עקרון אי הוודאות טמון במישור מכניקת הקוונטים, אבל כדי לנתח אותו במלואו, הבה נפנה להתפתחות הפיזיקה בכללותה. אייזק ניוטון ואלברט איינשטיין הם אולי הפיזיקאים המפורסמים ביותר בהיסטוריה של האנושות. הראשון בסוף המאה ה-17 ניסח את חוקי המכניקה הקלאסית, להם מצייתים כל הגופים הסובבים אותנו, כוכבי הלכת, הכפופים לאינרציה ולכוח המשיכה. התפתחות חוקי המכניקה הקלאסית הביאה את העולם המדעי לקראת סוף המאה ה-19 לדעה שכל חוקי הטבע הבסיסיים כבר התגלו, והאדם יכול להסביר כל תופעה ביקום.
תורת היחסות של איינשטיין
כפי שהתברר, באותה תקופה התגלה רק קצה הקרחון, מחקר נוסף הביא למדענים עובדות חדשות, מדהימות לחלוטין. אז, בתחילת המאה ה-20, התגלה שהתפשטות האור (שמהירותו הסופית היא 300,000 קמ ש) אינה מצייתת בשום צורה לחוקי המכניקה הניוטונית. לפי הנוסחאות של אייזק ניוטון, אם גוף או גל נפלטים ממקור נע, מהירותו תהיה שווה לסכום מהירות המקור ושלו. עם זאת, תכונות הגל של החלקיקים היו בעלות אופי שונה. ניסויים רבים איתם הראו זאתבאלקטרודינמיקה, מדע צעיר באותה תקופה, מערכת חוקים שונה לחלוטין. כבר אז, אלברט איינשטיין, יחד עם הפיזיקאי התיאורטי הגרמני מקס פלאנק, הציגו את תורת היחסות המפורסמת שלהם, המתארת את התנהגות הפוטונים. אולם, עבורנו כעת לא כל כך חשובה המהות שלה, אלא העובדה שבאותו רגע התגלתה חוסר ההתאמה היסודי של שני תחומי הפיזיקה, לשלב
שדרך אגב, מדענים מנסים עד היום.
הלידה של מכניקת הקוונטים
המחקר של מבנה האטומים הרס לבסוף את המיתוס של מכניקה קלאסית מקיפה. ניסויים של ארנסט רתרפורד ב-1911 הראו שהאטום מורכב מחלקיקים קטנים עוד יותר (הנקראים פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים). יתרה מכך, הם גם סירבו לקיים אינטראקציה לפי חוקי ניוטון. חקר החלקיקים הקטנים ביותר הללו הוליד הנחות חדשות של מכניקת הקוונטים עבור העולם המדעי. לפיכך, אולי ההבנה האולטימטיבית של היקום טמונה לא רק ולא כל כך בחקר הכוכבים, אלא בחקר החלקיקים הקטנים ביותר, שנותנים תמונה מעניינת של העולם ברמת המיקרו.
עקרון אי הוודאות של הייזנברג
בשנות ה-20, מכניקת הקוונטים עשתה את צעדיה הראשונים, ומדענים רק
הבין מה נובע ממנו עבורנו. בשנת 1927 ניסח הפיזיקאי הגרמני ורנר הייזנברג את עקרון אי הוודאות המפורסם שלו, המדגים את אחד ההבדלים העיקריים בין המיקרוקוסמוס לסביבה שאנו רגילים אליה.היא מורכבת מכך שאי אפשר למדוד בו-זמנית את המהירות והמיקום המרחבי של עצם קוונטי, רק בגלל שאנו משפיעים עליו במהלך המדידה, כי המדידה עצמה מתבצעת גם היא בעזרת קוונטות. אם זה די בנאלי: כאשר מעריכים אובייקט במקרוקוסמוס, אנו רואים את האור המוחזר ממנו ועל בסיס זה מסיקים מסקנות לגביו. אבל בפיזיקה הקוונטית, ההשפעה של פוטוני האור (או נגזרות מדידה אחרות) כבר משפיעה על העצם. לפיכך, עקרון אי הוודאות גרם לקשיים מובנים בחקר ובניבוי התנהגותם של חלקיקים קוונטיים. יחד עם זאת, באופן מעניין, ניתן למדוד בנפרד את המהירות או בנפרד את מיקום הגוף. אבל אם נמדוד בו-זמנית, אז ככל שנתוני המהירות שלנו גבוהים יותר, כך נדע פחות על המיקום בפועל, ולהיפך.
