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12.03.2010 | |
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Physik in unserer Zeit Aktuell, farbig, kompakt und kompetent.
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| Akuelles Heft: |
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Physik in unserer Zeit
European XFEL
Mit dem European XFEL entsteht eine Forschungsanlage der Superlative. Ihre ultrakurzen Röntgenblitze werden ab 2014 völlig neue Einblicke in den Nanokosmos ermöglichen. Titelbild: Elektronen im European XFEL (© DESY, Marc Hermann/Tricklabor)
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Über eine neue Art von Strahlen
Inhalt: Physik in unserer Zeit 2/2010
Quantenmechanik: Eine Trenneinrichtung für Quantenpaare
Die Quantenmechanik erlaubt neben der Überlagerung von Zuständen auch deren Verschränkung. Das betrifft Teilchen mit Ruhemasse wie Elektronen ebenso wie masselose Photonen. Zwei Forscherteams ist es jüngst gelungen, verschränkte Elektronen in Form von Cooper-Paaren als Quelle verschränkter Elektronen zu nutzen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für grundlegende Experimente zur Quantenmechanik und könnte den Weg zur Quanteninformation auf einem Chip ebnen.
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Quantenoptik: Frequenzkamm beschleunigt die Spurensuche
Spurengase kommen ihrer Definition nach in extrem geringen Konzentrationen vor. Dennoch spielen sie in vielen Bereichen eine große Rolle, so zum Beispiel in der Klimaforschung, der Luftanalyse oder zukünftig auch beim Studium der Atmosphären von extrasolaren Planeten. In einer Kooperation mit der Universität Tokio hat unser Forscherteam am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching ein Gerät entwickelt, das Spurenstoffe besonders präzise und schnell nachweist. Hierin kommen Frequenzkämme zum Einsatz, für deren Entwicklung Theodor W. Hänsch 2005 den Physik-Nobelpreis erhielt.
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Ultrakurzzeit-Physik: Faserlaser erzeugt einzelne Lichtschwingung
Beim Erzeugen immer kürzerer Lichtimpulse liefern sich Wissenschaftler weltweit seit Jahren ein Wettrennen. Unserer Gruppe an der Universität Konstanz ist mit der Realisierung einer einzigen Lichtschwingung im Frequenzbereich der Telekommunikation ein weiterer Durchbruch gelungen. Die Generation dieser Impulse öffnet die Tür zu vielen neuen Experimenten in der Ultrakurzzeit-Physik.
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Planetenforschung: Jahrhunderte altes Rätsel des Iapetus gelöst
Die Riesenplaneten in unserem Sonnensystem besitzen zahlreiche Monde. Fast alle bestehen im Wesentlichen aus Wassereis, und viele weisen hoch interessante, teilweise überraschende Eigenschaften auf. Die am längsten bekannte Eigentümlichkeit ist die globale Helligkeitsdichotomie des Saturnmondes Iapetus: Während eine Hemisphäre weiß erscheint, ist die andere sehr dunkel (Abbildung 1). Die Ursache dieses Phänomens konnten wir jetzt erklären.
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Materialforschung: Gefrieren unter Spannung
Physics News: Physik in unserer Zeit 2/2010
Bewegte Bilder aus dem Nanokosmos. Der Freie-Elektronen-Laser European XFEL
Am European XFEL in Hamburg sollen ultrakurze Röntgenlaserblitze erzeugt werden - 30000-mal in der Sekunde und mit einer Leuchtstärke, die milliardenfach höher ist als die der besten Röntgenstrahlungsquellen herkömmlicher Art. Dazu werden in einem Linearbeschleuniger Elektronen in Paketen auf hohe Energien gebracht und anschließend durch spezielle Magnetanordnungen (Undulatoren) gelenkt. Dabei senden die Teilchen Licht aus, das sich immer mehr verstärkt, bis schließlich ein extrem kurzer und intensiver Röntgenblitz entsteht. Mehrere Experimentierstationen ermöglichen parallel verlaufende Untersuchungen. Der European XFEL wird von einer eigenständigen Forschungsorganisation, der European XFEL GmbH, realisiert, die eng mit DESY und internationalen Partnern zusammenarbeitet und soll 2014 in Betrieb gehen.
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Polarisation auf dem Schreibtisch. Experimente mit TFT-Flachbildschirmen
In LCD-Displays wird die Helligkeit jedes farbigen Sub-Pixels durch die angelegte Spannung bestimmt. Diese legt die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle in jedem Bildpunkt und damit die Wirkung auf das polarisierte Licht fest, das den Flüssigkristall durchdringt. TFT-Displays, die zu den Aktiv-Matrix-Displays gehören, nutzen zur Verbesserung von Kontrast und Schaltzeiten Dünnschichttransistoren, mit deren Hilfe auf jedes Sub-Pixel die gewünschte Ladung aufgebracht werden kann. Neben den ursprünglichen TN-Displays existieren inzwischen weitere Varianten. Das Licht der TFT-Displays lässt sich für allerlei Experimente mit polarisiertem Licht nutzen.
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Zilien: Mannschaftsspiel mit Molekularmotoren. Selbstorganisierte Selbstreinigung von Atmungswegen
Die Atemwege sind mit einer Schleimschicht bedeckt, die wie eine Rolltreppe permanent Schmutzpartikel aus der Lunge befördert. Für den Antrieb sorgen Flimmerhärchen (Zilien), zu Tausenden koordiniert in einer kollektiven Wellenbewegung. Wie die Koordination dieser Molekularmotoren zustande kommt, ist bislang nicht geklärt. Die Biophysik vermutet hier ein Beispiel des weit verbreiteten Phänomens der Selbstorganisation, unterstützt durch externe Steuersignale, zum Beispiel mit Calciumionen. Ein einfaches Computermodell der Biophysiker der Universität Bern illustriert und unterstützt diese Hypothese.
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"Das schönste Denkmal des menschlichen Geistes". Pierre-Simon Laplace und die Darstellung des Weltsystems
Pierre Simon Laplace schuf mit seiner Darstellung des Weltsystems einen Klassiker der Wissenschaftsgeschichte. Das 1796 erstmalig erschienene Werk gestattet uns einen Einblick in das astronomische und physikalische Weltbild der damaligen Zeit. Es ist jedoch kein reines Astronomiebuch, geschrieben von einem Wissenschaftler, der selbst maßgeblich zu diesem Gebiet beigetragen hat. Vielmehr bietet es auch Einsichten in andere Disziplinen wie die Entstehung des metrischen Maßsystems. Berühmt geworden ist das Buch unter anderem durch die darin enthaltene Nebularhypothese, die eines der ältesten Modelle zur Entstehung des Sonnensystems bietet. Daneben hat Laplace bereits die Möglichkeit der Existenz Schwarzer Löcher in Betracht gezogen.
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Der Ball ist nicht immer rund. Gleiten, Rollen und Haften bei Ballreflexionen
Das Reflexionsverhalten von Bällen ist physikalisch gesehen sehr unterschiedlich. Je nach Material, Spin und Einfallswinkel kommt es zu Gleit- oder Rollbewegungen. In vielen Fällen kann man auch ein teilweises oder vollständiges Haften des Balles beobachten. Durch die Verformung des Balles während der Stoßbewegung können Schwingungen auftreten. Sie verursachen eine mehrmalige Richtungsänderung der Reibungskräfte. Bei gleichem Einfallswinkel und gleichem Spin kann je nach Materialeigenschaften und Reflexionsart eine Verstärkung der Drehung oder sogar eine Umkehrung des Drehsinns auftreten.
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Spiele mit dem Schwerpunkt. Spielwiese
Bei einigen Designer-Haushaltsgegenständen hat das Spiel mit dem Schwerpunkt große Bedeutung. Die Salz- und Pfefferstreuer Ercolino haben die Form eines Stehaufmännchens und können deshalb nicht umfallen. Der Streuer Doublette kann nicht wegrollen, weil er die Form eines Zwei-Scheiben-Rollers besitzt. Ein Trinkbecher namens Balance steht in gefülltem Zustand gerade und neigt sich beim Austrinken durch Verschieben des Schwerpunktes zur Seite. Weinflaschen werden scheinbar schwebend gehalten.
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Physik gestern und heute: Figuren aus Sand
Ernst Florens Friedrich Chladni (1756 - 1827) wird meistens mit der Entwicklung der Akustik in Verbindung gebracht. Manche Menschen assoziieren seinen Namen aber auch mit dem Verständnis von Meteoriten als extraterrestrische Objekte. Was für eine Person konnte sich lange Jahre mit der Herstellung und Vorführung von Staubfiguren beschäftigen und gleichzeitig astronomische Überlegungen anstellen?
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Tierische Physik: Raketenantrieb und ideale Form bei Wassertieren
"Er schwimmt wie ein Fisch im Wasser" sagt man manchmal zu einem besonders elegant schwimmenden Menschen. Dass Fische überhaupt so gewandt und schnell sind, verdanken sie unter anderem einem idealen Verhältnis von Länge zu Durchmesser. Der Tintenfisch hingegen weicht hiervon ab. Er bewegt sich stoßweise mit einem Raketenantrieb vorwärts.
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Physikdidaktik: Lehrer in die Forschung
Das Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) bietet jährlich einem Lehrer die Möglichkeit zu einem Forschungspraktikum. Diese Fortbildungsmaßnahme verlangt von allen Beteiligten eine große Bereitschaft zur Veränderung, bringt aber für beide Seiten viele Vorteile.
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Bücher: Der neunte Kontinent. Von Ulf von Rauchhaupt.
Bücher: Sport und Physik von L. Mathelitsch, S. Thaller.
Historisches Rätsel: Streit mit dem Gravitationsphysiker Nummer Eins
Das Schicksal meint es nicht immer gut mit Wissenschaftlern. Und wenn das Lebenswerk, an dem einer vier Jahrzehnte lang gearbeitet hat, erst nach dem Ableben erscheint, ist dies ganz besonders bitter. Doch hat sich der fleißige Forscher noch andere Verdienste erworben. So war er der erste Direktor des bedeutendsten englischen Observatoriums und Königlicher Astronom.
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Mol-Gastronomie: Sojamilch, der Superemulgator
Sämige Schokoladecremes sind immer ein gern gesehenes Element in einem Menü. Die klassische Küche vermengt die Schokolade mit Eigelb, das Lecithin als Emulgator beisteuert, und der sorgt für Cremigkeit. Auch Sojamilch liefert Lecithin in großer Menge, hat aber darüber hinaus noch reichlich Sojaproteine im Gepäck. Im Doppelpack bieten die Moleküle die besten Voraussetzungen für eine neue Klasse von cremigen Emulsionen.
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Physik im Bild: Mikro-Döner am Nano-Spieß
Vorschau auf Heft 3/2010
Im nächsten Heft:Die ersten Sterne im UniversumHeiße Action dank cooler PhysikE10: Eine fundamentale Symmetrie der Physik?Farbige Moiré-Muster als NaturphänomenRauschfreie Röntgenbilder mit Medipix
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