Heisenbergov princip nesigurnosti jedna je od najpoznatijih (i vjerojatno jedna od najpogrešnije shvaćenih) ideja u fizici. Ovo fizikalno načelo kaže da postoji temeljna granica onoga što možemo znati o ponašanju kvantnih čestica i, prema tome, najmanjih razmjera prirode. Od ovih ljestvica, najviše čemu se možemo nadati jest izračunati vjerojatnosti gdje se stvari nalaze i kako će se ponašati. Za razliku od svemira satova Isaaca Newtona, gdje sve slijedi jasne zakone o tome kako se kretati (i predviđanje je jednostavno ako znate početne uvjete), načelo nesigurnosti sadrži razinu zbrke u kvantnoj teoriji.

Jednostavan Wernera Heisenberga ideja nam govori zašto atomi ne implodiraju, kako Sunce uspijeva sjati i, začudo, da vakuum svemira doista nije prazan.

Rana inkarnacija načela nesigurnosti pojavila se u radu Heisenberga 1927. , njemačkog fizičara koji je u to vrijeme radio na institutu Nielsa Bohra u Kopenhagenu, pod naslovom "O perceptualnom sadržaju kvantne teorijske kinematike i mehanike". Najpoznatiji oblik jednadžbe pojavio se nekoliko godina kasnije, kada je dodatno pročistio svoje misli u kasnijim predavanjima i člancima.

Heisenberg je radio na implikacijama kvantne teorije, čudnog novog načina objašnjenja kako atomiponašao, koji je tijekom prethodnog desetljeća razvio niz fizičara, uključujući Nielsa Bohra, Paula Diraca i Erwina Schrödingera. Među svojim brojnim kontraintuitivnim idejama, kvantna teorija je predložila da energija nije kontinuirana, već dolazi u diskretnim paketima (kvantima) i da se svjetlost može opisati kao val i tok tih kvanta.

Werner Heisenberg, izvanredni fizičar, izniman istraživač. Njemački teorijski fizičar, dobio je Nobelovu nagradu za fiziku 1932. "za stvaranje kvantne mehanike, čije su primjene dovele do otkrića, između ostalog, alotropskih oblika vodika".

U razvoju ove radikalne kozmovizije , Heisenberg je otkrio problem kako se osnovna fizička svojstva čestice u kvantnom sustavu mogu mjeriti. U jednom od svojih redovitih pisama kolegi, Wolfgangu Pauliju, iznio je dokaze za ideju koja je od tada postala temeljni dio kvantnog opisa svijeta.

Načelo nesigurnosti kaže da ne možemo mjeriti položaj (x) i moment (p) čestice s apsolutnom preciznošću. Što preciznije poznajemo jednu od ovih vrijednosti, to manje znamo točno drugu. Množenje pogrešaka u mjerenjima ovih vrijednosti (pogreške su predstavljene simbolom trokuta ispred svakog svojstva, grčko slovo delta) mora dati veći broj ilijednako polovici konstante koja se naziva "h-bar". To jest, jednako Planckovoj konstanti (obično pisanoj kao h) podijeljenoj s 2π. Planckova konstanta važan je broj u kvantnoj teoriji, način mjerenja zrnatosti svijeta na njegovim najmanjim ljestvicama i ima vrijednost 6,626 x 10-34 džula u sekundi.

Način razmišljanja o principu nesigurnosti je kao produžetak načina na koji vidimo i mjerimo stvari u svakodnevnom svijetu. Ove riječi možete pročitati jer su se čestice svjetlosti, fotoni, odbile od ekrana ili papira i udarile u vaše oko. Svaki foton na tom putu sa sobom nosi neke informacije o površini s koje je skočio brzinom svjetlosti. Vidjeti subatomsku česticu, poput elektrona, nije tako jednostavno. Na sličan način možete odbiti foton od njega i onda se nadati da ćete otkriti taj foton instrumentom. No velika je vjerojatnost da će foton prenijeti neki zamah elektronu kada naleti na njega i promijeni putanju čestice koju pokušavate izmjeriti. Ili, s obzirom na to da se kvantne čestice često kreću tako brzo, elektron možda više nije ondje gdje je bio kad se foton izvorno odbio od njega. U svakom slučaju, vaše promatranje položaja ili zamaha bit će netočno, a što je još važnije, čin promatranja utječe na česticu koja se promatra.

Načelo nesigurnosti je u središtumnoge stvari opažamo, ali ih ne možemo objasniti klasičnom (ne kvantnom) fizikom. Uzmimo atome, na primjer, gdje negativno nabijeni elektroni kruže oko pozitivno nabijene jezgre. Prema klasičnoj logici, mogli bismo očekivati ​​da se dva suprotna naboja međusobno privlače, uzrokujući da se sve skupi u kuglu čestica. Načelo nesigurnosti objašnjava zašto se to ne događa: ako elektron dođe vrlo blizu jezgre, tada bi njegov položaj u prostoru bio točno poznat i stoga bi pogreška u mjerenju njegovog položaja bila neznatna. To znači da bi pogreška u mjerenju njegove količine gibanja (a prema tome i brzine) bila ogromna. U tom slučaju, elektron bi se mogao kretati dovoljno brzo da potpuno izađe iz atoma.

Heisenbergova ideja također može objasniti vrstu nuklearnog zračenja koje se zove alfa raspad. Alfa čestice su dva protona i dva neutrona koje emitiraju neke teške jezgre, poput urana-238. Obično su povezani unutar teške jezgre i bilo bi potrebno mnogo energije da se prekinu veze koje ih drže na mjestu. No, budući da alfa čestica unutar jezgre ima vrlo dobro definiranu brzinu, njezin položaj nije tako dobro definiran. To znači da postoji mala, ali ne nula šansa da bi se čestica u nekom trenutku mogla naći izvan jezgre, iako tehnički nema energiju.dovoljno za bijeg. Kada se to dogodi - proces metaforički poznat kao "kvantno tuneliranje", jer čestica koja bježi mora nekako probiti svoj put kroz energetsku barijeru koju ne može preskočiti - alfa čestica bježi, a mi vidimo radioaktivnost.

A sličan proces kvantnog tuneliranja događa se, obrnuto, u središtu našeg Sunca, gdje se protoni spajaju i oslobađaju energiju koja našoj zvijezdi omogućuje sjaj. Temperature u jezgri Sunca nisu dovoljno visoke da bi protoni imali dovoljno energije da nadvladaju svoje međusobno električno odbijanje. Ali zahvaljujući principu nesigurnosti, oni mogu probiti energetsku barijeru.

Možda je najčudniji rezultat principa nesigurnosti onaj o prazninama. Praznine se često definiraju kao odsutnost svega. Ali to nije tako u kvantnoj teoriji. Postoji inherentna neizvjesnost u količini energije koja je uključena u kvantne procese i vremenu koje je potrebno da se ti procesi odvijaju. Umjesto položaja i momenta, Heisenbergova jednadžba može se izraziti i kroz energiju i vrijeme. Opet, što je jedna varijabla više ograničena, druga je manje ograničena. Stoga je moguće da u vrlo, vrlo kratkim vremenskim razdobljima energija kvantnog sustava može biti vrlo neizvjesna, ida čestice mogu nastati u vakuumu. Te se "virtualne čestice" pojavljuju u parovima - elektron i njegov par antimaterije, pozitron, kažu - na kratko vrijeme, a zatim se međusobno poništavaju. To je više nego opravdano zakonima kvantne fizike, budući da čestice postoje samo kratkotrajno i nestaju kada njihovo vrijeme istekne. Nesigurnost, dakle, nije razlog za zabrinutost u kvantnoj fizici, i zapravo, ne bismo bili ovdje da ovo načelo ne postoji.