Saturday, September 18, 2010

The Uncertainty Principle, and the Quantum Discontinuity.

What is the uncertainty principle?  Some people think of it as the "Observer Effect", the fact that any time you measure an object, you change something about it.  For example, to see where an object is you have to bounce photons of light off of it, and those photons change the object.

But that's not what the uncertainty principle really is.  The Heisenberg Uncertainty Principle (HUP) is defined as follows:


That is, the uncertainty in position times the uncertainty in momentum is greater than or equal to Plank's constant over two.  Plank's constant being 1.054571628(53)×10−34 J·s

What this means is that you cannot know both the position and momentum of something.  To the extent you know one, the other is uncertain.  Of course Plank's constant is a very small number, so most of the time the uncertainty of our knowledge does not matter.  It only becomes significant over very short distances and very small changes in momentum.

To understand where this uncertainty comes from, we need to understand that all matter and all energy is composed of waves.  I know this is difficult to envision, but take it on faith for the moment because once you accept this fact the uncertainty principle suddenly makes a great deal of sense.

Imagine a circular pond of very still water.  The surface is like a mirror in all directions.  Hold a stick in your hand, and insert the tip into the water.  Move the stick up and down at a fixed frequency.  Waves will ripple away from the stick in all directions, completely filling the pond.  The waves have no certain position.  They are everywhere on the surface of the lake.  However, because the frequency is fixed, the waves have a very well defined energy (momentum).  That's the first half of the HUP, we know the energy but we cannot determine any position.

Now change the way you move the stick.  Shake it up and down randomly -- perfectly randomly!  Make sure you incorporate every frequency into your motion.  The surface of the lake will return to it's mirror sheen because all frequencies will integrate out. You will know where all the energy is, it's in the stick, but you won't know how much energy there is because it's all random.  And that's the second half of the HUP.  You know the position of the energy, but the quantity is purely random.

That's how photons work.  Photons are "particles" of light.  But does light really move as a spray of particles?  It sometimes seems to.  However, it also seems to move in waves like the waves of a pond.

Plank showed that the energy of a photon is equal to Plank's constant times the wavelength of the photon's frequency:
What this means is that we cannot measure energies that are not integral multiples of this quantity.  Indeed, no interaction between two particles can take place unless there is an exchange of an integral multiple of that quantity.  For example, an interaction that would require half that energy simply could not occur.

So now, imagine a light source that emits light at a fixed frequency at a rate exactly equal to one photon per second.  Is this light source emitting one photon per second?  Or is it filling the space around it with light waves.  The answer is both.  The space around the light source is filled with a field of waves.  However, those waves cannot interact with any other matter more than once per second.  And the position of that interaction is, by the Uncertainty Principle, random.  So if you set up a screen around the light source, you'd see tiny little sparks of light in random positions at roughly one second intervals.

The waves are all there, filling space like the waves on the pond, but the energy of those waves can only be deposited in fixed quantities, and the position of each one of those deposits is random.   If you put such a light source in the center of a room, it would "illuminate" that room.  However, your eyes would only register the photons that managed to randomly deposit their energy on your retina via a pathway that passed through your pupil after reflecting off the objects in the room.  And that would happen at a rate much less than once per second because most of the photons emitted by the light source would deposit their energy somewhere other than in your eye.

What is bouncing off the furniture in the room?  Photons?  No, it is the waves that are reflecting off the objects in the room and that are passing through your pupil, refracting through your cornea and lense, and "striking" your retina.  And then those waves deposit their energies as photons at uncertain locations. The waves determine the probability that the energy will be deposited at one uncertain place or another.  So in some very real sense the waves are waves of probability.  If an area of the room is in shadow, no waves will be present in that part of the room, and so the probability that the waves will deposit their energy as photons in that area is zero.

If you put a camera in the room and left the shutter open for a very long time, the camera would record a perfectly normal image of an illuminated room.  Over time the field of waves would deposit some of it's energy as photons in the camera's receptor.  The probability information carried by those waves would cause those photons to build up an image of the room.

Indeed, that's what's going on right now as you are looking at these words.  The field of waves leaving your computer screen carries probability information to your retina, causing photon's to be randomly deposited there.  It's just that the flux of photons is so huge, that we do not notice their randomness.

What does this have to do with software?

Nothing directly. 

19 comments:

  1. Wow! Great post. Reminds me of when I read some of "The Society of Mind" by Marvin Minsky ( http://web.media.mit.edu/~minsky/ )

    ReplyDelete
  2. Love the physics Bob.

    Have you been watching 'How the universe works?' on discovery?

    http://dsc.discovery.com/videos/how-the-universe-works-black-holes/

    Amazing stuff.

    ReplyDelete
  3. As far as software goes, I think it's been good that agile has been promoting the inherent 'uncertainty' that comes with software projects and life in general.

    You don't know 100% what things look like going in. And what you get depends greatly on the inputs to your project (the people).

    So drop the gantt chart, embrace the uncertainty, and do the one thing we can do: deliver something of value every week and adapt as we go.

    Thanks for the post.

    ReplyDelete
  4. I think it has something to do with software. Seems like it's related to the CAP Theorem.

    ReplyDelete
  5. That's Dirac's constant, not Planck's. Also, those Δ should be σ. Also Planck has a 'c' in it. :P

    Aside from that, it has a lot to do with programming including knowing how your machine works and knowing that not all software errors are predictable (the "impossible" is possible).

    ReplyDelete
  6. You don't know 100% what things look like going in. And what you get depends greatly on the inputs to your project (the people).

    ReplyDelete
  7. تعرف الان على افضل المميزات من تجهيزات محلات التى نقدمة الان على اعلى مستوى ممكن من تجهيزات مطاعم الاننا نقدم افضل انواع تجهيزات سوبر ماركت الان اياض , وباقل الاسعار الممكن فى مصر

    ReplyDelete
  8. تعرف الان معنا مع افضل الخصومات العالمية الان من شركة مكافحة حشرات الانمكافحة حشرات التى نقدمة الان وعلى اعلى سمتوى ممكن الان فى مصر

    ReplyDelete
  9. تعرف الان على افضل العروض الان من شركة تصميم مواقعشركة تصميم مواقع
    الذى يقدم افضل الخصومات الان من افضل شركة الان من شركة تسويق الكتروني الان وعلى اعلى مستوى ممكن وباقل الاسعار الرائعة الان فى كافة المحافظات مصر

    ReplyDelete
  10. تمتع الان معنا مع افضل المميزات التى نقدمة الان فى مصر وعلى اعلى يمتوى ممكن وباقل الاسعار الممكن من رقم كاريير التى نقدمة الان , كما اننا نقدم افضل الخصومات الان من توكيل كاريير التى نقدمة الان فى مصر

    ReplyDelete
  11. تعمل على توفير كل خدمات عمليات التنظيف شركة تنظيف بالبخار بجدة بالإضافة إلى الخدمات الاخري شركة تنظيف كنب بالبخار بجدة التي تحتاجها ربات البيوت وأصحاب الشركات شركة تنظيف سجاد بالبخار بجدة والعقارات ومن خلال شركتنا المتمزية فى خدمات تنظيف المفروشات شركة تنظيف مجالس بالبخار بجدة بالبخار بافضل الاسعار تعرف على كافة شركة تنظيف بالبخار بمكة الخدمات المتميزة التى نقدمها شركة نقل عفش بمكة اليكن والى كل عملائنا الكرام

    ReplyDelete
  12. شركة نظافة خزانات بمكة تقدم خدمات لا يوجد شركة تنظيف بمكة منشأة لا تحتاج لها حيث أن الخزانات تعد من أهم المحتويات التي تحتاج لها المنشآت المختلفة خاصة شركة مكافحة حشرات بمكة في المملكة العربية السعودية التي تعتمد على المياه الجوفية ومياه الآبار شركة تنظيف خزانات بمكة والعيون وتخزينها في خزانات شركة تنظيف بالبخار بمكة بعد تصفيتها وتنقيتها لذا ظهرت الحاجة الشديدة للاستعانة بشركة متخصصة شركة نقل عفش بمكة يستعين بها مختلف الأشخاص في تنظيف وتعقيم الخزانات لديهم من أجل الحفاظ على المياه نظيفة وغير ملوثة

    ReplyDelete
  13. العمالة الفلبينية معروفة بأنها تتعلم شركة نقل عفش بجدة بسرعة كبيرة وجميع الأعمال التي تسند اليها تخرج جودتها بمستوى عالية فى حين ان مستوى الاجور لها منخفض وعليه فإن الشركة شركة تنظيف بالبخار بجدة تعمل على توفير تلك النوعية شركة تنظيف دكت المكيفات بمكة من العمالة ومن خلال افضل شركة نقل عفش بجده شركة تنظيف دكت المكيفات بجدة عمالة فلبينية سوف يتم الحصول على عمال متفوقين وقادرين شركة تنظيف دكت المكيفات بالطائف على نقل الاثاث بعناية كبيرة من اي مكان حتى الادوار العالية وتتم عملية النقل تبعا للأسلوب الحديث وهي كالتالي :-

    ReplyDelete
  14. توفر شركة تنظيف دبي أفضل خدمات نظافة شركة تنظيف بدبي من خلال خبراء في عالم النظافة شركة تنظيف كنب بدبي لديهم احتراف ومهارة عالية وعلى درجة كبيرة من الأمانة والالتزام لديهم حلول شركة تنظيف عجمان عملية وسريعة لجميع شركة تنظيف بالشارقة مشاكل التنظيف ملتزمون بتلبية شركة تنظيف ابو ظبي رغبات العملاء وتنفيذها وعدم إهدار الوقت

    ReplyDelete
  15. تنظيف المساحات الشاسعة ليس بالأمر الهين شركة تنظيف دبي ولا يقدر عليه فرد واحد أو الخدم الذين قد يتواجدون شركة تنظيف ابو ظبي بالمنشأة حيث أنه يلزم توافر معدات خاصة شركة تنظيف كنب بدبي من أجل التنظيف تساعد شركة تنظيف بالشارقة على تقديم أفضل الخدمات وتعمل على تيسيرها بأسعار لا تعد عبء على من يبحث عن شركة تنظيف عجمان هذه الخدمات لذا تقدم الشركة كافة الخدمات التي تلزم في تنظيف الفلل شركة تنظيف العين بما تحتويه من محتويات وأغراض

    ReplyDelete
  16. ويتميز شركة تنظيف كنب بدبي بانجاز العمل بتقنية شركة تنظيف بدبي وجودة عالية، وفي أسرع وقت شركة تنظيف بالشارقة ،وتحرص شركة تنظيف بالعين بتوفير احدث شركة تنظيف بالعين الأجهزة الكهربائية شركة تنظيف بدبي والمعدات الحديثة اللازمة والمستخدمة في شركة تنظيف بعجمان عمليات التنظيف، وذلك حرصا من الشركة علي توفير شركة تنظيف كنب بدبي ومساعدة عملائها الكرام في القيام بإعمال

    ReplyDelete
  17. يمكنكم اللجوء لتنظيف منازل عجمان إذا شركة تنظيف دبي أصبحتم في حاجة إلى تنظيف المنزل شركة تنظيف عجمان في أي وقت تحددوه أنتم , فقط اتصلوا بتنظيف منازل عجمان شركة تنظيف بالشارقة وسوف يرد عليكم فريق متخصص من خدمة العملاء والذي يحدد معكم المطلوب شركة تنظيف ابو ظبي والوقت المحدد لإتمام تلك المهمة الضرورية وفي أسرع وقت ممكن سوف تجدونها انتهت شركة تنظيف كنب بدبي , فقط انسوا هم الأسعار التي تقلق الجميع في حالة الرغبة في التعامل مع أي شركة نظافة

    ReplyDelete
  18. German Translation Legal Translation services German Translation The German German Translation dubai language has a great influence on the world because Germany plays a vital role in the European Union chinese Translation dubai . Also, the economy of Germany russian translation in dubai encourages the growth Translation services in Dubai of the English Translation dubai German translation industry.

    ReplyDelete
  19. كما يقوم فريق العمل بتنظيف الموكيت حيث أن الموكيت شركة تنظيف بدبي يعتبر من أهم الأشياء التي توجد في المنزل ويتميز بوجود الزخارف المختلفة شركة تنظيف بالعين به، لهذا فإنه يحتاج إلى التنظيف بكل دقة وحرص ويتم هذا من خلال استخدام شركة تنظيف عجمان الماء الفاتر والمنظفات المخصصة للموكيت، أو يتم تنظيفه عن طريق البخار شركة تنظيف كنب بدبي حتى يعطي أفضل النتائج وفي أسرع وقت
    تعتبر طريقة التنظيف بالبخار من أفضل شركة تنظيف بدبي وأحدث الطرق التي تستخدم في عمليات التنظيف شركة تنظيف كنب بدبي للوصول إلى أفضل النتائج، وتقوم شركة تنظيف بالبخار في دبي شركة تنظيف بالشارقة في استخدامه في العديد من عمليات التنظيف؛ لهذا فإن جميع الأعمال شركة تنظيف ابو ظبي التي تقوم بها الشركة شركة تنظيف بعجمان تكون على درجة شركة تنظيف بدبي عالية من الكفاءة شركة تنظيف بالشارقة

    ReplyDelete