Η Αρχή της Αβεβαιότητας του Χάιζενμπεργκ είναι μία από τις λίγες ιδέες
της κβαντικής φυσικής που μεταφέρθηκε στη γενική ποπ κουλτούρα.
Λέει ότι δεν μπορείς ποτέ να γνωρίζεις ταυτόχρονα την ακριβή θέση
και την ακριβή ταχύτητα ενός αντικειμένου και ανάγεται ως μεταφορά σε οτιδήποτε
από την κριτική λογοτεχνίας μέχρι την αναμετάδοση αθλητικών γεγονότων.
Αρκετές φορές η αβεβαιότητα εκλαμβάνεται ως αποτέλεσμα μέτρησης
αφού η μέτρηση της θέσης ενός σώματος μεταβάλει την ταχύτητά του, ή το ανάποδο.
Στην πραγματικότητα η αιτία είναι βαθύτερη και εκπληκτικότερη.
Η Αρχή της Αβεβαιότητας υφίσταται καθώς τα πάντα στο σύμπαν
συμπεριφέρονται ταυτόχρονα και ως κύματα και ως σωμάτια.
Στην κβαντομηχανική, η ακριβής θέση και η ακριβής ταχύτητα ενός αντικειμένου
δεν έχουν νόημα.
Για να το καταλάβουμε αυτό
πρέπει να αναλογιστούμε τι σημαίνει κυματική ή σωματιδιακή συμπεριφορά.
Τα σωματίδια, εξ ορισμού, υπάρχουν σε μία μοναδική θέση κάθε χρονική στιγμή.
Αυτό μπορούμε να το αναπαραστήσουμε σε ένα γράφημα πιθανότητας εύρεσης
του αντικειμένου σε δεδομένη θέση, που μοιάζει με ακίδα,
100% στη δεδομένη θέση και μηδενική οπουδήποτε αλλού.
Τα κύματα ωστόσο, είναι διαταραχές που εξαπλώνονται στο χώρο,
όπως οι κυματισμοί στην επιφάνεια μιας λίμνης.
Μπορούμε ξεκάθαρα να αποδώσουμε χαρακτηριστικά στο κυματικό μοτίβο
με σημαντικότερο, το μήκος κύματος,
που είναι η απόσταση μεταξύ δύο διαδοχικών όρων
ή δύο διαδοχικών κοιλάδων.
Ωστόσο δεν μπορούμε να του αντιστοιχίσουμε μία μοναδική θέση.
Διαθέτει καλή πιθανότητα ύπαρξης σε πληθώρα διαφορετικών θέσεων.
Το μήκος κύματος είναι θεμελιώδες για την κβαντική φυσική.
καθώς το μήκος κύματος ενός αντικειμένου σχετίζεται με την ορμή του,
δηλαδή τη μάζα επί την ταχύτητα.
Ένα γοργά κινούμενο σώμα διαθέτει αρκετή ορμή
που αντιστοιχεί σε μικρό μήκος κύματος.
Ένα βαρύ αντικείμενο έχει αρκετή ορμή, ακόμα κι αν δε κινείται πολύ γρήγορα,
το οποίο επίσης σημαίνει μικρό μήκος κύματος.
Γι' αυτό δεν παρατηρούμε την κυματική φύση των καθημερινών αντικειμένων.
Αν ρίξετε μια μπάλα προς τα πάνω, το μήκος κύματός της
είναι ένα δισεκατομμυριοστό του τρισεκατομμυριοστού του μέτρου,
πολύ μικροσκοπικό για να ανιχνευτεί.
Μικρά αντικείμενα ωστόσο, όπως άτομα ή ηλεκτρόνια,
έχουν μήκη κύματος αρκετά μεγάλα ώστε να είναι μετρήσιμα στα πειράματα.
Έτσι ένα καθαρό κύμα έχει μετρήσιμο μήκος κύματος,
άρα και ορμή, αλλά δεν έχει θέση.
Γνωρίζουμε καλά την ακριβή θέση ενός σώματος,
αλλά αφού δεν έχει μήκος κύματος, δεν γνωρίζουμε την ορμή του.
Για να γνωρίζουμε ταυτόχρονα θέση και ορμή ενός σωματιδίου,
πρέπει να αναμείξουμε τις δύο εικόνες
κάνοντας ένα γράφημα κύματος, που να καταλαμβάνει λίγο χώρο.
Πώς μπορεί να γίνει αυτό;
Συνδυάζοντας κύματα με διαφορετικά μήκη κύματος,
δηλαδή δίνουμε στο κβαντικό μας αντικείμενο πιθανότητα περισσότερων ορμών.
Όταν συνθέτουμε δύο κύματα, βρίσκουμε ότι υπάρχουν θέσεις
όπου δύο όρη συνυπάρχουν, διαμορφώνοντας ένα μεγαλύτερο κύμα,
και άλλες θέσεις όπου οι κοιλάδες του ενός, γεμίζουν τις κοιλάδες του άλλου.
Ως αποτέλεσμα έχουμε περιοχές όπου βλέπουμε κύματα
να διαχωρίζονται από περιοχές όπου δεν υπάρχει κύμανση.
Αν προσθέσουμε και ένα τρίτο κύμα,
οι περιοχές όπου τα κύματα αλληλοαναιρούνται μεγαλώνουν,
με τέταρτο γίνονται ακόμα μεγαλύτερες, με τις περιοχές ενίσχυσης να στενεύουν.
Συνεχίζοντας να προσθέτουμε κύματα, δημιουργούμε ένα κυματοπακέτο
με ευδιάκριτο μήκος κύματος, εντός μιας μικρής περιοχής.
Αυτό είναι ένα κβαντικό αντικείμενο με κυματική και σωματιδιακή φύση,
αλλά για την επίτευξή του χρειάστηκε να χάσουμε τη βεβαιότητα
για ταυτόχρονη γνώση θέσης και ορμής.
Οι θέσεις δεν περιορίζονται σε ένα μόνο σημείο.
Υπάρχει καλή πιθανότητα εύρεσης του εντός δεδομένης περιοχής
γύρω από το κέντρο του κυματοπακέτου,
ενώ δημιουργώντας το κυματοπακέτο προσθέσαμε πολλά κύματα,
που σημαίνει ότι υπάρχει πιθανότητα εύρεσής του
με κάποια από τις ορμές που αντιστοιχεί σε οποιοδήποτε από αυτά.
Και η ορμή και η θέση είναι τώρα αβέβαιες,
με τις αβεβαιότητές τους διασυνδεμένες.
Αν θέλετε να μειώσετε την αβεβαιότητα της θέσης
με ένα μικρότερο κυματοπακέτο, πρέπει να προσθέτετε περισσότερα κύματα,
που σημαίνει μεγαλύτερη αβεβαιότητα ορμής.
Καλύτερος προσδιορισμός της ορμής, απαιτεί μεγαλύτερο κυματοπακέτο
που σημαίνει μεγαλύτερη αβεβαιότητα θέσης.
Αυτή είναι αρχή Αβεβαιότητας του Χάιζενμπεργκ,
πρωτοδιατυπωμένη από τον Γερμανό φυσικό Βέρνερ Χάιζενμπεργκ το 1927.
Η Αρχή της Αβεβαιότητας δεν είναι θέμα καλής ή κακής μέτρησης,
μα αναπόφευκτο αποτέλεσμα του συνδυασμού κυματικής και σωματιδιακής φύσης.
Η Αρχή της Αβεβαιότητας δεν είναι ένα πρακτικό όριο στις μετρήσεις μας.
Είναι όριο στο είδος των ιδιοτήτων που έχει ένα αντικείμενο,
συνυφασμένη στη θεμελιώδη δομή αυτού καθεαυτού του σύμπαντος.