Zasada nieokreśloności Heisenberga jest jedną z niewielu koncepcji
fizyki kwantowej, które przeniknęły do kultury popularnej.
Według niej nie można jednocześnie określić dokładnego położenia
i dokładnej prędkości obiektu, co jako metafora pojawia się wszędzie,
od krytyki literackiej po komentarz sportowy.
Nieokreśloność tłumaczy się często wynikiem pomiaru.
Pomiar położenia obiektu zmienia jego prędkość, i odwrotnie.
Przyczyna tkwi głębiej i jest bardziej niezwykła.
Zasada nieokreśloności istnieje, bo wszystko we wszechświecie
zachowuje się równocześnie jak cząstka i fala.
W mechanice kwantowej dokładne położenie i prędkość obiektu
nie mają znaczenia.
Aby to zrozumieć,
trzeba pomyśleć, co oznacza zachowywać się jak cząstka albo fala.
Cząstki z definicji istnieją w jednym miejscu w czasie.
Można to pokazać na wykresie prawdopodobieństwa znalezienia
obiektu w określonym miejscu, który wygląda jak iglica,
w 100% w jednym miejscu, i nigdzie indziej.
Za to fale są zaburzeniami rozchodzącymi się w przestrzeni
jak kręgi po powierzchni stawu.
Można wyraźnie określić wzór fali jako całości,
a przede wszystkim jej długość,
czyli odległość między dwoma sąsiadującymi grzbietami
albo dwoma sąsiadującymi dolinami,
ale nie można przypisać im jednego położenia.
Istnieje spore prawdopodobieństwo, że będą w wielu różnych miejscach.
Długość fali jest bardzo ważna w fizyce kwantowej,
bo długość fali obiektu jest związana z jego pędem,
czyli iloczynem masy i prędkości.
Szybko poruszający się obiekt ma większy pęd,
który odpowiada bardzo krótkiej długości fali.
Ciężki obiekt ma większy pęd, nawet nieporuszając się bardzo szybko,
co z kolei także oznacza bardzo krótką długość fali.
Dlatego nie dostrzegamy na co dzień natury fali w przedmiotach.
Jeśli podrzucisz piłkę do bejsbola,
długość fali wynosi maciupeńką część metra,
zbyt małą, aby móc ją wykryć.
Długość fali małych obiektów, jak atomy czy elektrony,
jest na tyle duża, że można ją zmierzyć w eksperymentach fizycznych.
Można zmierzyć długość i pęd czystej fali,
ale nie jej położenie.
Można dokładnie określić położenie cząstki,
ale bez długości fali, nie znamy jej pędu.
Żeby uzyskać cząstkę posiadająca położenie i pęd,
trzeba połączenia dwóch obrazów,
żeby powstał wykres z falami, ale tylko na małej przestrzeni.
Jak to zrobić?
Łącząc fale o różnych długościach,
czyli dając obiektom kwantowym szansę na różne pędy.
Dodając dwie fale, odkrywamy miejsca,
gdzie grzbiety pokrywają się, dając większą falę,
oraz gdzie grzbiety wypełniają doliny.
Efektem są przestrzenie
z falami oddzielonymi miejscami, w których nie ma nic.
Jeśli dodamy trzecią falę,
miejsca, w których fale znosiły się, powiększają się.
Przy czwartej nadal rosną, a przestrzenie fal stają się węższe.
Dodając kolejne, otrzymamy pakiet falowy
o wyraźnej długości fali na jednej małej przestrzeni.
To obiekt kwantowy o dwoistej naturze fali i cząstki,
ale żeby to osiągnąć, trzeba zapomnieć o określoności,
zarówno położenia jak i pędu.
Położenie nie jest ograniczone do punktu.
Istnieje prawdopodobieństwo znalezienia go w pewnym przedziale
środka pakietu falowego,
tworzonego przez dodawanie wielu fal,
co oznacza możliwość znalezienie go
z pędem odpowiadającym którejś z fal.
Zarówno położenie jak i pęd są teraz nieokreślone
a ich nieokreśloności są od siebie zależne.
Chcąc zredukować nieokreśloność położenia,
tworząc mniejszy pakiet falowy, trzeba dodać więcej fal,
co zwiększa nieokreśloność pędu.
Chcąc lepiej określić pęd, potrzeba większego pakietu falowego,
co zwiększa nieokreśloność położenia.
To jest właśnie zasada nieokreśloności,
którą sformułował niemiecki fizyk, Werner Heisenberg, w 1927 roku.
Nieokreśloność nie jest kwestią dobrego albo złego pomiaru,
ale nieuniknionym skutkiem połączenia istoty cząstki i fali.
Zasada nieokreśloności nie jest jedynie ograniczeniem pomiaru.
To ograniczenie właściwości, jakie może posiadać obiekt,
wbudowane w fundamentalną strukturę wszechświata.