe porque tudo no universo se comporta como uma partícula e uma onda ao mesmo tempo. Na mecânica quântica, a posição exata e a velocidade exata de um objeto não têm sentido. Para entender isso, precisamos pensar no que significa o comportamento de partícula ou onda. Partículas, por definição, existem em um único lugar a todo instante no tempo. Podemos representar isso num gráfico que mostra a probabilidade de encontrar o objeto em um determinado lugar. O gráfico apresenta um pico, de 100% em uma posição específica, e zero nos outros lugares. Ondas, por outro lado, são perturbações que se propagam expandindo no espaço, como as ondulações na superfície de um lago. Podemos facilmente identificar características do padrão de onda como um todo, principalmente o comprimento de onda, que é a distância entre dois picos consecutivos ou dois vales consecutivos. Mas não podemos dar a eles uma única posição. Há uma grande chance de ele estar em vários lugares diferentes. O comprimento de onda é essencial na física quântica pois o comprimento de onda de um objeto está associado ao seu momento linear, massa vezes a velocidade. Um objeto a alta velocidade tem momento linear grande, que corresponde a um comprimento de onda muito curto. Um objeto pesado tem momento grande mesmo a baixa velocidade, e também tem um comprimento de onda muito curto. É por isso que não percebemos a natureza ondulatória dos objetos cotidianos. Se você lançar uma bola de beisebol, o comprimento de onda dela será um bilionésimo de trilionésimo de trilionésimo de um metro, minúsculo demais para ser detectado. Mesmo assim, coisas pequenas, como átomos ou elétrons, têm comprimento de onda suficientemente grandes para serem medidos em experimentos de física. Assim, se temos uma onda pura, podemos medir seu comprimento de onda, e portanto seu momento, mas ela não possui uma posição. Podemos até saber a posição de uma partícula, mas elas não têm um comprimento de onda, portanto não sabemos seu momento. Para ter uma partícula com posição e também momento, precisamos misturar as duas coisas, construindo um gráfico que tem ondas, mas apenas em uma pequena área. Como se faz isso? Combinando ondas de comprimento de ondas diferentes, isto é, dando ao objeto quântico a possibilidade de ter vários momentos diferentes. Quando juntarmos duas ondas, descobrimos que há locais onde os picos se alinham, formando uma onda maior, e locais onde os picos de uma coincidem com os vales da outra. A resultante terá regiões onde vemos ondas separadas por regiões sem nada. Se adicionarmos uma terceira onda, as regiões onde as ondas se cancelam ficam maiores, mais uma e os vazios serão ainda maiores, e as regiões onduladas mais estreitas. Se continuarmos juntando ondas, teremos um pacote de onda, com um comprimento de onda nítido em uma pequena região. Teremos um objeto quântico com natureza simultânea de onda e partícula. Mas para conseguir isso, foi preciso abrir mão da certeza tanto da posição quanto do momento. A posição não está restrita a um único ponto. Há uma boa probabilidade de encontrá-lo dentro de uma região perto do centro do pacote de onda. Nós construímos o pacote de onda juntando várias ondas, ou seja, há probabilidade de encontrá-lo com um momento igual ao momento de qualquer uma dessas ondas. A posição e o momento agora são indeterminados, e essas incertezas estão ligadas. Se você quiser reduzir a incerteza na posição fazendo um pacote de ondas menor, é preciso adicionar mais ondas, o que implica em maior incerteza no momento. Já um pacote de ondas maior permitirá conhecer melhor o momento, o que implica maior incerteza na posição. Esse é o Princípio de Incerteza de Heisenberg, enunciado pelo físico alemão Werner Heisenberg em 1927. Tal incerteza não é uma questão de medir bem ou mal, mas um resultado inevitável da combinação das naturezas de partícula e de onda. O Princípio de Incerteza não é apenas um limite prático de mensuração. É um limite das propriedades que um objeto pode ter, é parte integrante da estrutura fundamental do universo.