Die physikalischen Gesetze, die die Physik der atomaren Welt beschreiben, sind oft überraschend und lassen sich mit unserer alltäglichen Erfahrung nicht vereinbaren. Einer der bedeutendsten Unterschiede zwischen der Welt der Atome und unserem Alltag ist, dass man im Gegensatz zu unserem Alltag viel genauer über den Messprozess nachdenken muss.
Stellt euch zum Beispiel vor, ihr beobachtet eine Murmel, die auf einem Tisch rollt. Ihr könnt die Lage der Murmel auf dem Tisch einfach dadurch bestimmen, indem ihr auf die Murmel guckt. Im Detail beobachtet ihr dabei das Licht, das von der Murmel abprallt und in eurem Auge landet. Man erwartet bei dieser “Messung” nicht, dass das Licht die Murmel beeinflusst, z.B. sodass sich die Richtung des Rollens leicht ändert. Genauso kann man sich vorstellen, dass wir die Geschwindigkeit der Murmel mit einer Radarpistole ermitteln wollen. Ein Radar benutzt Radiowellen, die eigentlich die gleichen elektromagnetischen Wellen wie Licht sind, nur mit einer viel längeren Wellenlänge. Diese prallen von der Murmel ab und in dem Stoß wird die Energie der Radarwellen geändert. Diese Änderung benutzt die Radarpistole, um die Geschwindigkeit zu ermitteln (dies ist auch als Doppler-Effekt bekannt). Bei der Murmel – genauso wie bei einer Messung der Geschwindigkeit eines Autos – erwarten wir nicht, dass die Murmel durch die Messung so stark angestoßen ist, dass sich ihre Lage ändert.
Wenn wir eine ähnliche Bestimmung der Lage und Geschwindigkeit, wie bei der Murmel, bei einem kleinen Teilchen wie z.B. einem Elektron durchführen würden, stellen wir fest, dass unsere Erwartungen aus dem Alltag nicht mehr erfüllt werden. Da die Lichtquanten im Licht oder auch in den Radiowellen vom Radar im Vergleich zur kleinen Masse des Elektrons genug Energie tragen, wird die Bewegung des Elektrons nach dem Aufprall des Lichts geändert. Die Messung verändert die Geschwindigkeit und auch die Lage des Elektrons nach der Messung. Wenn wir versuchen würden, die Messungen so durchzuführen, dass diese nur kleine Änderungen beim Elektron verursachen, stellen wir fest, dass die Messungen an Präzision verlieren.
Die berühmte Heisenbergsche Unschärferelation
= sehr kleine Konstante
drückt genau diese Unmöglichkeit der gleichzeitigen genauen Messung der Lage und des Impulses aus (dieser kann durch Geschwindigkeit ersetzt werden). Die Größen Δx und Δp stehen für die Genauigkeit der beiden Messungen, d.h. eine exakte Messung der Lage würde Δx=0 bedeuten. Die Beziehung stellt ein Kompromiss zwischen den Messungen dar: Wenn wir eine Größe sehr präzise bestimmen wollen, verlieren wir die Möglichkeit einer präzisen Bestimmung für die Partner-Größe. Laut der Quantentheorie beeinflussen sich nicht nur die Messungen von Ort und Geschwindigkeit (Impuls), es existieren noch weitere Paare an messbaren Größen, die nicht gleichzeitig bestimmbar sind. Für diese existieren dann ähnliche Unschärferelationen.