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.
Principiul incertitudinii al lui Heisenberg e una dintre ideile fizicii cuantice extinse la cultura pop generală. El spune că nu putem ști niciodată poziția și viteza exactă a unui obiect și servește ca metaforă universală, de la critica literară la comentariile sportive. Incertitudinea e des explicată ca un rezultat al măsurătorilor, actul măsurării poziției unui obiect schimbându-i viteza sau vice-versa. Cauza reală e însă mult mai profundă și mai uluitoare. Principiul incertitudinii există deoarece totul în univers se comportă simultan atât ca particulă, cât și ca undă. În mecanica cuantică, poziția și viteza exactă a unui obiect nu au însemnătate. Pentru a înțelege asta, trebuie să ne gândim ce înseamnă a te comporta ca o particulă sau undă. Particulele, prin definiție, se găsesc într-un singur loc, într-un anumit moment. Putem reprezenta asta printr-un grafic arătând probabilitatea găsirii obiectului într-un loc anume, ce arată ca un vârf, 100% într-o anumită poziție și 0 oriunde altundeva. Undele, pe de altă parte, sunt perturbări răspândite în spațiu precum undele de la suprafața unui lac. Putem identifica per ansamblu caracteristicile tiparului undei, în special, lungimea acesteia, adică distanța dintre două vârfuri sau două văi învecinate. Dar nu îi putem atribui o singură poziție. E o mare probabilitate de a se afla în multe locuri diferite. Lungimea de undă e esențială în fizica cuantică deoarece lungimea de undă a unui obiect este asociată cu impulsul său, masa ori viteza. Un obiect în rapidă mișcare are multe impulsuri, care corespund unei lungimi de undă foarte scurte. Un obiect greu are multe impulsuri, chiar dacă nu se mișcă foarte rapid, ceea ce din nou înseamnă o lungime de undă foarte scurtă. Din această cauză nu observăm natura undelor obiectelor cotidiene. Dacă arunci o minge de baseball în aer, lungimea sa de undă e o miliardime de trilionime din trilionimea unui metru, mult prea mică de detectat vreodată. Totuși, lucrurile mici precum atomii sau electronii, pot avea lungimi de undă îndeajuns de mari de măsurat în experimente. Așadar, dacă avem o undă pură îi putem măsura lungimea, prin urmare și impulsul, dar nu are poziție. Putem afla foarte ușor poziția unei particule, dar nu are o lungime de undă, deci nu-i știm impulsul. Pentru a avea o particulă cu poziție și impuls, trebuie să combinăm cele două idei pentru a crea un grafic cu unde, dar numai într-o zonă mică. Cum putem face asta? Prin combinarea undelor cu diferite lungimi de undă, adică dând obiectului cuantic șansa de a avea impulsuri diferite. Când adăugăm două unde, descoperim că există locuri unde vârfurile se aliniază creând o undă mai mare și alte locuri unde vârfurile uneia umplu văile celeilalte. Rezultatul arată zone unde vedem unde separate de zone goale. Dacă adăugăm o a treia undă, zonele unde undele se anulează devin mai mari, la o a patra se măresc în continuare, zonele mai ondulate îngustându-se. Continuând să adăugăm unde, putem crea un grup de unde cu o lungime de undă clară într-o zonă mică. Acesta e un obiect cuantic, cu natură duală undă-particulă, dar pentru a ajunge aici, a trebuit să pierdem certitudinea atât a poziției, cât și a impulsului. Poziția nu e restricționată la un singur punct. E o mare probabilitate de a o găsi la o anumită distanță de centrul grupului de undă și creăm grupul de undă adăugând multe unde, însemnând că există o anume probabilitate de a o găsi având impulsul corespunzător oricăreia dintre acestea. Atât poziția, cât și impulsul sunt acum incerte, iar incertitudinile sunt conectate. Dacă vrei să scazi incertitudinea poziției prin crearea unui grup de unde mai mic, trebuie să adaugi mai multe unde, crescând astfel incertitudinea impulsului. Dacă vrei să știi mai bine impulsul, ai nevoie de un grup mai mare de unde, crescând astfel incertitudinea poziției. Acesta e principiul incertitudinii al lui Heisenberg, formulat de fizicianul german Werner Heisenberg în 1927. Această incertitudine nu e o problemă de măsurare corectă sau greșită, ci e consecința inevitabilă a dualității particulă-undă. Principiul incertitudinii nu e doar o limită practică în măsurare. E o limitare a proprietăților pe care le poate avea un obiect, inerentă structurii fundamentale a universului în sine.