milq

Schülermaterial

Modul 3: Wegentscheidungsexperimente und Messprozess

Das merkwürdige Verhalten von einzelnen Quantenobjekten, die miteinander interferieren, obwohl augenscheinlich keine Wechselwirkung zwischen ihnen stattfindet, soll nun weiter untersucht werden.

3.1. Welcher-Weg-Experimente - 3.1.1. ... mit klassischen Wellen im Mach-Zehnder-Interferometer - 3.1.2.  ... mit Quantenobjekten im Mach-Zehnder-Interferometer - 3.2. Der Messprozess in der Quantenphysik - 3.3. Zusammenfassung
 3.4. Interpretationsprobleme der Quantenphysik - 3.5. Zusammenfassung - 3.6. Selbstkontrolle und Übungsaufgaben - 3.6. Bestätigung und weiterführende Themen

3.1. Welcher-Weg-Experimente

3.1.1. ... mit klassischen Wellen im Mach-Zehnder-Interferometer

Aufgabe 1 (fakultativ)

a) Machen Sie sich über geeignete Literatur mit der Wirkungsweise von Polarisationsfiltern vertraut. Dann laden Sie das Programm Polfilter.exe.

b) Beschreiben Sie jeweils gegliedert Ihre Beobachtungen bei folgenden Versuchsteilen:
1. Stellen Sie zunächst nur einen Filter in den Strahlengang. Diskutieren Sie Ihre Beobachtungen mit Ihrem Partner jeweils für Lampe und Einzelne Photonen bei Schirm und Detektor und für verschiedene Filterwinkel (ggf. nehmen Sie aus Vergleichsgründen den Filter aus der Anordnung auch mal heraus).
2. Aktivieren Sie zwei Polarisationsfilter und beschreiben Sie Ihre Beobachtungen gegliedert bei verschiedenen Stellungen der Filter zueinander. Sie können den Schirm oder den Detektor als Nachweis verwenden.
3. Zum Schluss diskutieren Sie Ihre Beobachtungen mit drei Filtern.

Merktext
Wenn Gebilde oder Phänomene bzw. Objekte in einen bestimmten Zustand (gleiche Anfangsbedingungen) gebracht werden, so dass ihnen eine dynamische Eigenschaft (wie in diesem Fall Lichtwellen bzw. Photonen mit der Eigenschaft ´polarisiert´) zugesprochen werden kann, spricht man von Präparation. Eine Gruppe von gleich präparierten Objekten nennt man Ensemble.
Vergleiche dazu Kapitel 2 (insbesondere 2.4) "Präparation" im milq-Lehrgang.

Aufgabe 2

a) Laden Sie das Programm Interferometer.exe und aktivieren Sie jeweils einen Polarisationsfilter in beiden Interferometerwegen. Suchen Sie sich verschiedene Stellungen der Filter zueinander und diskutieren Sie ihre jeweiligen Beobachtungen und Erklärungen. Stellen Sie dabei die Quelle auf Laser.

b) Stellen Sie nun das dritte Pol-Filter mit 45° zu den senkrecht zueinander stehenden ersten beiden in den Strahlengang und diskutieren Sie Ihre Beobachtung und deuten Sie sie klassisch mit dem Lichtwellenmodell!

Merktext
Klassisch wird dieser Versuch bekanntermaßen dadurch gedeutet, dass senkrecht zueinander polarisierte transversale elektromagnetische Wellen (Licht) aufgrund ihrer unterschiedlichen Schwingungsrichtungen nicht interferieren können.
Problematisch wird die Deutung dieses Versuchs jedoch, wenn man sich verdeutlicht, dass man sich Licht auch aus einzelne Photonen/Quantenobjekten bestehend denken kann (Kapitel 2).
In diesem Fall sind die Photonen aufgrund des Polfilters zwar auch durch die Eigenschaft ´polarisiert´ präpariert, erzeugen auf dem Schirm aber trotzdem jeweils eine Registrierung.

3.1.2.  ... mit Quantenobjekten im Mach-Zehnder-Interferometer

Aufgabe 1

Stellen Sie die Quelle im Programm Interferometer.exe auf Einzelne Photonen. Verwenden Sie jeweils erst nach einer gewissen Zeit den Button Tempo!

Diskutieren Sie Ihre Beobachtungen und Deutungen für

a) zunächst zwei parallel ausgerichtete Polfilter und des Weiteren dann

b) für gekreuzte Polfilter! Überlegen Sie sich:

- Kommen Photonen von beiden Polfiltern, also auf beiden Wegen auf dem Schirm an?
- Was könnte die Eigenschaft polarisiert für ein vermeintliches Teilchen (Quantenobjekt) bedeuten?
- Was wird auf dem Schirm registriert?
- Für welche Eigenschaft ist das ein Indiz?
- Ist das eine Messung?
- Welche Information erhalten wir durch die beiden Polarisationsfilter auch noch? Stellen Sie dazu den dritten Polfilter parallel zu einem der ersten in den Strahlengang. Denken Sie an die beiden Wege!

Aufgabe 2

Da man über die Natur eines Photons (Quantenobjekts) wenig aussagen kann, behilft man sich mit einer physikalischen Eigenschaft, die man dem Quantenobjekt zuschreiben kann: der Eigenschaft Weg.

Machen Sie sich mithilfe einer Diskussion mit Ihrem Partner klar, dass ein Interferenzbild bei gekreuzten Polfiltern nicht zustande kommt, obwohl doch auf beiden Wegen Photonen auf dem Schirm auftreffen und dort registriert werden (ggf. durch den Einsatz des Detektors, der Photonen "abfangen", kann).

Gehen Sie dabei folgende Überlegungen durch:

- Auch bei parallelen Polfiltern gelangen auf beiden Wegen Photonen auf den Schirm. Nennen Sie die Unterschiede der beiden Schirmbilder (Nicht-Interferenz vs. Interferenz)!

- Offenbar gibt es bei Interferenz - man kann auch sagen, wenn der Weg eines einzelnen Photons ununterscheidbar ist - Bereiche auf dem Schirm (hier: konzentrische Ringe), in denen kein Photon verzeichnet wird (Interferenzminima).

- Andererseits gibt es bei Nicht-Interferenz offenbar eine Weg-Information (Unterscheidung des Weges), die dazu führt, dass eine strukturlose Verteilung ohne photonenfreie Bereiche zu sehen ist.

Formulieren Sie schriftlich Fragen, die sich aus Ihren Überlegungen ergeben und diskutieren Sie sie mit Ihrem Partner und später im Plenum.

Merktext
Mithilfe zweier senkrecht zueinander stehender Polarisationsfilter kann man (muss man?!) einem Photon die Eigenschaft „Weg“ zuschreiben, da man genau nachweisen (messen) kann, welchen Weg im Interferometer ein auf eine bestimmte Art polarisiertes Photon genommen hat.

[Wird das Polarisationsfilter in Weg B (z. B. unten oder links) waagerecht und das Polarisationsfilter in Weg A (z. B. oben oder rechts) senkrecht eingestellt, markiert man mit den Polarisationsfiltern die beiden Wege A und B. Durch Messung der Polarisationsrichtung können wir nun für jedes einzelne Photon entscheiden, ob es Weg A (Polarisationsfilter A) oder Weg B (Polarisationsfilter B) passiert hat. Somit wird hier die Eigenschaft "Weg" durch die Polarisation markiert.] 

Allgemein gilt: Kann man einem Quant mithilfe einer geeigneten Messvorrichtung innerhalb eines (Zwei-Wege-) Interferometers einen Weg zuschreiben, wird in diesem Fall kein Interferenzmuster mehr registriert.

Aufgabe 3

a) Zuletzt stellen Sie im Programm Interferometer.exe den 3.Filter in den Strahlengang bei 0°, 90° und 45°. Beschreiben Sie Ihre Beobachtungen!

b) Diskutieren Sie mit Ihrem Partner, was die Polarisationsfilter (insbesondere der 3.) für den Nachweis von Weginformationen der Photonen bedeuten (Tipp: Denken Sie an die Präparation/Markierung von Objekten!)

Merktext
Wird die Weginformation (Weg A oder B mittels gekreuzter Polarisatoren), die in den vorherigen Versuchen das Interferenzmuster verhindert hat, ausgelöscht oder rückgängig gemacht, man sagt auch ausradiert (Quantum-Eraser-Versuch), ist das Muster wieder zu sehen.
Oder anders ausgedrückt:
Kann man einem Quantenobjekt durch eine Messung eine bestimmte Wegeigenschaft zuschreiben, kommt es nicht mehr zur Interferenz.
An dieser Stelle ist es (wieder (vgl. Mod. 2)) nötig, von bislang festen klassischen Vorstellungen abzurücken: Offenbar ist es nämlich nicht mehr möglich, dass einem Quantenobjekt eine bestimmte, klassisch wohldefinierte Eigenschaft (z. B. Weg A oder Weg B) zugeschrieben werden kann. Man darf sich also Photonen nicht als lokalisiertes Gebilde vorstellen, dem man einen festen Ort oder Weg zuschreiben kann. Andernfalls müsste man doch annehmen, dass Quanten über ein wie auch immer geartetes "Bewusstsein" oder "Wissen" verfügen, etwas über das andere Quant im Interferometer zu "wissen" (Fernwirkung).
 

Aufgabe 4 Sind Quanten teilbar?
(fakultativ)

Stellen Sie in die beiden Strahlengänge des Mach-Zehnder-Interferometers jeweils einen Detektor, starten Sie die Quelle mit Einzelne Photonen, stoppen Sie nach einer gewissen Zeit und vergleichen Sie die Anzahl der Photonen.

Formulieren und diskutieren Sie die Folgerung, die sich aus Ihrer Beobachtung ergibt, wenn Sie auch bedenken, dass ein Detektor stets auf ein Energiequant E = h·f anspricht.

Merktext
Zwei Teile eines Photons können nicht nachgewiesen werden, da immer nur einer der Detektoren anspricht und niemals beide gleichzeitig.
Tatsächlich ist die Anzahl der Summe der registrierten Photonen in den beiden Detektoren gleich der insgesamt ausgesendeten Photonen, das heißt, dass sowohl eine Teilung von Photonen ausgeschlossen ist noch ein wie auch immer geartetes Verschwinden.

3.2. Der Messprozess in der Quantenphysik

 

Wir wollen nun das in 3.1. am Interferometer erarbeitete Problem der Wegzuweisung am Doppelspalt näher untersuchen.

Aufgabe 1

Laden Sie das Programm Doppelspalt.exe, stellen Sie die Quelle (z. B.) auf Elektronen, 50 keV und folgenden weiteren Spezifikationen: Blende: b = 200 nm, a = 400 nm, klicken Sie in Schirm Zoomfaktor 10.000 an und führen Sie folgende vier Versuchsteile jeweils bis zu einer Trefferquote von ca. 12.000 durch (Quelle ein bzw. aus), indem Sie nach jedem Versuchsteil in Schirm einen Fotostreifen anklicken (bis auf d):

a) ohne Lampe

b) mit eingeschalteter Lampe bei 780 nm und 60 % Intensität

c) mit Lampe bei 580 nm und 60 % Intensität und

d) mit Lampe bei 380 nm und 60 % Intensität!

Beschreiben Sie die Aufgabe der Lampe, beachten Sie dabei während des laufenden Versuchs die Innenseite der Spalte.
[Sie können auch die Fotostreifen in Schirm verwenden.]

Fassen Sie Ihre Beobachtungen der Versuchsteile a) bis d) möglichst in einem oder zwei Sätzen zusammen!

Alternativ siehe auch: leifiphysik.de/Simulationen:Interferenz

Merktext
Mit dieser Vorrichtung kann man den Durchgang der Elektronen durch einen Spalt messen, sie also lokalisieren (Ortsmessung), indem durch die Streuung des Lampenlichts an den Elektronen ein Lichtblitz entsteht, der registriert (gesehen) werden kann.

Aufgabe 2

Stellen Sie nun folgende Spezifikationen des Programms Doppelspaltversuch.exe ein: Elektronen, 20 keV; b = 300 nm; a = 1000 nm; Zoomfaktor: 10.000.

Verwenden Sie wieder die Fotostreifen für folgende Versuchsteile:

a) ohne Lampe

b) mit Lampe bei 580 nm und 1 % Intensität

c) mit Lampe bei 580 nm und 50 % Intensität und

d) mit Lampe bei 580 nm und 100 % Intensität.

Merktext
In dem Moment, in dem man einem Quantenobjekt durch eine geeignete Messung genau einen Ort zuschreiben kann (z. B. durch welchen Spalt es geflogen ist oder welchen Interferometerweg es genommen hat), findet man kein Interferenzbild mehr. Ein Interferenzbild entsteht, solange man keine Aussage z. B. über den genauen Ort eines Quantenobjekts machen kann.

Wohlgemerkt, klassisch lässt sich dieses Problem dadurch umgehen, dass sich eben nur bei Wellen Interferenzen ergeben. Man bekommt erst mit der Teilchenvorstellung Schwierigkeiten. Das ist auch der Grund, weshalb man lange von einem Welle-Teilchen-Dualismus sprach und je nach Erklärungsmöglichkeit Quantenobjekten mal die eine und mal die andere Eigenschaft zuschrieb. Jedoch weicht man mit dieser Beschreibung der Kernfrage aus, was Quanten nämlich sind.

3.3. Zusammenfassung

Man kann Folgendes festhalten und erweitern:

  • Ortseigenschaft (eine Teilcheneigenschaft) und Interferenz (eine Welleneigenschaft) sind nicht gleichzeitig realisierbar, sondern schließen sich gegenseitig aus: Es gilt das Prinzip der Komplementarität. (= 3. Wesenszug der Quantenphysik)

  • Die Versuchs- bzw. Messanordnung bestimmt maßgeblich das Ergebnis von Experimenten mit Quantenobjekten; auch das ist eine für die klassische Physik völlig neue Erkenntnis, legte man doch bisher immer sehr viel Wert auf den unabhängigen, sog. objektiven Beobachter, dessen Messungen immer die Grundlage für physikalische Erkenntnisse bildet(e).
    Obwohl man einem Quantenobjekt also keine feste Ortseigenschaft zuschreiben kann, ist es nicht so, dass eine solche nicht gemessen werden könnte – diese Messung verändert jedoch das Versuchsergebnis und ist damit für dessen Analyse wenig geeignet. Anders als in der klassischen Physik wird die Messung eines angeblich unabhängigen Beobachters selbst zum beeinflussenden Bestandteil des Versuches.

  • Aus der Tatsache, dass sich bei der Messung eines Ortes ein bestimmter Wert ergeben hat, darf man nicht schließen, dass das Quantenobjekt diese Eigenschaft vorher aufgewiesen hat. Erst im Messprozess wird eine der Möglichkeiten (z. B. Durchgang durch Spalt 1 oder Spalt 2) realisiert (Messpostulat).

  • In der Quantenmechanik besteht ein Unterschied zwischen "eine Eigenschaft haben" und "eine Eigenschaft messen".
    Zum Beispiel sind die beiden folgenden Aussagen nicht gleichbedeutend:
    a) Bei einer Messung findet man das Elektron am Ort x.
    b) Ein Elektron besitzt die Eigenschaft "Ort x".

  • Dieses Problem des Messprozesses, der den Zustand des Systems, in dem die Messung vorgenommen wird, verändert, ist auch ein Wesenszug der Quantenphysik (4. Wesenszug: Messung und Einfluss) Quantenobjekt und Messapparat sind untrennbar miteinander verbunden. Ein für das Quantenobjekt in Bezug auf eine bestimmte Eigenschaft unbestimmter Zustand wird durch eine Messung auf diese Eigenschaft umpräpariert.

  • Dem statistischen Verhalten von Quantenobjekten entsprechend kann man einem Quantenobjekt nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit eine Messung zuschreiben.
    Die Wahrscheinlichkeit, mit der ein Messwert gefunden wird, lässt sich aus der Wellenfunktion mit der Born´schen Wahrscheinlichkeitsformel ermitteln:

 P (x) · Δx = |Ψ(x)|² · Δx
Dabei bedeutet P(x) die Wahrscheinlichkeitsdichte!
P(x) bestimmt die Wahrscheinlichkeit, mit der bei einer Messung ein Quantenobjekt im Intervall Δx um den Ort x gefunden wird. Man kann also z. B. die Verteilung eines Ensembles von Elektronen auf dem Schirm beim Doppelspaltexperiment vorhersagen, wenn die Wahrscheinlichkeitsdichte P(x) bekannt ist.
Der Zusammenhang zwischen P(x) und der Wellenfunktion Ψ(x) lautet: P(x) = |Ψ(x)|².
 
Es ist vorteilhaft mit der Wellenfunktion Ψ(x), statt mit P(x) zu arbeiten, da:
 
  • die Interferenzerscheinung durch Ψ(x) erklärt werden kann.
  • der Teilchencharakter durch die Wahrscheinlichkeitsinterpretation von
    P(x) = |Ψ(x)|2 erfasst wird.
  • die Wellenfunktion einem Ensemble von identisch präparierten Quantenobjekten zugeordnet ist.
  • Ψ(x) durch die Schrödingergleichung bestimmt werden kann.
  • sich die zeitliche Entwicklung von Ψ(x) leichter berechnen lässt.
  • Ψ(x) dem Superpositionsprinzip gehorcht.

Mathematisch beschreibt man die Situation mit Elektronen beim Durchgang durch den Doppelspalt wie folgt:

 

vor der Messung
ohne Mess-Lampe

nach der Messung
mit Mess-Lampe

Wellenfunktion

Ψ(x) = Ψ1(x) + Ψ2(x)

Ψ(x) = Ψ1(x) oder

Ψ(x) = Ψ2(x)

Wahrscheinlichkeit

P(x) = |Ψ1(x) + Ψ2(x)|2

P1(x) = |Ψ1(x)|2 oder

P2(x) = |Ψ2(x)|2

  • Den Übergang von Ψ(x) = Ψ1(x) + Ψ2(x) zu einer der beiden Möglichkeiten Ψ1(x) oder Ψ2(x) nennt man Zustandsreduktion oder "Kollaps" der Wellenfunktion. Die Zustandsreduktion stellt eine abrupte Änderung der Wellenfunktion dar, die charakteristisch für eine Messung ist. Die Diskussion über die Interpretation der Zustandsreduktion erstreckt sich von den Anfangstagen der Quantenmechanik bis in die Gegenwart. Sie ist eines der am kontroversesten diskutierten Themen in der Quantenmechanik.

3.4. Interpretationsprobleme der Quantenphysik

Denkt man die bisherigen Ergebnisse auf einer theoretischen Ebene weiter, so ergeben sich scheinbar die größten Paradoxien vor allem in der makroskopischen Physik.

Das bekannteste Paradoxon der Quantenphysik ist vermutlich Schrödingers Katze. Es behandelt die Frage, ob die Quantenmechanik einen klassischen Grenzfall besitzt, in dem sie die Aussagen der klassischen Physik reproduziert.
Überlagerungszustände, wie sie beim Doppelspaltexperiment auftauchen, treten in der makroskopischen Physik nicht auf. Um dies zu illustrieren, konstruierte Schrödinger sein Katzenparadoxon.

Aufgabe 1

Lesen Sie den kurzen Originalabschnitt von Erwin Schrödinger, stellen Sie Verbindungen zu Ihrer bisherigen Erkenntnissen her und diskutieren Sie mit Ihrem Partner die Bedeutung des quantenmechanischen Messprozesses für die Realität.

Schrödinger schreibt:

Man kann auch ganz burleske Fälle konstruieren. Eine Katze wird in eine Stahlkammer gesperrt, zusammen mit folgender Höllenmaschine (die man gegen den direkten Zugriff der Katze sichern muss): in einem Geiger´schen Zählrohr befindet sich eine winzige Menge radioaktiver Substanz, so wenig, dass im Lauf einer Stunde vielleicht eines von den Atomen zerfällt, ebenso wahrscheinlich aber auch keines; geschieht es, so spricht das Zählrohr an und betätigt über ein Relais ein Hämmerchen, das ein Kölbchen mit Blausäure zertrümmert.

Hat man dieses ganze System eine Stunde lang sich selbst überlassen, so wird man sich sagen, dass die Katze noch lebt, wenn inzwischen kein Atom zerfallen ist. Der erste Atomzerfall würde sie vergiftet haben.

Die ψ-Funktion des ganzen Systems würde das so zum Ausdruck bringen, dass in ihr die lebende und die tote Katze zu gleichen Teilen gemischt oder verschmiert sind.

Das Typische an diesen Fällen ist, dass eine ursprünglich auf den Atombereich beschränkte Unbestimmtheit sich in grobsinnliche Unbestimmtheit umsetzt, die sich dann durch direkte Beobachtung entscheiden lässt. Das hindert uns, in so naiver Weise "verwaschenes Modell" als Abbild der Wirklichkeit gelten lassen.

[Vgl. auch Kapitel 6.5 im MILQ-Lehrgang]

tot oder lebendig?

Merktext
Nach Schrödinger hat die Wellenfunktion des Gesamtsystems (Kasten + Katze) nach Ablauf einer Stunde die Form eines Überlagerungszustandes zweier makroskopisch verschiedener Zustände

ψ(x) = ψ1(x) + ψ2(x),

wobei ψ1(x) den Zustand "Atom zerfallen und Katze tot" und ψ2(x) den Zustand "Atom nicht zerfallen und Katze lebt" beschreibt.
Wie beim Doppelspaltversuch hat die Wellenfunktion ψ die Gestalt eines Überlagerungszustandes. In Analogie zu den Betrachtungen der Ortseigenschaft, besitzt die Katze die Eigenschaften "tot" oder "lebendig" demnach nicht.
Es ist Schrödinger an diesem Beispiel gelungen, zu zeigen, dass der Übergang von der Quantenmechanik zur klassischen Physik nicht ohne Probleme zu bewältigen ist.
In den letzten Jahren ist man der Auflösung des Katzenparadoxons näher gekommen. Die Theorie der Dekohärenz erklärt, warum in der makroskopischen Welt keine Überlagerungszustände registriert werden. Durch die Wechselwirkung mit ihrer natürlichen Umgebung wird die Katze "effektiv klassisch". Sie ist tot oder lebendig; Überlagerungen oder Interferenzerscheinung können nicht nachgewiesen werden.

Aufgabe 2

Versuchen Sie sich und ihrem Partner klar zu machen, warum man quantenphysikalische Eigenschaften nicht in der realen Welt bemerkt. Nehmen Sie als Beispiel die Überlegung, dass zwei Pistolenkugeln, die man durch einen genügend großen Doppelspalt schießen würde, sicherlich auf einem Schirm kein Interferenzbild ergäben.

Bedenken Sie bei Ihrer Begründung, den Messprozess bzw. den Einfluss einer Beobachtung. Was kann überhaupt als Beobachtung gelten?

Merktext

Der Ausgangspunkt für eine mögliche Lösung des Problems ist die Theorie der Dekohärenz. „Ihr Ausgangspunkt ist die Feststellung, dass in Wirklichkeit ein makroskopisches Objekt nie ganz isoliert ist, sondern immer mit seiner natürlichen Umgebung wechselwirkt, […]
Diese Umgebung kann zum Beispiel die allgegenwärtige Wärmestrahlung sein, deren Photonenverteilung durch die plancksche Formel bestimmt ist. Andere Beispiele sind die Wechselwirkung mit den umgebenden Gasmolekülen oder das gewöhnliche Licht, mit dem makroskopische Körper üblicherweise stark wechselwirken […]

Aus: Rainer Müller: "Dekohärenz - vom Erscheinen der klassischen Welt", S. 4.

3.5. Zusammenfassung

Ortseigenschaft (Wegzuweisung) und Interferenzmuster sind nicht gleichzeitig realisierbar, diese Eigenschaften schließen einander aus. Diesen Wesenszug der Quantenphysik nennt man Komplementarität.

Quantenobjekte darf man sich nicht als lokalisierbare Gebilde vorstellen.

Ein weiterer Wesenszug der Quantenphysik besteht darin, dass die Messung einer Eigenschaft das Messergebnis beeinflusst (Messung und Einfluss).

Bei jeder Messung einer physikalischen Observablen wird ein bestimmter Wert gefunden (Messpostulat). Damit besteht ein Unterschied zwischen „eine Eigenschaft haben“ und „eine Eigenschaft messen“.

Als Zustandsreduktion wird der Übergang von der Wellenfunktion Ψ(x) zu einer der beiden (dem gemessenen Wert entsprechenden) Wellenfunktionen Ψ1(x) oder Ψ2(x) bezeichnet. Die Zustandsreduktion ist eine abrupte Änderung der Wellenfunktion.

Das Paradoxon von Schrödingers Katze betrifft den Übergang von der Quantenphysik zur makroskopischen Physik. Das Problem liegt in der Existenz von Überlagerungszuständen, die der klassischen Mechanik fremd sind. Die Theorie der Dekohärenz erklärt, warum in der makroskopischen Welt keine Überlagerungen von toten und lebendigen Katzen beobachtet werden.

3.6. Selbstkontrolle und Übungsaufgaben

Grundsätzliche Aufgabe:

Schreiben Sie sich jeder mindestens zwei Fragen oder Aufgaben zu diesem Kapitel auf, die im Plenum besprochen werden sollen. Davon sollte eine Frage/Aufgabe von Ihnen erläutert/gelöst werden können (Kombination möglich). Diese Aufgaben/Fragen können sowohl einfacher, wiederholender Natur sein als auch Verständnisprobleme umfassen.

Die einzelnen Fragen könnten z. B. auf Karteikarten geschrieben, gemischt, ausgeteilt und bearbeitet werden.

Lösungsvorschläge erhalten Sie von Ihrer Lehrkraft oder Sie finden sie zur selbständigen Kontrolle hier:

Lösungsvorschläge-Kap3

Diskussionen sind grundsätzlich erwünscht!

Im Folgenden findet sich eine Auswahl auch zur Selbstkontrolle geeigneter Arbeitsblätter von Josef Küblbeck.

1.      Zwei Arbeitsblätter zum Interferometer

2.      Ein Arbeitsblatt zum Messprinzip in der Quantentheorie

Eine weitere Übung ergibt sich z. B. aus dem Lesen des folgenden Textes:

3.      Atomphysik und Philosophie – Niels Bohrs Interpretation der Quantenmechanik; (Müller, Schmincke, Wiesner) = Kopenhagener Interpretation

4.      Erstellen Sie eine Mind- bzw. Concept-Map zur Wiederholung und Festigung.

5.      …

Weitere Aufgaben z. B. nach dem eingeführten Lehrbuch.

3.7. Bestätigung und weiterführende Themen

Bestätigung finden die Wesenszüge Komplementarität und Messung vor allem auch durch jene besondere Fälle, in denen eine Isolierung der Objekte von der Umgebung möglich ist. Dann findet keine Dekohärenz statt und es kommt zu makroskopischen Quantenphänomenen wie Supraleitung, Suprafluidität und Bose-Einstein-Kondensation, Paul-Falle.

 

Es sei an dieser Stelle auch noch mal an die FWU-DVD Quantenphysik erinnert, die in städtischen Medienzentren oder Filmbildstellen (Braunschweig: Nummer 46 02375) ausgeliehen werden kann und die viel Material enthält.

Weitere Themen sind im Bereich der Philosophie, genauer Erkenntnistheorie zu finden oder auch in der Wissenschaftsgeschichte. Einige Schlagworte seien z. B.:

*        Realismusdebatte; Bewusstseinseinfluss auf die Realität, Viele-Welten-Interpretation, Kopenhagener Deutung, … vgl. dazu entsprechende Kapitel in der einschlägigen Schulbuchliteratur (z. B. Kuhn Physik 2, S. 344 u.a.).
Auch das Alle-Wege-Modell eignet sich zur Diskussion.

*        Determinismus und Zufall

*        „Der Alte würfelt nicht!“ Einstein und die Quantentheorie.

*        EPR-Paradoxon; Nichtseparabilität; Verborgene Parameter, nichtlokale Fernwirkung (vgl. hierzu auch Schulbuchliteratur, z. B. Kuhn 2, S. 342f).

*         

Insgesamt sind diese Themen durchaus für Referate mit anschließenden Diskussionen geeignet.

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