Gemeinsames Physikdidaktisches Kolloquium der PH Freiburg 20 11

Gemeinsames Physik-didaktisches Kolloquium der PH Freiburg, 20. 11. 2003 Wesenszüge der Quantenphysik anhand moderner Experimente Josef Küblbeck Mörike-Gymnasium Ludwigsburg Staatliches Seminar Stuttgart j. kueblbeck@gmx. de

Inhalt 1. Ein Ausflug in die Quantenwelt Was „leben“ dort für „Wesen“? Was weiß man über diese „Wesen“? Moderne Experimente zur Interferenz Ein „Wesen“szug und seine Konsequenzen 2. Der Gipfel der Merkwürdigkeit Moderne Experimente zur Komplementarität Eine merkwürdige Gesetzmäßigkeit Ein Vergleich aus der Botanik Ein klassisches Real-Experiment 3. Ausblick Das Ergebnis der Quantenrechnungen in Bildern Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik

Was ist wesentlich an der QP? Schrödingergleichung? Hilbertraum? Was unterscheidet die Quantenphysik von der klassischen Physik? Gibt es Überraschendes, Ungewohntes, Merkwürdiges?

Das Wesentliche an der QP? Man kann die „Aliens“ nicht sehen. Wir bekommen nur indirekt Informationen über sie. Und zwar über Messungen, z. B. des Orts Klick! Detektor

Das Wesentliche an der QP? Wir nennen die Aliens „Quantenobjekte“. Dazu gehören • • Elektronen, Photonen, Atome, Moleküle, magnetische Kristalle, supergekühlte Ringe, wir?

Das Wesentliche an der QP? Wir wissen nicht, was Elektronen wirklich sind: Teilchen? Wolken? Wellen? Wir wissen nicht, was Aliens „wirklich“ sind: Fische? Löwen? Tintenfische?

Die Aufgabe der Physik Es ist aber auch nicht die Aufgabe der Physik, zu klären, was etwas „wirklich“ ist. Was ist Licht wirklich? Es bewährt sich, Licht so zu behandeln, als bestünde es aus • Lichtstrahlen (Reflexion, Brechung) • Wellen (Interferenz) • Teilchen (Fotoeffekt)

Die physikalische Erkenntnisweise Vorstellungen, Gesetzmäßigkeiten Erklären Systeund matisch Vorher untersagen suchen Beobachtungen und Messergebnisse

Die physikalische Erkenntnisweise Vorstellungen, Gesetzmäßigkeiten Erklären Systeund matisch Vorher untersagen suchen Messergebnisse

Versuche mit Aliens Wir lassen sie durch mehrere Spalte gehen.

Ein Beispiel: Das Fulleren-Experiment von Zeilinger et al. [1999] C 60 -Molekül

Das Fulleren-Experiment C 60 Mole kül

Das Fulleren-Experiment

Statt vielen Spalten nur zwei Spalte:

Jeweils ein Spalt geschlossen:

Ist das Überraschend? Ungewohnt? Merkwürdig? Wenn man sich die Quantenobjekte als Teilchen (Fußbälle) vorstellt: Ja!

Von Wasserwellen ist der Effekt bekannt: Berg und Berg verstärken sich. Berg und Tal löschen sich aus. © M. Komma, Tübingen

Aber: Bei Wasserwellen kommt das Paket „verschmiert“ an. Das Quantenobjekt wird nie „verschmiert“ nachgewiesen.

Wesenszug (Merkwürdigkeit): Obwohl einzelne Quantenobjekte stets nur an einem Ort nachgewiesen werden, bilden ihre Auftreffpunkte nach vielen Wiederholungen ein Interferenzmuster.

Wesenszug: Obwohl einzelne Quantenobjekte stets nur an einem Ort nachgewiesen werden, Merkwürdig! Warum ist das so? bilden ihre Auftreffpunkte nach vielen Wiederholungen ein Interferenzmuster.

Warum ziehen sich zwei Körper an? Warum fließt elektrischer Strom, wenn eine Spannung angelegt wird? Warum. . . ?

Warum fällt ein Stein auf die Erde? Weil sich zwei Körper stets anziehen. „Erklärung“ durch eine allgemeine Gesetzmäßigkeit. (s. u!)

Die physikalische Erkenntnisweise Vorstellungen, Gesetzmäßigkeiten Erklären Systeund matisch Vorher untersagen suchen Beobachtungen und Messergebnisse

Welche Vorstellung können wir uns machen? Keine Fußbälle, Kugeln, Teilchen

Das Quantenobjekt als ausgedehntes Objekt?

Das sich bei einer Ortsmessung zusammenzieht? (Nachweiswahrscheinlichkeit entsprechend der Blau-Dichte).

Oder: Keine Vorstellung? ? „Standardinterpretation“

„Wesenszug“: Interferenzmuster beobachtet man in vielerlei Experimenten

Ein zweites Beispiel: Interferometer mit einzelnen Photonen

Interferometer mit einzelnen Photonen

Streuung von Elektronen an Löchern Mit Gold zugewachsenes Mikrosieb

Beugung von Atomen Pfau et al. , Univ. Konstanz (1994)

Atom-Interferometer Dürr, Nonn, Rempe (1998)

Die physikalische Erkenntnisweise Vorstellungen, Gesetzmäßigkeiten Erklären Systeund matisch Vorher untersagen suchen Messergebnisse

Gesetzmäßigkeit (Wesenszug) Immer wenn es mehrere klassisch denkbare Möglichkeiten gibt, dann ist ein Interferenzmuster möglich.

Warum „klassisch denkbare Möglichkeiten“?

Doppelspalt Atomofen

Doppelspalt 2 k. d. M: Atomofen

Interferometer mit einzelnen Photonen

Interferometer mit einzelnen Photonen 2 k. d. M:

Beugung an stehender Lichtwelle

Beugung an stehender Lichtwelle Mehrere k. d. M:

Das Fulleren-Experiment Mehrere k. d. M: C 60 Mole kül

Inhalt 1. Ein Ausflug in die Quantenwelt Was „leben“ dort für „Wesen“? Was weiß man über diese „Wesen“? Moderne Experimente zur Interferenz Ein „Wesen“szug und seine Konsequenzen 2. Der Gipfel der Merkwürdigkeit Moderne Experimente zur Komplementarität Eine merkwürdige Gesetzmäßigkeit Ein Vergleich aus der Botanik Ein klassisches Real-Experiment 3. Ausblick Das Ergebnis der Quantenrechnungen in Bildern Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik

Gesetzmäßigkeit (Wesenszug) „Komplementarität“ Immer wenn (zum Zeitpunkt des Nachweises) eine Messung möglich ist, deren Messergebnisse den k. d. M. zugeordnet werden können, dann gibt es doch kein Interferenzmuster.

Beispiel 1: Interferometer

Photonen-“Spaltung“ Nichtlinearer Kristall

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer Mandel et al. nichtlinearer Kristall

Wesenszug: Komplementarität Immer wenn (zum Zeitpunkt des Nachweises) eine Messung möglich ist, . . .

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer mögliche Messung: nichtlinearer Kristall D 2 D 1

Wesenszug: Komplementarität Immer wenn (zum Zeitpunkt des Nachweises) eine Messung möglich ist, deren Messergebnisse den k. d. M. zugeordnet werden können, . . .

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer Zuordnung von D 1 zur roten k. d. M. D 2 D 1

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer Zuordnung von D 2 zur grünen k. d. M. D 2 D 1

Wesenszug: Komplementarität Immer wenn (zum Zeitpunkt des Nachweises) eine Messung möglich ist, deren Messergebnisse den k. d. M. zugeordnet werden können, dann gibt es doch kein Interferenzmuster.

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer Mandel (1991): Ein weiterer Strahlteiler D 2 D 1

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer Ein weiterer Strahlteiler: D 2 D 1

Photonen-“Spaltung“ im Interferometer Ein weiterer Strahlteiler: D 2 D 1 Zuordnungs-Information gelöscht: „Quantenradierer“

Ist das Überraschend? Ungewohnt? Merkwürdig? Wir überlegen, was diese Ergebnisse für ein klassisches Objekt bedeuten würden.

Ein Vergleich aus der Botanik

Ein Vergleich aus der Botanik 1. Tag 2. Tag 3. Tag 4. Tag 5. Tag

Wie bewässert sich die Pflanze?

Wie bewässert sich die Pflanze? Entweder: In der 1. Nacht Oder: In der 2. Nacht

Ein Vergleich aus der Botanik 1. Tag 2. Tag 3. Tag ? 4. Tag 5. Tag

Ein Vergleich aus der Botanik

Ein Vergleich aus der Botanik Wenn man rauskriegen kann, wie sich die Blume bewässert hat, bekommt man keine große Blüte. Wenn (zum Zeitpunkt des Nachweises) eine Zuordnungs-Messung möglich ist, dann gibt es kein Interferenzmuster.

Ein Vergleich aus der Botanik

Ein Vergleich aus der Botanik 4. Tag

Ein Vergleich aus der Botanik Bewässerungs-Information gelöscht: „Quantenradierer“

Beispiel 1: Interferometer Ein weiterer Strahlteiler: D 2 D 1 Zuordnungs-Information gelöscht: „Quantenradierer“

Beispiel 2: Doppelspalt Klassisches Realexperiment

Beispiel 2: Doppelspalt Atomofen Zum Zeitpunkt des Nachweises ist keine Zuordnungs-Messung möglich.

Doppelspalt mit Polfiltern Atomofen

Doppelspalt mit parallelen Polfiltern Atomofen Zum Zeitpunkt des Nachweises ist keine Zuordnungs-Messung möglich.

Doppelspalt mit orthog. Polfiltern Atomofen

Doppelspalt mit orthog. Polfiltern Atomofen Mögliche Zuordnungsmessung: Messung der Polarisation des Photons am Schirm. Geht durch: grüne k. d. M. Wird absorbiert: rote k. d. M.

Zusätzliche Folie: Quantenradierer Atomofen

Zusätzliche Folie: Quantenradierer Atomofen Zum Zeitpunkt des Nachweises ist keine Zuordnungs-Messung möglich. Geht durch: ? ? Wird absorbiert: ? ?

Inhalt 1. Ein Ausflug in die Quantenwelt Was „leben“ dort für „Wesen“? Was weiß man über diese „Wesen“? Moderne Experimente zur Interferenz Ein „Wesen“szug und seine Konsequenzen 2. Der Gipfel der Merkwürdigkeit Moderne Experimente zur Komplementarität Eine merkwürdige Gesetzmäßigkeit Ein Vergleich aus der Botanik Ein klassisches Real-Experiment 3. Ausblick Das Ergebnis der Quantenrechnungen in Bildern Küblbeck, Wesenszüge der Quantenphysik

Die mathematische Beschreibung gelingt mit der Schrödingergleichung. Diese hat eine ähnliche Form wie die Wellengleichung. Deshalb sagt man oft, die Quantenobjekte haben etwas „Welliges“. Alles was „in den Formeln schwingt“, ist jedoch nicht beobachtbar. Beobachtbar ist allein das Betragsquadrat, und das schwingt nicht.

Beschreibung der Komplementarität mit Wahrscheinlichkeitspaketen P(x, t) = | (x, t)|2 x t 1 t 2 > t 1 x

Beschreibung der Komplementarität mit Wahrscheinlichkeitspaketen P(x, t) = | (x, t)|2 x t 1 Mathematica Simulation mit Interferenzterm

Beschreibung der Interferenz: ψ = ψli ( x , t ) + ψre ( x , t ) Interferenzterm: 2 ψ li ( x , t ) · ψre ( x , t ) Wenn die Pakete nicht überlappen, verschwindet der Interferenzterm für alle x

Interferometer mit einem Arm

Interferometer mit einem Arm 2 ψliatom(xatom, t) · ψreatom(xatom, t)

Interferometer mit zwei Armen

Interferometer mit zwei Armen 2 ψliatom(xatom, t) · ψreatom(xatom, t)

Photonen-“Spaltung“ Nichtlinearer Kristall Paket für das einlaufende Photon Paket für das Signalphoton Paket für das Idlerphoton

Beschreibung der Komplementarität Beschreibung von zwei wechselwirkenden Q. O. ψsignal+idler = ψlisignal (xsignal, t) ∙ ψliidler (xidler, t) + ψresignal (xsignal, t) ∙ ψreidler (xidler, t) Interferenzterm = 2 ψlisignal (xsignal, t) · ψresignal (xsignal, t) · ψliidler (xidler, t) · ψreidler (xidler, t)

Interferometer mit Photonen-“Spaltung“

Interferenzterm 2 ψlisignal (xsignal, t) · ψresignal (xsignal, t) Quantitative=Beschreibung der Komplementarität · ψ idler (x li Kein Überlapp keine Interferenz idler, t) · ψreidler (xidler, t)

Quantenradierer

Interferenzterm 2 ψlisignal (xsignal, t) · ψresignal (xsignal, t) Quantitative=Beschreibung der Komplementarität · ψ idler(x li Überlapp Interferenz idler, t) · ψreidler (xidler, t)

Die Wesenszüge der Quantenphysik Powerpoint-Vortrag (ca. 10 MB) per Email. Nachricht bitte mit Betreff „Freiburg“ an: j. kueblbeck@gmx. de Detaillierte Darstellung in: „Die Wesenszüge der Quantenphysik Modelle, Bilder und Experimente Freiburg. ppt Praxis Schriftenreihe BAND 60 Zweite, überarbeitete Auflage Aulis-Verlag, ISBN 3 -7614 -2464 -7 AULIS VERLAG

Beugung von Atomen Pfau et al. , Univ. Konstanz (1994)

Atom-Interferometer Dürr, Nonn, Rempe (1998)

Atom-Interferometer Ergebnis: