What is the Heisenberg Uncertainty Principle? - Chad Orzel

Переводчик: Andrey Shuklin Редактор: Yulia Kallistratova

The Heisenberg Uncertainty Principle is one of a handful of ideas

Принцип неопределённости Гейзенберга — одна из немногих идей

from quantum physics to expand into general pop culture.

квантовой физики, которые проникли в массовое сознание.

It says that you can never simultaneously know the exact position

Принцип гласит, что невозможно одновременно знать и точное положение,

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

и точную скорость объекта, и как метафора встречается повсюду —

from literary criticism to sports commentary.

от литературоведения до спортивных комментариев.

Uncertainty is often explained as a result of measurement,

Неопределённость часто считается следствием самого измерения:

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

измерение положения объекта меняет его скорость, и наоборот.

The real origin is much deeper and more amazing.

Но настоящая причина гораздо глубже и удивительнее.

The Uncertainty Principle exists because everything in the universe

Принцип неопределённости существует, потому что всё во Вселенной

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

ведёт себя одновременно и как волна, и как частица.

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

В квантовой механике точное место и точная скорость объекта

have no meaning.

не имеют смысла.

To understand this,

Чтобы это понять,

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

надо разобраться, что значит вести себя как волна или как частица.

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

По определению, в любой момент времени частица находится только в одном месте.

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

На графике вероятности нахождения объекта в определённом месте

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

это выглядит как пик:

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

100% в одной точке, ноль во всех остальных.

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

Волна же — это возмущение, распространяющееся в пространстве,

like ripples covering the surface of a pond.

как рябь на поверхности водоёма.

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

Можно чётко распознать общие признаки волн

most importantly, its wavelength,

и, что ещё важнее, длину одной волны,

which is the distance between two neighboring peaks,

то есть расстояние между соседними пиками

or two neighboring valleys.

или соседними ложбинами.

But we can't assign it a single position.

Но при этом нельзя указать её точное местонахождение.

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

У неё всегда есть вероятность находиться во многих местах.

Wavelength is essential for quantum physics

Для квантовой физики длина волны так важна,

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

потому что она связана с импульсом объекта —

mass times velocity.

массой, умноженной на скорость.

A fast-moving object has lots of momentum,

Быстро движущийся объект обладает больши́м импульсом,

which corresponds to a very short wavelength.

который соответствует очень малой длине волны.

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

Объект с большой массой имеет большой импульс, даже если не движется быстро,

which again means a very short wavelength.

что опять-таки соответствует малой длине волны.

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

Вот почему мы не замечаем волновой природы привычных объектов.

If you toss a baseball up in the air,

У бейсбольного мяча в воздухе

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

длина волны в одну миллиардную от триллионной триллионной метра

far too tiny to ever detect.

слишком мала даже для обнаружения.

Small things, like atoms or electrons though,

А у таких маленьких тел, как атомы и электроны,

can have wavelengths big enough to measure in physics experiments.

длину волны вполне можно измерить экспериментальным путём.

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

Итак, у волны можно измерить её длину,

and thus its momentum, but it has no position.

а значит и её импульс, но чёткого местонахождения у неё нет.

We can know a particles position very well,

Мы можем точно определить положение частицы,

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

но длины волны у неё нет, а значит, неизвестен и её импульс.

To get a particle with both position and momentum,

Чтобы у частицы были и положение, и импульс,

we need to mix the two pictures

надо совместить обе картинки,

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

получив на графике волну, но на очень маленьком отрезке.

How can we do this?

Как это сделать?

By combining waves with different wavelengths,

Путём сложения волн с разными длинами,

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

что обеспечит вероятность наличия у квантового объекта различных импульсов.

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

При сопоставлении двух волн мы видим, что в местах,

where the peaks line up, making a bigger wave,

где пики совпадают, образуется бо́льшая волна,

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

а в других местах пик одной волны заполняет ложбину другой.

The result has regions where we see waves

В результате участки с волнами

separated by regions of nothing at all.

чередуются с промежутками, где ничего нет.

If we add a third wave,

При добавлении третьей волны

the regions where the waves cancel out get bigger,

промежутки, где волны гасят друг друга, становятся длиннее.

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

С четвёртой они ещё больше удлиняются, а участки с волнами сужаются.

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

Если продолжать добавлять волны, можно получить волновой пакет

with a clear wavelength in one small region.

с определённой длиной волны на одном малом участке.

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

Это квантовый объект, имеющий природу как волны, так и частицы,

but to accomplish this, we had to lose certainty

но добившись этого, мы лишаемся определённости

about both position and momentum.

относительно как положения, так и импульса.

The positions isn't restricted to a single point.

Положение теперь не ограничивается одной точкой.

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

Существует вероятность его нахождения в некоторой области

of the center of the wave packet,

вокруг центра волнового пакета,

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

полученного путём сложения множества волн,

which means there's some probability of finding it

а значит, имеется некая вероятность его обнаружения

with the momentum corresponding to any one of those.

по импульсу, соответствующему любой из них.

Both position and momentum are now uncertain,

Теперь и положение, и импульс являются неопределёнными,

and the uncertainties are connected.

и эти неопределённости взаимосвязаны.

If you want to reduce the position uncertainty

Чтобы уменьшить неопределённость положения

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

за счёт уменьшения волнового пакета, надо добавить больше волн,

which means a bigger momentum uncertainty.

но это увеличит неопределённость импульса.

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

А чтобы точнее определить импульс, нужен бо́льший волновой пакет,

which means a bigger position uncertainty.

что увеличит неопределённость положения.

That's the Heisenberg Uncertainty Principle,

Это и есть принцип неопределённости Гейзенберга,

first stated by German physicist Werner Heisenberg back in 1927.

впервые сформулированный немецким физиком Вернером Гейзенбергом ещё в 1927 г.

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

Эта неопределённость — не следствие несовершенства измерений,

but an inevitable result of combining particle and wave nature.

а неизбежный результат объединения свойств волны и частицы.

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

Принцип неопределённости — это не просто объективный предел самих измерений.

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

Это предел совместимости свойств, присущих одному объекту,

built into the fundamental structure of the universe itself.

являющийся фундаментальным принципом организации самой Вселенной.