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.
หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก เป็นหนึ่งในไม่กี่แนวคิด ของควอนตัมฟิสิกส์ ที่ได้ขยายไปสู่วัฒนธรรมสมัยนิยม มันบอกว่าเราไม่สามารถที่จะทราบตำแหน่ง และความเร็วที่แน่นอนของวัตถุ ในเวลาเดียวกันได้ มันไปโผล่ในฐานะอุปลักษณ์ในทุกๆ เรื่อง ตั้งแต่การวิจารณ์วรรณกรรม ไปจนถึงเรื่องกีฬา ความไม่แน่นอนมักถูกอธิบายว่า เป็นผลที่เกิดจากขั้นตอนการวัด การลงมือวัดตำแหน่งของวัตถุได้เปลี่ยนความเร็วของมัน หรือ เช่นกันในทางตรงข้าม จุดกำเนิดของหลักการนี้ ลึกซึ้งและน่าทึ่งกว่านี้มาก หลักความไม่แน่นอนดำรงอยู่ เพราะว่าทุกสิ่งในเอกภพ ประพฤติตัวเสมือนเป็นอนุภาคและคลื่น ในเวลาเดียวกัน ในกลศาสตร์ควอนตัม ตำแหน่งที่แน่นอน และความเร็วที่แน่นอนของวัตถุ ไม่มีความหมายใดๆ เพื่อที่จะเข้าใจเรื่องนี้ เราจำเป็นต้องคิดว่าการประพฤติตัวเหมือนอนุภาค หรือคลื่น นั้นหมายถึงอะไร โดยนิยามแล้วอนุภาค จะอยู่ในสถานที่หนึ่ง ณ เวลาหนึ่ง เราสามารถแสดงให้เห็นโดยใช้กราฟ บอกความน่าจะเป็นในการพบวัตถุ ที่ตำแหน่งหนึ่งๆ ซึ่งกราฟจะมีลักษณะเป็นยอดแหลมอันเดียว โดยมีโอกาสพบวัตถุ 100% ที่ตำแหน่งหนึ่ง และเป็นศูนย์ในตำแหน่งที่เหลือ ในทางกลับกัน คลื่น คือ การเคลื่อนที่ของการรบกวนแผ่ไปยังที่ว่าง เหมือนคลื่นที่แผ่ปกคลุมผิวน้ำในบ่อ เราสามารถบ่งบอกคุณสมบัติต่างๆ ของคลื่นได้ในภาพรวม อันที่สำคัญสุด ได้แก่ ความยาวคลื่น ที่เป็นระยะห่างระหว่างสันคลื่นที่อยู่ติดกัน หรือ ระยะห่างของท้องคลื่นที่อยู่ติดกัน แต่เราไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนของมันได้ มันมีโอกาสที่จะเจอคลื่นในหลายๆ ตำแหน่ง ความยาวคลื่นมีความสำคัญในควอนตัมฟิสิกส์ เพราะว่า ความยาวคลื่นของวัตถุ สัมพันธ์กับโมเมนตัมของมัน ซึ่งคือ มวลคูณกับความเร็ววัตถุ วัตถุที่เคลื่อนที่เร็วจะมีโมเมนตัมมาก ซึ่งส่งผลให้มันมีความยาวคลื่นที่สั้นมาก วัตถุที่มีมวลมากจะมีโมเมนตัมมาก ถึงแม้ว่ามันจะเคลื่อนที่ไม่เร็ว ซึ่งทำให้มันมีความยาวคลื่นที่สั้นมากเช่นเดียวกัน นี่เป็นเหตุผลที่ทำให้ไม่สังเกตเห็นความเป็นคลื่น ของวัตถุต่างๆ ในชีวิตประจำวัน ถ้าคุณขว้างลูกเบสบอลขึ้นไปบนฟ้า ความยาวคลื่นของมันจะเท่ากับ 1/10 ยกกำลัง 33 เมตร เล็กมากเกินกว่าจะสังเกตเห็น วัตถุเล็กๆ เช่น อะตอม หรือ อิเล็คตรอน มีความยาวคลื่นมากพอที่จะวัดได้ จากการทดลองทางฟิสิกส์ ถ้าเรามีคลื่นหนึ่ง เราจะสามารถวัดความยาวคลื่น และโมเมนตัมของมันได้ แต่จะไม่สามารถวัดตำแหน่งของมันได้ เราสามารถทราบตำแหน่งของอนุภาคได้เป็นอย่างดี แต่มันไม่มีความยาวคลื่น ดังนั้นเราจึงไม่ทราบโมเมนตัมของมัน การจะทราบทั้งตำแหน่งและโมเมนตัมของอนุภาค เราจำเป็นต้องรวมภาพสองภาพเข้าด้วยกัน เพื่อสร้างกราฟที่มีคลื่น แต่จำกัดให้อยู่เฉพาะในพื้นที่เล็กๆ จะทำมันได้อย่างไร ก็โดยการรวมคลื่น ที่มีความยาวคลื่นต่างๆ เข้าด้วยกัน ซึ่งทำให้อนุภาคควอนตัม มีโอกาสมีค่าโมเมนตัมได้หลายค่า เมื่อเรารวมคลื่น 2 อันเข้าด้วยกัน เราพบว่ามันมีบริเวณ ที่สันคลื่นเรียงกันทำให้เป็นคลื่นที่ใหญ่ขึ้น และบริเวณที่สันคลื่นหนึ่ง ไปซ้อนทับท้องคลื่นอีกอันหนึ่ง ผลก็คือ เราจะได้บริเวณที่เราพบคลื่น คั่นด้วยบริเวณที่ราบเรียบไม่มีคลื่น ถ้าเราเพิ่มคลื่นอันที่ 3 เข้าไป บริเวณที่ไม่มีคลื่นก็จะกว้างขึ้นไปอีก เพิ่มคลื่นอันที่ 4 มันก็จะกว้างขึ้นไปอีก พร้อมกับส่วนที่มีคลื่นจะแคบลงเรื่อยๆ ถ้าเราเพิ่มคลื่นเข้าไปเรื่อยๆ เราก็จะได้กลุ่มคลื่นเล็กๆ อันหนึ่ง ที่มีควาวยาวคลื่นชัดเจน อยู่ในบริเวณแคบๆ มันคือ วัตถุควอนตัม ที่มีคุณสมบัติเป็นทั้งคลื่นและอนุภาค การจะได้คุณสมบัตินี้มา เราต้องแลกกับความแน่นอน เกี่ยวกับตำแหน่งและโมเมตัม ตำแหน่งจะไม่ได้จำกัดอยู่ที่จุดเดียวอีกต่อไป มันมีโอกาสที่จะพบอนุภาคที่ตำแหน่งต่างๆ รอบๆ ศูนย์กลางของกลุ่มคลื่นนั้น ซึ่งกลุ่มคลื่นนั้นเกิดจากการรวมกันของคลื่นมากมาย ซึ่งความว่า มันมีโอกาสที่จะพบอนุภาค โดยมันจะมีโมเมนตัมเป็นของคลื่นย่อยอันไหนก็ได้ ตอนนี้ทั้งโมเมนตัมและตำแหน่ง มีความไม่แน่นอน และความไม่แน่นอนนั้นเกี่ยวโยงกัน ถ้าคุณต้องการลดความไม่แน่นอนของตำแหน่ง โดยการทำให้กลุ่มคลื่นมีขนาดเล็กลง ซึ่งจำเป็นต้องเพิ่มคลื่นเข้าไปอีก ซึ่งทำให้ความไม่แน่นอนของโมเมนตัม มากขึ้นไปด้วย แต่ถ้าคุณต้องการค่าโมเมนตัมที่ชัดเจนขึ้น ก็จำเป็นต้องทำให้กลุ่มคลื่นมีขนาดใหญ่ขึ้นไปด้วย ซึ่งทำให้ความไม่แน่นอนของตำแหน่งมีมากขึ้น นี่ก็คือ หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก ถูกกล่าวถึงครั้งแรก โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน แวร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก (Werner Heisenberg) ในค.ศ. 1927 ความไม่แน่นอนที่มี ไม่ได้เป็นผลมากจากวิธีการวัด แต่เป็นผลที่เลี่ยงไม่ได้จากธรรมชาติ ที่มีร่วมกันของอนุภาคและคลื่น หลักความไม่แน่นอนไม่เพียงแต่ เป็นข้อจำกัดของการวัดในทางปฏิบัติ แต่มันยังไปจำกัด ถึงคุณสมบัติใดก็ตามที่วัตถุสามารถมีได้ ซึ่งเป็นไปตามโครงสร้างที่เป็นรากฐานของเอกภพ