Bei zunehmender Erwärmung könnte sich der artenreiche tropische Regenwald wie hier am Amazonas von einer Kohlendioxid-Senke zu einer Kohlendioxid-Quelle entwickeln. Bereits heute sind viele dieser ökologisch immens wichtigen Waldgebiete von Abholzung und Versteppung bedroht (Bild: D. Eidemüller).

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Der Freie-Elektronen-Laser European XFEL ist die derzeit stärkste künstliche Röntgenquelle, die der Forschung zur Verfügung steht. Seine Tunnelanlage erstreckt sich unterirdisch vom DESY-Gelände in Hamburg 3,4 km weit bis nach Schenefeld. Mit seinen ultrastarken Röntgenblitzen lässt sich zum Beispiel die biochemische Funktionsweise von Proteinen in Einzelschritt-Bildern ablichten, die zu „Molekülfilmen” zusammengesetzt werden. Für ein solches Biophysik-Projekt arbeitet hier Tokushi Sato an der Probenkammer des SPB/SFX-Instruments in Schenefeld (Copyright: European XFEL).

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Woraus besteht die Welt? Die Philosophen der Antike postulierten vier oder fünf Elemente. In der Neuzeit erweiterten Dimitri Mendelejew und Lothar Meyer dies auf eine rasch wachsende Tabelle der chemischen Elemente. Kirchhoff und Bunsen entdeckten Fraunhofer-Linien im Sonnenspektrum, denen zufolge die auf der Erde existierenden Elemente auch in Sternen vorkommen. Heute untersucht die Astronomie die Elementhäufigkeiten in der Milchstraße und im gesamten Kosmos. In dieser zweiteiligen Artikelserie betrachten wir die Entstehung der Elemente im Universum zusammen mit den astrophysikalischen Orten ihres Ursprungs. Bild: SOHO, EIT Consortium, ESA, NASA

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Welche Rolle Wasser in der Dynamik des Inneren von Erde und Planeten sowie in vielen astrophysikalischen Prozessen spielt, ist noch weitgehend unklar. Dies liegt hauptsächlich an der Unzugänglichkeit solcher Orte. Daher kommt Laborexperimenten, die extreme Bedingungen im Inneren von Planeten und im Weltall zugänglich machen, eine hohe Bedeutung zu. In Kombination mit modernen Methoden zur Aufklärung der Struktur und Dynamik erlauben diese Methoden, Befunde aus der Ferne zu treffen. Bild: NASA/JPL-Caltech

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Seit ihrer Urgeschichte haben Menschen den Nachthimmel mit ehrfürchtigem Staunen bewundert. Auch wenn ein Großteil des Nachthimmels unveränderlich erscheint, weiß man schon seit langer Zeit, dass einige der hellsten Objekte nur temporär am Himmel aufleuchten. Das gilt insbesondere für Supernovae, die nun auch neues Licht auf eines der ungelösten Rätsel der Astrophysik werfen. Denn der Ursprung der höchstenergetischen kosmischen Strahlungsteilchen ist unbekannt. Können sterbende massive Sterne eine der lang gesuchten Quellen sein? Foto: B. Foucher

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Terrestrische Impaktstrukturen zeugen von Kollisionen der Erde mit Objekten des Sonnensystems. Die Impaktforschung hat heute die Spuren von etwa 200 solcher Einschläge auf unserem Heimatplaneten bestätigt und die Grundlagen ihrer Bildung entschlüsselt. (Bild: The TanDEM-X Atlas)

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Im Mai 2011 wurde das Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) mit dem letzten Flug des Space-Shuttles Endeavour auf die Internationale Raumstation gebracht. Seitdem erfasst es die geladene kosmische Strahlung mit bisher nie erreichter Präzision und liefert neue Einblicke in hochenergetische Prozesse in unserer Milchstraße. Dies erlaubt Rückschlüsse auf die Natur der Dunklen Materie und zur Frage der Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum. (Foto: NASA)

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Das Kilogramm ist die SI-Einheit der Masse und war über nahezu 130 Jahre durch das Urkilogramm definiert. Mit der Neudefinition der SI-Einheiten basiert das Kilogramm nun auf dem Planckschen Wirkungsquantum als Fundamentalkonstante. Um es entsprechend darstellen zu können, wurde parallel zu anderen Methoden die Kibble-Waage entwickelt. Ihre Perfektionierung erforderte einige Jahrzehnte. (Foto: PTB)

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Gletscher sind Ikonen der Bergwelt, doch der Klimawandel setzt ihnen massiv zu. Moderne Berechnungsverfahren ermöglichen die Erforschung der Ursachen, sowie Prognosen zur Zukunft des nicht mehr so „ewigen” Eises.
(Foto: A. Cicoira)

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Der Tokamak ASDEX Upgrade am Max‐Planck‐Institut für Plasmaphysik in Garching ist seit dreißig Jahren in Betrieb. In dieser Zeit wurde die Fusionsanlage immer weiter ausgebaut und verbessert. Inzwischen hat man zahlreiche gut diagnostizierte Szenarien für den Plasmabetrieb erarbeitet. Zusammen mit neu entwickelten Computercodes erlauben sie verlässliche Vorhersagen für ein Fusionskraftwerk. (Foto: IPP, V. Rohde)

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Vor zehn Jahren ging in der Antarktis das Neutrinoteleskop IceCube in Betrieb. Bis heute wurden damit über hundert Neutrinos von kosmischen „Beschleunigern” nachgewiesen. In einem Fall ließ sich eine aktive Galaxie als mögliche Quelle identifizieren. (Foto: F. Pedreros, IceCube/NSF)

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2019 gelang ein erstes Experiment, in dem ein Quantencomputer sogenannte Quantenüberlegenheit über herkömmliche  Computer demonstrierte. Das internationale Team von Google setzte dazu einen Quantenprozessor namens Sycamore mit  53 supraleitenden Quantenbits ein. Die Arbeit ist ein wichtiger Fortschritt hin zu einer Realisierbarkeit skalierbarer, anwendungsreifer Quantencomputer.

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Am 10. April 2019 wurde das erste Bild eines Schwarzen Lochs veröffentlicht, gewonnen mit dem Event Horizon Telescope. Dieser Meilenstein in der modernen Astronomie erzeugte weltweit ein großes Echo in den Medien. Es folgten Beobachtungen der Jetbasis des Quasars 3C279 mit bis dahin unerreichter Detailschärfe. Diese Erfolge gehen mit hohem technischen Aufwand und akribischer Datenverarbeitung einher. (Foto: ESO/M. Kornmesser)

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Genaue Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds haben uns zu dem Weltmodell geführt, das wir heute als kosmologisches Standardmodell bezeichnen. Aus seiner Analyse lassen sich alle kosmologischen Parameter mit einer Genauigkeit von weniger als einem Prozent bestimmen. Es bleiben aber noch wichtige Fragen offen.

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Farbstoffsolarzellen werden seit ihrer ersten wissenschaftlichen Beschreibung intensiv erforscht. Sie können aus ungiftigen, preiswerten Materialien und sogar in textiler Form hergestellt werden. Höchste Wirkungsgrade über 20 % erzielen sie allerdings derzeit nur mit toxischen Zutaten. Diese will die Forschung ersetzen. Foto: Merck

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Nach mehr als 60 Jahren der Erforschung von Neutrinos sind deren Massen nach wie vor nicht bekannt. Das Karlsruher Tritium Neutrinoexperiment KATRIN soll die bisherige Messgenauigkeit um das Zehnfache verbessern. Im Herbst letzten Jahres hat die Anlage ihr erstes vorläufiges Ergebnis geliefert und damit die Neutrinomasse bereits um einen Faktor zwei stärker eingegrenzt als bisher. (Foto: KIT)

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Eine neue 3D‐Direktdruck‐Technik im Elektronenmikroskop bietet hinsichtlich Strukturauflösung, Materialauswahl und ‐güte völlig neue Möglichkeiten. Die Anwendungen reichen von Nanostrukturen mit exotischen Magneteigenschaften bis zu Nanosonden.

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Seit 40 Jahren erforschen wir die Eismonde im äußeren Sonnensystem, beginnend mit den beiden Voyager‐Sonden, vorerst endend mit New Horizons. Die Vielfalt dieser Körper, die mögliche Existenz von verborgenen Ozeanen und ihr Kryovulkanismus machen sie zu äußerst spannenden Himmelskörpern. Teil 1 dieses Zweiteilers stellt die Eismonde von Jupiter und Saturn vor. Foto: NASA/JPL

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Seit den 1990er‐Jahren nimmt die Fläche des arktischen Meereises im Mittel infolge der Klimaerwärmung ab. Das verstärkte Abschmelzen im Spätsommer steht im Verdacht, über atmosphärische Fernverbindungsmuster für die beobachtete Abkühlung der mittleren Breiten im Winter verantwortlich zu sein, während die Arktis tendenziell wärmer wird. Klimamodelle konnten dies bislang nicht reproduzieren. An ihrer Verbesserung wird derzeit gearbeitet.
Foto: Alfred‐Wegener‐Institut/M. Hoppmann

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2016 besiegte das Computerprogramm AlphaGo erstmals einen der weltbesten Go‐Spieler. Damit rückte eine technische Revolution ins Bewusstsein der breiten Öffentlichkeit: Selbstlernende künstliche neuronale Netze sind zunehmend in der Lage, Menschen bei bestimmten Aufgaben zu schlagen. Die Physik bietet dafür viele potenzielle Anwendungen.
Copyright: ktsimage

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Vor 50 Jahren machten Neil Armstrong und „Buzz” Aldrin den legendären großen Schritt für die Menschheit, als sie erstmals einen fremden Himmelskörper betraten. Getrieben war das Apollo‐Programm von dem Wettstreit der damaligen politischen Systeme. Darüber wird aber oft der große wissenschaftliche Nutzen der Mondproben vergessen. Foto: NASA

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Erneuerbare Energie trägt inzwischen substanziell zur Stromerzeugung in Deutschland bei. Aber wie sieht es mit dem zukünftigen Ausbau aus, wenn wir vollständig unseren Energiebedarf durch erneuerbare Energiequellen decken wollen? Werden wir an natürliche Grenzen stoßen?

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Hitzewellen im Ozean treten heute doppelt so häufig auf wie noch vor 35 Jahren. Und laut Klimamodellvorhersagen sollen marine Hitzewellen in den kommenden Jahrzenten nochmals deutlich zunehmen. Dadurch sind ganze Ökosysteme bedroht.

(Foto: O. Dugornay, Ifremer, Argo‐Programm)

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Das Titelbild ist dem 50. Jahrgang von "Physik in unserer Zeit" gewidmet. Es zeigt für jedes Jahrzehnt ein Heft als Beispiel. Hintergrund: Spiralgalaxie NGC 1232, Aufnahme: ESO.

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Löcher, Ringe und Spiralen

Mit modernen Instrumenten ausgerüstete Großteleskope ermöglichen uns verblüffende neue Einblicke in die reiche Welt von Staub- und Gasscheiben junger Sterne. Es ist unumstritten, dass darin Planeten entstehen. Viele Details dieses spannenden und fundamentalen Naturvorgangs sind aber bisher noch nicht geklärt. Fotos: ESO, T. Stolker et al.; ALMA, NAOJ, NRAO; Avenhaus et al., DARTT-S Col

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Schreiben und Rechnen mit Atomen

Wir befinden uns derzeit auf dem spannenden Weg vom einzelnen Quantensystem zu gut kontrollierten, großen Quanten-Vielteilchensystemen. Die Suche nach Systemen und Methoden, die eine solche Skalierung ermöglichen, ist eine enorme Herausforderung. Ein vielversprechender Weg sind mit optischen Pinzetten manipulierbare Atomketten. Diese dienen als Quantensimulator und erlauben es, grundlegende Effekte wie Quantenphasenübergänge zu untersuchen. Ein Ziel ist es, Quantentechnologien weiter zu entwickeln und Quantencomputer zu realisieren.

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„Invariantentheorie ist jetzt hier Trumpf“

1918 veröffentlichte die Mathematikerin Emmy Noether zwei Theoreme. Diese stellten die beiden fundamentalen Konzepte der Physik Symmetrie und Erhaltung in einen überraschenden Zusammenhang und beeinflussten die theoretische Physik maßgeblich.

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Dieser "Lego-Roboter" lässt sich über Magnetfelder bewegen. Dazu steckt er in einem kleinen experimentellen Magnetresonanz-Tomographen. Foto: Philips.

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Die Zelle – erstaunlich physikalisch

Zellen können sich fortbewegen, ihre Umgebung durch „Riechen“ und „Erfühlen“ erkennen sowie Beute fangen. Eine wichtige Rolle spielen dabei die Mechanik des Zellskeletts und biologische Steuer- und Regelsysteme, die erstaunliche Analogien zu technischen Systemen aufweisen.

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Mit Lichtschrauben ans Quantenlimit

Licht erlaubt es, Quanteneffekte zwischen weit entfernten Systemen mit vielen Einstell­möglichkeiten zu präparieren. Dazu zählen auch „Lichtschrauben“ mit Bahndrehimpulsen hoher Quantenzahl. Diese lassen sich sogar für Quantenverschränkung über große Distanzen nutzen. Wir geben einen Einblick in verblüffende Fortschritte auf diesem faszinierenden Gebiet

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