Vielfältige fachdidaktische Forschungs- und Entwicklungsarbeiten der letzten Jahre zielen auf einen adäquaten, schülergerechten Zugang zur Quantenphysik. Beispielsweise fokussiert das in München entwickelte Konzept milq auf grundlegende Phänomene der Quantenphysik und damit verbundene Deutungsfragen, wobei für den Einstieg in die Quantenphysik hier vor allem Simulationen und Videos verwendet werden. In Ergänzung dieses Ansatzes haben wir einen Flächendetektor zum Nachweis geringer Lichtintensitäten entwickelt, um darauf aufbauend in schulpraxistauglichen Realexperimenten grundlegende Phänomene der Quantenphysik am Doppelspaltexperiment zu visualisieren. Unter Verwendung eines Lasers als Lichtquelle wird mit dem Detektor ein Demonstrationsexperiment aufgebaut, das auf jüngeren fachdidaktischen Entwicklungsarbeiten verschiedener Gruppen basiert und zielorientiert für einen praxistauglichen Schuleinsatz angepasst wurde.
Vielfältige fachdidaktische Forschungs- und Entwicklungsarbeiten der letzten Jahre zielen auf einen adäquaten, schülergerechten Zugang zur Quantenphysik. Beispielsweise fokussiert das in München entwickelte Konzept milq auf grundlegende Phänomene der Quantenphysik und damit verbundene Deutungsfragen, wobei für den Einstieg in die Quantenphysik hier vor allem Simulationen und Videos verwendet werden. In Ergänzung dieses Ansatzes haben wir einen Flächendetektor zum Nachweis geringer Lichtintensitäten entwickelt, um darauf aufbauend in schulpraxistauglichen Realexperimenten grundlegende Phänomene der Quantenphysik am Doppelspaltexperiment zu visualisieren. Unter Verwendung eines Lasers als Lichtquelle wird mit dem Detektor ein Demonstrationsexperiment aufgebaut, das auf jüngeren fachdidaktischen Entwicklungsarbeiten verschiedener Gruppen basiert und zielorientiert für einen praxistauglichen Schuleinsatz angepasst wurde.
Für eine geplante Lehrerfortbildung zur Quantenmechanik in der Schule wurde ein Mach – Zehnder – Interferometer aufgebaut, mit dem es möglich ist, Quanteneigenschaften von Photonen zu zeigen. Ziel war es, Unterschiede zwischen der klassischen Mechanik und der Quantenmechanik an Realexperimenten zu veranschaulichen. Die entwickelten Experimente mit dem Mach – Zehnder – Interferometer bilden einen Baustein einer umfangreichen Lehrerfortbildung in Quantenmechanik, die an der Leibniz Universität Hannover entwickelt wird.
Die Quantenrevolution 2.0 erfordert neben einem vertieften theoretischen Verständnis von Verschränkung, Wellenfunktionen und deren Eigenschaften vor allem praktische Fähigkeiten, um diese Technologien in der Praxis umsetzen zu können. Für die Arbeit an Quantentechnologien müssen Studierende daher ein breites Spektrum experimenteller Fertigkeiten erlernen. Damit dies einer breiten Gruppe an Studierenden zugänglich gemacht wird, bedarf es einem aktivierenden Einstieg. Erfahrungsgemäß haben Schüler*innen und Studierende ein hohes Interesse an der Astronomie, unabhängig ihrer schulischen Leistungen. Wir stellen daher einen Einstieg in die Quantenphysik über die Astronomie vor. Fertigkeiten aus den Bereichen Photonik, Messtechnik und Atomphysik werden anschließend für das Kennenlernen moderner Quantensensoren aus NV- Zentren in Diamanten angewendet. Des Weiteren verknüpfen wir auf klassischem Weg mehrere Bereiche der modernen Physik mit der Quantenphysik. Dieser Zugang eignet sich für Schüler*innen, Lehramtsstudierende sowie für Ingenieure, die bisher wenig Berührungspunkte mit der Quantenphysik hatten.
Die Quantenmechanik ist eine der wichtigsten Theorien der modernen Physik.Mit ihr lassen sich nicht nur grundlegende Phänomene wie z.B. das Emissionsspektrum von Atomen oder die Stabilität von Materie erklären, sondern sie steckt auch in vielen technischen Anwendungen vom MP3-Player bis zum Tunnelmikroskop, und in Zukunft werden wir vermutlich Technologien wie Quantenkryptographie oder Quantencomputer mit großer Selbstverständlichkeit einsetzen.Die Kenntnis der Quantenmechanik ist daher nicht nur ein Schlüssel für das Verständnis unserer Welt, sondern unabdingbar für die Entwicklung moderner Technologien.Folgerichtig wird die Quantenmechanik heute oft schon in der Schule gelehrt; in jedem Fall jedoch an Universitäten, wo sie in den meisten Naturwissenschaften und auch in vielen Ingenieurwissenschaften zum Curriculum gehört.Eine große Hürde bei der Vermittlung und damit auch auf dem Weg zum Verständnis der Quantenmechanik ist nun nicht, wie man etwa vermuten könnte, die Mathematik, auch wenn diese an der einen oder anderen Stelle sicherlich einige Herausforderungen beinhaltet, sondern die Sprache.Der Grund dafür liegt darin, dass Sprache kein gegebenes Konstrukt ist, welches unabhängig vom Menschen und dessen Wissen über die Welt existiert, sondern sich vielmehr im Laufe der Menschheitsgeschichte durch die Auseinandersetzung des Menschen mit seiner Umwelt entwickelt hat.Sprache ist damit auch immer ein Abbild der Welt, so wie sie der Mensch wahrnimmt.Und dass diese Wahrnehmung gelegentlich trügt, wissen wir spätestens seit Einstein, der uns gezeigt hat, dass unsere Vorstellung von Raum und Zeit nicht der physikalischen Wirklichkeit entspricht.Die Quantenmechanik führt uns nun, mehr noch als die Relativitätstheorie, weg von den uns vertrauten Vorstellungen von der physikalischen Wirklichkeit.Damit verliert aber auch die Sprache ihre Legitimation als ein Werkzeug zur Beschreibung der Quantenmechanik.Streng genommen verbleibt als einzig legitimer Zugang zur Quantenmechanik daher die Mathematik.Mit ihr lassen sich, aufbauend auf einer Handvoll Axiome, alle Gesetze der Quantenmechanik ableiten und damit alle physikalischen Beobachtungen korrekt und widerspruchsfrei beschreiben.Allerdings sind diese Axiome, im Gegensatz zu z.B. denen der Newton'schen Mechanik, alles andere als unmittelbar einsichtig.Um daher auch solchen Leserinnen und Lesern den Zugang zur Quantenmechanik zu ermöglichen, welche die Quantenmechanik nicht als Teildisziplin der Mathematik oder der theoretischen Physik betreiben wollen, werden wir in diesem Buch trotz aller Gefahren den Weg der Sprache und der Bilder beschreiten.Dabei gehen wir von wenigen einfachen Schlüsselexperimenten aus, mit denen sich die Grundgleichungen der Quantenmechanik anschaulich begründen lassen.Im Gegensatz zu vielen anderen Lehrbüchern greifen wir jedoch nicht auf das berühmte Doppelspaltexperiment mit Elektronen oder das Experiment von Stern-Gerlach zurück, sondern wir arbeiten in den ersten Kapiteln ausschließlich mit einem Interferometer und Polarisationsfiltern
Die Beschreibung der Natur in mikroskopischen Bereichen durch die Quantentheorie gehört zu den geistigen Errungenschaften unserer Zeit und hat unser Wissenschaftsverständnis grundlegend beeinflusst.So ist es nicht verwunderlich, dass die Quantenphysik ein verpflichtender und etablierter Unterrichtsinhalt der gymnasialen Oberstufe ist, durch den das Weltbild der Schülerinnen und Schüler 1 um den Aspekt der "modernen" Physik erweitert werden soll.Allerdings gilt die Quantenphysik im Gegensatz zu klassischen Themen als abstrakt und unanschaulich.Durch den mathematischen Formalismus und die Schwierigkeiten bei der Begriffsbildung gehört die Quantenphysik ohne Zweifel zu den anspruchvollsten Themen der Schulphysik.Im Hinblick auf die Entwicklung von Unterrichtskonzepten zur Einführung der Quantenphysik im Schulunterricht müssen im Wesentlichen zwei Perspektiven berücksichtigt werden.Dies ist zum einen die pädagogische Sicht, aus der es gilt eine Entscheidung zu treffen, auf welchem methodischen Weg die Inhalte unterrichtet werden sollen, zum anderen die fachliche Sicht, in der es um eine Klärung und Aufbereitung der fachlichen Inhalte für den Unterricht geht.Aus pädagogischer Sicht wird es für den Ablauf von Lernprozessen als günstig angesehen, wenn der Ausgangspunkt sinnlich wahrnehmbare Phänomene, konkrete Objekte, Ereignisse und Handlungen sind.Für den Physikunterricht heißt dies, dass er mit einem Studium der Phänomene beginnen sollte, die direkt beobachtet und erfahren werden können.Zudem wird es als sinnvoll angesehen, dass Inhalte aufeinander aufbauen, so dass die Schülerinnen und Schüler im Verlaufe ihres Unterrichts durch die Vernetzung von Inhalten einen Einblick in die Struktur der Physik bekommen können.Aus fachlicher Sicht müssen dagegen die wesentlichen Begriffe und Prinzipien herausgearbeitet werden, die das Grundlegende des physikalischen Sachverhaltes beschreiben.In einem weiteren Schritt müssen diese Begriffe und Prinzipien auf ein für den Schulunterricht angemessenes Niveau gebracht werden. 1 Aus sprachlichen Gründen werden in dieser Arbeit nicht in jedem Fall sowohl die männliche als auch die weibliche Form verwendet.
Mit dem Erlanger Unterrichtskonzept zur Quantenoptik wird das Ziel verfolgt, eine moderne Sichtweise auf die Quantenphysik zu vermitteln. Lernende sollen anschlussfähiges Wissen bis hin zu den Wesenszügen der Quantenphysik aufbauen. Im Rahmen einer summativen Evaluation mit Schülerinnen und Schülern der gymnasialen Oberstufe wird das Konzept evaluiert. Ein mixed-methods-Ansatz wurde gewählt, um verschiedene Perspektiven auf die Lernprozesse nachzeichnen zu können. Erste Ergebnisse aus einem Fragebogen zum deklarativen Wissen in Quantenoptik im Prä-Post-Follow-Up-Testdesign sowie einem Vorstellungsfragebogen zur Quantenphysik werden vorgestellt. Es zeigt sich: Lernende gelangen zu einem angemessenen Begriffsverständnis zur Quantenoptik und bauen ein überwiegend adäquates Verständnis der Wesenszüge auf, aber eine Teilchenvorstellung von Photonen scheint stabil zu sein.
Experimente mit einzelnen Photonen eignen sich, um faszinierende Eigenschaften der Quantenphysik zu demonstrieren. Die wohl interessanteste ist die Verschränkung. Bisher wurden Demonstrationsexperimentezu dieser Thematik mit polarisationsverschränkten Photonen erstellt. Nach einem Vorschlag von Franson haben wir einen Aufbau entwickelt, der es ermöglicht, die Verschränkung zweier Photonen hinsichtlichderen Frequenz darzustellen. Dabei werden Photonenpaare durch parametrische Fluoreszenz erzeugt und gelangen in räumlich getrennte Michelson-Interferometer. Innerhalb der Kohärenzlänge zeigt sich die klassisch erwartete Interferenz. Bei Armlängenunterschieden jenseits der Kohärenzlänge ist Zwei-Photonen-Interferenzmit einer Sichtbarkeit von 49% möglich, sofern die Armlängendifferenzen beider Interferometer identisch sind. Dieser nichtlokale Effekt kann im Demonstrationsexperiment vor Ort sowie online als interaktivesBildschirmexperiment nachvollzogen werden. Mit unserem Aufbau kann Zwei-Photonen-Interferenz und klassisch erwartete Interferenz ohne Umbauten gezeigt werden. Damit wird das Verschränkungsphänomen ohne den Wissensbereich Polarisation für die Schul- und Universitätsausbildung greifbar. Da zudem darauf geachtet wurde nur Standardmaterialien moderner Quantenoptiklabore zu verwenden, ist es vielerorts leicht möglich den Aufbau zu übernehmen. Das Experiment ist mit kurzer Erklärung auf http://www.QuantumLab.de verfügbar.