Moderne Physik und Schule Franz Embacher Fakultät für Physik | Fakultät für Mathematik Universität Wien Vortrag am Jahrestreffen der Physiklehrer/innen Stadtschulrat für Wien, 13. Oktober 2017

Inhalt Was ist moderne Physik? Moderne Physik im Unterricht Prinzipien!? Elitzur-Vaidmann-Bombentest Gravitationswellen Expansion des Universums Quanten-Gickse Schwarze Löcher

Moderne Physik Was ist moderne Physik? Physik des 20. und 21. Jahrhunderts, in der Regel basierend auf Quantentheorie, den beiden Relativitätstheorien und modern(st)er Technologie. Probleme dabei sind (unter anderem) abstrakte Konzepte (Raumzeit und Raumzeitkrümmung, Quantenzustand, Spin, virtuelle Prozesse, Vakuum, …), und der mathematische Formalismus (partielle Differentialgleichungen, Hilbertraum, …).

Moderne Physik Moderne Physik im Unterricht kann sein: Teil des Unterrichtsstoffs oder zusätzlicher „Bonus“. Beides soll (unter anderem) SchülerInnen helfen, eine rationale Weltsicht zu erwerben, die Physik als schöpferische Leistung der Menschheit und damit als Kulturgut zu erkennen, über eine naturwissenschaftliche Grundbildung zu verfügen und selbstständig Wissen zu erwerben. (Physik-Lehrplan AHS)

Prinzipien?! Was macht die Vermittlung von Inhalten, denen komplexe und komplizierte Überlegungen zugrunde liegen, leichter? Visualisierungen statt Formeln/Ableitungen? gute Visualisierungen statt umständlicher Ableitungen wenn möglich dynamische Visualisierungen Aber Visualisierungen wovon? von physikalischen Konzepten und physikalischen Sachverhalten – diese betreffen sehr oft Beziehungen zwischen Konzepten Daher müssen auch die Ausbildung von Konzeptvorstellungen und das Argumentieren mit Konzepten ermöglicht werden.

Prinzipien!? Klare (ggf. vereinfachte) Begriffe/physikalische Konzepte Fokussierung auf wenige zentrale Aussagen oder Problemstellungen Möglichkeiten zum Nachdenken! Vereinfachte Modelle (toy models), die – wenn möglich – an Bekanntem anknüpfen, in denen Lernende sich orientieren können, mit denen Lernende selbst operieren können und die ein gewisses Potential zu Erkenntnisgewinn durch Argumentation besitzen.

Elitzur-Vaidmann-Bombentest Der Bombentest

Elitzur-Vaidmann-Bombentest Avshalom Cyrus Elitzur und Lev Vaidmann: Quantum-mechanical interaction-free measurements, Foundations of Physics 23, 987-997 (1993) http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Quantentheorie/Bombe/

Elitzur-Vaidmann-Bombentest Es wird an bekannten Konzepten und Sachverhalten angeknüpft (Licht, Strahlengang, Überlagerung). Keine Berechnungen nötig (wiewohl möglich!) Toy model: Polarisation ignoriert, unendlich dünne Strahlen [Problem Phasensprünge] Konzeptvorstellung: Übergang zur Quantentheorie – die Intensität der Lichtwelle wird in die quantenmechanische Wahrscheinlichkeit übersetzt. Fragestellung: „Wie kann man …“ Fokus auf Nichtlokalität Weiterführende Fragestellung/Möglichkeiten zum Nachdenken: „Womit haben wir …“ Wissenschaftliche Beschreibung vs. Bedürfnis nach „Deutung“

Gravitationswellen Gravitationswellen

BH merger – Februar 2016! Physics – Viewpoint: The First Sounds of Merging Black Holes

Gravitationswellen Wie kann man sich Gravitationswellen vorstellen?

Gravitationswellen Gravitationswellen sind ein von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagtes Phänomen. Die ART ersetzt den Begriff der Gravitationskraft durch das Konzept einer dynamischen Geometrie der Raumzeit. Massen sagen der Raumzeit, wie sie sich krümmen soll, die Krümmung der Raumzeit sagt den Massen, wie sie sich bewegen sollen. Ebenso wie elektromagnetische Wellen können sich „Wellen“ der Raumzeit-Geometrie im Vakuum ausbreiten  Gravitationswellen. Gravitationswellen sind Transversalwellen – sie bewirken „Geometrieschwingungen“ und daher Bewegungen quer zu ihrer Ausbreitungsrichtung, die gemessen werden können  Nobelpreis 2017 an Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne.

Hier fehlt doch noch etwas… Gravitationswellen Gravitationswellen sind ein von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagtes Phänomen. Die ART ersetzt den Begriff der Gravitationskraft durch das Konzept einer dynamischen Geometrie der Raumzeit. Massen sagen der Raumzeit, wie sie sich krümmen soll, die Krümmung der Raumzeit sagt den Massen, wie sie sich bewegen sollen. Ebenso wie elektromagnetische Wellen können sich „Wellen“ der Raumzeit-Geometrie im Vakuum ausbreiten  Gravitationswellen. Gravitationswellen sind Transversalwellen – sie bewirken „Geometrieschwingungen“ und daher Bewegungen quer zu ihrer Ausbreitungsrichtung, die gemessen werden können  Nobelpreis 2017 an Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne. Hier fehlt doch noch etwas…

Gravitationswellen Zurück zu ganz elementaren Sachverhalten der Physik vor der Allgemeinen Relativitätstheorie Bewegung, Entfernung, Beschleunigung, Kraft ART-Phänomen Gravitationswelle

Expansion des Universims Apropos Raumzeit … Die Expansion des Universums

Expansion des Universums Wie und wie schnell und wohin expandiert das Universum? Faktor 3 früher später

Expansion des Universums Faktor 3 Milchstraße Milchstraße andere Galaxie andere Galaxie früher später Scheinbare Fluchtbewegung „weg von uns“. Hubble-Gesetz: … Entfernung einer Galaxie … Änderungsrate der Entfernung („Fluchtgeschwindigkeit“) … Hubble-Konstante

Expansion des Universums Faktor 3 Milchstraße Milchstraße andere Galaxie andere Galaxie früher später Scheinbare Fluchtbewegung „weg von uns“. Hubble-Gesetz: … Entfernung einer Galaxie … Änderungsrate der Entfernung („Fluchtgeschwindigkeit“) … Hubble-Konstante neues Konzept!

Expansion des Universums Fragen von SchülerInnen: Wohin dehnt sich das Universum aus?  schwierig! Wie schnell dehnt sich das Universum aus? Mit welcher Geschwindigkeit expandiert das Universum? Stimmt es, dass sich das Universum mit Überlichtgeschwindigkeit ausdehnt? Gibt es auch andere Universen als unseres?  diskussionswürdig, was als „Universum“ anzusehen ist!  Schlussrechnung!

Raum-Zeit-Krümmung im expandierenden Universum

Raum-Zeit-Krümmung im expandierenden Universum 2D-Modell

Gravitationswellen Quanten-Gickse

Quanten-Gickse http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Quantentheorie/gicks/

Quanten-Gickse Simulation (keine theoretischen Berechnungen, allenfalls Messungen!) Toy model: Spin ½ bzw. Polarisation  auf 4 Observable reduziert Konzepte: Zustand vs. Observable, Präparierung, Messung und Wahrscheinlichkeitsaussagen, Unbestimmheit einer Observable Fokus auf EPR: „Protokoll“ einer Bell-Messung, Nichtlokalität Qu-Teleportation: „Protokoll“, keine instantane Informationsübertragung! Hintergrundinformationen

Nachtrag: Quanten-Teleportation in Bildern http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Quantentheorie/Teleportation/

Gravitationswellen Schwarze Löcher

Kausalstruktur und Lichtkegel Spezielle Relativitätstheorie (Einstein, 1905; Minkowski, 1908) Zeit Weltlinie Lichtkegel (Weltlinien von Licht) Zukunft von A Gegenwart von A Gegenwart von A A Vergangenheit von A Raum Raum

Kausalstruktur eines Schwarzen Lochs http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/Raumzeit/

Kausalstruktur eines Schwarzen Lochs

Die Wanze auf der heißen Ofenplatte Nachtrag zum Krümmungsbegriff… http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/EinsteinRechnet/Kruemmung.html (aus: F.E.: „Wer mit Einstein rechnete“, math.space, Wien, 2005)

Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Diese Präsentation gibt‘s im Web unter http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/PhysikDidaktik/MoernePhysikUndSchule.ppsx bzw. http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/PhysikDidaktik/ModernePhysikUndSchule.pdf