Quantenphysik an der Schule

Mit dem Ziel, die moderne Physik und insbesondere die Quantenmechanik im Unterricht weiterführender Schulen stärker zu verankern, führt die Heisenberg-Gesellschaft seit 2014 jährlich einen Workshop zur Quantenphysik für Lehrkräfte und in der Lehramtsausbildung engagierte Hochschuldozentinnen und -dozenten durch. Dabei wird gleichermaßen auf Fortbildung, Anregung für die Praxis und Erfahrungsaustausch Gewicht gelegt. An der Veranstaltung vom 12. bis 14. Juli 2019 in Lautrach/Allgäu nahmen 43 Lehrerinnen und Lehrer aus mehreren Bundesländern teil.

Zur Eröffnung brachte Karl Jakobs (Freiburg, CERN) die Zuhörerschaft mit einer eindrucksvollen Übersicht über die experimentellen Ergebnisse und das zukünftige Programm an der weltgrößten Beschleunigeranlage LHC des CERN in Genf auf den aktuellen Wissensstand nach zehn Jahren Laufzeit. Im Fokus standen die Entdeckung des Higgs-Teilchens und die vielfältigen präzisen Tests des Standardmodells der Teilchenphysik. Im Schwerpunkt Quantenphysikunterricht verglich Oliver Passon (Wuppertal) Konzepte aus der Fachdidaktik und von Schulbüchern hinsichtlich fachlicher Korrektheit, Anschlussfähigkeit und Lernwirksamkeit. Matthias Bartelmann (Heidelberg) erklärte die Rolle des Tunneleffekts bei der Energieerzeugung der Sterne und deren Spektrallinien als gute Schulbeispiele für Anwendungen der Quantenphysik, die einfache Abschätzungen erlauben. Eine konkrete Unterrichtsreihe zur Atomphysik für die Sekundarstufe II, basierend auf Erweiterungen und neuartigen Visualisierungen gängiger Atommodelle, stellten Stefan Heusler und Malte Ubben (Münster) vor und probierten sie gruppenweise aus. Mit Blick auf Quanteninformation als möglicher Einstieg in die Quantenphysik vermittelte Dagmar Bruss (Düsseldorf) wertvolles Hintergrundwissen über Verschränkung als Ressource für neue Protokolle in der Quanteninformationsverarbeitung und allgemeine Ressourcentheorien zur Beurteilung von Quantenvorteilen und Implementierung von Quantentechnologien. Ergänzend befasste sich Joachim Stolze (Dortmund) mit dem Spin eines Teilchens als einfachstes Quantensystem und Träger von Quanteninformation und erklärte grundlegende mathematische Strukturen. Neuere Ansätze, das Messproblem in der Quantenmechanik zu lösen, und philosophische Überlegungen zum Wahrscheinlichkeitsbegriff sowie unterschiedliche Deutungen von Zufall wurden von Claus Beisbart (Bern) erörtert. Darüber hinaus wurden Versuchsaufbauten für den Unterricht vorgestellt, an denen die Lehrkräfte im Anschluss selbst experimentieren konnten. Andreas Kral (Aachen) zeigte das Doppelspaltexperiment PHODE, das mit wenigen Photonen den zufälligen Charakter von einzelnen Ereignissen und die Ausbildung eines Interferenzbildes deutlich macht. Henning Weier (Qutools München) führte den sogenannten Quantenkoffer vor, ein Baukastensystem mit einer Quelle verschränkter Photonen, das vielfältige Möglichkeiten zur spielerischen Entmystifizierung von Verschränkung bietet. Jens Küchenmeister (Thorlabs Dachau) schließlich präsentierte Versuche analog zu Einzelphoton-Experimenten, die komplexe Sachverhalte wie Quantenradierer und Quantenkryptographie anschaulicher machen. Abschließend verstand es Jens Simon (PTB Braunschweig) mit großer Begeisterung, das eher trockene Thema Einheitensystem nahezubringen, und illustrierte sehr aufschlussreich den gerade stattgefundenen Paradigmenwechsel. Den fulminanten Schlusspunkt setzte dann Markus Aspelmeyer (Wien) mit einer mitreißenden Einführung in den neuen Forschungsbereich der makroskopischen Quantenphysik und dem verblüffenden Versuch, das Gravitationsfeld eines Quantenobjekts zu testen.

Wie immer wurden die Lehrerinnen und Lehrer anonym nach Nutzen und Verbesserungen des Workshops gefragt. Die Antworten bekunden großen Zuspruch und die Erreichung der gesteckten Ziele, wozu vor allem die Referentinnen und Referenten beigetragen haben. Besonderer Dank geht auch an die Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung für die großzügige finanzielle Unterstützung.

Prof. Dr. Reinhold Rückl, Universität Würzburg

Vortragsfolien, auch zu früheren Workshops, findet man unter hier.