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.