Februar 2022

Drei Satelliten werden das Observatorium LISA aufspannen, das im Weltraum Gravi­tationswellen aufspüren kann, hier am Beispiel einer­ aktiven Galaxie gezeigt. (Bild: Univ. of Florida / ­Simon ­Barke, CC BY 4.0, vgl. S. 29)

 

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Zur Ausgabe

Meinung

Mario Birkholz
02 / 2022 Seite 3

Dem Zufall eine Chance geben

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Aktuell

Alexander Pawlak
02 / 2022 Seite 6
DPG-Mitglieder

Der Goldstandard der Astronomie

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Kerstin Sonnabend
02 / 2022 Seite 7
DPG-Mitglieder

Meter statt Ellen

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Anja Hauck / MPG
02 / 2022 Seite 8
DPG-Mitglieder

Fusion in Göttingen

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Maike Pfalz
02 / 2022 Seite 10
DPG-Mitglieder

Von Superheldinnen, Dr. Dark und Quantenkatzen

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Alexander Pawlak
02 / 2022 Seite 11
DPG-Mitglieder

Da waren’s nur noch drei

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Matthias Delbrück
02 / 2022 Seite 12
DPG-Mitglieder

USA

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High-Tech

Michael Vogel
02 / 2022 Seite 14
Mitglieder

Drehbare Optoelektronik; Haarfeines 3D-­Endoskop; Filterloser ­Farbsensor

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Brennpunkt

Eric Parteli
02 / 2022 Seite 16
DPG-Mitglieder

Wie stoppt man eine ­Wander­düne?

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Andreas Schadschneider
02 / 2022 Seite 18
Mitglieder

Im Vergrößerungsglas der Abstandsregeln

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Mathias Kläui, Mathias Weiler und Yuriy Mokrousov
02 / 2022 Seite 20
DPG-Mitglieder

Die Mischung macht‘s

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Geschichte

Stefan L. Wolff
02 / 2022 Seite 22

Erich Lehmann (1878 – 1942)

Erich Lehmann war ein Sohn des promovierten Pharmazeuten Moritz Meier Lehmann (1833 – 1902) aus dem preußischen Stargard, der als Apotheker in Berlin eine Generalagentur für Mineralbrunnen betrieb, und seiner Frau Pauline Eleonore Poppelauer (1839 – 1907), die aus einem wohlhabenden Breslauer Elternhaus stammte. Das jüdische Paar heiratete 1860 in Berlin, wo der am 9. August 1878 geborene Erich und seine Zwillings­schwester Alice mit den zwei älteren Brüdern Walter (1877 – 1936) und Franz (1864 – 1936) sowie der Schwester Margarethe (1863 – 1941) aufwuchsen.

Erich erwarb sein Abitur 1896 am Königlichen Wilhelms-Gymnasium in Berlin-Tiergarten. Er studierte anschließend an der Berliner Universität acht Semester Chemie im Hauptfach und dazu Philosophie, Physik und Paläontologie. Unter der Anleitung des Privatdozenten Wilhelm Traube (1866 – 1942) fertigte Lehmann zwischen dem Wintersemester 1898/99 und Anfang 1900 seine Dissertation „Über die Additionsreaktion der Alkylenoxyde“ an. Hans Landolt schrieb in seiner Beurteilung: „Die von dem Verfasser bearbeitete Reaction ist vollständig neu und wird an einer Anzahl durchgeführter Beispiele erläutert. Die Ausführung erforderte experimentelle Geschicklichkeit.“ Nach den mündlichen Prüfungen in den oben genannten vier Fächern am 13. Dezember 1900 kam das Promotionsverfahren am 23. Januar 1901 mit der öffentlichen Disputation der von dem Kandidaten eingereichten drei Thesen zu ihrem Abschluss. Neben Emil Berliner gehörten Lehmanns ältere, bereits in Medizin und Jura promovierten Brüder zu den drei Opponenten. (...)

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Lehre

Albert Teichrew und Roger Erb
02 / 2022 Seite 25
DPG-Mitglieder

Dynamisch modelliert

Experimente erfüllen im Physikunterricht eine wichtige Funktion. Sie können ein Phänomen anschaulich zeigen, zum Handeln motivieren oder helfen, eine Hypothese zu überprüfen. Für die Erkenntnis­gewinnung ist der letzte Punkt entscheidend. Hierzu gilt es vorab, eine Fragestellung und eine Hypothese zu generieren. Im Idealfall machen die Schülerinnen und Schüler selbst Annahmen und überprüfen sie. Sobald es aber um mehr als eine einfache Entscheidung zum qualitativen Ausgang eines Experiments geht, ist eine theoriegeleitete, mathematische Modellierung des Phänomens notwendig.

Für eine Reihe von Themen ist das mathematische Modellieren eines physikalischen Phänomens so aufwändig, dass im Physikunterricht nicht im Vorfeld modelliert, sondern im Nachgang eines Experiments ein bestimmter Befund mit physikalischen Gesetzen oder Prinzipien erklärt wird. Im ersten Moment stellen solche Erklärungen zufrieden, weil sie eine plausible fachliche Begründung liefern, die über die reine Beobachtung oder den vorherigen Kenntnisstand hinausgeht. Allerdings werden dieselben physikalischen Sachverhalte im Laufe der Schulzeit mehrfach aufgegriffen – mit zunehmendem Komplexitätsgrad. So wird das Fallen eines Apfels vom Baum vorläufig mit seiner Schwere in Verbindung gebracht, später mit der Gewichtskraft und schließlich mit der Gravitationswechselwirkung oder sogar mit der Idee einer gekrümmten Raumzeit innerhalb der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Somit gibt es für viele Sachverhalte unterschiedliche Beschreibungen, die sich z. B. in formalen Gesichtspunkten oder ihrer Genauigkeit und Komplexität unterscheiden. Erkenntnistheoretisch ist die Rede von verschiedenen natur­wissenschaftlichen Modellen als Repräsentanten eines Phänomens. Keines dieser Modelle ist allerdings eine vollständige Erklärung, sondern lediglich ein möglicher Weg, das Phänomen greifbar zu machen und es innerhalb gewisser Grenzen zu verstehen. Verstehen im physikalischen Sinne bedeutet, eine Beobachtung einem bekannten physikalischen Phänomen zuzuordnen und mit einem Modell auf eine mehr oder weniger komplexe Art und Weise zu beschreiben. Für ein besseres Verständnis der Naturwissenschaften sollten die im Unterricht oder Studium kennengelernten Darstellungen, Fachbegriffe und formulierten Zusammenhänge stets als Modelle – also mögliche Beschreibungen physikalischer Sachverhalte, die sich in Experimenten bewährt haben – aufgefasst werden. Vor allem in Zeiten vermehrter Wissenschaftsskepsis spielt eine solche Reflexion über den Erkenntnisprozess und die Glaubwürdigkeit wissenschaftlichen Wissens im Unterricht eine große Rolle [1]. (...)

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Überblick

Hans-Georg Grothues und Jens Reiche
02 / 2022 Seite 29
DPG-Mitglieder

Wellenfang im Weltraum

Im Jahr 2015 registrierten boden­gebundene Observatorien erstmals Gravitationswellen bei hohen Frequenzen. Ab 2035 soll LISA das Spektrum zu niederfrequenten Gravitationswellen unterhalb von 1 Hz erweitern. Dieses größte jemals betriebene Weltraumobservatorium soll auf diese Weise die energiereichsten Ereignisse im All beobachten und charakterisieren. Dies erfordert Laser­interferometrie höchster Empfindlichkeit und Präzision in einer dynamischen Konfiguration aus drei Satelliten, die 2,5 Millionen Kilometer voneinander entfernt sind. In der Vorbereitung geht es darum, alle relevanten Störquellen zu kennen und bestmöglich zu unterdrücken.

Im Februar 2016 verkündete die LIGO-Kollaboration nach sorgfältiger Überprüfung und Analyse ihrer Mess­daten den ersten direkten Nachweis eines Ereignisses von Gravitationswellen durch die beiden LIGO-Interferometer (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Aufgezeichnet hatten sie das Ereignis am 14. September 2015 [1]. Von Dezember 2015 bis Mitte 2017 erprobte die Technologiemission LISA Pathfinder die Schlüsseltechnologien für die Laser Interferometer Space Antenna (LISA, Abb. 1). Diese wird komplementär zu den bodengebundenen Observatorien wie LIGO, Virgo und deren Nachfolger niederfrequente Gravitationswellen mit Frequenzen bis maximal 1 Hz nachweisen, die von der Erdoberfläche aus nicht zu beobachten sind. Eine Abschätzung der charakteristischen Frequenzen von Gravitationswellen ergibt fGW  ~ 104 Hz (M⊙ / M) mit der Sonnenmasse M⊙ (2 · 1030 kg) und der Masse M der Quelle der Gravitationswelle [2]. Typische Frequenzen, die LIGO und Virgo nachweisen können, liegen zwischen 30 Hz und einigen kHz; bei LISA werden es einige 10–5 bis etwa 1 Hz sein.

Die mit Laserinterferometern nachweisbaren Frequenzen sind wesentlich durch die Armlänge sowie die internen Rauschquellen des Instruments und die seiner Umgebung bestimmt (Tabelle). Daher beobachten boden- und weltraumgebundene Observatorien Quellen sehr unterschiedlicher Massen und damit unterschiedlicher Natur. Während LIGO und Virgo Gravitationswellen erfassen, die durch stellare Massen hervorgerufen werden, sind es bei LISA auch Gravitationswellen von Quellen mit Massen von mehr als 1000 bis zu einigen 107 Sonnenmassen. LISA erweitert somit das Beobachtungsfenster für Gravitationswellen und ermöglicht zudem eine Triangulation, um die Richtung von Quellen, die permanent Gravitationswellen abstrahlen, präzise zu bestimmen. Damit ist oberhalb von etwa 10–4 Hz das gesamte Spektrum der Gravitationswellen abgedeckt. Die Lücke bei wenigen Hz sollen das geplante Einstein-Teleskop und die vorgeschlagene DECIGO-Mission, die ähnlich wie LISA konzipiert ist, schließen [3, 4]. (...)

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Karsten Held, Oleg Janson und Liang Si
02 / 2022 Seite 35
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Supraleitung in der Nickelzeit

Die Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleitung gelang vor 35 Jahren in Cupraten. Seither lassen die Fragen nach ihrer physikalischen Erklärung und einem Rezept für Supraleiter bei Raumtemperatur die Festkörper­physik nicht mehr los. Supraleitende Nickelate versprechen neue Erkenntnisse zu diesen offenen Fragen − nicht zuletzt aufgrund vieler Gemeinsamkeiten, aber auch entscheidender Unterschiede zu den Cupraten.

Vladimir Anisimov und Co-Autoren formulierten schon vor über 20 Jahren die theoretische Idee von Supraleitung in Nickelaten (Seltenerd-Nickel­oxiden) auf Basis computergestützter Materialrechnungen [1]. Doch erst vor zwei Jahren gelang der Gruppe von Harold Hwang in Stanford der experimentelle Nachweis [2]: In Nd0,8Sr0,2NiO2 verschwindet der elektrische Widerstand unterhalb einer Sprungtemperatur Tc = 14,9 K (Abb. 1a), und Supraleitung tritt auf. Die Nickelate bilden dabei ähnlich wie Cuprate (Seltenerd-Kupferoxide) eine Kristallstruktur mit zweidimensionalen NiO2-Schichten, die durch Neodym-Atome voneinander getrennt sind (Abb. 1b). Die schwierige und aufwändige Synthese sorgte dafür, dass es ein Jahr dauerte, bis eine andere Arbeitsgruppe diese Entdeckung bestätigen konnte [3].

Die Geschichte der Hochtemperatur-Supraleitung lässt sich – ähnlich wie die Menschheitsgeschichte – in Zeitalter einteilen (Abb. 2), da die Entdeckung einer neuen Materialklasse immer wieder große experimentelle und theoretische Anstrengungen auslöst. Elementares Quecksilber, der erste von Heike Kamerlingh Onnes entdeckte Supraleiter, und weitere konventionelle Supraleiter wie Blei stehen dabei für die „Vorzeit“. Die Cuprate als erste Hochtemperatur-Supraleiter wurden 1986 völlig überraschend von Georg Bednorz und Alex Müller entdeckt. Nach dieser Kupferzeit (Cuprate) folgte die Eisenzeit (Eisenpniktide) und nun als jüngstes Zeitalter die Nickelzeit (Nickelate). Im Gegensatz zur Menschheitsgeschichte überlappen diese Zeitalter bei den Supraleitern: In Forschung und Anwendung spielen konventionelle Supraleiter aus der Vorzeit, wie NbTi, und die Cuprate nach wie vor eine tragende Rolle. Insbesondere kommen sie zum Einsatz, um starke Magnetfelder in der Medizin, für Teilchenbeschleuniger oder bei der Fusionsforschung zu erzeugen. Weitere Anwendungen reichen vom SQUID-Magneto­meter über Filter im Mobilfunk bis zu Fehlerstrombegrenzern. (...)

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Physik im Alltag

Michael Vogel
02 / 2022 Seite 42
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Wider das Rauschen

Moderne Digitalkameras minimieren inzwischen sehr gut das Bildrauschen. Doch in manchen Situationen stoßen sie an ihre Grenzen.

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Menschen

02 / 2022 Seite 44
DPG-Mitglieder

Personalien

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Thomas Franosch, Matthias Fuchs, Matthias Sperl, Thomas Voigtmann
02 / 2022 Seite 48
DPG-Mitglieder

Nachruf auf Wolfgang Götze

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Rene Reifarth und Michael Wiescher
02 / 2022 Seite 49
DPG-Mitglieder

Nachruf auf Franz Käppeler

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Maike Pfalz
02 / 2022 Seite 50
DPG-Mitglieder

„Wir stellen Personen aus der Materialforschung vor.“

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Rezensionen

Michael Schaaf
02 / 2022 Seite 52
DPG-Mitglieder

Diana Buchwald et al. (Hrsg.): Albert Einstein, Gesammelte ­Schriften

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Dierck-Ekkehard Liebscher
02 / 2022 Seite 52
DPG-Mitglieder

Helmut Günther: Elementary Approach to Special Relativity

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Alexander Pawlak
02 / 2022 Seite 53
DPG-Mitglieder

Katastrophe

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DPG

02 / 2022 Seite 24
DPG-Mitglieder

Virtuelle Jobbörs

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02 / 2022 Seite 41
DPG-Mitglieder

DOPPLERS 2022

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02 / 2022 Seite 51
DPG-Mitglieder

Lehrerfortbildungen im Physikzentrum Bad Honnef 2022

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Lucas Eekhof
02 / 2022 Seite 54
DPG-Mitglieder

Ein Wochenende voller Physik

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Amelie Coumans und Joscha F. Westerkamp
02 / 2022 Seite 55
DPG-Mitglieder

Zwischen Physik und Rüstungsforschung

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02 / 2022 Seite 56
DPG-Mitglieder

Physikerin der Woche

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02 / 2022 Seite 59
DPG-Mitglieder

WE-Heraeus-Klausurtagungen

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Tagungen

Robert Drost, Christian Lotze, Anna Rosławska
02 / 2022 Seite 57
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Faster, Smaller, Stronger, Brighter – Advances in ­Scanning Probe Techniques

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Carlos S. Frenk, Anne Green, Volker Springel, Simon D. M. White
02 / 2022 Seite 57
DPG-Mitglieder

Astrophysical Windows on Dark Matter

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Ilja Rückmann
02 / 2022 Seite 57
DPG-Mitglieder

Innovative Experimente für den Physikunterricht

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02 / 2022 Seite 58
DPG-Mitglieder

Tagungskalender

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