หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก เป็นหนึ่งในไม่กี่แนวคิด
ของควอนตัมฟิสิกส์ ที่ได้ขยายไปสู่วัฒนธรรมสมัยนิยม
มันบอกว่าเราไม่สามารถที่จะทราบตำแหน่ง และความเร็วที่แน่นอนของวัตถุ ในเวลาเดียวกันได้
มันไปโผล่ในฐานะอุปลักษณ์ในทุกๆ เรื่อง
ตั้งแต่การวิจารณ์วรรณกรรม ไปจนถึงเรื่องกีฬา
ความไม่แน่นอนมักถูกอธิบายว่า เป็นผลที่เกิดจากขั้นตอนการวัด
การลงมือวัดตำแหน่งของวัตถุได้เปลี่ยนความเร็วของมัน หรือ เช่นกันในทางตรงข้าม
จุดกำเนิดของหลักการนี้ ลึกซึ้งและน่าทึ่งกว่านี้มาก
หลักความไม่แน่นอนดำรงอยู่ เพราะว่าทุกสิ่งในเอกภพ
ประพฤติตัวเสมือนเป็นอนุภาคและคลื่น ในเวลาเดียวกัน
ในกลศาสตร์ควอนตัม ตำแหน่งที่แน่นอน และความเร็วที่แน่นอนของวัตถุ
ไม่มีความหมายใดๆ
เพื่อที่จะเข้าใจเรื่องนี้
เราจำเป็นต้องคิดว่าการประพฤติตัวเหมือนอนุภาค หรือคลื่น นั้นหมายถึงอะไร
โดยนิยามแล้วอนุภาค จะอยู่ในสถานที่หนึ่ง ณ เวลาหนึ่ง
เราสามารถแสดงให้เห็นโดยใช้กราฟ บอกความน่าจะเป็นในการพบวัตถุ
ที่ตำแหน่งหนึ่งๆ ซึ่งกราฟจะมีลักษณะเป็นยอดแหลมอันเดียว
โดยมีโอกาสพบวัตถุ 100% ที่ตำแหน่งหนึ่ง และเป็นศูนย์ในตำแหน่งที่เหลือ
ในทางกลับกัน คลื่น คือ การเคลื่อนที่ของการรบกวนแผ่ไปยังที่ว่าง
เหมือนคลื่นที่แผ่ปกคลุมผิวน้ำในบ่อ
เราสามารถบ่งบอกคุณสมบัติต่างๆ ของคลื่นได้ในภาพรวม
อันที่สำคัญสุด ได้แก่ ความยาวคลื่น
ที่เป็นระยะห่างระหว่างสันคลื่นที่อยู่ติดกัน
หรือ ระยะห่างของท้องคลื่นที่อยู่ติดกัน
แต่เราไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนของมันได้
มันมีโอกาสที่จะเจอคลื่นในหลายๆ ตำแหน่ง
ความยาวคลื่นมีความสำคัญในควอนตัมฟิสิกส์
เพราะว่า ความยาวคลื่นของวัตถุ สัมพันธ์กับโมเมนตัมของมัน
ซึ่งคือ มวลคูณกับความเร็ววัตถุ
วัตถุที่เคลื่อนที่เร็วจะมีโมเมนตัมมาก
ซึ่งส่งผลให้มันมีความยาวคลื่นที่สั้นมาก
วัตถุที่มีมวลมากจะมีโมเมนตัมมาก ถึงแม้ว่ามันจะเคลื่อนที่ไม่เร็ว
ซึ่งทำให้มันมีความยาวคลื่นที่สั้นมากเช่นเดียวกัน
นี่เป็นเหตุผลที่ทำให้ไม่สังเกตเห็นความเป็นคลื่น ของวัตถุต่างๆ ในชีวิตประจำวัน
ถ้าคุณขว้างลูกเบสบอลขึ้นไปบนฟ้า
ความยาวคลื่นของมันจะเท่ากับ 1/10 ยกกำลัง 33 เมตร
เล็กมากเกินกว่าจะสังเกตเห็น
วัตถุเล็กๆ เช่น อะตอม หรือ อิเล็คตรอน
มีความยาวคลื่นมากพอที่จะวัดได้ จากการทดลองทางฟิสิกส์
ถ้าเรามีคลื่นหนึ่ง เราจะสามารถวัดความยาวคลื่น และโมเมนตัมของมันได้
แต่จะไม่สามารถวัดตำแหน่งของมันได้
เราสามารถทราบตำแหน่งของอนุภาคได้เป็นอย่างดี
แต่มันไม่มีความยาวคลื่น ดังนั้นเราจึงไม่ทราบโมเมนตัมของมัน
การจะทราบทั้งตำแหน่งและโมเมนตัมของอนุภาค
เราจำเป็นต้องรวมภาพสองภาพเข้าด้วยกัน
เพื่อสร้างกราฟที่มีคลื่น แต่จำกัดให้อยู่เฉพาะในพื้นที่เล็กๆ
จะทำมันได้อย่างไร
ก็โดยการรวมคลื่น ที่มีความยาวคลื่นต่างๆ เข้าด้วยกัน
ซึ่งทำให้อนุภาคควอนตัม มีโอกาสมีค่าโมเมนตัมได้หลายค่า
เมื่อเรารวมคลื่น 2 อันเข้าด้วยกัน เราพบว่ามันมีบริเวณ
ที่สันคลื่นเรียงกันทำให้เป็นคลื่นที่ใหญ่ขึ้น
และบริเวณที่สันคลื่นหนึ่ง ไปซ้อนทับท้องคลื่นอีกอันหนึ่ง
ผลก็คือ เราจะได้บริเวณที่เราพบคลื่น
คั่นด้วยบริเวณที่ราบเรียบไม่มีคลื่น
ถ้าเราเพิ่มคลื่นอันที่ 3 เข้าไป
บริเวณที่ไม่มีคลื่นก็จะกว้างขึ้นไปอีก
เพิ่มคลื่นอันที่ 4 มันก็จะกว้างขึ้นไปอีก พร้อมกับส่วนที่มีคลื่นจะแคบลงเรื่อยๆ
ถ้าเราเพิ่มคลื่นเข้าไปเรื่อยๆ เราก็จะได้กลุ่มคลื่นเล็กๆ อันหนึ่ง
ที่มีควาวยาวคลื่นชัดเจน อยู่ในบริเวณแคบๆ
มันคือ วัตถุควอนตัม ที่มีคุณสมบัติเป็นทั้งคลื่นและอนุภาค
การจะได้คุณสมบัตินี้มา เราต้องแลกกับความแน่นอน
เกี่ยวกับตำแหน่งและโมเมตัม
ตำแหน่งจะไม่ได้จำกัดอยู่ที่จุดเดียวอีกต่อไป
มันมีโอกาสที่จะพบอนุภาคที่ตำแหน่งต่างๆ
รอบๆ ศูนย์กลางของกลุ่มคลื่นนั้น
ซึ่งกลุ่มคลื่นนั้นเกิดจากการรวมกันของคลื่นมากมาย
ซึ่งความว่า มันมีโอกาสที่จะพบอนุภาค
โดยมันจะมีโมเมนตัมเป็นของคลื่นย่อยอันไหนก็ได้
ตอนนี้ทั้งโมเมนตัมและตำแหน่ง มีความไม่แน่นอน
และความไม่แน่นอนนั้นเกี่ยวโยงกัน
ถ้าคุณต้องการลดความไม่แน่นอนของตำแหน่ง
โดยการทำให้กลุ่มคลื่นมีขนาดเล็กลง ซึ่งจำเป็นต้องเพิ่มคลื่นเข้าไปอีก
ซึ่งทำให้ความไม่แน่นอนของโมเมนตัม มากขึ้นไปด้วย
แต่ถ้าคุณต้องการค่าโมเมนตัมที่ชัดเจนขึ้น ก็จำเป็นต้องทำให้กลุ่มคลื่นมีขนาดใหญ่ขึ้นไปด้วย
ซึ่งทำให้ความไม่แน่นอนของตำแหน่งมีมากขึ้น
นี่ก็คือ หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก
ถูกกล่าวถึงครั้งแรก โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน แวร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก (Werner Heisenberg) ในค.ศ. 1927
ความไม่แน่นอนที่มี ไม่ได้เป็นผลมากจากวิธีการวัด
แต่เป็นผลที่เลี่ยงไม่ได้จากธรรมชาติ ที่มีร่วมกันของอนุภาคและคลื่น
หลักความไม่แน่นอนไม่เพียงแต่ เป็นข้อจำกัดของการวัดในทางปฏิบัติ
แต่มันยังไปจำกัด ถึงคุณสมบัติใดก็ตามที่วัตถุสามารถมีได้
ซึ่งเป็นไปตามโครงสร้างที่เป็นรากฐานของเอกภพ