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.
The Heisenberg Uncertainty Principle is one of a handful of ideas from quantum physics to expand into general pop culture. It says that you can never simultaneously know the exact position and the exact speed of an object and shows up as a metaphor in everything from literary criticism to sports commentary. Uncertainty is often explained as a result of measurement, that the act of measuring an object's position changes its speed, or vice versa. The real origin is much deeper and more amazing. The Uncertainty Principle exists because everything in the universe behaves like both a particle and a wave at the same time. In quantum mechanics, the exact position and exact speed of an object have no meaning. To understand this, we need to think about what it means to behave like a particle or a wave. Particles, by definition, exist in a single place at any instant in time. We can represent this by a graph showing the probability of finding the object at a particular place, which looks like a spike, 100% at one specific position, and zero everywhere else. Waves, on the other hand, are disturbances spread out in space, like ripples covering the surface of a pond. We can clearly identify features of the wave pattern as a whole, most importantly, its wavelength, which is the distance between two neighboring peaks, or two neighboring valleys. But we can't assign it a single position. It has a good probability of being in lots of different places. Wavelength is essential for quantum physics because an object's wavelength is related to its momentum, mass times velocity. A fast-moving object has lots of momentum, which corresponds to a very short wavelength. A heavy object has lots of momentum even if it's not moving very fast, which again means a very short wavelength. This is why we don't notice the wave nature of everyday objects. If you toss a baseball up in the air, its wavelength is a billionth of a trillionth of a trillionth of a meter, far too tiny to ever detect. Small things, like atoms or electrons though, can have wavelengths big enough to measure in physics experiments. So, if we have a pure wave, we can measure its wavelength, and thus its momentum, but it has no position. We can know a particles position very well, but it doesn't have a wavelength, so we don't know its momentum. To get a particle with both position and momentum, we need to mix the two pictures to make a graph that has waves, but only in a small area. How can we do this? By combining waves with different wavelengths, which means giving our quantum object some possibility of having different momenta. When we add two waves, we find that there are places where the peaks line up, making a bigger wave, and other places where the peaks of one fill in the valleys of the other. The result has regions where we see waves separated by regions of nothing at all. If we add a third wave, the regions where the waves cancel out get bigger, a fourth and they get bigger still, with the wavier regions becoming narrower. If we keep adding waves, we can make a wave packet with a clear wavelength in one small region. That's a quantum object with both wave and particle nature, but to accomplish this, we had to lose certainty about both position and momentum. The positions isn't restricted to a single point. There's a good probability of finding it within some range of the center of the wave packet, and we made the wave packet by adding lots of waves, which means there's some probability of finding it with the momentum corresponding to any one of those. Both position and momentum are now uncertain, and the uncertainties are connected. If you want to reduce the position uncertainty by making a smaller wave packet, you need to add more waves, which means a bigger momentum uncertainty. If you want to know the momentum better, you need a bigger wave packet, which means a bigger position uncertainty. That's the Heisenberg Uncertainty Principle, first stated by German physicist Werner Heisenberg back in 1927. This uncertainty isn't a matter of measuring well or badly, but an inevitable result of combining particle and wave nature. The Uncertainty Principle isn't just a practical limit on measurment. It's a limit on what properties an object can have, built into the fundamental structure of the universe itself.