Quantenphysik an der Schule

Die Heisenberg-Gesellschaft ist bestrebt, moderner Physik und insbesondere der Quantenmechanik im Unterricht weiterführender Schulen den Raum zu verschaffen, der ihrer technologischen und kulturellen Bedeutung entspricht. Mit diesem Ziel bietet die Gesellschaft jährlich einen Workshop für Lehrkräfte und Hochschullehrer an, die sich in der Lehramtsausbildung engagieren. Mit 60 Teilnehmern, drei Viertel davon Lehrerinnen und Lehrer, war die Veranstaltung vom 30. Juni bis 2. Juli 2017 im Tagungszentrum Schloss Lautrach vollständig ausgebucht. Das Themenspektrum reichte von Unterrichtskonzepten und Erfahrungen aus der Praxis über aktuelle Grundlagenforschung und Anwendungen der Quantenphysik bis hin zu philosophischen Aspekten.

Zum Auftakt stellte Markus Arndt (Wien) moderne Varianten des Doppelspaltversuchs mit Biomolekülen vor und diskutierte die Wellennatur der Materie unter diesem neuartigen Blickwinkel. In der angeregten Diskussion zeigten sich die Verblüffung, die dieses Schlüsselexperiment der Quantenmechanik nach wie vor auslöst, sowie ein starkes Interesse an der interaktiven 3D-Computersimulation seiner Experimente für den Schulunterricht. Mit einem vielversprechenden Weg, komplexe Quantensysteme zu verstehen und für technologische Anwendungen nutzbar zu machen, befasste sich Monika Aidelsburger (München). Mit großer Begeisterung berichtete sie über ihre Forschung an ultrakalten Quantengasen, die sich als Quantensimulatoren zur Untersuchung anderer Quantensysteme eignen. Im Schwerpunkt Schulunterricht schilderte Josef Küblbeck (Ludwigsburg) seine Erfahrungen mit Computer-Simulationen neuerer Experimente, die Wesenszüge von Quantenobjekten illustrieren und so das Unanschauliche der Quantenphysik etwas entschärfen. Für eigene Versuche waren Doppelspaltexperimente mit polarisiertem Licht aufgebaut. Für einen Zugang zur Quantenphysik über Experimente mit einzelnen Photonen plädierte Patrick Bronner (Freiburg). Da reale Geräte für das Klassenzimmer vielfach noch zu teuer sind, zeigte er am Beispiel Quantenkryptographie, wie solche Versuche interaktiv auf dem Tablet nachgestellt werden können. Hartmut Wiesner (München) und Bernadette Schorn (Aachen) konzentrierten sich auf die Vermittlung wesentlicher Unterschiede von klassischer und Quantenphysik sowie Deutungsfragen in der Mittel- und Oberstufe nach dem Münchner Konzept. Der Lernerfolg wurde auf der Basis der Erprobung in der Praxis bewertet. Im Hinblick auf die Kritik der Verwendung des Bohrschen Atommodells im Unterricht demonstrierte Ingolf Hertel (Berlin), dass nicht nur eine zu naive Interpretation der Bohrschen Bahnen zu Missverständnissen führen kann, sondern diese Gefahr auch bei den Schrödinger-Orbitalen besteht. Er argumentierte dafür, beide Blickwinkel zu kombinieren, um die Unterschiede zwischen Quantenmechanik und klassischer Physik deutlich zu machen. Äußerst spannende Anregungen für den Unterricht bot der Vortrag von Markus Pössel (Heidelberg), der in einfachen Rechnungen vorführte, wie sich aus grundlegenden Eigenschaften von Quantenteilchen Eigenschaften von z.B. Planeten, der Sonne und Neutronensternen ableiten lassen. Solche Beispiele zeigen jungen Leuten, dass physikalische Grundkenntnisse für ein Verständnis von Natur und Umwelt unentbehrlich und daher auch für Nichtphysiker von hohem Wert sind. Abgerundet wurde der Themenbogen mit einem eindringlichen Plädoyer von Wolfgang Kinzel (Würzburg) für eine nachhaltige Vermittlung theoretischer Grundlagen der Quantenmechanik im Lehramtsstudium, einer eingehenden Darstellung der Geschichte und Interpretation der Unschärferelation von Heisenbergs Arbeit bis heute von Reinhard Werner (Hannover) und einer kritischen Beleuchtung der Ununterscheidbarkeit von Quantenobjekten aus philosophischer Sicht durch Manfred Stöckler (Bremen). Einen eindrucksvollen Schlussakkord setzte der faszinierende Vortrag von Hans-Peter Nollert (Tübingen) über Gravitationswellen und deren Potential in der Astronomie.

Alles in allem unterstrichen die Lehrkräfte in einer Umfrage die reiche Ausbeute aus den Referaten, Diskussionen und dem fachlichen Austausch untereinander. Dieser Erfolg ist zum wiederholten Male auch der großzügigen finanziellen Unterstützung durch die Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung zu verdanken.

Prof. Dr. Reinhold Rückl, Universität Würzburg

Fußnote: Vortragsfolien und weitere Links findet man unter http://www.heisenberg-gesellschaft.de/unterlagen-workshop-2017.html