Irrtümer der gegenwärtigen Lehre der Quantenphysik an Schulen

Würzburger Quantenphysik- Konzept

G92 Irrtümer der gegenwärtigen Lehre der Quantenphysik an Schulen

Welle-Teilchen-Dualismus

Modellphilosophie

Lehrtext/Inhalt

Glossar wissenschaftliche Experimente

Im- pres- sum

Aussage

Was ist falsch daran?

Begründung der Einwände

Ein Elektron verhalte sich je nach Experiment wie ein Teilchen oder wie eine Welle

Es gibt kein "Verhalten", sondern nur solche oder solche Fragen an die Natur.

In ein- und demselben Experiment können sich Wellen- und Teilchenphänomene zeigen

Ein Teilchen ist cum grano salis etwas Konkretes im Anschauungsraum (Träger von einigen unveränderlichen Eigenschaften), die Wellen der QM existieren nur im abstrakten Konfigurationsraum

Doppelspaltversuch mit Welcher-Weg-Entscheidung - die Doppelspalt-Interferenzfigur verschwindet: dennoch Beugung am Einfachspalt
Versuche mit verzögerter Entscheidung ("delayed choice") und mit

Quantenauslöschern (Quanten-Radierer)

entsprechend: Wellen- und Teilchen-"Charakter" Ein Teilchen ist ein Objekt im Anschauungsraum. Schallwellen, Lichtwellen etc. ebenfalls. Die Wellenfunktionen aber sind Wellen in abstrakteren Konfigurationsräumen. Bei 2 Teilchen ist dieser schon 6-dimensional.
Es geht nicht um einen "Charakter" von Quantenobjekten, sondern um unterschiedliche Fragen an die Natur, die mit Hilfe von Experimenten an sie gestellt werden.
....

Ladungswolke, "verschmiertes" Elektron .... Teile der vermeintlichen "Ladungswolke" müssten miteinander wechselwirken, was nicht beobachtet wird.
Wellenpakete blieben nicht lokalisiert

Wellen(-funktionen) operieren in vieldimensionalen Konfigurationsräumen, nicht im Anschauungsraum

Foto-Effekt und Compton-Effekt beweisen den Teilchencharakter von Photonen ... Nur Deutungsmöglichkeit, die nicht zwingend ist. Dass Photonen Teilchen (im Sinne der Quantenphysik) sind, wird durch das G-R-A-Experiment bewiesen.

Licht ist anders zu behandeln als Materie (s. unten) Natürlich ist für Licht nur eine relativistische Theorie geeignet; wegen der verschwindenden Masse ("Ruhemasse" m = 0). Sie muss auch anders aufgebaut sein als eine relativistische Theorie für Elektronen, weil Photonen Spin1-Teilchen (Bosonen), Elektronen Spin1/2-Teilchen (Fermionen) sind.
Sonst aber: Ein Photon wie ein Elektron ist ein Teilchen im Sinne der Quantenphysik, aber kein klassisches Teilchen.

"Wellen" (Vektorpotenzial bzw. Wellenfunktion) sind für Wahrscheinlichkeitsvorhersagen für das Eintreten von Messwerten zuständig.

Es gibt auch Wellen im Anschauungsraum: kohärente Zustände bei Photonen und beim Atomlaser. Diese werden aber üblicherweise in der Schule nicht gelehrt und haben keinen direkten Zusammenhang mit der Bornschen Wahrscheinlichkeitsdeutung.
.

Bei Licht beziehe sich die Problematik auf das Gesamtphänomen (Licht soll Wellen- oder Teilchencharakter haben), bei Elektronen (ein Elektron soll Wellen- oder Teilchencharakter haben) auf einzelne Teilchen (bestimmte Lehrpläne) Bei "Licht" hat man sich noch nicht auf eines der möglichen Modelle festgelegt (Gesamtphänomen). Bei "Elektronen" oder "Photonen" hat man sich aber auf das Teilchenmodell festgelegt. Licht und Elektronen betreffen also verschiedene Begriffsebenen.
Jedes Elektron und jedes Photon ist im Sinne der Quantentheorie ein Teilchen, wenn auch kein klassisches, weil Teilchen gezählt werden können (Millikan bzw. G-R-A-Experiment)
Eine solche Asymmetrie gibt es in der Quantentheorie nicht, abgesehen davon, dass für Licht eine relativistische Theorie notwendig ist.

Die HUR sei eine Folge einer konkreten mechanischen "Störung" beim Messvorgang I.A. verändert jede Messung den Zustand eines Systems, indem es die betrachtete Messgröße aus einem un-be-stimmten in einen be-stimmten Zustand überführt.
Ob man sich das aber als eine Folge von mechanischen Stößen und mechanischen Störungen vorstellen soll, ist zweifelhaft, da die Physik darüber nichts aussagen kann.
Dann müsste es ein ungestörtes "Verhalten" geben, was aber eben nicht beobachtet werden kann.
Eine wesentliche Lehre aus der QM ist ja, dass die Annahme falsch ist, es gebe ein "Verhalten", sogar, wenn dieses nicht beobachtet wird.

Die QM mache eine Aussage darüber, wann sich Wellen- oder wann sich Teilchen-"charakter" zeigt. Obwohl Wellenfunktionen und Messwerte an Teilchen Gegenstand der Quantentheorie sind, macht diese keine Aussage über "Charakter" oder "Wesen" der Quantenobjekte (in irgendeinem klassisch verstandenen Sinn).
Nur der Teilchenbegriff ist in der Quantentheorie klar definiert als Eigenzustand des Teilchenzahl-Operators, als Objekt,das abzählbar ist.

Es gibt Teilchenzahl-Zustände (Fock-Zustände mit be-stimmter Teilchenzahl) und andere (z.B. kohärente Zustände mit un-be-stimmter Teilchenzahl).

Es werden vielmehr durch den Experimentator Fragen nach Teilcheneigenschaften oder nach Welleneigenschaften gestellt, auf die die Natur antwortet.
In ein und demselben Experiment können sich Teilchen- und Wellenphänomene zeigen (z.B. beim Doppelspalt-Versuch wegen der "Beugung an den Einfachspalten").
Wie Versuche mit verzögerter Entscheidung ("delayed choice") und mit Quanten-Radierer zeigen, können lange nach Ablauf des Experiments Fragen nach einem Teilchenort oder nach der Interferenz von Wellen gestellt werden. Die Natur antwortet entsprechend.

Im Zentrum dert QP stehe die Frage nach der "Natur", dem "Wesen" oder dem "Charakter" von Licht und Materie Die Frage "Welle oder Teilchen" ist nicht Gegenstand der Quantenphysik, sondern eher eine philosophische Frage, ausgelöst durch ein Missverständnis aus der Zeit vor Etablierung der Quantentheorie in den dreißiger Jahren.
Das historische Missverständnis war allerdings ein wichtiger Schritt zur Konstruktion der Quantentheorie und ihres tatsächlichen Verständnisses.
In der QT geht es um die Vorhersage von Messwerten und der Wahrscheinlichkeiten für ihr Eintreten.

Bei einem Elektronenbeugungsversuch interferieren Wellen, die entsprechend makroskopischen elektromagnetischen Wellen als Materiewellen aufzufassen sind. Ein historisches Missverständnis, insofern analog zu makroskopischen elektromagnetischen Wellen auch Materiewellen im Anschauungsraum unterstellt werden. Tatsächlich handelt es sich um Ein-Teilchen-Interferenz.

Ein Elektron ist dabei als eine Welle im Anschauungsraum aufzufassen. .. Wie sollte das bei einer komplexwertigen Größe möglich sein?

Beim Doppelspalt interferiert ein Teilchen mit sich selbst Leere Aussage, da in sich widersprüchlich. Gemeint ist Ein-Teilchen-Interferenz.

"Licht - Welle oder Teilchen ?" (Zitat aus einer Handreichung für Lehrer) Dass Licht ein Teilchen sei oder sich wie ein Teilchen verhalte, wird wohl niemand behaupten wollen. Oder soll hier Teilchen der Plural sein? Dann sollte man es eindeutiger formulieren.
Aber die Frage ist insgesamt falsch gestellt, weil es in der Quantentheorie diese Alternative nicht gibt.

Teilchen sind abzählbare Objekte im Anschauungsraum, die Wellen der Quantenphysik (Wellenfunktionen) beziehen sich nur auf die Vorhersage von Messergebnissen und sind Wellen im abstrakten Konfigurationsraum.
.

Interferenz im Anschauungsraum kann nur mit Wellen im Anschauungsraum entschieden werden. .... Vergleiche mit Zweiteilchen-Interferenz von Atomen: Scully, Walther, ...
Dort überlagert sich zwar der Anteil der Wellenfunktion mit den Atomkoordinaten, nicht aber der Anteil mit den Photonenkoordinaten: Deshalb bleibt Interferenz aus. So jedenfalls ist der zugehörige Formalismus zu deuten. Das heuristische Grundfaktum ist einfacher: WWI und Interferenz schließen sich aus.

Es geht in der Quantenphysik nicht ohne Wellen; man kann manche Experimente nur mit Wellen erklären. Wie real sind Wellen, wenn es auch ohne sie geht?
(Vgl. die Heisenbergsche Formulierung der QM, wo die gesamte Zeitentwicklung in Operatoren enthalten ist)

Wieso soll man sich den Kopf zerbrechen über die Existenz von etwas, was man nicht braucht?
Die Heisenberg-Gleichung benötigt keine Wellen, obwohl sie konsistent ist mit der Schrödinger'schen Formulierung der QM, die Wellen(funktionen) benutzt. Sie beschreibt die Zeitentwicklung von Operatoren für Messgrößen, aus denen leicht Erwartungswerte und quadratische Abweichungen etc. ermittelt werden können ohne Rückgriff auf Wellen irgendeiner Art.

Aussage	Was ist falsch daran?	Begründung der Einwände
Ein Elektron verhalte sich je nach Experiment wie ein Teilchen oder wie eine Welle	Es gibt kein "Verhalten", sondern nur solche oder solche Fragen an die Natur. In ein- und demselben Experiment können sich Wellen- und Teilchenphänomene zeigen Ein Teilchen ist cum grano salis etwas Konkretes im Anschauungsraum (Träger von einigen unveränderlichen Eigenschaften), die Wellen der QM existieren nur im abstrakten Konfigurationsraum	Doppelspaltversuch mit Welcher-Weg-Entscheidung - die Doppelspalt-Interferenzfigur verschwindet: dennoch Beugung am Einfachspalt Versuche mit verzögerter Entscheidung ("delayed choice") und mit Quantenauslöschern (Quanten-Radierer)
entsprechend: Wellen- und Teilchen-"Charakter"	Ein Teilchen ist ein Objekt im Anschauungsraum. Schallwellen, Lichtwellen etc. ebenfalls. Die Wellenfunktionen aber sind Wellen in abstrakteren Konfigurationsräumen. Bei 2 Teilchen ist dieser schon 6-dimensional. Es geht nicht um einen "Charakter" von Quantenobjekten, sondern um unterschiedliche Fragen an die Natur, die mit Hilfe von Experimenten an sie gestellt werden.	....
Ladungswolke, "verschmiertes" Elektron	....	Teile der vermeintlichen "Ladungswolke" müssten miteinander wechselwirken, was nicht beobachtet wird. Wellenpakete blieben nicht lokalisiert Wellen(-funktionen) operieren in vieldimensionalen Konfigurationsräumen, nicht im Anschauungsraum
Foto-Effekt und Compton-Effekt beweisen den Teilchencharakter von Photonen	...	Nur Deutungsmöglichkeit, die nicht zwingend ist. Dass Photonen Teilchen (im Sinne der Quantenphysik) sind, wird durch das G-R-A-Experiment bewiesen.
Licht ist anders zu behandeln als Materie (s. unten)	Natürlich ist für Licht nur eine relativistische Theorie geeignet; wegen der verschwindenden Masse ("Ruhemasse" m = 0). Sie muss auch anders aufgebaut sein als eine relativistische Theorie für Elektronen, weil Photonen Spin1-Teilchen (Bosonen), Elektronen Spin1/2-Teilchen (Fermionen) sind. Sonst aber: Ein Photon wie ein Elektron ist ein Teilchen im Sinne der Quantenphysik, aber kein klassisches Teilchen. "Wellen" (Vektorpotenzial bzw. Wellenfunktion) sind für Wahrscheinlichkeitsvorhersagen für das Eintreten von Messwerten zuständig. Es gibt auch Wellen im Anschauungsraum: kohärente Zustände bei Photonen und beim Atomlaser. Diese werden aber üblicherweise in der Schule nicht gelehrt und haben keinen direkten Zusammenhang mit der Bornschen Wahrscheinlichkeitsdeutung.	.
Bei Licht beziehe sich die Problematik auf das Gesamtphänomen (Licht soll Wellen- oder Teilchencharakter haben), bei Elektronen (ein Elektron soll Wellen- oder Teilchencharakter haben) auf einzelne Teilchen (bestimmte Lehrpläne)	Bei "Licht" hat man sich noch nicht auf eines der möglichen Modelle festgelegt (Gesamtphänomen). Bei "Elektronen" oder "Photonen" hat man sich aber auf das Teilchenmodell festgelegt. Licht und Elektronen betreffen also verschiedene Begriffsebenen. Jedes Elektron und jedes Photon ist im Sinne der Quantentheorie ein Teilchen, wenn auch kein klassisches, weil Teilchen gezählt werden können (Millikan bzw. G-R-A-Experiment)	Eine solche Asymmetrie gibt es in der Quantentheorie nicht, abgesehen davon, dass für Licht eine relativistische Theorie notwendig ist.
Die HUR sei eine Folge einer konkreten mechanischen "Störung" beim Messvorgang	I.A. verändert jede Messung den Zustand eines Systems, indem es die betrachtete Messgröße aus einem un-be-stimmten in einen be-stimmten Zustand überführt. Ob man sich das aber als eine Folge von mechanischen Stößen und mechanischen Störungen vorstellen soll, ist zweifelhaft, da die Physik darüber nichts aussagen kann.	Dann müsste es ein ungestörtes "Verhalten" geben, was aber eben nicht beobachtet werden kann. Eine wesentliche Lehre aus der QM ist ja, dass die Annahme falsch ist, es gebe ein "Verhalten", sogar, wenn dieses nicht beobachtet wird.
Die QM mache eine Aussage darüber, wann sich Wellen- oder wann sich Teilchen-"charakter" zeigt.	Obwohl Wellenfunktionen und Messwerte an Teilchen Gegenstand der Quantentheorie sind, macht diese keine Aussage über "Charakter" oder "Wesen" der Quantenobjekte (in irgendeinem klassisch verstandenen Sinn). Nur der Teilchenbegriff ist in der Quantentheorie klar definiert als Eigenzustand des Teilchenzahl-Operators, als Objekt,das abzählbar ist. Es gibt Teilchenzahl-Zustände (Fock-Zustände mit be-stimmter Teilchenzahl) und andere (z.B. kohärente Zustände mit un-be-stimmter Teilchenzahl). Es werden vielmehr durch den Experimentator Fragen nach Teilcheneigenschaften oder nach Welleneigenschaften gestellt, auf die die Natur antwortet.	In ein und demselben Experiment können sich Teilchen- und Wellenphänomene zeigen (z.B. beim Doppelspalt-Versuch wegen der "Beugung an den Einfachspalten"). Wie Versuche mit verzögerter Entscheidung ("delayed choice") und mit Quanten-Radierer zeigen, können lange nach Ablauf des Experiments Fragen nach einem Teilchenort oder nach der Interferenz von Wellen gestellt werden. Die Natur antwortet entsprechend.
Im Zentrum dert QP stehe die Frage nach der "Natur", dem "Wesen" oder dem "Charakter" von Licht und Materie	Die Frage "Welle oder Teilchen" ist nicht Gegenstand der Quantenphysik, sondern eher eine philosophische Frage, ausgelöst durch ein Missverständnis aus der Zeit vor Etablierung der Quantentheorie in den dreißiger Jahren. Das historische Missverständnis war allerdings ein wichtiger Schritt zur Konstruktion der Quantentheorie und ihres tatsächlichen Verständnisses.	In der QT geht es um die Vorhersage von Messwerten und der Wahrscheinlichkeiten für ihr Eintreten.
Bei einem Elektronenbeugungsversuch interferieren Wellen, die entsprechend makroskopischen elektromagnetischen Wellen als Materiewellen aufzufassen sind.	Ein historisches Missverständnis, insofern analog zu makroskopischen elektromagnetischen Wellen auch Materiewellen im Anschauungsraum unterstellt werden.	Tatsächlich handelt es sich um Ein-Teilchen-Interferenz.
Ein Elektron ist dabei als eine Welle im Anschauungsraum aufzufassen.	..	Wie sollte das bei einer komplexwertigen Größe möglich sein?
Beim Doppelspalt interferiert ein Teilchen mit sich selbst	Leere Aussage, da in sich widersprüchlich.	Gemeint ist Ein-Teilchen-Interferenz.
"Licht - Welle oder Teilchen ?" (Zitat aus einer Handreichung für Lehrer)	Dass Licht ein Teilchen sei oder sich wie ein Teilchen verhalte, wird wohl niemand behaupten wollen. Oder soll hier Teilchen der Plural sein? Dann sollte man es eindeutiger formulieren. Aber die Frage ist insgesamt falsch gestellt, weil es in der Quantentheorie diese Alternative nicht gibt. Teilchen sind abzählbare Objekte im Anschauungsraum, die Wellen der Quantenphysik (Wellenfunktionen) beziehen sich nur auf die Vorhersage von Messergebnissen und sind Wellen im abstrakten Konfigurationsraum.	.
Interferenz im Anschauungsraum kann nur mit Wellen im Anschauungsraum entschieden werden.	....	Vergleiche mit Zweiteilchen-Interferenz von Atomen: Scully, Walther, ... Dort überlagert sich zwar der Anteil der Wellenfunktion mit den Atomkoordinaten, nicht aber der Anteil mit den Photonenkoordinaten: Deshalb bleibt Interferenz aus. So jedenfalls ist der zugehörige Formalismus zu deuten. Das heuristische Grundfaktum ist einfacher: WWI und Interferenz schließen sich aus.
Es geht in der Quantenphysik nicht ohne Wellen; man kann manche Experimente nur mit Wellen erklären.	Wie real sind Wellen, wenn es auch ohne sie geht? (Vgl. die Heisenbergsche Formulierung der QM, wo die gesamte Zeitentwicklung in Operatoren enthalten ist) Wieso soll man sich den Kopf zerbrechen über die Existenz von etwas, was man nicht braucht?	Die Heisenberg-Gleichung benötigt keine Wellen, obwohl sie konsistent ist mit der Schrödinger'schen Formulierung der QM, die Wellen(funktionen) benutzt. Sie beschreibt die Zeitentwicklung von Operatoren für Messgrößen, aus denen leicht Erwartungswerte und quadratische Abweichungen etc. ermittelt werden können ohne Rückgriff auf Wellen irgendeiner Art.