Il Principio di Indeterminazione di Heisenberg è uno trai concetti
della fisica quantistica ad espandersi nella generica cultura popolare
Dice che non si possono mai conoscere simultaneamente la posizione esatta
e la velocità esatta di un oggetto ed appare come una metafora per tutto,
dalla critica letteraria ai commenti sportivi.
L'indeterminazione è spesso spiegata come risultato di una misurazione
in cui l'atto di misurazione della posizione di un oggetto
cambia la sua velocità, o viceversa.
La vera origine è più profonda e più strabiliante.
Il Principio di Indeterminazione esiste perché tutto nell'universo
si comporta come una particella e come un'onda contemporaneamente.
Nella meccanica quantistica, la posizione esatta e la velocità esatta
di un oggetto non hanno senso.
Per capire ciò,
dobbiamo pensare a cosa significa agire come una particella o come un'onda.
Le particelle, per definizione, esistono in un unico puntto
in ogni istante nel tempo.
Possiamo rappresentare ciò in un grafico
che mostra la probabilità di trovare l'oggetto in un dato luogo
il che appare come un un picco,
al 100% in una posizione specifica e zero da ogni altra parte.
Invece le onde sono perturbazioni che si diffondono nello spazio
come le increspature sulla superficie di un laghetto.
Identifichiamo chiaramente elementi dello schema dell'onda nella sua interezza,
soprattutto la sua lunghezza d'onda,
che è la distanza tra due picchi adiacenti,
o due valli adiacenti.
Ma non possiamo assegnargli una sola posizione.
Ha una buona probabilità di trovarsi in molti punti diversi.
La lunghezza d'onda è essenziale per la fisica quantistica:
la lunghezza d'onda di un oggetto è collegata alla sua quantità di moto,
massa per velocità.
Un oggetto che si muove veloce ha una grande quantità di moto,
il che corrisponde a una lunghezza d'onda molto breve.
Un oggetto pesante ha una grande quantità di moto
anche quando non si muove molto velocemente,
il che implica, di nuovo, una lunghezza d'onda molto breve
Ecco perché non notiamo la natura ondulatoria degli oggetti quotidiani.
Se lanci una palla da baseball in aria,
la sua lunghezza d'onda è un miliardesimo
di trilionesimo di trilionesimo di metro,
decisamente troppo breve per essere mai rilevato.
Invece le piccole cose, come gli atomi o gli elettroni
possono avere lunghezze d'onda grandi abbastanza
da essere misurate in esperimenti di fisica.
Quindi, se abbiamo un'onda pura, misuriamo la sua lunghezza d'onda,
e dunque la sua quantità di moto, ma senza la sua posizione.
Possiamo conoscere esattamente la posizione di una particella,
ma essa non ha una lunghezza d'onda,
quindi non possiamo conoscere la sua quantità di moto.
Per avere sia la posizione sia la quantità di moto di una particella
dobbiamo fondere le due immagini
per creare un grafico che ha le onde, ma solo in una piccola area.
Come possiamo realizzarlo?
Combinando le onde con le diverse lunghezze d'onda,
il che vuol dire dare al nostro oggetto quantistico
la possibilità di avere diverse quantità di moto.
Quando sommiamo due onde, scopriamo che ci sono dei luoghi
dove i picchi si allineano, creando un'onda più grande,
e altri luoghi dove i picchi di una riempiono le le valli di un'altra.
Il risultato ha aree dove vediamo delle onde
separate da aeree di vuoto assoluto.
Se aggiungiamo una terza onda,
le aree dove le onde si annullano diventano più grandi,
con una quarta aumentano ancora, e le aree con le onde si fanno più strette.
Se continuiamo ad aggiungere onde, possiamo creare un pacchetto di onde
con una ben distinta lunghezza d'onda in una piccola area
Questo è un oggetto quantistico con una natura sia di onda sia di particella,
ma per ottenere ciò, dobbiamo perdere la certezza
sia della posizione sia della quantità di moto.
Le posizioni non sono riconducibili ad un singolo punto.
C'è una buona probabilità di trovarle all'interno di un qualche intervallo
dal centro del pacchetto d'onda
ed otteniamo il pacchetto d'onda sommando molte onde,
il che vuol dire che c'è la probabilità di trovarla
con la quantità di moto corrispondente ad una di queste.
Sia la posizione sia la quantità di moto sono ora indeterminate,
e le indeterminazioni sono connesse
Se si vuole ridurre l'indeterminazione della posizione
creando un pacchetto d'onda più piccolo
bisogna aggiungere più onde, il che vuol dire ingrandire
l'indeterminazione della quantità di moto.
Se si vuole conoscere meglio la quantità di moto
si necessita di un pacchetto d'onda più grande
che vuol dire aumentare l'indeterminazione della posizione
Questo è il Principio di Indeterminazione di Heisenberg
formulato per la prima volta dal fisico tedesco Werner Heisenberg nel 1927.
Tale indeterminazione non dipende da una buona o da una cattiva misurazione,
ma è il risultato inevitabile derivante dalla combinazione
della natura di particella e di onda.
Il Principio di Indeterminazione non è solo un limite pratico in misurazione.
E' un limite sulle proprietà che un oggetto può avere,
insito nella struttura fondamentale dell'universo stesso.