Das Prinzip des „Verrats“: Wird es für den Menschen unmöglich sein, Messfehler auszuschließen?

1924 begrüßte Bohr einen 23-jährigen jungen Mann an seinem Institut in Dänemark. Im Laufe von mehr als drei Jahren entwickelte sich zwischen Bohr und ihm eine tiefe Freundschaft. Nach seiner Rückkehr nach Deutschland gelangte der junge Mann zu einer tiefgreifenden Erkenntnis: Egal, welche Methode der Mensch anwendet, er wird Messfehler niemals ausschließen können. Dieser junge Mann war Heisenberg.

In der Vergangenheit glaubten Wissenschaftler immer, dass sie das Zielobjekt so genau wie möglich messen könnten, solange ihre Messinstrumente gut genug seien. Aber Heisenberg sagte: Es tut mir leid, wir werden nie in der Lage sein, die Geschwindigkeit und die genaue Position eines Elektrons gleichzeitig zu messen.

Warum? Denn unser Messverhalten selbst wird zwangsläufig die Bewegung der Elektronen stören. Jede Messung besteht im Wesentlichen aus der Beobachtung des von einem Objekt reflektierten Lichts. Wenn wir beispielsweise mit unseren Augen ein beliebiges Objekt betrachten, sehen wir tatsächlich das vom Objekt reflektierte Licht. Alle zu messenden Objekte müssen beleuchtet sein.

Da Licht aus Photonen besteht, sind diese Photonen wie Kugeln. Sie zum Leuchten von Elektronen zu verwenden ist, als würde man mit einer Kugel eine andere Kugel treffen. Im Moment des Aufpralls eines Photons ändert sich zwangsläufig der Bewegungszustand des Elektrons.

Wenn wir die Geschwindigkeit eines Elektrons messen möchten, müssen wir die Positionen zweier Punkte auf der Bahn des Elektrons messen. Wenn Sie nun die Position eines beliebigen Punkts messen, wird der Bewegungszustand des Elektrons zerstört und die Zeit, die das Elektron benötigt, um einen anderen Punkt zu erreichen, unterscheidet sich von der ursprünglichen Zeit. Daher ist es theoretisch unmöglich, Position und Geschwindigkeit gleichzeitig genau zu messen.

Heisenberg nannte seine Erkenntnis das „Unschärfeprinzip“, und die Abhandlung löste unmittelbar nach ihrer Veröffentlichung in der akademischen Gemeinschaft große Resonanz aus.

Auch Bohr, der weit weg im fernen Dänemark war, sah Heisenbergs Arbeit. Nach reiflicher Überlegung war er schockiert! Ein Problem, das ihn seit Jahren beschäftigt hatte, war plötzlich gelöst und er hatte außerdem eine zehnmal mutigere Idee.

Bohr glaubte zwar, dass Geschwindigkeit und Position von Elektronen nicht gleichzeitig genau gemessen werden könnten, der Grund dafür lag jedoch nicht darin, dass das Messverhalten die Bewegung der Elektronen störte, sondern darin, dass es überhaupt kein Konzept für die genaue Geschwindigkeit und Position von Elektronen gab! Schrödinger hatte recht, aber nur halb recht. Elektronen sind wie Photonen sowohl Teilchen als auch Wellen. Wenn Sie ein Elektron messen, verhält es sich wie ein Teilchen, und wenn Sie es nicht messen, ist es eine Welle.

Bohr fand schließlich heraus, warum Elektronen um den Atomkern kreisen, aber keine elektromagnetischen Wellen aussenden. Der Grund ist einfach. Die Elektronen drehen sich überhaupt nicht um die Umlaufbahn, sondern verteilen sich in Form von Wellen über die Umlaufbahn.

Bohr glaubte, dass Elektronen, wenn wir sie nicht messen, tatsächlich keine physikalische Form haben. Sie sind eine Art Welle, genau wie Butter auf Brot. Es verteilt sich über die gesamte Straße, an manchen Stellen dicker und an anderen dünner. Die dickeren Stellen weisen auf eine höhere Wahrscheinlichkeit einer Messung hin, die dünneren Stellen auf eine geringere Wahrscheinlichkeit einer Messung. Allerdings ist die Dicke der Butter nicht festgelegt, sondern unterliegt im Laufe der Zeit periodischen Veränderungen. Ist das Wesen von Wellen nicht eine Art periodischer Veränderung?

Wenn wir das Maulwurfspiel als Analogie verwenden, ist unser Messverhalten so, als würden wir mit einem Hammer auf etwas schlagen. Manchmal trifft er nichts, und manchmal schrumpft er die Elektronenwelle, die die gesamte Straße durchdringt, augenblicklich auf einen einzigen Punkt, sodass es aussieht, als wäre der Maulwurf getroffen worden. Tatsächlich wird der Maulwurf selbst durch den Hammer geformt. Ausschlaggebend dafür, ob der Hammer den Maulwurf treffen kann, ist die Trefferwahrscheinlichkeit. Nicht einmal Gott kann garantieren, dass ein Hammer den Maulwurf trifft.

Kurz gesagt besteht die Kernidee darin, dass der Zustand des Elektrons immer ungewiss bleibt, ohne eindeutige Position und Geschwindigkeit, solange wir es nicht messen. Jede Messung kann uns nur eine der Tatsachen mitteilen; es ist unmöglich, beides zu wissen. Dies ist das erste Prinzip der Quantenmechanik: das Unschärfeprinzip .

Schon bei seiner Einführung stieß das Unschärfeprinzip auf zahlreiche Zweifel. Für die meisten Physiker dieser Zeit war dies eine Unverschämtheit. Es war jedoch diese „ungeheuerliche“ Theorie, die nach und nach empirische Unterstützung fand und zu einem der wichtigsten Eckpfeiler der Quantenmechanik wurde.

Dieser Artikel ist eine Arbeit, die vom Science Popularization China Creation Cultivation Program unterstützt wird

Autor: Science Voice

Gutachter: Zhou Xiaoliang, leitender Ingenieur des Physiklabors der Jiaotong-Universität Peking

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.