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.
Kuantum fiziğinden, halkın pop kültürüne genişletilen çok sayıda düşünceden biri de Heisenberg Belirsizlik İlkesidir. İlke şunu söyler: Bir nesnenin tam hızını ve tam konumunu aynı anda bilmek imkansızdır. Edebi eleştiriden spor yorumlarına kadar her şeyde bu benzetim kullanılıyor. Belirsizlik çoğu zaman ölçümün bir sonucu olarak açıklanır; yani nesnenin konumunu ölçme işlemi onun hızını değiştirir ve hız ölçümü de konumunu. Asıl çıkış noktası ise daha derin ve daha büyüleyici. Belirsizlik İlkesi geçerli, çünkü evrendeki her şey aynı anda hem parçacık hem de dalga gibi davranıyor. Kuantum mekaniğinde bir parçacığın tam konumu ve tam hızından söz etmek anlamsızdır. Bunu anlamak için, bir parçacık ya da bir dalga gibi davranmanın ne demek olduğunu düşünmek gerek. Parçacık, tanımı gereği, herhangi bir anda tek bir yerde olur. Nesneyi bulma olasılığının, tek bir yerde %100 ve başka her yerde sıfır olduğu, dikene benzeyen bir grafikle bunu gösterebiliriz. Öte yandan dalgalar, uzayda yayılan hareketlenmelerdir; tıpkı bir havuzun yüzeyini kaplayan dalgacıklar gibi. Bir bütün olarak, dalga deseninin özelliklerini açıkça belirtebiliriz. Bunların en önemlisi dalgaboyudur; yani iki komşu tepe ya da iki komşu vadi arasındaki uzaklık. Fakat dalga için tek bir konum veremeyiz. Pek çok farklı yerde bulunma olasılığı bulunur. Dalgaboyu, kuantum fiziğinin temel öğelerindendir. Çünkü bir nesnenin dalgaboyu, momentumu ile ilişkilidir; yani kütle çarpı hız. Hızlı giden bir nesnenin momentumu büyüktür, ki bu çok kısa dalgaboyuna denktir. Çok ağır bir nesnenin momentumu, hızlı gitmese bile büyük olur, ki bu yine çok kısa dalgaboyu demektir. Günlük yaşamda karşılaştığımız nesnelerin dalga doğalarına dikkat etmeyişimiz işte bundan kaynaklanır. Bir beyzbol topunu havaya fırlatırsanız, dalgaboyu bir metrenin trilyonda birinin trilyonda birinin milyarda biri olur. Ölçmek için çok çok küçük. Atomlar ya da elektronlar gibi küçük nesneler ise fizik deneyleri ile ölçülebilecek kadar büyük dalgaboyludurlar. Dolayısıyla, eğer saf bir dalgamız varsa, onun dalgaboyunu ölçebiliriz. Bu onun momentumu olur, ama bir konumu yoktur. Bir parçacığın konumunu gayet iyi biliriz, ama onu da dalgaboyu yoktur; dolayısıyla momentumunu bilemeyiz. Hem konumu hem momentumu olan bir parçacık elde etmek için iki resmi karıştırarak, sadece küçük bir alanda dalgaları bulunan bir grafik yapmamız gerek. Bunu nasıl yaparız? Farklı dalgaboylu dalgaları bir araya getirerek. Yani kuantum nesnemize farklı momentumlara sahip olma olasılığı vererek. İki dalgayı birleştirdiğimizde, tepelerin birleşerek daha büyük dalgalar oluşturduğu bazı yerler olduğunu ve diğer yerlerde, tepelerin vadilere denk geldiğini görürüz. Sonuçta, boş bölgeler ile ayrılmış dalgalar görürüz. Eğer üçüncü bir dalga daha eklersek dalgaların birbirini iptal ettiği bölgeler artar. Dördüncüyü eklersek daha da büyürler ve dalga bölgeleri iyice daralır. Dalgalar eklemeye devam edersek, bir dalga paketi yapabiliriz. Böylece küçük bir bölgede bulunup net bir dalgaboyuna sahip olur. Bu kuantum nesnenin hem dalga hem de parçacık doğası vardır. Fakat bunu sağlarken, hem konuma hem de momentuma ilişkin kesinlikleri kaybederiz. Konum tek bir noktaya kısıtlanmamıştır. Dalga paketinin merkezi çevresinde belli bir menzilde bulunma olasılığı vardır. Dalga paketini oluştururken çok sayıda dalgayı topladığımız için bu dalgalardan her birine karşılık gelen momentumları bulmak için de belli bir olasılık vardır. Şimdi hem konum hem de momentum belirsizdir ve bu belirsizlikler birbirine bağlıdır. Eğer daha küçük bir dalga paketi oluşturarak konum belirsizliğini azaltmak isterseniz, bu daha büyük momentum belirsizliği anlamına gelir. Eğer momentumu daha iyi bilmek isterseniz, daha büyük dalga paketi gerekir, ki bu da daha büyük konum belirsizliği demektir. İşte bu, ilk kez 1927'de Alman fizikçi Werner Heisenberg'in öne sürdüğü Heisenberg Belirsizlik İlkesidir. Bu belirsizlik, iyi veya kötü ölçüm meselesi değildir; parçacık ve dalga doğalarının birleşiminin kaçınılmaz bir sonucudur. Belirsizlik İlkesi, ölçmeye konan uygulama sınırından ibaret değildir. Evrenin temel yapısına işlenmiş bir sınırlama olup, bir nesnenin sahip olabileceği özelliklere ilişkin bir sınırdır.