Die Heisenbergsche Unschärferelation
gehört zu einer Handvoll Ideen,
die sich von der Quantenphysik
in die Populärkultur ausbreitet.
Sie besagt, dass man niemals
gleichzeitig die genaue Position
und die genaue Geschwindigkeit
eines Objektes wissen kann
und erweist sich als Metapher für alles,
von der Literaturkritik
bis zu Sportkommentaren.
Die Unschärfe wird häufig
als Ergebnis von Messungen erklärt:
Die Messung der Objektposition
ändert dessen Geschwindigkeit
und umgekehrt.
Der tatsächliche Ursprung
ist viel tiefgründiger und erstaunlicher.
Die Unschärferelation existiert,
weil sich alles im Universum
gleichzeitig wie ein Teilchen
und wie eine Welle verhält.
In der Quantenmechanik
haben die genaue Position
und Geschwindigkeit eines Objekts
keine Bedeutung.
Um das zu begreifen,
müssen wir darüber nachdenken,
wie sich Teilchen oder Wellen verhalten.
Teilchen sind per Definition an einem Ort
zu einem bestimmten Zeitpunkt vorhanden.
Ein Diagramm zeigt
die Wahrscheinlichkeit,
ein nadelgroßes Objekt,
an einem bestimmten Ort vorzufinden,
mit 100 % für eine bestimmte Position
und mit 0 % für jede andere angibt.
Wellen sind andererseits Störungen,
die sich im Raum ausbreiten,
wie das Kräuseln des Wassers
auf der Oberfläche eines Teichs.
Man kann eindeutig Merkmale
des Wellenmusters als Ganzes erkennen,
am wichtigsten, ihre Wellenlänge,
der Abstand zwischen zwei
benachbarten Wellenbergen
oder zwei benachbarten Wellentälern.
Aber man kann ihr
keinen Standpunkt zuordnen.
Die Chancen stehen gut, dass sie
an vielen verschiedenen Orten sein wird.
Die Wellenlänge ist grundlegend
für die Quantenphysik,
weil die Wellenlänge eines Objekts
mit seinem Impuls verknüpft ist,
der Masse mal Geschwindigkeit ist.
Ein sich schnell bewegendes Objekt
hat einen großen Impuls
mit entsprechend kurzer Wellenlänge.
Der Impuls eines schweren Objekts
ist selbst bei langsamer Bewegung groß
und bedeutet wiederum
eine sehr kurze Wellenlänge.
Deshalb bemerken wir die Wellennatur
von Alltagsgegenständen nicht.
Wirft man einen Baseball hoch in die Luft,
ist seine Wellenlänge
ein Milliardstel eines Billionstel
eines Billionstel eines Meters
und viel zu winzig,
um jemals bemerkt zu werden.
Kleine Dinge wie Atome oder Elektronen
mit ausreichend großer Wellenlänge
können durch physikalische Versuche
gemessen zu werden.
Wenn man eine reine Welle hat,
kann man ihre Wellenlänge messen
und somit ihren Impuls,
aber sie hat keine Position.
Man kann den Ort eines Teilchens
sehr genau kennen,
aber es hat keine Wellenlänge,
wodurch man seinen Impuls nicht kennt.
Um sowohl Ort als auch Impuls
eines Teilchen zu erhalten,
muss man die beiden Bilder mischen,
um ein Diagramm mit Wellen, nur
in einem kleinen Bereich, zu erstellen.
Wie kann man das erreichen?
Durch die Kombination von Wellen
unterschiedlicher Wellenlänge,
was bedeutet dem Quantenobjekt
ein paar Möglichkeiten einzuräumen,
unterschiedliche Impulse zu haben.
Wenn man zwei Wellen addiert,
findet man Stellen,
wo sich die Wellenberge
zu größeren Wellen verstärken
und andere Stellen, wo die Wellenberge
Wellentäler von anderen auffüllen.
So entstehen Bereiche,
wo man Wellen sieht,
die von leeren Bereichen
voneinander getrennt werden.
Fügt man eine dritte Welle hinzu,
werden die Bereiche, wo sich
die Wellen aufheben, größer.
Mit einer vierten werden sie noch größer
und die welligeren Bereiche schmaler.
Fügt man weitere Wellen hinzu,
kann man ein Wellenpaket
mit eindeutiger Wellenlänge
für einen kleinen Bereich erstellen.
Das ist ein Quantenobjekt
mit Wellen- und Teilchennatur.
Aber um das zu erreichen,
muss man die Gewissheit
sowohl über den Ort
als auch den Impuls aufgeben.
Die Position beschränkt sich nicht
auf einen einzigen Punkt.
Die Chancen stehen gut,
sie im zentralen Bereich
des Wellenpakets zu finden.
Man erstellte das Wellenpaket
durch Addition vieler Wellen,
wodurch eine gewisse Chance besteht,
sie mit dem Impuls, der mit irgendeiner
davon korrespondiert, zu finden.
Sowohl die Position als auch der Impuls
sind jetzt unbestimmt
und die Unbestimmtheiten
sind miteinander verknüpft.
Für die Reduzierung
der Unbestimmtheit des Ortes,
durch kleinere Wellenpakete,
muss man mehr Wellen hinzufügen.
Das bedeutet eine Zunahme
der Unbestimmtheit des Impulses.
Will man den Impuls genauer bestimmen,
braucht man ein größeres Wellenpaket.
Das bedeutet eine Zunahme
der Unbestimmtheit des Ortes.
Das ist die Heisenbergsche
Unschärferelation,
die erstmals 1927 vom deutschen Physiker
Werner Heisenberg erklärt wurde.
Diese Unbestimmtheit ist keine Frage
von guter oder schlechter Messung,
sondern ein unvermeidliches Ergebnis
aus der Kombination
von Teilchen- und Wellennatur.
Die Unschärferelation ist nicht nur
eine praktische Grenze von Messungen.
Es ist eine Grenze für die Eigenschaften,
die ein Objekt haben kann,
und zwar eingebaut
in die Grundstruktur des Universums.