У чому суть принципу невизначеності Гейзенберга

Увага: Через позицію правовласника щодо вмісту дане відео українською було видалене з Ютуб каналу "Цікава наука". Ви зможете знайти його на Толоці. Або тут.

Принцип невизначеності Гейзенберга одна з небагатьох ідей квантової фізики, які проникли в масову культуру.
Цей принцип говорить, що неможливо одночасно визначити точні координати й точну швидкість об’єкта.
І він, як метафора, зустрічається повсюди — від літературної критики до спортивних коментарів.
Невизначеність часто описується як наслідок процесу вимірювання — визначення місцезнаходження об’єкта змінює його швидкість і навпаки.
Реальне походження принципу набагато глибше і дивовижніше.
Принцип невизначеності існує, оскільки все у всесвіті поводиться і як хвиля, і як частинка водночас.
У квантовій механіці точні координати й точна швидкість об’єкта не мають жодного сенсу.
Щоб це усвідомити, слід зрозуміти, що означає "поводити себе як частинка, або як хвиля".
Частинки, за визначенням, в будь-який момент часу існують лише в одному місці.
На графіку, що показує ймовірність знаходження об’єкта в певному місці, ми можемо представити це як пік, 100 відсотків у даному конкретному місці й 0 у всіх інших.
Хвилі, з іншого боку, — це коливання, або збурення, що поширюються в просторі як брижі на поверхні водойми.
Можна чітко визначити загальні особливості хвильової картини, і, найголовніше, довжину хвилі, тобто відстань між двома сусідніми вершинами або сусідніми впадинами.
Але ми не можемо вказати її точне місцеположення.
У неї завжди є ймовірність перебувати в багатьох місцях.
Довжина хвилі у квантовій фізиці настільки важлива, оскільки вона пов’язана з імпульсом об’єкта — добутком маси на швидкість.
Об’єкт, що швидко рухається, володіє великим імпульсом, якому відповідає дуже мала довжина хвилі.
Об’єкт з великою масою матиме великий імпульс, навіть якщо рухатиметься не дуже швидко, що знов таки відповідає дуже короткій хвилі.
Ось чому ми не помічаємо хвильової природи у звичних предметів.
Якщо ви кинете бейсбольний м’яч, довжина його хвилі, а це одна мільярдна трильйонної трильйонної метра, буде занадто малою для виявлення.
А такі маленькі речі як атом, чи електрони можуть мати достатньо велику довжину хвилі, щоб її можна було виміряти експериментально.
Тож, якщо в нас є хвиля, то ми можемо виміряти її довжину, а отже і її імпульс.
Але точного місцезнаходження вона не має.
Ми можемо дізнатися координати частинки дуже точно, але довжину її хвилі — ні.
Тож її імпульс буде невідомим.
Щоб отримати частинку з відомими координатами та імпульсом, нам треба поєднати дві картини для створення графіка, якій містить хвилю в малій області простору.
Як це зробити?
Шляхом додавання хвиль з різними довжинами, що означає надання квантовому об’єкту можливості мати різні імпульси.
При додаванні двох хвиль ми бачимо, що в тих місцях, де вершини збігаються, утворюється більша хвиля, в інших місцях вершина однієї хвилі накладається на впадину іншої.
В підсумку ми отримаємо ділянки, у яких є коливання, і ці ділянки розділені проміжками, де коливань немає.
При додаванні третьої хвилі, проміжки, де хвилі гасять одна одну, стають іще більшими.
Якщо додати четверту, то ще більшими, у той час, як ділянки з хвилями зменшуються.
Якщо продовжити додавати хвилі, можна отримати хвильовий пакет з певною довжиною хвилі в малій області простору.
Це квантовий об’єкт, що має природу як хвилі, так і частинки.
Але для досягнення цього нам довелося втратити визначеність щодо місця знаходження та імпульсу.
Розташування тепер не обмежене однією точкою.
Існує висока ймовірність виявити його в межах деякої області навколо центру хвильового пакета, отриманого шляхом додавання безлічі хвиль.
А це означає, що є певна ймовірність його виявлення з імпульсом, що відповідає будь-якій з цих хвиль.
І місце розташування й імпульс зараз є невизначеними.
І ці невизначеності взаємопов’язані.
Для зменшення невизначеності координат за рахунок зменшення хвильового пакета потрібно додати більше хвиль, але це призведе до збільшення невизначеності імпульсу.
А для точного визначення імпульсу потрібен більший хвильовий пакет, що означатиме збільшення невизначеності координати.
Це і є принцип невизначеності, який вперше сформулював німецький фізик Вернер Гейзенберг ще в 1927 році.
Ця невизначеність є не наслідком неточності процесу вимірювання, а неминучим результатом поєднання властивостей хвилі й частинки.
Принцип невизначеності це не лише обмеження точності вимірювання.
Це обмеження того, які саме властивості може мати об’єкт.
І вони вбудовані у фундаментальну структуру самого всесвіту.