Quantenphysik

Die Quantenphysik hat unsere naturwissenschaftliche Weltsicht seit dem Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts stark verändert. Sie ist unentbehrliche Grundlage vieler Teildisziplinen der modernen Physik. Die moderne Chemie, Biologie und Medizin wären ohne Quantenphysik nicht vorstellbar. Leider ist die Quantenphysik aber auch besonders unanschaulich und deshalb für Schüler schwer zu erfassen. Die experimentellen Ergebnisse können in der Regel nicht mit klassischen Vorstellungen erklärt werden. Ein bekanntes Beispiel dafür sind Photonen oder Elektronen. Weder verhalten sie sich wie klassische Teilchen, noch wie klassische Wellen, es gibt keine Objekte aus unserer Erfahrung, die solche Eigenschaften aufweisen. Untereinander jedoch sind sich all diese „Quantenobjekte“ in vielen Eigenschaften sehr ähnlich. Erstaunlicherweise haben die Väter der Quantenphysik eine Theorie gefunden, welche die Ergebnisse der Experimente mit Quantenobjekten sehr gut beschreibt. Ihre theoretischen Vorhersagen stimmen mit den Messergebnissen auf bis zu 8 gültige Stellen überein. Diese Quantentheorie ist jedoch eine abstrakte mathematische Theorie. Die zugrunde liegende Mathematik der Hilberträume mit den komplexwertigen Zahlen kann in der Schule nicht vorausgesetzt werden. Die Unanschaulichkeit der Phänomene und die mathematische Schwierigkeit der Theorie lassen oft die Frage aufkommen, ob die Quantenphysik einen Platz an der Schule haben soll. Welche Inhalte der Quantenphysik sind für unsere Schüler bildend? Welche Inhalte können überhaupt vermittelt werden? Dazu müssen folgende Fragen beantwortet werden: Welche quantenphysikalischen Phänomene können in der Schule gezeigt werden? Über welche in der Forschung durchgeführten Experimente, die typische Eigenschaften der Quantenphysik zeigen, sollte man berichten? Können Teile der Quantentheorie schülergerecht elementarisiert werden? Welche Vorstellungen und welche begrifflichen und mathematischen Werkzeuge stehen den Schülern zur Verfügung, um Vorhersagen für Quantenexperimente zu machen?