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.
Nguyên lý bất định Heisenberg là một trong số ít ý tưởng từ vật lý lượng tử được mở rộng ra đời sống hàng ngày. Nó nói rằng bạn không thể cùng một lúc biết chính xác vị trí và tốc độ của vật và hàm ý đúng với mọi thứ: từ phê bình văn học tới bình luận thể thao. Sự bất định thường được giải thích bằng kết quả đo lường, rằng việc đo vị trí vật làm thay đổi tốc độ hoặc ngược lại. Thế nhưng, nguồn gốc thực sự còn sâu xa và thú vị hơn nhiều. Nguyên lý bất định tồn tại vì mọi thứ trong vũ trụ biểu hiện cùng lúc dưới dạng hạt và sóng. Trong cơ học lượng tử, vị trí và tốc độ chính xác của một vật không có ý nghĩa gì cả. Để hiểu vấn đề này, cần tìm hiểu biểu hiện dưới dạng hạt hoặc sóng nghĩa là gì. Các hạt, theo định nghĩa, tồn tại ở một vị trí tại một thời điểm tức thì. Ta có thể minh họa bằng đồ thị thể hiện xác suất tìm ra vật tại vị trí cụ thể, đồ thị như một mũi nhọn, 100% tại một vị trí cụ thể, và 0% tại mọi điểm khác. Trong khi đó, sóng là những rung động lan truyền trong không gian, như gợn sóng bao phủ bề mặt hồ nước. Ta hoàn toàn có thể xác định đặc tính của toàn bộ sóng quan trọng nhất là bước sóng, là khoảng cách giữa hai đỉnh lân cận, hoặc hai đáy lân cận. Nhưng ta không thể gán cho nó một vị trí đơn lẻ. Xác suất lớn là nó sẽ nằm ở nhiều vị trí khác nhau. Bước sóng là cần thiết trong vật lý lượng tử vì bước sóng của một vật liên quan tới động lượng của nó: khối lượng × vận tốc. Một vật chuyển động nhanh có nhiều động lượng, vì thế, có bước sóng rất ngắn. Một vật nặng có nhiều động lượng cho dù không chuyển động quá nhanh, dẫn đến, một lần nữa, bước sóng rất ngắn. Đó là lý do tại sao ta không nhận ra bản chất sóng trong các vật dụng hàng ngày. Nếu bạn ném quả bóng chày, bước sóng của nó là một phần tỷ của triệu tỷ của triệu tỷ của một mét. quá nhỏ để phát hiện. Vật nhỏ, như nguyên tử hay electron, có thể có bước sóng đủ lớn để có thể đo đạc bằng thí nghiệm vật lý. Nói chung, nếu có một sóng, ta có thể đo bước sóng, và động lượng của nó, nhưng không có vị trí. Ta có thế biết rất rõ vị trí một hạt, nhưng nó không có bước sóng, nên ta không biết động lượng của nó. Để có cả vị trí và động lượng của một hạt, ta cần hợp hai bức tranh để tạo ra đồ thị có sóng, nhưng chỉ trong một vùng nhỏ. Ta sẽ làm như thế nào? Bằng cách kết hợp nhiều sóng với bước sóng khác nhau, nghĩa là cho vật lượng tử kia khả năng có nhiều động lượng. Cộng hai sóng, ta thấy có những điểm mà các đỉnh cùng pha, tạo thành sóng lớn hơn, và những điểm khác mà đỉnh sóng này trùng với đáy sóng kia. Kết quả là những vùng có sóng được chia cắt bởi các vùng trống không. Nếu ta thêm sóng thứ ba, các vùng mà sóng bị triệt tiêu lớn dần, sóng thứ tư và chúng càng lớn dần, cùng với vùng có sóng hẹp dần đi. Tiếp tục thêm sóng vào, ta có thể tạo ra một gói sóng có bước sóng rõ ràng trong một vùng nhỏ. Đó là vật lượng tử, có cùng bản chất sóng và hạt, nhưng để đạt được nó, ta đánh mất sự chắc chắn về cả vị trí và động lượng. Vị trí không bị giới hạn tại một điểm đơn lẻ. Xác suất lớn là sẽ tìm thấy nó trong khoảng xung quanh trung tâm gói sóng và ta tạo ra gói sóng bằng cách thêm nhiều sóng, nghĩa là có xác suất tìm thấy nó với động lượng tương ứng với một trong số chúng. Cả vị trí và động lượng bây giờ đều bất định, và sự bất định được kết nối. Nếu muốn giảm sự bất định của vị trí bằng cách tạo ra gói sóng nhỏ hơn, bạn cần thêm nhiều sóng, nghĩa là sự bất định động lượng tăng lên. Nếu muốn biết rõ động lượng hơn, bạn cần gói sóng lớn hơn, nghĩa là sự bất định vị trí tăng lên. Đó chính là Nguyên lý bất định Heisenberg, được đề ra bởi nhà vật lý người Đức Werner Heisenberg năm 1927. Sự bất định này không phải là chuyện đo lường tốt hay kém, mà là một kết quả hiển nhiên của việc kết hợp bản chất hạt và sóng. Nguyên lý bất định không chỉ là giới hạn thực tế cho đo lường mà còn là giới hạn tính chất mà một vật có thể có, xây dựng nên cấu trúc nền tảng của bản thân vũ trụ.