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Physik-Lernen mit dem Computer

Programmpaket PHOTONEN © Horst Hübel, Würzburg 2007

Download des Programmpakets PHOTONEN

• PHOTONEN und
• POLARIS

Oben: Bildschirmfoto vom Programm PHOTONEN (G-R-A-Versuch: Prinzip)

Oben: Bildschirmfoto vom Programm POLARIS (Experimente mit Polarisatoren)

Mit den Programmen sollen grundsätzliche Fakten der Quantenphysik erarbeitet werden.  Mit dem 1. Programm (PHOTONEN) können die Schüler erkennen, dass Photonen Teilchen sind, die, wenn sie auftreten,  ungeteilt auftreten. Es liegen Versuche am Strahlteiler zugrunde, speziell die von Grangier, Roger und Aspect (G-R-A-Experiment), die als die zwingendsten Versuche für Photonen als Teilchen gelten. Mit dem 1. Programm (PHOTONEN) können verschiedene simulierte Experimente durchgeführt werden:

Versuche mit dem Programm PHOTONEN.exe
	Elektromagnetische Wellen am Strahlteiler: Darstellung auf 3 simulierten Oszilloskop-Bildschirmen. Das vermutete Versuchsergebnis ist bei geringer Lichtleistung gerade nicht zu beobachten. Stattdessen kann man mit Photonenzählern genauere Erkenntnisse erlangen.
	Prinzip des G-R-A-Versuchs durch Photonenzählung bei geringer Lichtleistung. Die beiden Sensoren registrieren den Nachweis einzelner Photonen unabhängig voneinander.
	G-R-A-Versuch: Mit einer Zwei-Photonen-Quelle wird gesichert, dass immer nur genau ein Messphoton in der Anordnung ist. Es wird getestet, ob das Messphoton am Strahlteiler aufgeteilt wird (versuchte Koinzidenzmessung). Die Sensoren S1 und S2 sprechen so gut wie nie zugleich an: Das Photon wird am Strahlteiler nicht aufgeteilt.
Folgende Versuche sind möglich:	Anordnung zum Test der Koinzidenz-Messung: Eine Zwei-Photonen-Quelle sendet gleichzeitig zwei Photonen in entgegengesetzte Richtungen aus. Sind die Zähler in gleicher Entfernung von der Quelle aufgestellt, zeigen sie nach der gleichen Laufzeit das gleichzeitige Registrieren zweier Photonen an. Ändert man aber den Abstand eines der beiden Sensoren, bewirkt der Laufzeitunterschied, dass die Photonen zu verschiedenen Zeiten eintreffen. Es kann keine Koinzidenz mehr entstehen.

• elektromagnetische Wellen am Strahlteiler

• Photonen am Strahlteiler mit getrennten Detektoren für beide Wege

• Photonen am Strahlteiler mit Nachweis ausbleibender Koinzidenzen für Photonen auf beiden Wegen

• Test der Koinzidenz-Messung

Um das Geschehen zu veranschaulichen werden anfangs laufende Photonen gezeigt, die entweder den einen oder den anderen Weg am Strahlteiler wählen. Dann wird die Simulation unterbrochen, laufende Photonen werden "abgeschaltet" und nur Beobachtbares gezeigt, also nur noch Zählereignisse.

Insgesamt wird die Vorstellung von Photonen als Teilchen gefestigt. Zur Erinnerung: Photonen sind im Sinne der Quantenphysik eindeutig Teilchen, weil sie gemäß der quantenphysikalischen Teilchendefinition gezählt werden können.

Das 2. Programm (POLARIS) stellt den Schülern simulierte Experimente mit bis zu drei Polarisatoren zur Verfügung. Damit sollen die Eigenheiten des quantenphysikalischen Messprozesses untersucht werden: Es geht um

• die Reproduzierbarkeit quantenphysikalischer Messungen, um

• die Un-be-stimmtheit von quantenphysikalischen Messgrößen vor einer Messung, und um

• die Komplementarität von Paaren gewisser Messgrößen, d.h. um die Erfahrungstatsache, dass solche Paare nicht gleichzeitig be-stimmt sein können, d.h. nicht gleichzeitig Eigenschaften eines physikalischen Systems sein können.

Folgende simulierte Versuche sind möglich:

• Wirkung eines Polarisators bei einer unpolarisierten Photonenquelle

• Wirkung von Polarisator und Analysator

• Reproduzierbarkeit von quantenphysikalischen Messungen (Polarisationsmessung als Prototyp einer Messung). Sie bedeutet, dass nach einer Messung, durch die eine Messgröße be-stimmt wurde (also Eigenschaft des Systems wurde), eine unmittelbar folgende gleichartige Messung das gleiche Ergebnis liefert, wenn sich in der Zwischenzeit das System nicht verändert hat. Das gilt so für ideale Messungen. Man glaubt heute zu wissen, wie ideale (z.B. nicht verbrauchende, "non demolition") Messungen wenigstens im Prinzip durchgeführt werden können.

• Un-be-stimmtheit einer Messgröße vor einer Messung: Es lässt sich auf keine Weise aus einem Messergebnis, wodurch eine Messgröße be-stimmt wurde, auf die entsprechende Eigenschaft vor der Messung schließen.

• Komplementarität von Paaren gewisser Messgrößen: Jede der beiden Messgrößen kann durch eine Messung be-stimmt gemacht werden, aber es können nie beide gleichzeitig be-stimmt sein, d.h. Eigenschaft des Systems sein. Im Programm bezieht sich das auf die Eigenschaften "Polarisation des Photons bzgl. des Polarisators AN (Analysators)" und "Polarisation des Photons bzgl. des Polarisators T (Tester)". Jede Messung einer dieser Eigenschaften macht eine eventuelle vorherige Messung der anderen ungültig.

Einige dieser Versuche sind durch Menuepunkte im Programm vorbereitet und werden kommentiert. Es ist aber auch freies Experimentieren mit den maximal drei Polarisatoren möglich.

Um eine Übersicht über das Geschehen zu bekommen, werden zunächst laufende Photonen gezeigt, deren Polarisationsrichtung sogar noch angedeutet ist. Wenn die Schüler so eine Vorstellung gewonnen haben, wird ihnen vorgeschlagen, sich auf Beobachtbares zu beschränken, d.h. die laufenden Photonen "abzuschalten".

Dabei geht es in beiden Programmen zunächst um qualitative Beobachtungen. Weil Zähler installiert sind, können auch Wahrscheinlichkeiten (als relative Häufigkeiten für sehr große Zahl von Versuchen) ermittelt und mit theoretischen Ansätzen verglichen werden.