What is the Heisenberg Uncertainty Principle? - Chad Orzel

תרגום: Ido Dekkers עריכה: Tal Dekkers

The Heisenberg Uncertainty Principle is one of a handful of ideas

עיקרון אי הוודאות של הייזנברג הוא אחד ממספר רעיונות

from quantum physics to expand into general pop culture.

מפיזיקה קוואנטית שהגיעו לתרבות הפופולרית.

It says that you can never simultaneously know the exact position

הוא אומר שאתם לעולם לא יכולים לדעת בו זמנית את המיקום המדוייק

and the exact speed of an object and shows up as a metaphor in everything

והמהירות המדוייקת של עצמים ומופיע כמטאפורה בהכל

from literary criticism to sports commentary.

מביקורת ספרותית לפרשנות ספורט.

Uncertainty is often explained as a result of measurement,

אי וודאות מוסברת פעמים רבות כתוצאה של מדידה,

that the act of measuring an object's position changes its speed, or vice versa.

שפעולת המדידה של מיקום של עצם משנה את המהירות שלו, או להפך.

The real origin is much deeper and more amazing.

המקור האמיתי הוא הרבה יותר מעמיק והרבה יותר מדהים.

The Uncertainty Principle exists because everything in the universe

עקרון אי הוודאות קיים מפני שהכל ביקום

behaves like both a particle and a wave at the same time.

מתנהג גם כמו חלקיקים וגם כמו גלים באותו הזמן.

In quantum mechanics, the exact position and exact speed of an object

במכניקה קוואנטית, למיקום המדוייק והמהירות המדוייקת של עצם

have no meaning.

אין משמעות.

To understand this,

כדי להבין את זה,

we need to think about what it means to behave like a particle or a wave.

אנחנו צריכים לחשוב על מה זה אומר להתנהג כמו חלקיק או גל.

Particles, by definition, exist in a single place at any instant in time.

חלקיקים, לפי הגדרה, קיימים במיקום יחיד בזמן מסויים.

We can represent this by a graph showing the probability of finding

אנחנו יכולים לייצג את זה בגרף שמראה את ההסתברות למציאת

the object at a particular place, which looks like a spike,

העצם במיקום מסויים, מה שנראה כמו ספייק,

100% at one specific position, and zero everywhere else.

100% במיקום מסויים, ואפס בכל מקום אחר.

Waves, on the other hand, are disturbances spread out in space,

גלים, מצד שני, הם הפרעות פרושות בחלל,

like ripples covering the surface of a pond.

כמו גלים שמכסים את פני הבריכה.

We can clearly identify features of the wave pattern as a whole,

אנחנו יכולים לזהות בברור את התכונות של תבניות הגלים ככלל,

most importantly, its wavelength,

והכי חשוב, את אורך הגל,

which is the distance between two neighboring peaks,

שהוא המרחק בין שני שיאים צמודים,

or two neighboring valleys.

או שני גאיות צמודים.

But we can't assign it a single position.

אבל אנחנו לא יכול לשייך מיקום יחיד.

It has a good probability of being in lots of different places.

יש סבירות טובה שהוא בהרבה מקומות.

Wavelength is essential for quantum physics

אורך הגל הוא חיוני לפיזיקה קוואנטית

because an object's wavelength is related to its momentum,

מפני שאורך הגל של עצם קשור למומנטום שלו,

mass times velocity.

מאסה כפול מהירות.

A fast-moving object has lots of momentum,

לעצם שנע מהר יש מומנט גדול,

which corresponds to a very short wavelength.

שמתאים לאורך גל מאוד קצר.

A heavy object has lots of momentum even if it's not moving very fast,

לעצם כבד יש הרבה מומנט אפילו אם הוא לא נע מהר,

which again means a very short wavelength.

ששוב אומר אורך גל קצר מאוד.

This is why we don't notice the wave nature of everyday objects.

לכן אנחנו לא שמים לב לטבע הגלי של עצמים יום יומיים,

If you toss a baseball up in the air,

אם תזרקו כדור בסיס למעלה לאויר,

its wavelength is a billionth of a trillionth of a trillionth of a meter,

אורך הגל שלו הוא מיליארדית של טריליונית של טריליונית המטר,

far too tiny to ever detect.

קטן מדי כדי לגלות.

Small things, like atoms or electrons though,

לדברים קטנים, כמו אטומים או אלקטרונים עם זאת,

can have wavelengths big enough to measure in physics experiments.

יכול להיות אורך גל גדול מספיק למדידה בניסויים פיזיים.

So, if we have a pure wave, we can measure its wavelength,

אז, אם יש לנו גל טהור, אנחנו יכולים למדוד את אורך הגל שלו,

and thus its momentum, but it has no position.

ולכן את המומנט שלו, אבל אין לו מיקום.

We can know a particles position very well,

אנחנו יכולים לדעת את המיקום של חלקיק בקלות,

but it doesn't have a wavelength, so we don't know its momentum.

אבל אין לו אורך גל, אז אנחנו לא יודעים את המומנט שלו.

To get a particle with both position and momentum,

כדי לקבל חלקיק גם עם מיקום וגם עם מומנט,

we need to mix the two pictures

אנחנו צריכים לערב את שתי התמונות

to make a graph that has waves, but only in a small area.

כדי ליצור גרף שיש בו גלים, אבל רק באזור קטן.

How can we do this?

איך אנחנו יכולים לעשות את זה?

By combining waves with different wavelengths,

על ידי שילוב גלים עם אורכי גל שונים,

which means giving our quantum object some possibility of having different momenta.

מה שאומר לתת לעצם הקוואנטי שלנו אפשרות להיות בעל מומנט אחר.

When we add two waves, we find that there are places

כשאנחנו מוסיפים שני גלים, אנחנו מוצאים שיש מקומות

where the peaks line up, making a bigger wave,

בהם השיאים מתיישרים ויוצרים גל גדול יותר,

and other places where the peaks of one fill in the valleys of the other.

ומקומות אחרים בהם השיאים של אחד ממלאים את העמקים של אחר.

The result has regions where we see waves

לתוצאה יש אזורים בהם אנחנו רואים גלים

separated by regions of nothing at all.

מופרדים על ידי אזורים של כלום בכלל.

If we add a third wave,

אם נוסיף גל שלישי,

the regions where the waves cancel out get bigger,

האזור בו הגלים מתבטלים גדל,

a fourth and they get bigger still, with the wavier regions becoming narrower.

רביעי והם גדלים עוד, עם האזורים הגליים שהופכים צרים יותר.

If we keep adding waves, we can make a wave packet

אם נמשיך להוסיף גלים, אנחנו יכולים ליצור חבילת גלים

with a clear wavelength in one small region.

עם אורך גל ברור באזור אחד קטן.

That's a quantum object with both wave and particle nature,

זה עצם קוואנטי גם עם טבע גלי וגם חלקיקי,

but to accomplish this, we had to lose certainty

אבל כדי להשיג את זה, היינו צריכים לאבד וודאות

about both position and momentum.

בנוגע למיקום ולמומנט.

The positions isn't restricted to a single point.

המיקום לא מוגבל לנקודה יחידה.

There's a good probability of finding it within some range

יש סבירות גבוהה למצוא אותו בטווח מסויים

of the center of the wave packet,

של מרכז חבילת הגלים,

and we made the wave packet by adding lots of waves,

ועשינו את חבילת הגלים על ידי הוספת הרבה גלים,

which means there's some probability of finding it

מה שאומר שיש הסתברות כלשהי למצוא אותו

with the momentum corresponding to any one of those.

עם המומנט שמתאים לכל אחד מהם.

Both position and momentum are now uncertain,

גם המיקום וגם המומנט עכשיו לא וודאיים,

and the uncertainties are connected.

ואי הוודאויות מחוברות.

If you want to reduce the position uncertainty

אם אתם רוצים להפחית את אי הוודאות של המיקום

by making a smaller wave packet, you need to add more waves,

על ידי יצירת חבילת גלים קטנה יותר, אתם צריכים להוסיף עוד גלים,

which means a bigger momentum uncertainty.

מה שאומר אי וודאות גדולה יותר בנוגע למומנט.

If you want to know the momentum better, you need a bigger wave packet,

אם אתם רוצים לדעת את המומנט טוב יותר, אתם צריכים חבילת גלים גדולה יותר,

which means a bigger position uncertainty.

מה שאומר אי וודאות גדולה יותר בנוגע למיקום.

That's the Heisenberg Uncertainty Principle,

זה עיקרון אי הוודאות של הייזנברג,

first stated by German physicist Werner Heisenberg back in 1927.

שהועלה לראשונה על ידי הפיזיקאי הגרמני וורנר הייזנברג ב 1927.

This uncertainty isn't a matter of measuring well or badly,

אי הוודאות הזו היא לא עניין של מדידה טוב או רע,

but an inevitable result of combining particle and wave nature.

אלא תוצאה בלתי נמנעת של שילוב טבע חלקיקי וגלי.

The Uncertainty Principle isn't just a practical limit on measurment.

עקרון אי הוודאות הוא לא רק מגבלה פרקטית של מדידה.

It's a limit on what properties an object can have,

הוא מגבלה של איזה תכונות יכולות להיות לאובייקט,

built into the fundamental structure of the universe itself.

שבנויות לתוך המבנה הבסיסי של היקום עצמו.