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.