Gündelik yaşamda bir nesnenin hem nerede olduğunu hem de ne kadar hızlı hareket ettiğini aynı anda bilebileceğimizi varsayarız. Bir trafik polisi, hız ölçeriyle bir arabanın hızını ölçerken arabanın nerede olduğunu da kolayca görebilir. Klasik fizikte de bir parçacığın konumu ve hızı, istenildiği kadar hassas biçimde aynı anda ölçülebilirdi. Hatta bu bilgiler biliniyorsa, parçacığın gelecekte nerede olacağı da kesin olarak hesaplanabilirdi. Ancak 1927 yılında genç Alman fizikçi Werner Heisenberg, atomların dünyasında bu varsayımın geçerli olmadığını gösterdi.

Heisenberg'in ortaya koyduğu belirsizlik ilkesine göre bir parçacığın konumu ve momentumu, yani kütlesi ile hızının çarpımı, aynı anda sınırsız bir hassasiyetle bilinemez. Konum ne kadar hassas biçimde belirlenirse, momentum o kadar belirsiz hâle gelir. Tersine, momentum ne kadar hassas biçimde belirlenirse, konum o kadar belirsizleşir. Bu iki belirsizliğin çarpımı, Planck sabitiyle ilişkili belirli bir değerden küçük olamaz. Başka bir deyişle doğa, bu iki büyüklüğü aynı anda tam olarak bilmemize izin vermez.

Heisenberg, bu ilkeyi açıklamak için bir düşünce deneyi kullandı. Bir elektronun konumunu belirlemek için ona ışık göndermemiz ve yansıyan ışığı gözlememiz gerekir. Konumu daha hassas belirlemek için daha kısa dalga boylu, yani daha yüksek enerjili ışık kullanmamız gerekir. Ancak yüksek enerjili ışık, elektrona çarptığında onu iter ve hızını değiştirir. Böylece konumu ölçmeye çalışırken elektronun momentumunu bozmuş oluruz. Konumu daha az bozmak için daha düşük enerjili ışık kullanırsak, bu kez konumu hassas biçimde belirleyemeyiz.

Bu düşünce deneyi, belirsizlik ilkesinin ölçüm aletlerimizin yetersizliğinden kaynaklandığı izlenimini verebilir. Ancak sonraki yorumlar, ilkenin çok daha derin bir anlam taşıdığını ortaya koymuştur. Kuantum mekaniğine göre belirsizlik, ölçüm sürecinin bir kusuru değil, parçacıkların doğasının temel bir özelliğidir. Bir elektron, ölçülmediği sürece kesin bir konuma ve kesin bir hıza sahip değildir. Kuantum dünyasında parçacıklar, dalga özellikleri de taşıdıkları için uzayda belirli ölçüde yayılmış olarak tanımlanır.

Bu durumu dalgalar üzerinden anlamak mümkündür. Uzun ve düzenli bir dalga, belirli bir dalga boyuna sahiptir; ancak uzayda geniş bir alana yayıldığı için konumu belirsizdir. Konumu daha belirgin olan kısa bir dalga paketi oluşturmak için farklı dalga boylarındaki pek çok dalganın üst üste getirilmesi gerekir. Bu durumda ise dalga boyu, dolayısıyla momentum belirsizleşir. Kuantum mekaniğinde parçacıkların da dalga gibi davrandığı düşünüldüğünde, belirsizlik ilkesi bu dalga özelliğinin doğal bir sonucu olarak ortaya çıkar.

Belirsizlik ilkesinin etkileri, gündelik nesneler için fark edilemeyecek kadar küçüktür. Planck sabiti son derece küçük bir sayı olduğu için, bir futbol topunun ya da bir arabanın konumu ve hızı arasındaki belirsizlik hiçbir ölçümle saptanamaz. İlkenin etkileri, ancak elektronlar ve atomlar gibi son derece küçük parçacıklar söz konusu olduğunda belirgin hâle gelir. Bu nedenle gündelik deneyimlerimiz, bize bu ilkeyle ilgili hiçbir sezgi kazandırmaz.

Atomların dünyasında ise belirsizlik ilkesinin önemli sonuçları vardır. Atomların kararlı olmasının nedenlerinden biri bu ilkedir. Bir elektron çekirdeğe çok yaklaşsaydı, konumu son derece küçük bir bölgeye sıkışmış olurdu. Belirsizlik ilkesine göre bu durumda elektronun momentumu, dolayısıyla enerjisi çok büyük olmak zorundadır. Bu yüksek enerji, elektronun çekirdeğe düşmesini engeller. Böylece elektronlar, çekirdeğin çevresinde belirli bir mesafede kalır ve atomlar çökmez.

Belirsizlik ilkesi, enerji ile zaman arasında da benzer bir ilişki öngörür. Bu ilişkiye göre çok kısa zaman aralıklarında enerjinin değeri de belirsizdir. Bu durum, kuantum fiziğine göre boş uzayın bile tamamen boş olmadığı anlamına gelir. Çok kısa süreler boyunca parçacık çiftleri ortaya çıkıp yeniden kaybolabilir. Bu ilginç olgunun ölçülebilir etkileri, laboratuvar deneylerinde gözlemlenmiştir.

Belirsizlik ilkesi, bilim dünyasında yoğun felsefi tartışmalara da yol açtı. Klasik fizik, evrenin kesin yasalara göre işleyen bir makine gibi olduğunu ve yeterli bilgiye sahip olunduğunda geleceğin tam olarak öngörülebileceğini varsayıyordu. Belirsizlik ilkesi ise doğanın en temel düzeyinde bir belirsizlik bulunduğunu gösteriyordu. Einstein, bu düşünceyi kabul etmekte zorlandı ve kuantum mekaniğinin henüz keşfedilmemiş gizli değişkenler içeren daha derin bir kuramın eksik bir parçası olduğuna inandı. Ancak sonraki deneyler, Einstein'ın düşündüğü türden gizli değişkenlerin var olmadığını büyük ölçüde göstermiştir.

Belirsizlik ilkesinin günlük dilde sıklıkla yanlış anlaşıldığını da belirtmek gerekir. Bu ilke, her şeyin belirsiz olduğu ya da gözlemcinin gerçekliği istediği gibi değiştirebileceği anlamına gelmez. Belirsizlik ilkesi, son derece kesin matematiksel bir ilişkidir ve kuantum mekaniğinin öngörüleri, deneylerle olağanüstü bir hassasiyetle doğrulanmıştır.

Heisenberg'in ilkesi, insan bilgisinin doğanın kendisi tarafından belirlenen sınırları olduğunu gösterir. Bu sınırları anlamak, doğanın en derin düzeyde nasıl işlediğini kavramanın önemli bir parçasıdır.