What is the Heisenberg Uncertainty Principle? - Chad Orzel

Übersetzung: Johannes Duschner Lektorat: Angelika Lueckert Leon

The Heisenberg Uncertainty Principle is one of a handful of ideas

Die Heisenbergsche Unschärferelation gehört zu einer Handvoll Ideen,

from quantum physics to expand into general pop culture.

die sich von der Quantenphysik in die Populärkultur ausbreitet.

It says that you can never simultaneously know the exact position

Sie besagt, dass man niemals gleichzeitig die genaue Position

and the exact speed of an object and shows up as a metaphor in everything

und die genaue Geschwindigkeit eines Objektes wissen kann

und erweist sich als Metapher für alles,

from literary criticism to sports commentary.

von der Literaturkritik bis zu Sportkommentaren.

Uncertainty is often explained as a result of measurement,

Die Unschärfe wird häufig als Ergebnis von Messungen erklärt:

that the act of measuring an object's position changes its speed, or vice versa.

Die Messung der Objektposition

ändert dessen Geschwindigkeit und umgekehrt.

The real origin is much deeper and more amazing.

Der tatsächliche Ursprung ist viel tiefgründiger und erstaunlicher.

The Uncertainty Principle exists because everything in the universe

Die Unschärferelation existiert, weil sich alles im Universum

behaves like both a particle and a wave at the same time.

gleichzeitig wie ein Teilchen und wie eine Welle verhält.

In quantum mechanics, the exact position and exact speed of an object

In der Quantenmechanik haben die genaue Position

und Geschwindigkeit eines Objekts keine Bedeutung.

have no meaning.

To understand this,

Um das zu begreifen,

müssen wir darüber nachdenken,

we need to think about what it means to behave like a particle or a wave.

wie sich Teilchen oder Wellen verhalten.

Particles, by definition, exist in a single place at any instant in time.

Teilchen sind per Definition an einem Ort zu einem bestimmten Zeitpunkt vorhanden.

We can represent this by a graph showing the probability of finding

Ein Diagramm zeigt die Wahrscheinlichkeit,

the object at a particular place, which looks like a spike,

ein nadelgroßes Objekt, an einem bestimmten Ort vorzufinden,

100% at one specific position, and zero everywhere else.

mit 100 % für eine bestimmte Position und mit 0 % für jede andere angibt.

Waves, on the other hand, are disturbances spread out in space,

Wellen sind andererseits Störungen, die sich im Raum ausbreiten,

like ripples covering the surface of a pond.

wie das Kräuseln des Wassers auf der Oberfläche eines Teichs.

We can clearly identify features of the wave pattern as a whole,

Man kann eindeutig Merkmale des Wellenmusters als Ganzes erkennen,

most importantly, its wavelength,

am wichtigsten, ihre Wellenlänge,

which is the distance between two neighboring peaks,

der Abstand zwischen zwei benachbarten Wellenbergen

or two neighboring valleys.

oder zwei benachbarten Wellentälern.

But we can't assign it a single position.

Aber man kann ihr keinen Standpunkt zuordnen.

Die Chancen stehen gut, dass sie an vielen verschiedenen Orten sein wird.

It has a good probability of being in lots of different places.

Wavelength is essential for quantum physics

Die Wellenlänge ist grundlegend für die Quantenphysik,

because an object's wavelength is related to its momentum,

weil die Wellenlänge eines Objekts mit seinem Impuls verknüpft ist,

mass times velocity.

der Masse mal Geschwindigkeit ist.

A fast-moving object has lots of momentum,

Ein sich schnell bewegendes Objekt hat einen großen Impuls

which corresponds to a very short wavelength.

mit entsprechend kurzer Wellenlänge.

A heavy object has lots of momentum even if it's not moving very fast,

Der Impuls eines schweren Objekts ist selbst bei langsamer Bewegung groß

which again means a very short wavelength.

und bedeutet wiederum eine sehr kurze Wellenlänge.

This is why we don't notice the wave nature of everyday objects.

Deshalb bemerken wir die Wellennatur von Alltagsgegenständen nicht.

If you toss a baseball up in the air,

Wirft man einen Baseball hoch in die Luft,

its wavelength is a billionth of a trillionth of a trillionth of a meter,

ist seine Wellenlänge

ein Milliardstel eines Billionstel eines Billionstel eines Meters

far too tiny to ever detect.

und viel zu winzig, um jemals bemerkt zu werden.

Small things, like atoms or electrons though,

Kleine Dinge wie Atome oder Elektronen

mit ausreichend großer Wellenlänge

can have wavelengths big enough to measure in physics experiments.

können durch physikalische Versuche gemessen zu werden.

So, if we have a pure wave, we can measure its wavelength,

Wenn man eine reine Welle hat, kann man ihre Wellenlänge messen

and thus its momentum, but it has no position.

und somit ihren Impuls, aber sie hat keine Position.

Man kann den Ort eines Teilchens sehr genau kennen,

We can know a particles position very well,

but it doesn't have a wavelength, so we don't know its momentum.

aber es hat keine Wellenlänge, wodurch man seinen Impuls nicht kennt.

To get a particle with both position and momentum,

Um sowohl Ort als auch Impuls eines Teilchen zu erhalten,

we need to mix the two pictures

muss man die beiden Bilder mischen,

to make a graph that has waves, but only in a small area.

um ein Diagramm mit Wellen, nur in einem kleinen Bereich, zu erstellen.

How can we do this?

Wie kann man das erreichen?

By combining waves with different wavelengths,

Durch die Kombination von Wellen unterschiedlicher Wellenlänge,

which means giving our quantum object some possibility of having different momenta.

was bedeutet dem Quantenobjekt ein paar Möglichkeiten einzuräumen,

unterschiedliche Impulse zu haben.

When we add two waves, we find that there are places

Wenn man zwei Wellen addiert, findet man Stellen,

where the peaks line up, making a bigger wave,

wo sich die Wellenberge zu größeren Wellen verstärken

und andere Stellen, wo die Wellenberge Wellentäler von anderen auffüllen.

and other places where the peaks of one fill in the valleys of the other.

The result has regions where we see waves

So entstehen Bereiche, wo man Wellen sieht,

separated by regions of nothing at all.

die von leeren Bereichen voneinander getrennt werden.

If we add a third wave,

Fügt man eine dritte Welle hinzu,

the regions where the waves cancel out get bigger,

werden die Bereiche, wo sich die Wellen aufheben, größer.

a fourth and they get bigger still, with the wavier regions becoming narrower.

Mit einer vierten werden sie noch größer und die welligeren Bereiche schmaler.

If we keep adding waves, we can make a wave packet

Fügt man weitere Wellen hinzu, kann man ein Wellenpaket

with a clear wavelength in one small region.

mit eindeutiger Wellenlänge für einen kleinen Bereich erstellen.

That's a quantum object with both wave and particle nature,

Das ist ein Quantenobjekt mit Wellen- und Teilchennatur.

but to accomplish this, we had to lose certainty

Aber um das zu erreichen, muss man die Gewissheit

about both position and momentum.

sowohl über den Ort als auch den Impuls aufgeben.

The positions isn't restricted to a single point.

Die Position beschränkt sich nicht auf einen einzigen Punkt.

There's a good probability of finding it within some range

Die Chancen stehen gut,

sie im zentralen Bereich des Wellenpakets zu finden.

of the center of the wave packet,

and we made the wave packet by adding lots of waves,

Man erstellte das Wellenpaket durch Addition vieler Wellen,

which means there's some probability of finding it

wodurch eine gewisse Chance besteht,

with the momentum corresponding to any one of those.

sie mit dem Impuls, der mit irgendeiner davon korrespondiert, zu finden.

Both position and momentum are now uncertain,

Sowohl die Position als auch der Impuls sind jetzt unbestimmt

and the uncertainties are connected.

und die Unbestimmtheiten sind miteinander verknüpft.

If you want to reduce the position uncertainty

Für die Reduzierung der Unbestimmtheit des Ortes,

by making a smaller wave packet, you need to add more waves,

durch kleinere Wellenpakete, muss man mehr Wellen hinzufügen.

which means a bigger momentum uncertainty.

Das bedeutet eine Zunahme der Unbestimmtheit des Impulses.

If you want to know the momentum better, you need a bigger wave packet,

Will man den Impuls genauer bestimmen, braucht man ein größeres Wellenpaket.

which means a bigger position uncertainty.

Das bedeutet eine Zunahme der Unbestimmtheit des Ortes.

That's the Heisenberg Uncertainty Principle,

Das ist die Heisenbergsche Unschärferelation,

first stated by German physicist Werner Heisenberg back in 1927.

die erstmals 1927 vom deutschen Physiker Werner Heisenberg erklärt wurde.

This uncertainty isn't a matter of measuring well or badly,

Diese Unbestimmtheit ist keine Frage von guter oder schlechter Messung,

but an inevitable result of combining particle and wave nature.

sondern ein unvermeidliches Ergebnis

aus der Kombination von Teilchen- und Wellennatur.

The Uncertainty Principle isn't just a practical limit on measurment.

Die Unschärferelation ist nicht nur eine praktische Grenze von Messungen.

It's a limit on what properties an object can have,

Es ist eine Grenze für die Eigenschaften, die ein Objekt haben kann,

built into the fundamental structure of the universe itself.

und zwar eingebaut in die Grundstruktur des Universums.