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Beobachterwerkstatt — Begleitpapier

Modul: Quantenphysik · Naturwissenschaftliche Werkstatt Version: v0.1.1 Datum: 2026-05-07 Autor: Thomas Schüller · Syntagma Forschung · Wien Kontakt: forschung@tschueller.com ORCID: 0009-0003-9799-6747 Affiliation: Unabhängiger, transdisziplinärer Forscher, privat finanziert Lizenz (Code): AGPL-3.0 Lizenz (Inhalte): CC BY 4.0 Strang: FORSCHUNG / Naturwissenschaftliche Werkstatt

Bestandscheck und Open-Source-Sondierung

Existierende Open-Source-Lösungen in derselben Nische

Vor dem Bau habe ich folgende Werkzeuge gesichtet:

Projekt Sprache/Stack Was es leistet Lücke
PhET Interactive Simulations (University of Colorado) Java/HTML5 Quantum Wave Interference, Stern-Gerlach, Atomspektren sehr breit, aber kein dedizierter Bell-Test, keine Verzögerte-Wahl-Visualisierung, keine deutsch-erstsprachige Pflege, kein peer-review-Quellenapparat im Tool
Quantum Country (Andy Matuschak / Michael Nielsen) Web/SR-Cards Spaced-Repetition-Lehrtext zu Quantum Computing reiner Lehrtext, keine Spielwiesen
IBM Quantum Composer / Qiskit Textbook Python/Notebooks Echte Quantenhardware via Cloud, mathematisch tief Hardware-Cloud, BYOK nötig, hohe Einstiegshürde, fokussiert auf Computing nicht Foundations
Quirk (Craig Gidney) Web Circuit-Sandbox für Quantengatter Computing-Fokus, keine Foundations-Spielwiesen
St. Andrews QM Visualisations (Phil Tisdall et al.) Flash/HTML5 (teils veraltet) Wellenfunktions-Visualisierungen, Tunneleffekt Foundations teilweise, Bell fehlt, nicht zweisprachig

Lücken-Begründung:

Daraus: Eigenbau gerechtfertigt, aber bewusst klein gehalten und mit Verweisen auf die größeren Plattformen (PhET, Qiskit) im Begleitpapier statt durch eigenen Re-Build.

Was tut das Modul?

Die Beobachterwerkstatt ist ein interaktives Single-File-HTML-Tool, das drei klassische Quantenphysik-Experimente als Spielwiesen zugänglich macht: den Doppelspalt mit Welcher-Weg-Detektor, die verzögerte Wahl nach Wheeler, und den Bell-Test mit CHSH-Ungleichung. Jede Spielwiese ist mit einer mathematischen Theorieschicht und einem Quellen-Apparat verbunden.

Ziel: dem Benutzer ermöglichen, die zentralen Phänomene der Quantenmechanik selbst zu erzeugen, statt sie nur zu lesen. Der pädagogische Bogen folgt dem Editorial-Artikel "Die Katze, die nie existierte" — der ist explizit als Einstieg verlinkt.

Bedienung der drei Spielwiesen

01 — Doppelspalt mit Welcher-Weg-Detektor

Schieberegler steuern die Photonenrate (10 – 500 Photonen/Sekunde) und die Detektor-Effizienz (0 – 100%). Ein Toggle aktiviert den Welcher-Weg-Detektor, ein weiterer blendet die Pfade als Visualisierung ein.

02 — Verzögerte Wahl (Wheeler)

03 — Bell-Test (CHSH)

Was zeigen die Histogramme?

Doppelspalt: Wahrscheinlichkeitsdichte |ψ(x)|² über die Schirmposition. Sichtbare Streifen = Interferenz = Phasenkohärenz = Welcher-Weg-Information ist nicht im Universum.

Verzögerte Wahl: Detektionsorte über den Schirm, separat aufgetragen für Interferenz- und Welcher-Weg-Konfiguration. Die Punkte zeigen unmittelbar, welche Statistik die jeweilige Konfiguration erzeugt.

Bell-Test: Plot der Korrelations-Stärke |S| über aufeinanderfolgende Messungen. Werte oberhalb der grünen Linie können von keiner lokalen realistischen Theorie reproduziert werden.

Welche Vereinfachungen wurden gemacht?

Das Modul ist eine Browser-Simulation, kein realer Quanten-Experimentaufbau. Die Vereinfachungen sind transparent:

  1. Doppelspalt: Die Wahrscheinlichkeitsdichte wird mit der Born-Regel berechnet, der Phasenwinkel ist eine vereinfachte 1D-Näherung. Realistische Beugungsenvelope (Einzelspalt) ist als Gauß-Faktor multipliziert.
  2. Welcher-Weg-Effizienz → Visibility: Implementiert die Englert-Komplementaritätsrelation V² + D² ≤ 1 mit D = √(Effizienz). Das ist die einfachste konsistente Verkopplung.
  3. Verzögerte Wahl: Es wird keine echte Raumzeit-Propagation simuliert. Die Statistik wird direkt aus der Konfiguration berechnet — das ist physikalisch korrekt (das Photon hat keine objektive Trajektorie), pädagogisch aber eine Black Box.
  4. Bell-Test: Monte-Carlo-Sampling der quantenmechanischen Korrelation E(a,b) = −cos(2(a−b)). Es wird kein lokales Hidden-Variable-Modell zum Vergleich simuliert; die klassische Schranke S=2 ist als Linie eingezeichnet, nicht als Simulation. Wer den klassischen Vergleich aktiv durchspielen will, müsste das in einem Fork ergänzen.
  5. Keine Decoherence-Modellierung: Die Übergangszone zwischen Quanten- und klassischem Regime wird nicht simuliert.

Welche Quelle für welche Behauptung?

Behauptung Quelle
Wellenfunktion-Formalismus, Schrödinger-Gleichung Schrödinger 1935
Welcher-Weg-Info zerstört Interferenz auch ohne Auslesung Scully & Drühl 1982, Walborn et al. 2002
V² + D² ≤ 1 Englert 1996
Verzögerte Wahl, prinzipielle Argumentation Wheeler 1978
Verzögerte Wahl, experimentelle Realisierung Jacques et al. 2007
CHSH-Ungleichung Clauser, Horne, Shimony, Holt 1969
Tsirelson-Schranke S ≤ 2√2 Tsirelson 1980
Erste experimentelle Bell-Verletzung Aspect et al. 1982
Schlupflochfreier Bell-Test Hensen et al. 2015, Giustina et al. 2015, Shalm et al. 2015
Dekohärenz-Programm Zurek 2003, Joos et al. 2003
Viele-Welten Everett 1957
Pilotwelle Bohm 1952
QBism Fuchs, Mermin, Schack 2014

Alle Quellen sind im Modul selbst unter Tab "Quellen" mit DOI verlinkt.

Hardware-Anker für Heim- und Schul-Experiment

Browser-Simulationen ersetzen kein reales Experiment. Wer den Schritt in den physischen Aufbau gehen will, hat folgende Pfade — vom Wohnzimmer bis zum Universitätslabor:

Pfad 1 — Doppelspalt zuhause (5–30 €)

Mit einem roten Laserpointer (Klasse 1 oder 2, max. 1 mW) und einem fein geschnittenen Doppelspalt (selbst geschnitten in Aluminiumfolie mit Rasierklinge, oder fertige Kreditkarten-Größe von Pasco/3B Scientific für ca. 10–30 €) lässt sich das klassische Interferenzmuster an einer weißen Wand sichtbar machen. Spaltabstand wenige Zehntelmillimeter, Wandabstand 2–5 m. Keine Quanten-Demonstration, aber die Wellenoptik direkt im Wohnzimmer. Sicherheitshinweis: Laser nicht ins Auge richten.

Pfad 2 — Einzelphotonen-Doppelspalt (Schul-/Maker-Kit, 300–2.000 €)

Echte Einzelphotonen-Detektion mit Avalanche-Photodioden ist mit Bauteilen aus dem Maker-Bereich (z.B. Hamamatsu C13366-Modul ~ 600 €) machbar, in Kombination mit einem schwach gedämpften Laser. Anleitungen u.a. bei PhysicsOpenLab (open-source, italienische Maker-Community) und in der American Journal of Physics, Beck et al. 2002 (DOI: 10.1119/1.1450559). Aufwand: ein bis zwei Wochenenden Bastelzeit.

Pfad 3 — Bell-Test als Citizen-Science (online)

Das The Big Bell Test (Nature 557, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0085-3) ist abgeschlossen, aber die Daten sind offen. IBM Quantum und vergleichbare Quantum-Computing-Plattformen erlauben es, CHSH-Schaltungen auf realer Quantenhardware aus dem Browser heraus auszuführen — die Hardware steht in realen Laboren, der Zugriff ist im Free-Tier limitiert verfügbar (BYOK-Account erforderlich). Das ist näher an „echtes Experiment" als jede Simulation: man wartet auf Queue-Zeit, sieht Rauschen, kämpft mit Decoherence.

Pfad 4 — Vollausstattung im Lehrlabor (5.000–50.000 €)

Für Schulen/FHs/Universitäten: qutools quED ist das Standardpaket für verschränkte Photonenpaare und Bell-Test im Hörsaal. Thorlabs EDU-QOP1 ist eine günstigere Variante. OptoSigma, Newport und PASCO liefern modulare Aufbauten für Doppelspalt-Anpassungen. Schweres Gerät, aber das ist das, was in echten Quantenoptik-Vorlesungen steht. Konkrete Preise variieren nach Konfiguration und Lieferant.

Barrierefreiheit

Was steht noch aus (Roadmap)