Quantenphysik an der Schule

Mit dem Ziel, die moderne Physik und insbesondere die Quantenmechanik im Unterricht weiterführender Schulen stärker zu verankern, bietet die Heisenberg-Gesellschaft seit 2014 jährlich einen Workshop zum Thema Quantenphysik an der  Schule für Lehrkräfte und in der Lehramtsausbildung engagierte Hochschul-dozentinnen und -dozenten an. Dabei wird gleichermaßen auf Fortbildung, Anregungen für den Unterricht und Erfahrungsaustausch Gewicht gelegt. An der Veranstaltung vom 22. bis 24. Juni 2018 in Weilburg an der Lahn nahmen 41 Lehrerinnen und Lehrer aus mehreren Bundesländern teil.

Zur Eröffnung zeichnete Claus Kiefer (Köln) ein faszinierendes Bild vom Universum, das aus der Verbindung von Quanten- und Relativitätstheorie hervorgeht und an die Grenzen unseres gesicherten Wissens stößt. Mit einer weiteren modernen Anwendung von Quantenprinzipien befasste sich Hans Briegel (Innsbruck) in seinem Vortrag über die Rolle von Verschränkung und Indeterminismus in der Quanteninformation. Darauf aufbauend plädierte Gesche Pospiech (Dresden) für die Vermittlung der wichtigsten Quantenprinzipien in der Schule wie Überlagerung, Verschränkung und Unbestimmtheit anhand von einfachen Beispielen aus der Quantenkryptographie. Ein relativ junges interdisziplinäres Forschungsfeld mit attraktiven und aufschlussreichen Anknüpfungspunkten an den Schulunterricht ist die Astroteilchenphysik. Johannes Blümer (Karlsruhe) präsentierte einen Überblick über die Methoden und Ergebnisse auf dem Gebiet der kosmischen Strahlung und umriss Demonstrationen im Klassenzimmer und digitale Untersuchungen von echten Messdaten, die das Karlsruhe Cosmic Data Center KCDC frei zur Verfügung stellt. Aus philosophischer Sicht analysierte Brigitte Falkenburg (Dortmund), welche Informationen die kosmische Strahlung liefern kann, und erörterte die Brückenfunktion der Astroteilchenphysik von der Teilchenphysik bis zur Kosmologie. Eine weitere konkrete Anregung für den Schulunterricht steuerte Christian Wolf (Coburg) mit der Darstellung des Zyklotrons COLUMBUS und dem Konzept eines zweitägigen Workshops über Beschleunigerphysik für Schülerinnen und Schüler bei. Ein neues Programmelement stellte der Miniworkshop dar, in dem von Barbara Valeriani-Kaminski, Thomas Hildebrand (beide Bonn) und Bernadette Schorn (Aachen) Teilchendetektoren für das Klassenzimmer des Netzwerks Teilchenwelt vorgestellt und der Bau einer Nebelkammer, die Untersuchung von Myonen in der kosmischen Strahlung und die Messung ihrer Lebensdauer in drei Arbeitsgruppen betreut wurden. Aus der Praxis berichtete Annette Holder (Erding) über ihre Erfahrungen im Physikunterricht und hinterfragte die Realität im Hinblick auf die Erreichung der im bayerischen Lehrplan vorgegebenen Ziele. Sie forderte mehr Anleitung zu selbstständigem kreativen Denken anstelle reiner Wissensvermittlung. Als einen Ansatz in dieser Richtung sah Tobias Jung (München) die Förderung eines stärkeren Bewusstseins für physikalische Methoden und ihre Grenzen, wie er in seinem Referat über grundlegende Konzepte der Wissenschaftstheorie durch historische Beispiele illustrierte. Die abschließenden Vorträge waren noch einmal der Quantenphysik und neuester Forschung gewidmet, die von der Öffentlichkeit besonders aufmerksam verfolgt wird. Gert-Ludwig Ingold (Augsburg) erklärte die Grundlagen des Casimir-Effekts als Kraft aus Quantenfluktuationen und illustrierte Anwendungen in der Mikroelektronik. Domenico Giulini (Hannover) legte die Basis für ein prinzipielles Verständnis der Physik von Gravitationswellen, indem er deren Emission, Eigenschaften und Messbarkeit in expliziten, nachvollziehbaren Ableitungen beleuchtete.

Aus einer anonymen Befragung am Schluss geht hervor, dass die gesteckten Ziele in der Hauptsache erreicht wurden. Besonderer Dank dafür gebührt, neben den Referentinnen und Referenten, der Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung, deren großzügige finanzielle Unterstützung wesentlichen Anteil an diesem Erfolg hat.

Prof. Dr. Reinhold Rückl, Universität Würzburg

Vortragsfolien und weitere Links zum Workshop sind hier zu finden.