{"id":233,"date":"2018-04-23T07:28:35","date_gmt":"2018-04-23T07:28:35","guid":{"rendered":"http:\/\/www.milq.info\/?page_id=233"},"modified":"2026-04-09T13:24:24","modified_gmt":"2026-04-09T11:24:24","slug":"m16_alle-wege-modell","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/www.milq.info\/en\/m16_alle-wege-modell\/","title":{"rendered":"Das Alle-Wege-Modell"},"content":{"rendered":"<div id=\"bsf_rt_marker\"><\/div><p>Bisher wurde das merkw\u00fcrdige Verhalten des Elektrons beim Doppelspaltversuch so interpretiert, dass das Elektron keine Ortseigenschaft besitzt.<br \/>\nHier soll eine andere Interpretation beschrieben werden:<br \/>\nDas Elektron nutzt gleichzeitig <strong>alle<\/strong> ihm zur Verf\u00fcgung stehenden Wege (Alle-Wege-Modell). Diese Interpretation ist wie die Erkl\u00e4rung, dass einem Quantenobjekt die Eigenschaft &#8220;Ort&#8221; nicht zugeschrieben werden kann, mit dem gesunden Menschenverstand nur schwer in Einklang zu bringen.<\/p>\n<p>Die Interpretation des Alle-Wege-Modells, die mit dem Zeigerformalismus Feynmans verkn\u00fcpft ist, wird durch das sogenannte Superpositionsprinzip mathematisch beschrieben.<\/p>\n<p>Beim Doppelspaltexperiment gibt es f\u00fcr ein Elektron zwei Zust\u00e4nde mit eindeutigen Wegeigenschaften:<\/p>\n<p>\u03c8<strong><sub>A<\/sub><\/strong>: Elektron besitzt die Wegeigenschaft A (d.h. es ist durch den Spalt A gegangen)<br \/>\n\u03c8<strong><sub>B<\/sub><\/strong>: Elektron besitzt die Wegeigenschaft B (d.h. es ist durch den Spalt B gegangen)<\/p>\n<p>In der Quantenmechanik ist auch der \u00fcberlagerte Zustand\u00a0\u03c8 = \u03c8<strong><sub>A<\/sub><\/strong> + \u03c8<strong><sub>B<\/sub><\/strong> m\u00f6glich. Dabei hei\u00dft\u00a0<strong>\u03c8 Superposition<\/strong> <strong>der Komponenten \u03c8<sub>A<\/sub> und \u03c8<sub>B<\/sub>.<\/strong><\/p>\n<p>In der klassischen Physik ist es nicht vorstellbar, dass sich ein Elektron im \u00fcberlagerten Zustand\u00a0\u03c8 sowohl durch Spalt A, als auch durch Spalt B bewegt. Das Elektron wird nicht auf zwei Wege aufgeteilt (man kann keine Bruchteile von Elektronen nachweisen), sondern das eine, unteilbare Elektron hat eine mehrdeutige Wegeigenschaft. Mehrdeutig hei\u00dft hier, dass bei einer Einzelmessung stets einer der Werte &#8220;Wegeigenschaft A&#8221; oder &#8220;Wegeigenschaft B&#8221; gefunden wird, der sich jedoch nicht mit Sicherheit, sondern nur mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit vorhersagen l\u00e4sst.<\/p>\n<p>Wenn das Elektron eine mehrdeutige Wegeigenschaft besitzt, dann bedeutet dies, dass das Elektron nicht auf einen bestimmten Ort beschr\u00e4nkt sein muss. Diese Tatsache bezeichnet man auch mit dem Begriff <strong>Nichtlokalit\u00e4t<\/strong>. Die Nichtlokalit\u00e4t von Quantenobjekten l\u00e4sst noch weitere Interpretationen zu:<\/p>\n<p>Das Elektron geht im Doppelspaltexperiment beide Wege <strong>gleichzeitig<\/strong>.<\/p>\n<p>Das Elektron nutzt zwei Wege und kann dabei die verschiedenen Wege unterschiedlich stark verwenden. Prinzipiell sollte es auch mehr Wege gehen k\u00f6nnen.<br \/>\nFeynman formulierte deshalb in seinem Buch &#8220;QED &#8211; Die seltsame Theorie von Licht und Materie&#8221; eine These, nach der ein Quantenobjekt auf dem Weg von Ort A zu Ort B <strong>alle denkbaren Wege<\/strong> (mit z.\u00a0T. unterschiedlichen Intensit\u00e4ten) zwischen den Orten nutzt. Das Quantenobjekt besitzt also unendlich viele Weg-Komponenten, die sich im Ort B wieder \u00fcberlagern. Je nachdem, ob mehr konstruktive oder mehr destruktive Interferenz vorliegt, wird das Quantenobjekt mit einer h\u00f6heren oder niedrigeren Wahrscheinlichkeit am Ort B nachzuweisen sein.<\/p>\n<p>Diese Idee wird auch von Experimenten gest\u00fctzt, die z. B. Franz Bader durchgef\u00fchrt hat: Dabei wird die Reflexion von Mikrowellen an einer glatten Fl\u00e4che untersucht und ein Detektor D registriert die Intensit\u00e4t der reflektierten Strahlen. Nach dem Alle-Wege-Modell breiten sich die Strahlen von der Quelle Q auf allen Wegen aus und interferieren am Ort D. Dabei gibt es Wege, die durch konstruktive Interferenz am Detektor zu einer Intensit\u00e4tssteigerung f\u00fchren, und solche, die durch destruktive Interferenz das Signal mindern. Verhindert man die ung\u00fcnstigen Wege, indem die reflektierende Fl\u00e4che an den entsprechenden Stellen &#8220;geschw\u00e4rzt&#8221; (f\u00fcr Mikrowellen absorbierend gemacht) wird, dann steigt im Detektor die Intensit\u00e4t gegen\u00fcber dem glatten Spiegel deutlich an (Bemerkung: Auf diese Art hat man eine Art Gitter konstruiert, das in Richtung des Detektors optimal reflektiert.).<br \/>\nDieses Experiment ist ein starkes Indiz f\u00fcr die Deutung, dass sich die Mikrowellen auf allen bzw. vielen Wegen ausbreiten. Geht man auch hier von der Mikrowellenstrahlung zu einzeln Mikrowellenquanten \u00fcber, so st\u00f6\u00dft man wieder auf die Nichtlokalit\u00e4t der Quanten: Ein Quant nutzt viele Wege.<\/p>\n<p>Die beiden Deutungen, dass das Elektron die Eigenschaft &#8220;Ort&#8221; nicht besitzt und das &#8220;Alle-Wege-Modell&#8221; sind bisher als Alternativen formuliert worden. Die Sichtweisen sind jedoch die zwei Seiten ein und derselben Medaille: Nach Feynman geht das Elektron alle Wege gleichzeitig. Dies widerspricht der klassischen Erfahrung, gem\u00e4\u00df der ein Objekt zu einer Zeit nur genau einen Weg nutzen kann. Deshalb besitzt das Elektron nach klassischem Bild auch in der Alle-Wege-Deutung die Eigenschaft &#8220;Weg&#8221; nicht.<\/p>\n<p>Beschr\u00e4nkt man sich bei dem Alle-Wege-Modell auf die (abschnittsweise) geradlinigen Wege (im Folgenden <strong>Zeigerlinien<\/strong> genannt), dann bietet der <strong>Zeigerformalismus<\/strong> eine einfache Methode, die in Experimenten ermittelten Wahrscheinlichkeitsverteilungen vorherzusagen. In verschiedenen Ver\u00f6ffentlichungen haben F. Bader, wie auch J. K\u00fcblbeck oder J. Werner oder R. Erb Beispiele angegeben, die vom Schwierigkeitsgrad her auch in Schulen Anwendung finden k\u00f6nnen. Die Grundidee formulierte J. K\u00fcblbeck sinngem\u00e4\u00df wie folgt:<\/p>\n<p>Ein Rad mit dem Umfang\u00a0\u03bb (de-Broglie-Wellenl\u00e4nge) wird auf der Zeigerlinie abgerollt. Das Rad tr\u00e4gt einen Zeiger, der beim Start (Quelle Q) nach oben zeigt. Die Zeigerstellung am Ziel X ist ein Vektor, der in der Regel die L\u00e4nge 1 hat und um einen Phasenwinkel j gegen\u00fcber der Ausgangslage verdreht ist.<\/p>\n<div><img decoding=\"async\" src=\"\/data\/_uploaded\/image\/stories\/abb52.gif\" alt=\"\" \/><\/div>\n<p>Im Doppelspaltexperiment gibt es zwei gleichwertige Wege f\u00fcr das Quantenobjekt, die es gleichzeitig nutzt. Dem entsprechend m\u00fcssen beim Zeigerformalismus zwei Zeigerlinien ber\u00fccksichtigt werden. F\u00fcr beide Zeigerlinien sind nun die Zeigerstellungen zu bestimmen und vektoriell zu addieren (das entspricht der Addition der beiden Komponenten \u03c8<strong><sub>A<\/sub><\/strong> und \u03c8<strong><sub>B<\/sub><\/strong> der Zustandsfunktion \u03c8). Das Betragsquadrat des resultierenden Vektors ist die Intensit\u00e4t I<sub>(X)<\/sub> und entspricht der Wahrscheinlichkeit, das Objekt am Ort X anzutreffen. Wegen der vektoriellen Addition kann es je nach Lage des Endpunktes X sowohl zu konstruktiver, wie auch zu destruktiver Interferenz kommen.<\/p>\n<p>In der Abbildung sind f\u00fcr drei verschiedene Detektorpositionen die (unnormierte) Wahrscheinlichkeit eingezeichnet. Werden noch weitere Detektorpositionen untersucht, so erh\u00e4lt man eine Intensit\u00e4tsverteilung bzw. eine Wahrscheinlichkeitsverteilung, die das Experiment sehr gut beschreibt.<\/p>\n<div>\n<div class=\"img_caption null\">\n<p><img decoding=\"async\" class=\"caption\" title=\"Zeigermodell\" src=\"\/data\/_uploaded\/image\/stories\/abb53.gif\" alt=\"\" \/><\/p>\n<p>Zeigermodell<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<p>F\u00fcr den Fall, dass die beiden Wege \u00fcber eine Messung an den Spalten unterscheidbar sind (Experiment 6.1 im milq-Lehrgang), d\u00fcrfen die Zeigerstellungen nicht mehr vektoriell addiert werden, da durch die Ortsmessung die Interferenzf\u00e4higkeit (Koh\u00e4renz) zerst\u00f6rt wird. In diesem Fall sind die Betragsquadrate zu addieren. Hier kann sich die Intensit\u00e4t mit jedem neuen Weg nur erh\u00f6hen.<\/p>\n<p>Im allgemeinen Fall k\u00f6nnen es noch weit mehr Zeigerlinien sein, die von einem Quantenobjekt genutzt werden. Dann m\u00fcssen die Zeigerlinien gruppiert werden. Alle Zeigerlinien, die das Quantenobjekt ununterscheidbar und gleichzeitig nutzt, werden zu einer Gruppe zusammengefasst. Die Intensit\u00e4t I<sub>(X)<\/sub> wird nun bestimmt, indem die Zeigerstellungen innerhalb einer Gruppe vektoriell addiert und anschlie\u00dfend die Betr\u00e4ge der Summenvektoren jeder Gruppe aufsummiert werden. Das Ergebnis ist die (unnormierte) Wahrscheinlichkeit f\u00fcr den \u00dcbergang Q \u2192 X.<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<hr \/>\n<p>Literaturhinweise:<br \/>\n[1] Dr. Josef K\u00fcblbeck: &#8220;Modellbildung in der Physik&#8221;, Materialien Physik Ph22, Landesinstitut f\u00fcr Erziehung und Unterricht Stuttgart, Sept. 1997.<br \/>\n[2] Johannes Werner: &#8220;Vom Licht zum Atom&#8221;, Logos Verlag, Berlin, 2000.<br \/>\n[3] Roger Erb: &#8220;Optik mit Lichtwegen&#8221;, Westarp-Wissenschaften, Bochum, 1994.<br \/>\n[4] Franz Bader: &#8220;Eine Quantenwelt ohne Dualismus&#8221;, Schroedel Verlag, Hannover, 1996, S.70f.<br \/>\n[5] Richard Feynman: &#8220;QED &#8211; The Strange Theory of Light and Matter&#8221;, Penguin Books, London oder die deutsche Ausgabe: &#8220;Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie&#8221;, Piper Verlag, M\u00fcnchen, Z\u00fcrich 1992.Bisher wurde das merkw\u00fcrdige Verhalten des Elektrons beim Doppelspaltversuch so interpretiert, dass das Elektron keine Ortseigenschaft besitzt.<br \/>\nHier soll eine andere Interpretation beschrieben werden:<br \/>\nDas Elektron nutzt gleichzeitig <strong>alle<\/strong> ihm zur Verf\u00fcgung stehenden Wege (Alle-Wege-Modell). Diese Interpretation ist wie die Erkl\u00e4rung, dass einem Quantenobjekt die Eigenschaft &#8220;Ort&#8221; nicht zugeschrieben werden kann, mit dem gesunden Menschenverstand nur schwer in Einklang zu bringen.<\/p>\n<p>Die Interpretation des Alle-Wege-Modells, die mit dem Zeigerformalismus Feynmans verkn\u00fcpft ist, wird durch das sogenannte Superpositionsprinzip mathematisch beschrieben.<\/p>\n<p>Beim Doppelspaltexperiment gibt es f\u00fcr ein Elektron zwei Zust\u00e4nde mit eindeutigen Wegeigenschaften:<\/p>\n<p>\u03c8<strong><sub>A<\/sub><\/strong>: Elektron besitzt die Wegeigenschaft A (d.h. es ist durch den Spalt A gegangen)<br \/>\n\u03c8<strong><sub>B<\/sub><\/strong>: Elektron besitzt die Wegeigenschaft B (d.h. es ist durch den Spalt B gegangen)<\/p>\n<p>In der Quantenmechanik ist auch der \u00fcberlagerte Zustand\u00a0\u03c8 = \u03c8<strong><sub>A<\/sub><\/strong> + \u03c8<strong><sub>B<\/sub><\/strong> m\u00f6glich. 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Diese Tatsache bezeichnet man auch mit dem Begriff <strong>Nichtlokalit\u00e4t<\/strong>. Die Nichtlokalit\u00e4t von Quantenobjekten l\u00e4sst noch weitere Interpretationen zu:<\/p>\n<p>Das Elektron geht im Doppelspaltexperiment beide Wege <strong>gleichzeitig<\/strong>.<\/p>\n<p>Das Elektron nutzt zwei Wege und kann dabei die verschiedenen Wege unterschiedlich stark verwenden. Prinzipiell sollte es auch mehr Wege gehen k\u00f6nnen.<br \/>\nFeynman formulierte deshalb in seinem Buch &#8220;QED &#8211; Die seltsame Theorie von Licht und Materie&#8221; eine These, nach der ein Quantenobjekt auf dem Weg von Ort A zu Ort B <strong>alle denkbaren Wege<\/strong> (mit z.\u00a0T. unterschiedlichen Intensit\u00e4ten) zwischen den Orten nutzt. Das Quantenobjekt besitzt also unendlich viele Weg-Komponenten, die sich im Ort B wieder \u00fcberlagern. Je nachdem, ob mehr konstruktive oder mehr destruktive Interferenz vorliegt, wird das Quantenobjekt mit einer h\u00f6heren oder niedrigeren Wahrscheinlichkeit am Ort B nachzuweisen sein.<\/p>\n<p>Diese Idee wird auch von Experimenten gest\u00fctzt, die z. B. Franz Bader durchgef\u00fchrt hat: Dabei wird die Reflexion von Mikrowellen an einer glatten Fl\u00e4che untersucht und ein Detektor D registriert die Intensit\u00e4t der reflektierten Strahlen. Nach dem Alle-Wege-Modell breiten sich die Strahlen von der Quelle Q auf allen Wegen aus und interferieren am Ort D. Dabei gibt es Wege, die durch konstruktive Interferenz am Detektor zu einer Intensit\u00e4tssteigerung f\u00fchren, und solche, die durch destruktive Interferenz das Signal mindern. Verhindert man die ung\u00fcnstigen Wege, indem die reflektierende Fl\u00e4che an den entsprechenden Stellen &#8220;geschw\u00e4rzt&#8221; (f\u00fcr Mikrowellen absorbierend gemacht) wird, dann steigt im Detektor die Intensit\u00e4t gegen\u00fcber dem glatten Spiegel deutlich an (Bemerkung: Auf diese Art hat man eine Art Gitter konstruiert, das in Richtung des Detektors optimal reflektiert.).<br \/>\nDieses Experiment ist ein starkes Indiz f\u00fcr die Deutung, dass sich die Mikrowellen auf allen bzw. vielen Wegen ausbreiten. Geht man auch hier von der Mikrowellenstrahlung zu einzeln Mikrowellenquanten \u00fcber, so st\u00f6\u00dft man wieder auf die Nichtlokalit\u00e4t der Quanten: Ein Quant nutzt viele Wege.<\/p>\n<p>Die beiden Deutungen, dass das Elektron die Eigenschaft &#8220;Ort&#8221; nicht besitzt und das &#8220;Alle-Wege-Modell&#8221; sind bisher als Alternativen formuliert worden. Die Sichtweisen sind jedoch die zwei Seiten ein und derselben Medaille: Nach Feynman geht das Elektron alle Wege gleichzeitig. Dies widerspricht der klassischen Erfahrung, gem\u00e4\u00df der ein Objekt zu einer Zeit nur genau einen Weg nutzen kann. Deshalb besitzt das Elektron nach klassischem Bild auch in der Alle-Wege-Deutung die Eigenschaft &#8220;Weg&#8221; nicht.<\/p>\n<p>Beschr\u00e4nkt man sich bei dem Alle-Wege-Modell auf die (abschnittsweise) geradlinigen Wege (im Folgenden <strong>Zeigerlinien<\/strong> genannt), dann bietet der <strong>Zeigerformalismus<\/strong> eine einfache Methode, die in Experimenten ermittelten Wahrscheinlichkeitsverteilungen vorherzusagen. In verschiedenen Ver\u00f6ffentlichungen haben F. Bader, wie auch J. K\u00fcblbeck oder J. Werner oder R. Erb Beispiele angegeben, die vom Schwierigkeitsgrad her auch in Schulen Anwendung finden k\u00f6nnen. Die Grundidee formulierte J. K\u00fcblbeck sinngem\u00e4\u00df wie folgt:<\/p>\n<p>Ein Rad mit dem Umfang\u00a0\u03bb (de-Broglie-Wellenl\u00e4nge) wird auf der Zeigerlinie abgerollt. Das Rad tr\u00e4gt einen Zeiger, der beim Start (Quelle Q) nach oben zeigt. Die Zeigerstellung am Ziel X ist ein Vektor, der in der Regel die L\u00e4nge 1 hat und um einen Phasenwinkel j gegen\u00fcber der Ausgangslage verdreht ist.<\/p>\n<div><img decoding=\"async\" src=\"\/data\/_uploaded\/image\/stories\/abb52.gif\" alt=\"\" \/><\/div>\n<p>Im Doppelspaltexperiment gibt es zwei gleichwertige Wege f\u00fcr das Quantenobjekt, die es gleichzeitig nutzt. Dem entsprechend m\u00fcssen beim Zeigerformalismus zwei Zeigerlinien ber\u00fccksichtigt werden. F\u00fcr beide Zeigerlinien sind nun die Zeigerstellungen zu bestimmen und vektoriell zu addieren (das entspricht der Addition der beiden Komponenten \u03c8<strong><sub>A<\/sub><\/strong> und \u03c8<strong><sub>B<\/sub><\/strong> der Zustandsfunktion \u03c8). Das Betragsquadrat des resultierenden Vektors ist die Intensit\u00e4t I<sub>(X)<\/sub> und entspricht der Wahrscheinlichkeit, das Objekt am Ort X anzutreffen. Wegen der vektoriellen Addition kann es je nach Lage des Endpunktes X sowohl zu konstruktiver, wie auch zu destruktiver Interferenz kommen.<\/p>\n<p>In der Abbildung sind f\u00fcr drei verschiedene Detektorpositionen die (unnormierte) Wahrscheinlichkeit eingezeichnet. Werden noch weitere Detektorpositionen untersucht, so erh\u00e4lt man eine Intensit\u00e4tsverteilung bzw. eine Wahrscheinlichkeitsverteilung, die das Experiment sehr gut beschreibt.<\/p>\n<div>\n<div class=\"img_caption null\">\n<p><img decoding=\"async\" class=\"caption\" title=\"Zeigermodell\" src=\"\/data\/_uploaded\/image\/stories\/abb53.gif\" alt=\"\" \/><\/p>\n<p>Zeigermodell<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<p>F\u00fcr den Fall, dass die beiden Wege \u00fcber eine Messung an den Spalten unterscheidbar sind (Experiment 6.1 im milq-Lehrgang), d\u00fcrfen die Zeigerstellungen nicht mehr vektoriell addiert werden, da durch die Ortsmessung die Interferenzf\u00e4higkeit (Koh\u00e4renz) zerst\u00f6rt wird. In diesem Fall sind die Betragsquadrate zu addieren. Hier kann sich die Intensit\u00e4t mit jedem neuen Weg nur erh\u00f6hen.<\/p>\n<p>Im allgemeinen Fall k\u00f6nnen es noch weit mehr Zeigerlinien sein, die von einem Quantenobjekt genutzt werden. Dann m\u00fcssen die Zeigerlinien gruppiert werden. Alle Zeigerlinien, die das Quantenobjekt ununterscheidbar und gleichzeitig nutzt, werden zu einer Gruppe zusammengefasst. Die Intensit\u00e4t I<sub>(X)<\/sub> wird nun bestimmt, indem die Zeigerstellungen innerhalb einer Gruppe vektoriell addiert und anschlie\u00dfend die Betr\u00e4ge der Summenvektoren jeder Gruppe aufsummiert werden. Das Ergebnis ist die (unnormierte) Wahrscheinlichkeit f\u00fcr den \u00dcbergang Q \u2192 X.<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<hr \/>\n<p>Literaturhinweise:<br \/>\n[1] Dr. Josef K\u00fcblbeck: &#8220;Modellbildung in der Physik&#8221;, Materialien Physik Ph22, Landesinstitut f\u00fcr Erziehung und Unterricht Stuttgart, Sept. 1997.<br \/>\n[2] Johannes Werner: &#8220;Vom Licht zum Atom&#8221;, Logos Verlag, Berlin, 2000.<br \/>\n[3] Roger Erb: &#8220;Optik mit Lichtwegen&#8221;, Westarp-Wissenschaften, Bochum, 1994.<br \/>\n[4] Franz Bader: &#8220;Eine Quantenwelt ohne Dualismus&#8221;, Schroedel Verlag, Hannover, 1996, S.70f.<br \/>\n[5] Richard Feynman: &#8220;QED &#8211; The Strange Theory of Light and Matter&#8221;, Penguin Books, London oder die deutsche Ausgabe: &#8220;Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie&#8221;, Piper Verlag, M\u00fcnchen, Z\u00fcrich 1992.<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Bisher wurde das merkw\u00fcrdige Verhalten des Elektrons beim Doppelspaltversuch so interpretiert, dass das Elektron keine Ortseigenschaft besitzt. 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