Aku Pajula: Fotonikäsitteen johdonmukainen käyttö kvanttitilana yhden fotonin kaksoisrakokokeessa

Aika: To 31.10. 14.30-14.55

Paikka: F202 Futura

Esittäjän affiliaatio: Helsingin yliopisto, Fysiikan laitos

Abstrakti:

Fysiikan opetuksen tutkimus on osoittanut, että opiskelijoilla on usein puutteellisia ja epäjohdonmukaisia tapoja käyttää fotoni käsitettä.
Kvanttifysiikan kontekstissa fotoni esitetään usein opiskelijoille realistisessa mielessä olemassa olevina kvanttiolioina. Kuitenkin nykyaikaisessa kvanttioptiikassa fotoni käsitteellä viitataan sähkömagneettisen kentän kvantittuneisiin vapausasteisiin. Onkin oleellista kysyä miten fotonit tulisi esitellä ilman naiivia partikkelirealismia? Klassisten näkemysten sijaan fotonit tulisi ymmärtää sähkömagneettisen kentän kvantittuneina tiloina.

Fotoni käsitteenä on hyvin kontekstisidonnainen, joten tutkimuksessa painotettiin käsitteen normatiivista ja koherenttia käyttöä. Tutkimus toteutettiin osana uutta Helsingin yliopiston fysiikan opettajaksi opiskeleville suunnattua kvanttifysiikan kurssia. Kurssin tavoite oli opettaa kvanttifysiikkaa kvanttioptiikan avulla. Tutkimuksessa käytimme kyselylomaketta (Likert-asteikolla), jossa tutkimme yhden fotonin kaksoisrakokokeen yhteydessä, kuinka johdonmukaisesti fysiikan aineenopettajaopiskelijat valitsevat ilmaisujen välillä, jotka korostavat fotonien partikkelimaisia ominaisuuksia pitäen fotoneita eräänlaisina kvanttoneina eli uusina kvanttiolioina, joilla ei ole klassisia piirteitä, tai pitävätkö he fotoneita ennemmin kvanttitiloina, jotka ovat todellisesti olemassa kvantittuneiden vapausasteiden puitteissa. Sitoutuminen kvanttoni- tai kvanttitila-näkemykseen johtavat erilaisten väitteiden esittämiseen fotonien käyttäytymisestä kaksoisrakokokeen yhteydessä. Kysely toteutettiin ennen ja jälkeen opetuksen. Tuloksia tarkasteltiin koko ryhmän tasolla sekä muodostaen kolmen opiskelijan klustereita, joissa opiskelijoiden väliset vastaukset saavuttivat keskenään tarpeeksi suuren koherenssin.

Tulosten perusteella voidaan nähdä positiivinen trendi fotoni käsitteen koherentissa käytössä kvanttitilana. Tämä on havaittavissa koko ryhmän vastausten kehityksessä ja klustereiden lisääntymisenä sekä lähentymisenä asiantuntijan vastausten kanssa.