KURZFASSUNGEN / PdN PHYSIK in der Schule

HEFT 4 / 65. JAHRGANG / 2016
KURZFASSUNGEN / PdN PHYSIK in der Schule
Faszination Quantentheorie – Die paradoxen Vorhersagen der Theorie
und ihre experimentelle Bestätigung
P. Schmüser
Über das Ziel hinausgeschossen?
Bemerkungen zu Einsteins Beiträgen zur Quantentheorien
T. Jung
Die Quantentheorie ist schon 90 Jahre alt, sie bereitet aber immer wieder
große Verständnisschwierigkeiten, weil viele ihrer Aussagen unserer Erfahrung und Intuition widersprechen. Die paradoxen Vorhersagen der Theorie
und ihre experimentelle Bestätigung werden diskutiert: Teilchen-Welle-Komplementarität, das seltsame und konträre Verhalten von Bosonen und Fermionen, die Existenz der Antiteilchen, Vakuumfluktuationen als Ursache
spontaner Quantenübergänge, Higgs-Mechanismus und die Massen der Feldquanten und Elementarteilchen, die Schrödinger-Katze, Dekohärenz und der
Quanten-Klassik-Übergang. Auf einen besonders unanschaulichen Aspekt,
die nichtlokale Natur der Quantenmechanik, kann aus Platzgründen nicht
eingegangen werden.
Im Rahmen der Auseinandersetzung mit der Quantentheorie im gymnasialen Physikunterricht wird man an mehreren Stellen Beiträge berühren, die
Albert Einstein zu diesem Themenkomplex geleistet hat. Hierzu zählen die
Deutung des Photoeffekts auf Grundlage der Lichtquantenhypothese, eine
Version des Welle-Teilchen-Dualismus, Betrachtungen zu Übergängen zwischen den diskreten Energieniveaus der Elektronen in der Atomhülle sowie
der Wahrscheinlichkeitscharakter der neuen Theorie und Einsteins diesbezügliche Kritik. Diese Beiträge Einsteins werden in ihrem inneren Zusammenhang beleuchtet, wobei eine Unterscheidung von zwei Phasen vorausgesetzt wird: bis etwa 1924 steuerte Einstein selbst Anregungen zur sich
abzeichnenden Quantentheorie bei, nachdem eine mathematische Formulierung dieser Theorie vorlag, stellte er ab 1926 wesentliche Grundzüge in
Frage. Als Leitlinie insbesondere für die erste Phase erweist sich dabei Einsteins Streben nach der „Einheitlichkeit von Erscheinungen“, also die „Einheit der Natur“. Das Ausgangsproblem, das für ihn einen ständigen Bezugspunkt darstellte, ist die spektrale Energiedichte der Strahlung eines Schwarzen Körpers, für die Max Planck eine Formel „erraten“ hatte. Planck konnte
allerdings die physikalische Interpretation der dabei als Rechentrick angenommenen Beziehung E = h f durch Einstein genauso wenig akzeptieren, wie
später Einstein die Sichtweisen von Niels Bohr und Werner Heisenberg. Daran zeigt
sich: „Die Revolution frisst ihre Väter …“ .
PdN-PhiS 4/65, S. 5
Die verschwundenen Rätsel der Quantenphysik
R. Müller
Der Artikel verteidigt die These, dass die Quantenmechanik trotz der anderslautenden öffentlichen Wahrnehmung im Grunde wissenschaftlich verstanden ist. Dies ist das Ergebnis eines Prozesses, der seit etwa 1990 andauert und
der sowohl auf experimentelle als auf theoretische Fortschritte zurückgeht.
Dabei hat sich nicht die Quantenmechanik verändert, sondern nur unsere
Sicht darauf. Einige traditionelle „Rätsel“ (Welle-Teilchen-Dualismus, Zufall,
Messprozess), die auch im Unterricht immer wieder als Themen angesprochen
werden, werden im Artikel aus der heutigen Perspektive dargestellt.
PdN-PhiS 4/65, S. 17
Das Würzburger Quantenphysik-Konzept
H. Hübel
Häufig steht im Mittelpunkt des schulischen Interesses an der Quantenphysik immer noch die Frage, ob Elektronen bzw. Photonen Wellen oder Teilchen
sind. Demgegenüber wird hier ein andersartiges didaktisches Konzept vorgeschlagen, das mithilfe von wenigen Grundfakten sehr viele Beobachtungen zumindest qualitativ deuten kann ohne die traditionelle Frage anzusprechen.
PdN-PhiS 4/65, S. 21
Die Quantenphysik – Unterrichtsthema in der Begabtenförderung
A. Kellerer
Mit den „Begabungsstützpunkten“ in Schwaben soll ein seit Jahren erfolgreiches Konzept der Begabtenförderung in Schwaben vorgestellt werden. Besonders interessierte und motivierte Schülerinnen und Schüler werden in
speziellen Kursen über den Regelunterricht hinaus gefördert. Meine Aufgaben sind die Koordination des Begabungsstützpunkts Memmingen und die
Leitung von Begabtenkursen. Aus meinen Erfahrungen heraus möchte ich
insbesondere einen Einblick geben in den Physikunterricht am Begabungsstützpunkt.
PdN-PhiS 4/65, S. 24
PdN-PhiS 4/65, S. 27
Zur Interpretation der Quantentheorie:
EPR, Schrödingers Katze, Bell’sche Ungleichung
M. Stöckler
Im Mittelpunkt dieses Beitrags steht das Problem der Nicht-Lokalität der
Quantentheorie. Sie spielt im sogenannten EPR-Paradoxon eine zentrale
Rolle, wobei Einstein, Podolsky und Rosen in ihrem Gedankenexperiment aus
dem Jahre 1935 eigentlich die Unvollständigkeit der Quantentheorie zeigen
wollten. Im EPR-Paradoxon wird ein Zustandstyp verwendet, den wir heute
verschränkt nennen. Er wurde dann von Schrödinger analysiert und zur Formulierung seines Gedankenexperiments mit Schrödingers Katze benutzt. Ich
stelle die Argumente von Einstein und Schrödinger vor und kläre einige häufig
damit verbundene Missverständnisse. Seit den sechziger Jahren konzentriert
sich die Diskussion um die Nicht-Lokalität im Anschluss an einen Beweis von
J. S. Bell auf die Besonderheiten der Korrelationen von Messungen an weit voneinander entfernten Messgeräten. Diese belegen, dass die Quantentheorie
nicht lokal ist. Die genaue Bedeutung der Nicht-Lokalität, insbesondere die
Frage, ob sich daraus ein Konflikt mit der Relativitätstheorie ergibt, haben
eine bis heute offene Kontroverse ausgelöst. An den damit verbundenen anschaulichen Gedankenexperimenten kann man auch im Schulunterricht
einen Eindruck davon vermitteln, wie sich die Physik im Wechselspiel von Anschauung, mathematischer Theoriebildung und Experiment entwickelt.
PdN-PhiS 4/65, S. 32
HEFT 4 / 65. JAHRGANG / 2016
Jenseits von Teilchen und Feldern – Das Mobiliar der Quantenwelt
M. Kuhlmann
Die heutige Physik beschreibt die grundlegenden Bestandteile unserer materiellen Welt im Rahmen der Quantenphysik. Aber welches Bild entwirft sie von
den fundamentalen „Bausteinen“? In den traditionellen Antworten sind Teilchen und Felder die Hauptkandidaten, oder eine Kombination dieser beiden
Konzeptionen. Ich werde zeigen, warum keine dieser Antworten haltbar ist,
da wesentliche Charakteristika von Teilchen wie von Feldern in der Quantenwelt verloren gehen. Um einer Lösung näher zu kommen, werde ich zunächst
der Frage nachgehen, wie sich physikalische Theorien auf die Wirklichkeit beziehen. Auf dieser Grundlage werde ich schließlich die aktuell vieldiskutierte
Position des „ontischen Strukturenrealismus“ untersuchen, wonach Strukturen die fundamentalen Gegenstände sind. Schließlich stelle ich eine alternative Interpretation vor, nach der die fundamentalen Bestandteile realisierte Eigenschaften, sogenannte „Tropen“ sind und Dinge als Bündel von Tropen
analysiert werden.
PdN-PhiS 4/65, S. 38
Altersgerechtes Protokollieren – am Beispiel der „Vasenphysik“
S. Thies
Der Einsatz altersangemessener Strukturen im Protokollieren von Experimenten wird am Beispiel der Brechung an Blumenvasen vorgestellt. Die Schülerinnen und Schüler entdecken dabei in Experimenten mit Alltagsgegenständen wichtige Eigenschaften optischer Instrumente und Phänomene.
PdN-PhiS 4/65, S. 44
Moment mal … (26): Sind Schülerexperimente erfolgreicher als
Demonstrationsexperimente?
S. Thaller
Die häufig geäußerte Hoffnung, das Schülerexperiment sei für die Vermittlung von Fachwissen geeigneter als experimentelle Demonstrationen lässt
sich nicht halten. Die Forschungsliteratur der vergangenen zwanzig Jahre wie
auch die Ergebnisse einer aktuellen Studie stehen Überzeugungen von Schülerinnen und Schülern, aber auch Überzeugungen von Lehrkräften naturwissenschaftlicher Fächer entgegen. Entscheidender für den Lernerfolg sind die
Lehrkraft und die jeweils passende Experimentiersituation.?
PdN-PhiS 4/65, S. 48
KURZFASSUNGEN / PdN PHYSIK in der Schule