Wahrscheinlichkeit und Interferenz als Schlüssel zur Quantentheorie

Präsentation zum Thema: "Wahrscheinlichkeit und Interferenz als Schlüssel zur Quantentheorie"—  Präsentation transkript:

1 Wahrscheinlichkeit und Interferenz als Schlüssel zur Quantentheorie
Stefan Heusler Didaktik der Physik, Universität Münster

2 Themenüberblick 1. Einleitung 2. Wellencharakter von Licht
3. Teilchencharakter von Licht: Einzelphotonexperimente 4. Messprozess in der Quantenmechanik

3 Einleitung: Beobachtbare und Unbeobachtbare Physik
Ist es möglich, durch Detektoren die physikalische Welt vollständig zu beobachten? z.B. Erhöhung der Anzahl von Pixel und Wellenlängensensitivität einer Digitalkamera z.B. Erhöhung der Zeitauflösung der Highspeed-Kamera z.B. Erhöhung von Speicherplatz auf einer Computerfestplatte

4 Quantenmechanik sagt: NEIN!
Quantenmechanisches System kann im Experiment nicht vollständig detektiert werden. Warum nicht?? Antwort ergibt sich aus Kombination von Wellen- und Teilchencharakter von Licht.

5 2. Wellencharakter von Licht
Analogieexperiment: Interferenz von Schallwellen

6 Wellencharakter von Licht
Beugung am Einfach- und Doppelspalt im Wellenbild:

7 Interferenz an der Seifenhaut

8 Interferenz an der Seifenhaut
Reflektions- und Transmissionsamplituden durchlaufen Thaleskreis.

9 3. Teilchencharakter von Licht
Weiß = Transmission Schwarz = Reflektion Für jedes einzelne Photon am Strahlteiler entscheidet der Zufall!

10 Einfach- und Doppelspaltexperiment mit einzelnen Photonen
Detektion von einzelnen Photonen: Intensität(x) ~ N p(x) p(x): Auftreffwahrscheinlichkeit am Ort x N:Gesamtanzahl von Photonen

11 Kombination von Wellen- und Teilchencharakter
Zwei Methoden, die Intensitätsverteilung am Spalt zu bestimmen.

12 Kombination von Wellen- und Teilchencharakter
Kombination beider Rechenwege führt zu „Wurzelwahrscheinlichkeit“, die positiv und negativ sein kann.

13 Kombination von Wellen- und Teilchencharakter
Wahrscheinlichkeit wird verallgemeinert zu „interferenzfähiger, komplexer Wahrscheinlichkeit“

14 Zusammenhang zu Wellenfunktion ψ aus Schrödingergleichung
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 |ψ|2 dx = p ist die Aufenthaltswahrscheinlichkeit

15 4. Zusammenfassung: Messprozess in der Quantenmechanik
Quantenmechanisches System kann im Experiment nicht vollständig detektiert werden. VOR der Messung: Superposition von Wellen NACH der Messung: „0“ oder „1“

16 Referenzen Alle Animationen und Filme werden auf der DVD-ROM
„Quantendimensionen“ ab Juli 2010 vom KLETT-Verlag Stuttgart veröffentlicht 2. Experimente mit einzelnen Photonen werden unter gezeigt. 3. Bei Interesse an weiteren Informationen stehen wir gerne zur Verfügung (