wahrscheinlichkeit und interferenz als schlüssel zur quantentheorie stefan heusler didaktik der...
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Wahrscheinlichkeit und Interferenz als Schlüssel zur
Quantentheorie
Stefan Heusler
Didaktik der Physik,Universität Münster
2. Wellencharakter von Licht
1. Einleitung
Themenüberblick
3. Teilchencharakter von Licht: Einzelphotonexperimente
4. Messprozess in der Quantenmechanik
Ist es möglich, durch Detektoren die physikalische Welt vollständig zu beobachten?
z.B. Erhöhung der Zeitauflösung der Highspeed-Kamera
1. Einleitung: Beobachtbare und Unbeobachtbare Physik
z.B. Erhöhung der Anzahl von Pixel und Wellenlängensensitivität einer Digitalkamera
z.B. Erhöhung von Speicherplatz auf einer Computerfestplatte
Warum nicht??
Quantenmechanisches System kann im Experiment nicht vollständig detektiert werden.
Quantenmechanik sagt: NEIN!
Antwort ergibt sich aus Kombination von Wellen- und Teilchencharakter von Licht.
Analogieexperiment: Interferenz von Schallwellen
2. Wellencharakter von Licht
Beugung am Einfach- und Doppelspalt im Wellenbild:
Wellencharakter von Licht
Interferenz an der Seifenhaut
Interferenz an der Seifenhaut
Reflektions- und Transmissionsamplituden durchlaufen Thaleskreis.
Weiß = Transmission Schwarz = Reflektion
3. Teilchencharakter von Licht
Für jedes einzelne Photon am Strahlteiler entscheidet der Zufall!
Detektion von einzelnen Photonen:
Einfach- und Doppelspaltexperiment mit einzelnen Photonen
Intensität(x) ~ N p(x)
p(x): Auftreffwahrscheinlichkeitam Ort x
N:Gesamtanzahl von Photonen
Kombination von Wellen- und Teilchencharakter
Zwei Methoden, die Intensitätsverteilung am Spalt zu bestimmen.
„Teilchen“
„Welle“
Kombination von Wellen- und Teilchencharakter
Kombination beider Rechenwege führt zu „Wurzelwahrscheinlichkeit“, die positiv und negativ sein kann.
„Teilchen“
„Welle“
Kombination von Wellen- und Teilchencharakter
Wahrscheinlichkeit wird verallgemeinertzu „interferenzfähiger, komplexer Wahrscheinlichkeit“
„Teilchen“
„Welle“
Zusammenhang zu Wellenfunktion ψ aus Schrödingergleichung
|ψ|2 dx = p ist die Aufenthaltswahrscheinlichkeit
ψ √dx = √p ist der Radius des Zeigers eines Photons, dx das kleine Raumelement, das in der hier gezeigten diskretisierten Version endlich ist. √N ψ √dx = √N√p ~√I ist der Zeiger für N Photonen
Quantenmechanisches System kann im Experiment nicht vollständig detektiert werden.
4. Zusammenfassung:Messprozess in der Quantenmechanik
VOR der Messung: Superposition von Wellen
NACH der Messung: „0“ oder „1“
1. Alle Animationen und Filme werden auf der DVD-ROM„Quantendimensionen“ ab Juli 2010 vom KLETT-Verlag
Stuttgart veröffentlicht
Referenzen
2. Experimente mit einzelnen Photonen werden unter www.quantumlab.de gezeigt.
3. Bei Interesse an weiteren Informationen stehen wir gerne zur Verfügung (email: [email protected])