Wirkung eines quantenoptischen Realexperiments auf das physikalische Reasoning

Quantenphysikalische und klassische Erklärungen unterscheiden sich fundamental hinsichtlich ihres Reasoning, da sich die Theorien in ihren physikalischen Grundprinzipien unterscheiden. Die Schulquantenphysik benötigt daher eine klare, eindeutige und nicht- klassische Sprache, um klassisch geprägte Alternativkonzepte zu vermeiden (McNeill und Krajcik, 2008; Müller, 2003; Scholz et al., 2020). In dieser Arbeit wird ein quantenphysikalisches Reasoning mit den Grundprinzipien Probabilistik, Superposition und Interferenz (PSI) betrachtet. PSI ist ein Satz gedanklicher und sprachlicher Werkzeuge, mit deren Hilfe die prototypischen Phänomene der Schulquantenphysik erklärt werden können, ohne Rückgriff auf Konzepte der klassischen Physik (Scholz et al., 2020). Um quantenphysikalisches Reasoning zu motivieren, braucht es ein geeignetes Schlüsselexperiment. Dieses muss sowohl einen eindeutigen Widerspruch zu den bestehenden Konzepten aufzeigen als auch einen neuen, fruchtbaren Erklärungsansatz motivieren (Laumann et al., 2019). Die Kombination aus einem Strahlteilerexperiment und einem Michelson Interferometer mit Einzelphotonen könnte ein solches Experiment sein, da die zeitgleiche Beobachtung von Unteilbarkeit und Interferenz des Photons klassisch nicht erklärt werden kann. Erst durch quantenphysikalisches Reasoning kann das Phänomen widerspruchsfrei erklärt werden (Scholz et al., 2020). Die antizipierte Schlüsselwirkung ist jedoch bisher nicht untersucht. Diese Arbeit nimmt sich dem Desiderat an. Um das Reasoning der Lernenden zu untersuchen, wurde ein Mixed-Format Test mit 26 Items entwickelt und mit Hilfe eines Gruppeninterviews, eines Expertenratings, der Methode des lauten Denkens sowie einer Feldstudie mit 84 Studierenden (1. und 3. Semester Physik), mit einer anschließenden Rasch Analyse und einer explorativen Faktorenanalyse validiert. Weiterhin wurde ein Interviewleitfaden entwickelt, welcher die Charakterisierung des Photons sowie die Erklärung der Teilexperimente in den Fokus nimmt. In einer abschließenden Mixed-Methods-Pre-Post Studie im Eingruppendesign wurden 80 Studierende im (2. Semester Physik) untersucht (36 Studierende interviewt). Die Auswertung zeigt eine signifikante Zunahme der mittleren Personenfähigkeit von Pre nach Post. Ebenso zeigt sich, dass die Studierenden zum Post-Zeitpunkt ein quanten- physikalisches Reasoning für die Erklärung der Interferenz von einzelnen Quantenobjekten favorisierten. Für die Erklärung des Strahlteilerexperiments wurde jedoch ein klassisches sowie ein dualistisches Teilchen-basiertes Reasoning attraktiver. Das Experiment scheint dennoch eine grundsätzliche Schlüsselwirkung zu besitzen

Key Experiment and Quantum Reasoning

For around five decades, physicists have been experimenting with single quanta such as single photons. Insofar as the practised ensemble reasoning has become obsolete for the interpretation of these experiments, the non-classical intrinsic probabilistic nature of quantum theory has gained increased importance. One of the most important exclusive features of quantum physics is the undeniable existence of the superposition of states, even for single quantum objects. One known example of this effect is entanglement. In this paper, two classically contradictory phenomena are combined to one single experiment. This experiment incontestably shows that a single photon incident on an optical beam splitter can either be reflected or transmitted. The almost complete absence of coincident clicks of two photodetectors demonstrates that these two output states are incompatible. However, when combining these states using two mirrors, we can observe interference patterns in the counting rate of the single photon detector. The only explanation for this is that the two incompatible output states are prepared and kept simultaneously—a typical consequence of a quantum superposition of states. (Semi-)classical physical concepts fail here, and a full quantum concept is predestined to explain the complementary experimental outcomes for the quantum optical “non-waves” called single photons. In this paper, we intend to demonstrate that a true quantum physical key experiment (“true” in the sense that it cannot be explained by any classical physical concept), when combined with full quantum reasoning (probability, superposition and interference), influences students’ readiness to use quantum elements for interpretation

Key Experiment and Quantum Reasoning

For around five decades, physicists have been experimenting with single quanta such as single photons. Insofar as the practised ensemble reasoning has become obsolete for the interpretation of these experiments, the non-classical intrinsic probabilistic nature of quantum theory has gained increased importance. One of the most important exclusive features of quantum physics is the undeniable existence of the superposition of states, even for single quantum objects. One known example of this effect is entanglement. In this paper, two classically contradictory phenomena are combined to one single experiment. This experiment incontestably shows that a single photon incident on an optical beam splitter can either be reflected or transmitted. The almost complete absence of coincident clicks of two photodetectors demonstrates that these two output states are incompatible. However, when combining these states using two mirrors, we can observe interference patterns in the counting rate of the single photon detector. The only explanation for this is that the two incompatible output states are prepared and kept simultaneously—a typical consequence of a quantum superposition of states. (Semi-)classical physical concepts fail here, and a full quantum concept is predestined to explain the complementary experimental outcomes for the quantum optical “non-waves” called single photons. In this paper, we intend to demonstrate that a true quantum physical key experiment (“true” in the sense that it cannot be explained by any classical physical concept), when combined with full quantum reasoning (probability, superposition and interference), influences students’ readiness to use quantum elements for interpretation