Juli 2014

Im Ersten Weltkrieg trug die Wissenschaft nicht nur dazu bei, Krieg zu führen, sie verlängerte und verschlimmerte ihn sogar beispielsweise durch die Entwicklung von Giftgas. (vgl. ab S. 43, Bild: Ullstein Bild)

Meinung

Roy MacLeod
07 / 2014 Seite 3

Mobilmachung der Forscher

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Aktuell

Stefan Jorda
07 / 2014 Seite 6

Stapellauf für Wendelstein

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Maike Pfalz
07 / 2014 Seite 7

SKA: Ausstieg aus dem Einstieg

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Alexander Pawlak
07 / 2014 Seite 8

ISS: Physik auf der Umlaufbahn

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BMBF / HFG / Alexander Pawlak
07 / 2014 Seite 10

Einigung im Grundsatz

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FAIR / Maike Pfalz
07 / 2014 Seite 10

Fairer Fortschritt

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Matthias Delbrück
07 / 2014 Seite 11

Wissenschaft Down Under

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Rainer Scharf
07 / 2014 Seite 11

USA

Strategie für Teilchenphysik / Wissenschaftler im Verhör? / Treibhaus -
gase verringern

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Leserbriefe

René Mebus, Hartmut S. Leipner, Otfried Hollriche und Helmut Völcker
07 / 2014 Seite 13

Nicht technologieneutral

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Im Brennpunkt

Volker Metag
07 / 2014 Seite 16

Auf dem Weg zur Insel der Stabilität

Am GSI Helmholtzzentrum in Darmstadt wurde die Entdeckung des Elements 117 bestätigt.

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Holger Müller, Michael Hohensee und Claus Lämmerzahl
07 / 2014 Seite 18

Materiewellen fallen gleich schnell

Am GSI Helmholtzzentrum in Darmstadt wurde die Entdeckung des Elements 117 bestätigt.

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Alois Würger
07 / 2014 Seite 22

Das Salz in der DNA-Suppe

Welchen Einfluss haben Salzionen auf die Bewegung von DNA-Molekülen in einem Temperaturgradienten?

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Forum

Maike Pfalz
07 / 2014 Seite 24

Hör zu!

Wer kennt das nicht: Die Party ist in vollem Gange, überall stehen Grüppchen von Gästen zusammen und unterhalten sich, im Hintergrund läuft laute Musik. Da spricht einen die eigene Begleitung an, und man versteht nur Bahnhof. Zu viele Geräusche überdecken das gewünschte Gespräch. In solchen und anderen Situationen möchte der Exzellenzcluster „Hearing4all“ Hilfe bieten. Die Forscher in Oldenburg und Hannover arbeiten an Hörhilfen, welche die gesamte Bandbreite von minimaler Hörbeeinträchtigung bis zum kompletten Hörverlust abdecken: assistive Technologien, die in Alltagssituationen wie dem Telefonieren oder Fernsehen das Gehör unterstützen, Hörhilfen, die individuell auf den Patienten abgestimmt sind, und Cochlea-Implantate, die bei schwerem bis vollständigem Hörverlust helfen.

Ein zentraler Punkt ist die exakte, quantitative Diagnose der Hörbeeinträchtigung jedes Patienten. „Wir möchten Audiologie in eine exakte Wissenschaft verwandeln“, erklärt der Sprecher des Clusters, Birger Kollmeier, der als Physiker und Arzt in beiden Kerndisziplinen zuhause ist. Die Forscher möchten herausfinden, was die wichtigsten Kenngrößen sind, um Hörhilfen individuell anpassen und Interventionsmaßnahmen spezifisch planen zu können. In den ersten anderthalb Jahren der Förderperiode haben Kognitionspsychologen, Mediziner und Physiker eng auf diesem Gebiet zusammen gearbeitet, Ansätze entwickelt und Patientendaten erhoben. „Nun geht es in die Modellierungsphase, damit wir die Auswirkung von Hörpathologien auf die Signalverarbeitung exakt beschreiben können“, führt Kollmeier aus. Im nächsten Schritt gilt es, in komplexen Szenarien wie der eingangs erwähnten Party diejenigen Signale herauszufiltern, die das Hörgerät an den Patienten weiterleitet. Das ist ein Problem der Klassifizierung, denn das Gerät muss zunächst lernen, was Sprache ist und was nicht. „Bei der Klassifizierung haben wir in den letzten eineinhalb Jahren ordentlich Fortschritte erzielen und sogar einen internationalen Wettbewerb gewinnen können“, freut sich Birger Kollmeier.
Nach der erfolgreichen Klassi­fizierung muss das Hörgerät bzw. Cochlea-Implantat zudem wissen, welches die gewünschten Sprach­signale sind, also die Worte meiner Partybegleitung und nicht die Gespräche anderer Gäste. Dazu kommen sog. Brain-Computer-Interfaces zum Einsatz. Diese Systeme nehmen beim Menschen ein Elektroenzephalogramm (EEG) auf, um die Verarbeitung akustischer Signale im Gehirn zu verfolgen. Das Gehirn eines nicht hörgeschädigten Menschen verfügt über effiziente Vorhersagemecha­nismen, die es ihm erlauben, die Aufmerksamkeit im richtigen Moment auf den Gesprächspartner zu lenken. Gelingt es, diese Prozesse zu verstehen, könnte man dieses Wissen nutzen, um das gewünschte akus­tische Signal mittels Hörhilfe zum richtigen Zeitpunkt zu verstärken. Erste Erfolge sind bereits zu verzeichnen: „Wir haben das EEG-System inzwischen so miniaturisiert, dass es im Prinzip drahtlos in eine Baseball-Kappe passt“, erklärt Kollmeier. Zudem konnten die Wissenschaftler eine vereinfachte Situation, in der sich zwei Schallquellen abwechseln, im EEG erfassen. In der Realität überlagern sich allerdings meist mehrere Signale...

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Überblick

Alban Kellerbauer
07 / 2014 Seite 27

Antimaterie im Labor

Warum ist das Universum erfüllt von gewöhnlicher Materie, obwohl beim Urknall gleiche Mengen an ­Materie und Antimaterie entstanden sind? Dies ist ­eine der großen offenen Fragen der Physik. Ihre Antwort hängt eng mit der Frage zusammen, ob ein Elementarteilchen und sein Antiteilchen abgesehen von Ladungsvorzeichen exakt gleiche Eigenschaften haben. Mehrere Experimente haben sich daher die Aufgabe gestellt, die Rydberg-Konstante von Wasserstoff und Antiwasserstoff zu vergleichen oder zu untersuchen, ob beide Teilchensorten in einem Gravitationsfeld in gleicher Weise abgelenkt werden.

Als Paul Dirac die heute nach ihm benannte quantenmechanische Wellengleichung zur Beschreibung der Fermionen aufstellte, fiel ihm bald auf, dass ihre Lösungen sowohl positive als auch negative Energieeigenwerte annehmen können. Auf der Grundlage dieser mathematischen Möglichkeit wagte er 1931 die Prognose, es müsse ein Teilchen mit derselben Masse, aber der umgekehrten elektrischen Ladung des Elektrons geben [1]. Schon im Folgejahr entdeckte Carl Anderson in Nebelkammeraufnahmen von kosmischen Strahlen das Positron, dessen Eigenschaften genau dieser Vorhersage entsprachen [2]. Heute wissen wir, dass jedes Elementarteilchen einen Antimaterie-Partner besitzt und dass sich die Eigenschaften dieser Paare – soweit sie präzise untersucht sind – mit großer Genauigkeit gleichen.

Die vielleicht frappierendste Eigenschaft von Antimaterie ist die Möglichkeit, sie nach Belieben aus dem „Nichts“ zu erschaffen, solange man entsprechend der Gleichung E = mc2 genügend Energie zur Verfügung stellt. Da additive Quantenzahlen wie die Baryonen-und die Leptonenzahl ungefähr erhalten sind, müssen immer Paare von Materie- und Antimaterieteilchen entstehen (Paarbildung). Beim umgekehrten Prozess, der Annihilation, vernichten sich die Partner wieder zu Energie. Je nach Masse der Ausgangsteilchen entstehen dabei entweder Photonen oder zunächst leichtere massebehaftete Teilchen. Nachdem im Urknall gleiche Mengen Materie und Antimaterie entstanden waren, annihilierte der überwiegende Teil schon innerhalb der ersten Sekunde miteinander zu Photonen. Doch dieser Vorgang lief aus bisher unbekannten Gründen nicht ganz symmetrisch ab: Am Ende blieb etwa ein Milliardstel gewöhnliche Materie übrig.

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Joachim Peinke, Detlev Heinemann und Martin Kühn
07 / 2014 Seite 35

Windenergie – eine turbulente Sache?

Auch wenn sich Windenergieanlagen aus der Ferne betrachtet eher behäbig drehen, sind sie doch enor­men Lastwechseln ausgesetzt – vergleichbar mit denen an einem Flugzeug, das sich in einem fiktiven jahre­langen Landeanflug bei starkem Wind befindet. Die Ursache hierfür sind Turbulenzen, die sich innerhalb von Sekunden auf die ganze Anlage auswirken und sich auch in der Leistungsabgabe bemerkbar machen. Bei der Entwicklung heutiger Anlagen wird dies nur sehr unzureichend berücksichtigt, für die Zukunft besteht aber ein enormes Innovationspotenzial darin, die Anlagen besser an die turbulente Strömungssituation anzupassen.

Unsere heutige Lebensform basiert auf einem hohen Energiekonsum, den eine weltweit vernetzte Energiewirtschaft sicherstellt und der globale Auswirkungen hat. Die elektrische Energie ist dabei eine der thermodynamisch hochwertigsten Energie­formen, die sich mit nur geringen Verlusten in andere Formen umwandeln und obendrein hervorragend transportieren lässt. Obwohl eine Speicherung bisher noch schlecht möglich ist, gehen nahezu alle Szenarien davon aus, dass der Anteil der elektrischen Energie am Energiekonsum weiter deutlich zunehmen wird.

Die aktuelle Diskussion um die Energieversorgung wird getrieben von der Endlichkeit der Ressourcen, ihren Umweltauswirkungen und ihrer Wirtschaftlichkeit. Die erneuerbaren Energien spielen dabei wegen der Ressourceneffizienz und den erheblich geringeren Umweltauswirkungen eine zentrale Rolle. Welche Zukunftsperspektiven hat speziell die Windenergie, und wie wirtschaftlich ist sie? Bevor wir uns diesen Fragen zuwenden, soll zunächst die Physik der Windenergie im Fokus dieses Artikels stehen.

Im physikalischen Sinn bezeichnet Windenergie die in bewegter Luft enthaltene und mit dem Wind transportierte Ener­gie. Für ihre Leistungsdichte, also die pro Zeiteinheit durch eine Fläche A transportierte Ener­gie, gilt PWind /A = 1/2 ρ u3 mit der Luftdichte ρ von ca. 1,2 kg/m3 und der Windgeschwindigkeit u. Eine Windgeschwindigkeit von 12 m/s (Windstärke 6) in Bodennähe entspricht demnach einer Windleistung von ca. 1 kW/m2. Zum Vergleich: An sonnigen Tagen beträgt die einfallende Leistungsdichte der Solar­energie am Erdboden ebenfalls ca. 1 kW/m2.

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Geschichte

Arne Schirrmacher
07 / 2014 Seite 43

Die Physik im Großen Krieg

Das Bild, das wir vom Einsatz der Physik im Ersten Weltkrieg haben, ist erstaunlich unscharf. Hinter den breit diskutierten spektakulären Forschungsprojekten des Zweiten Weltkriegs und seinen bildgewaltigen Dokumenten verblasst es fast vollständig. Der Erste Weltkrieg gilt weithin als „Krieg der Chemiker“, in dem die Physik keine nennenswerte Rolle gespielt hat. Aber stimmt das wirklich?

Der junge Professor der Physik Max Born sitzt in Straßenanzug und Krawatte behelfsmäßig auf einer Kiste, Mantel und Schirm sind ordentlich auf einem kaputten Stuhl abgelegt (Abb. 1). Neben der Kleiderbürste befindet sich ein Buch auf der Holzkiste, die den fehlenden Tisch in seiner heruntergekommenen Behausung ersetzt, und in einer improvisierten Vase stehen einige Zweige. Diese bescheidenen Insignien bürgerlichen Lebens stehen im Kontrast zu seiner Uniform, die er mit Koppel und Stiefeln einer offenbar improvisierten Kleiderpuppe angezogen hat, und ein Stück Gardine an einer Stange ersetzt die Fahne, das Symbol für Vaterland und Ehre. Das hier sichtbar werdende ambivalente und distanzierte Verhältnis zwischen den Sphären der Wissenschaft und des Militärs war charakteristisch für den Einsatz der Physiker im Ersten Weltkrieg. Sie fanden sich auf einen Schlag in zwei ganz unterschiedlichen Koordinatensystemen, die sich nicht so leicht ineinander transformieren ließen. Dies scheint auch der Blick in die Kamera wider­zuspiegeln.

Wenige Wissenschaftler haben sich später zu ihrer anfänglichen Euphorie über den Krieg geäußert oder zu ihrer späteren Enttäuschung. Kaum einer hat seine Versuche, die Physik für den Kampf zu mobilisieren, genauer hinterfragt. Einige sollten von der „Urkatastrophe Deutschlands“ [1], die in England und Frankreich noch heute schlicht als der „Große Krieg“ bezeichnet wird, sogar persönlichen profitieren – nämlich wenn sich Kriegstätigkeiten als wichtige Faktoren für den späteren wissenschaftlichen Erfolg herausstellten. Einem Fünftel des Wissen­schaftlernachwuchses – vom Erstsemester zum jungen Physikprofessor – brachte der militärische Einsatz freilich den Tod. Für die meisten sollte es aber irgendwie weitergehen, unter ihnen auch all diejenigen, welche Deutschland die goldenen Zwanzigerjahre der Physik bescherten...

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Hans-Georg Bartel
07 / 2014 Seite 49

Ein Geheimrat im Militärdienst

Zu Beginn des Ersten Weltkriegs war Walther Nernst, gerade 50 Jahre alt geworden, ein weltbekannter Physiker und Physikochemiker und auf dem Gipfel seiner Karriere – nicht zuletzt durch seine Entdeckung und Fundierung des nach ihm benannten Wärmesatzes, des dritten Hauptsatzes der Thermodynamik. Welche Aufgaben er im Krieg übernahm, soll hier nachgezeichnet werden.

Walther Nernst [1] war 1885 als „untauglich befunden“ worden und 1909 „aus jedem Militärverhältnis ausgeschieden“.1) Dennoch hatte er sich bald nach Kriegsbeginn freiwillig zum Kriegsdienst gemeldet. Dies mag der allgemeinen Kriegsbegeisterung geschuldet sein, die alle Bevölkerungsschichten in Deutschland und im Ausland ergriffen hatte. Sein Name findet sich auch neben 92 anderen unter dem Aufruf „An die Kulturwelt“ vom Oktober 1914 [2]. Darin werten die Unterzeichner die Vorwürfe der „Feinde Deutschlands“, dass Deutschland den Krieg verschuldet und die Neutralität Belgiens und das Völkerrecht verletzt habe, als „Lügen und Verleumdungen“. Ob die Unterschrift von Nernst auch der „Kriegsbegeisterung“ entsprang, soll später diskutiert werden.

Da er zu den damals noch seltenen Automobilbesitzern gehörte, war er prädestiniert für das Kaiserliche Freiwillige Automobil-Corps. Als Meldefahrer erlebte er auf dem Feldzug der 1. Armee von Ende August bis Mitte Oktober 1914 zahlreiche Schlachten und Gefechte mit, darunter die erste Marne-Schlacht Anfang September. Sie bereitete den Übergang vom Bewegungs- in den Stellungskrieg vor. Nach der verlorenen Schlacht forderte der neue Chef der Obers­ten Heeresleitung, der preußische Kriegsminister Erich von Falkenhayn, für die noch nicht beendete Phase des Bewegungskrieges offensive Chemiewaffen, genauer mit kurzzeitig wirkenden Reizstoffen gefüllte Geschosse, die dazu dienen sollten, den Gegner aus geschlossenen Räumen zu vertreiben. Das war im Einklang mit der Haager Landkriegsordnung...

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Physik im Alltag

Michael Vogel
07 / 2014 Seite 54

Rollende Hotspots

Mobilfunk- und Internetempfang im ICE sind keine Selbstläufer. Züge und Streckennetz müssen hierfür umgerüstet werden.

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Menschen

07 / 2014 Seite 56

Personalien

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Maike Pfalz
07 / 2014 Seite 60

„Wir haben harte Schwarzbrotphysik gemacht.“

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Bücher/Software

Michael Schaaf
07 / 2014 Seite 61

József Illy: The Practical Einstein

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Alexander Pawlak
07 / 2014 Seite 62

A. Pol: Menschen am CERN

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Maike Pfalz
07 / 2014 Seite 63

L. Novelli: Volta und die Seele der Roboter

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Tagungen

Florian Klappenberger, Thiruvancheril Gopakumar und Katharina Franke
07 / 2014 Seite 71

Functional Molecules at Surfaces

563. WE- Heraeus-Seminar

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Harald Schwefel und Frank Vollmer
07 / 2014 Seite 71

Taking Detection to the Limit: Biosensing with Optical Microcavities

560. WE-Heraeus Seminar

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Klaus Blaum, Guido Drexlin, Christian Enss, Manfred Lindner und Christian Weinheimer
07 / 2014 Seite 71

Massive Neutrinos

561. WE-Heraeus-Seminar

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Sandro Keller
07 / 2014 Seite 72

Physical Approaches to Membrane Proteins

564. WE-Heraeus-Seminar

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DPG

Johannes Kruse, Oliver Richters und Sebastian Wunderlich
07 / 2014 Seite 64

jDPG: Physik trifft auf Volkswirtschaftslehre

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Bernhard Nunner
07 / 2014 Seite 65

Wahlen zum DPG-Vorstand

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Bernhard Nunner
07 / 2014 Seite 65

Wahl einer Ombudsperson

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Bernhard Nunner und Sara Schulz
07 / 2014 Seite 65

Niederschrift der Ordentlichen Mitgliederversammlung 2014

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07 / 2014 Seite 69

Kurzprotokoll zur Vorstandsratssitzung

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Weitere Rubriken

07 / 2014 Seite 74

Notizen

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Neue Vakuumpumpe VACUU·PURE® 10

Öl- und abriebfreies Vakuum bis 10⁻³  mbar

VACUUBRAND präsentiert eine trockene und abriebfreie Schraubenpumpe für den Vakuumbereich bis 10⁻³ mbar. Die Pumpe besticht durch ihre wartungsfreie Technologie ohne Verschleißteile und weist ein Saugvermögen von 10 m³/h auf. VACUU·PURE 10 ist die ideale Lösung für Prozesse, bei denen partikel- und kohlenwasserstofffreies Vakuum im Bereich bis 10⁻³ mbar benötigt wird. Mit dieser Eigenschaft deckt die Schraubenpumpe viele Anwendungsgebiete ab – wie beispielsweise Analytik, Vorvakuum für Turbomolekularpumpen oder die Regeneration von Kryopumpen. Sie ermöglicht aber auch Prozesse wie die Vakuumtrocknung, Gefriertrocknung, Wärmebehandlung, Entgasung oder Beschichtung. Da keine Verschleißteile zu tauschen sind und lästige Ölwechsel entfallen, ist ein unterbrechungsfreier Betrieb mit sehr langen Standzeiten möglich.

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