Deutschlandweites Pilotprojekt am Spohn-Gymnasium

Mittelstufenschüler experimentieren mit einzelnen Quanten

Materie besteht aus Atomen, das hat sich schon Demokrit ausgedacht. In der Schule lernt man eine Erweiterung dieses Modells kennen: Noch kleinere Bausteine dieser Atome, die man sich der Einfachheit halber als kleine Kügelchen vorstellt. Alles passt schön zusammen und man glaubt, die Welt verstanden zu haben.

Und dann macht man mit solchen kleinen „Teilchen“ Experimente, deren Ergebnisse dieser Vorstellung völlig zuwiderlaufen. Man taucht ein in eine ganz andere, völlig faszinierende Welt, in der es keine Gewissheit mehr gibt, in der der Zufall regiert und anstelle von Teilchen nur noch ein Wust von Möglichkeiten zu erkennen ist. Selbst Einstein hatte bekanntlich große Schwierigkeiten, „spukhafte Fernwirkungen“ mit seinem Weltbild zu vereinbaren. Man staunt, muss neue Modelle überlegen und entdeckt Anwendungen, die vielleicht bald schon in neue technische Erfindungen münden. So geht es zur Zeit Schülerinnen und Schülern am Spohn-Gymnasium in einem wohl bundesweit einzigartigen Schulprojekt.

Mit einzelnen Quanten zu experimentieren, war bisher Forschungsgruppen an Universitäten vorbehalten, weil die entsprechenden Apparaturen nicht nur ziemlich aufwändig und sensibel waren, sondern auch sehr teuer. Da aber auch im Physikunterricht der Oberstufe die Eigenschaften von Quanten behandelt werden, bestand unsererseits schon lange der Wunsch, entsprechende Experimente in der Schule durchführen zu können. Wir nahmen im Schuljahr 2013/2014 genau zum richtigen Zeitpunkt Kontakt zur Münchner Firma qutools auf, die gerade die Idee entwickelt hatte, einen „Quantenkoffer“ für Schulen auf den Markt zu bringen. Wir vereinbarten eine Zusammenarbeit, die in einem gemeinsamen Antrag der Physikfachschaften von AEG und Spohn und dem Schülerforschungszentrum für Fördergelder der Heraeus-Stiftung mündete. Bereits im Oktober 2014 haben wir für dieses Projekt 30 000 Euro genehmigt bekommen! Das zeigt, welch großer Stellenwert der Entwicklung von Quanten-Experimenten für Schulen beigemessen wird.

Während bei qutools parallel die Hardware entwickelt wird, wobei eine ganze Reihe technischer Hürden zu überwinden sind, können wir nun schon das zweite Schuljahr mit Hilfe von Prototypen viele Experimente durchführen und wertvolle Erfahrungen sammeln, die wiederum in die Produktentwicklung zurückfließen. Unser Ziel war von Anfang an, den Quantenkoffer so zu konzipieren, dass die Quantenwelt bereits für Schüler der Mittelstufe erfahr- und verstehbar wird. Unter dem Dach des Schülerforschungszentrums bieten wir am Spohn interessierten Schülerinnen und Schülern die Gelegenheit, eigene Experimente zu planen, durchzuführen und auszuwerten und gleichzeitig in die verschränkte Quantenwelt einzutauchen.

Die Faszination, die von der Quantenphysik ausgeht, ist bei unseren Treffen ständig zu spüren. In dem Bild kann man sehen, wie viel Spaß es machen kann, wenn die Schülerinnen und Schüler die Photonen endlich erfolgreich in die Glasfasern eingekoppelt und schließlich sogar ein Interferenzmuster erhalten haben, das im Hintergrund zu sehen ist. Anschließend werden in der Gruppe die Messergebnisse diskutiert und um Verständnis gerungen, wie es die großen Physiker in den 30er Jahren auch getan haben. Richtig deutlich werden die Besonderheiten, wenn wir Verbindungen zu unserer makroskopischen Welt herstellen, wie es zum Beispiel Erwin Schrödinger in einem bekannten Beispiel gemacht hat: Dann kann eine Katze lebendig und tot zugleich sein. Aber nur, solange keiner den Deckel der Kiste öffnet…

 

Text und Bilder: Andreas Müller

 

Auf dem Bild: Diana Krauter, Levin Gonther, Sarah Lins; im Hintergrund: Einzelphotoneninterferenz

 

 

Die Abbildung 2 zeigt das Kernstück des Experiments, das uns von der Firma qutools zur Verfügung gestellt wird. Hier werden paarweise verschränkte Photonen erzeugt und für weitere Experimente in Glasfasern eingekoppelt.