Juni 2012

Die Netzhaut des Auges besitzt außergewöhnliche optische Eigenschaften. (vgl. S. 39; Bild: Netfalls /­ fotolia.com)

Meinung

Albrecht Wagner
06 / 2012 Seite 3

Ein kritischer Partner

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Aktuell

Maike Pfalz
06 / 2012 Seite 6

Das Schweigen des Satelliten

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Alexander Pawlak
06 / 2012 Seite 7

Ranking im Studiendschungel

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Alexander Pawlak
06 / 2012 Seite 8

Europas Weg zu Europa

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Stefan Jorda / FZ Jülich
06 / 2012 Seite 10

Abgehobene Forschung

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06 / 2012 Seite 12

Freiheit für die Wissenschaft

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Alexander Pawlak
06 / 2012 Seite 12

Physik? Ich brech ab!

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06 / 2012 Seite 14

DFG: Neue Schwerpunkt­programme

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Rainer Scharf
06 / 2012 Seite 15

USA


Daten-Initiative
Mehr Physikprofessor(inn)en
Satelliten-Engpass

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Gennady Pospelov
06 / 2012 Seite 15

Silicon Valley vor den Toren Moskaus

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Leserbriefe

Siegfried Großmann
06 / 2012 Seite 17

Fehlende Würdigung

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Roland Müller-Fiedler
06 / 2012 Seite 17

Mikrofone ohne Kamm

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Im Brennpunkt

Michael Wimmer
06 / 2012 Seite 21

Majorana auf Draht

In einem Hybridsystem aus Halbleiter-Nanodraht und supraleitendem Kontakt wurden eindeutige Hinweise auf Majorana-Fermionen gefunden.

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Michael Engel
06 / 2012 Seite 24

Aus Schaum gebaut

Computersimulationen und Experimente mit Schaumblasen zeigen, wie man Kugeln nicht nur dicht stapelt, sondern auch mechanisch stabil.

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Uwe Bovensiepen
06 / 2012 Seite 26

Analyse auf dem Tisch

Die Nichtgleichgewichtsdynamik in Ferromagneten lässt sich elementspezifisch und auf Femtosekunden genau mit einem Laboraufbau analysieren.

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Forum

Maike Pfalz
06 / 2012 Seite 29

Da ist Physik im Spiel

Leise schleicht sich eine muskulöse Spielfigur durch dichten Dschungel, Zweige brechen ab, und Blätter rascheln. Der Feind könnte überall lauern. Eine Taschenlampe leuchtet den Weg. War da eine Bewegung im Augenwinkel? Schnell bewegt sich die Figur weiter und versteckt sich hinter einem Baumstamm. In dem Moment feuert eine gegnerische Gestalt einen Schuss ab. Die Kugel trifft den Baum und hinterlässt ein tiefes Loch.

Eine typische Szene in einem Computerspiel. Zwischen einer solchen Szene und Spielen vor 10 bis 15 Jahren liegen Welten, und zwar nicht nur in puncto Grafik. Die Bewegungsabläufe sind realistisch, der Spieler greift aktiv in das Geschehen ein und beeinflusst seine Umgebung. Läuft er gegen ein Hindernis, so fällt es um, verformt sich oder geht kaputt. Sieht man einen Gegenstand – beispielsweise einen Stuhl oder eine Kiste –, so kann man danach greifen, den Gegenstand bewegen, werfen oder zerschellen lassen. All diese im Alltag so selbstverständlichen Abläufe sind das Ergebnis aufwändiger Berechnungen in einem Computerspiel – möglich durch sog. Physik Engines. Die darin enthaltenen Algorithmen dienen dazu, physikalische Abläufe zu berechnen, damit sie im Spiel realistisch wirken. Noch vor etwa 15 Jahren wäre das undenkbar gewesen. Prallte ein Spieler damals gegen eine Tür, so blieb diese in der Regel wie sie war. Nur wenn man kräftig genug dagegen trat, zeigte eine kurze Animation, wie die Tür zersplitterte.

Früher war es in Computerspielen üblich, dass sämtliche Objekte am Wegesrand völlig unbeweglich waren. Konnte man sie überraschenderweise doch bewegen oder aufheben, dann nur deswegen, weil dieses spezielle Objekt im weiteren Verlauf eine Rolle spielte. Aber natürlich hat das mit einer realistischen Welt nicht viel zu tun. „Ulti­matives Ziel bei einem Computerspiel ist es, dass der Spieler völlig in die künstliche Spielewelt eintaucht“, erläutert Carl Jones, Director of Global Business Development für die CryENGINE bei der Firma Crytek in Frankfurt am Main.1) Crytek ist eine der weltweit führenden Entwicklerfirmen, aus deren Hause u. a. das Spiel Crysis 2 stammt, das Ende April für die überragende Technik mit dem Deutschen Computerspielpreis ausgezeichnet worden ist. Möglich wurde dies durch die zugrundeliegende CryENGINE, in die auch eine selbst entwickelte Physik En­gine integriert ist. Die Nominierung hatte im Vorfeld der Preisverleihung für kritische Stimmen gesorgt, so forderte der medien­politische Sprecher der CDU/CSU-Fraktion, Wolfgang Börnsen, sog. Killerspiele dürften nicht honoriert werden, auch wenn sie technisch noch so ausgereift seien. Doch unabhängig davon, wie man über solche Spiele denkt, dürfte unstrittig sein, dass die Physik einen großen Anteil daran hat, dass Spiele heute einen so hohen Grad an Realismus erreichen. ...

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DPG

Stefan Jorda
06 / 2012 Seite 33

Eine Frau an der Spitze

Am 16. April fand in Berlin die Amtsübergabe des DPG-Präsidenten statt.

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Johanna Stachel
06 / 2012 Seite 34

„Eine ausgewogene Balance“

Antrittsrede der neuen DPG-Präsidentin

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06 / 2012 Seite 69

DPG-Physikschulen

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Überblick

Jochen Guck
06 / 2012 Seite 39

Lebendige Optik

„Most of the properties of the eye are wonderful […], but some are apparently stupid.“ So urteilte Richard Feynman in seinen berühmten „Lectures on Physics“ über einen offensichtlichen, grundlegenden Fehler im Bauplan des Auges: Das Licht muss erst die gesamte einige hundert Mikrometer dicke Netzhaut durchdringen, bevor es auf die lichtempfindlichen Zellen trifft. Wie kann es sein, dass wir dennoch scharf sehen können?

machen wir uns jedoch Gedanken darüber, wie Sehen im Detail funktioniert und welche Schritte nötig sind, damit Licht vom Auge aufgenommen und in eine wahrheitsgemäße und brauchbare Repräsentation unserer Umgebung verwandelt wird. Neben den biologischen Aspekten ist es offensichtlich, dass auch die Physik eine wichtige Rolle spielt, wenn elektromagnetische Strahlung durch die brechenden Medien im Auge auf die Netzhaut abgebildet und dort letztendlich in einen biochemisch-elektrischen Reiz zur weiteren Verarbeitung durch das Gehirn umgewandelt wird.

Sicherlich ist es nicht überraschend, dass biologische Organismen irgendwann einmal während der Evolution auf die Sonne aufmerksam wurden und spezielle sensorische Fähigkeiten entwickelten, um sich dieser Energiequelle zuzuwenden oder sich daraufhin zuzubewegen. Ein schönes Beispiel hierfür ist der Schlangenstern, ein enger Verwandter der Seesterne: Dieser besitzt zwar keine Augen, hat aber die periodische Form seines aus einem Kalzit-Einkristall bestehenden Skeletts so angepasst, dass es lokal Licht auf lichtsensitive Zellen fokussiert und dabei sogar sphärische Aberrationen und Doppelbrechung minimiert.

Bei Wirbeltieren, und besonders bei Raubtieren und den Primaten, ist im Laufe der Evolution aus dem zunächst sehr primitiven Sehorgan ein hochentwickeltes und fein abgestimmtes Instrument mit beeindruckenden Eigenschaften entstanden. Zunächst einmal sind Linse, Hornhaut (Cornea) und die dazwischenliegende Flüssigkeit dafür zuständig, eine qualitativ hochwertige Abbildung der Umgebung auf der Netzhaut (Retina) zu erzeugen. Dabei spielen selbstverständlich die gleichen Aspekte eine Rolle wie bei jedem optischen Aufbau. Die vom Licht durchlaufenen Materialien müssen von hoher optischer Transparenz sein. Die Linsenzellen, aus denen die Linse besteht, verlieren deshalb während der Entwicklung ihren Zellkern und andere Organellen, um das Licht nicht zu streuen. Muskeln können die Form der Linse so verändern, dass sie Gegenstände in unterschiedlichem Abstand scharf auf der Netzhaut abbilden kann. Darüber hinaus variiert sogar der Brechungsindex der Linse in radialer Richtung so, dass chromatische und sphärische Aberrationen korrigiert werden. Und schließlich sind die Signaltransduktion des Lichts in der Netzhaut und die weitere Signalverarbeitung derart angelegt, dass sich sowohl Lichtintensitäten bei hellem Tageslicht als auch bei dunkler Nacht, wenn nur die Sterne als Lichtquelle vorhanden sind, noch sinnvoll verarbeiten lassen [1]. Kein technischer Detektor ist über acht Dekaden in der Lichtintensität hinweg derart leistungsstark. Alleine diese wenigen Beispiele sollten verdeutlichen, dass das Auge durch die Evolution auch im Hinblick auf diverse physikalische Eigenschaften hin optimiert wurde. ...

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Piet O. Schmidt
06 / 2012 Seite 47

Spektroskopie – aber logisch!

Optische Spektroskopie mit höchster Auflösung ist nur möglich an Atomen, die geeignete Übergänge zum Laserkühlen und zur Detektion des internen Zustands haben. Dies schränkte die Methode, z. B. im Hinblick auf hochgenaue Atomuhren, stark ein. Ein neues Verfahren, basierend auf Techniken der Quanteninformationsverarbeitung, hebt diese Beschränkung auf und macht eine Vielzahl weiterer Atome und Moleküle zugänglich. Das eröffnet faszinierende Möglichkeiten bei der Entwicklung optischer Uhren und bei Tests fundamentaler Theorien.

Präzisionsspektroskopie ist eine treibende Kraft für die Weiterentwicklung unseres physikalischen Verständnisses. So machten immer höhere spektroskopische Auflösungen Effekte wie die Fein- und Hyperfeinstruktur sowie die Lamb-Verschiebung sichtbar und führten zur Entwicklung der Quantenelektrodynamik (QED). Die QED ist einer der Grundpfeiler des sehr erfolgreichen Standardmodells der Teilchenphysik, das jedoch eine Reihe von Phänomenen, wie zum Beispiel Dunkle Materie bzw. Energie und die Asymmetrie in der Verteilung von Materie und Antimaterie, nicht erklären kann. Zudem ist die Gravitation nicht mit der QED vereinbar. Aus diesem Grund wird nach einer gemeinsamen Beschreibung aller fundamentalen Wechselwirkungen gesucht. Die Hoffnung besteht, dass die Spektroskopie mit immer höherer Auflösung irgendwann weitere Abweichungen von den Vorhersagen unserer besten Modelle liefert und damit die Richtung für eine verfeinerte und möglicherweise vereinheitlichte Theorie vorgibt.

Sehr lohnenswert ist hierbei die Untersuchung von Systemen, bei denen mögliche Abweichungen besonders ausgeprägt sind. Dazu zählen insbesondere spektroskopische Untersuchungen an Atomen und Molekülen, um mögliche Änderungen von Fundamentalkonstanten nachzuweisen, nach einem eventuellen Dipolmoment des Elektrons zu suchen, die Paritäts­verletzung zu messen sowie generell die QED zu testen. Allerdings gibt es nur wenige theoretische Vorhersagen zur Größenordnung der zu erwartenden Effekte. Da diese im Labor noch nicht gefunden wurden, müssen die Abweichungen so winzig sind, dass nur höchst­auflösende Methoden Erfolg versprechen.

Die mit Abstand genaueste Messmethode ist heutzutage die Laserspektroskopie, mit der sich Frequenzverhältnisse von optischen Uhren auf 17 Stellen genau angeben lassen. Dazu müssen die Referenz­atome bestmöglich von störenden Umwelteinflüssen wie unerwünschten elektromagnetischen Feldern und Stößen mit anderen Atomen abgeschirmt sein. Paul-Fallen für Ionen im Ultrahochvakuum eignen sich dazu besonders gut, da sich die gefangenen Ionen dort in einem beinahe feldfreien Raum befinden. Durch den starken Falleneinschluss tritt bei der Spektroskopie praktisch kein Rückstoß auf (analog zum Mößbauer-Effekt), da ein einzelnes Photon den quantisierten Bewegungs­zustand des Ions in der Falle nicht ändert. ...

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Geschichte

Michael Walter
06 / 2012 Seite 53

Ein Höhenflug der Physik.

Im Jahr 1912 stieg der österreichische Physiker Victor Franz Hess siebenmal mit einem Ballon auf, um die Ionisierung der Atmosphäre zu messen. Bei der letzten Fahrt erreichte er eine Höhe von über fünf Kilometern. Das Elektrometer an Bord zeigte in dieser Höhe einen unerwartet starken Anstieg der Ionisation. Dies, so war sich Hess sicher, konnte nur durch eine extraterres­trische Strahlung hervorgerufen worden sein.

Elektrizität und neuartige Strahlenarten waren entscheidende Faktoren des Fortschritts in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts. Die von Heinrich Geißler 1857 in Thüringen entwickelte Gasentladungsröhre galt zwar zunächst als Spielerei. Doch als William Crookes in England damit zwölf Jahre später die Kathodenstrahlung nachwies, begann eine wissenschaftliche und technische Erfolgsgeschichte. So entdeckte Conrad Röntgen mit einer Kathodenstrahlröhre 1895 zufällig die nach ihm benannte Strahlung. Nur wenige Monate später beobachtete Henri Becquerel ebenfalls zufällig eine unbekannte Strahlung, und damit die Radioaktivität. Und 1897 konnte Joseph John Thomson nachweisen, dass Kathodenstrahlen aus Elektronen bestehen.

In Paris begann Marie Curie Ende 1897, die „Becquerel-Strahlung“ mit einem von ihrem Mann Pierre entwickelten Elektrometer zu untersuchen. Elektrometer waren zu dieser Zeit schon seit mehr als hundert Jahren für die Messung elektrischer Ladungen im Einsatz. Marie Curie konnte damit die Intensität der ionisierenden Strahlung von Uran und den von ihrem Mann neu entdeckten radioaktiven Elementen Thorium, Radium und Polonium messen. Weitere Untersuchungen von Ernest Rutherford und anderen führten zu der Erkenntnis, dass sich die ionisierende Strahlung aus drei Arten zusammensetzt, den α-, β- und γ-Strahlen.

Die ionisierende Strahlung lieferte auch eine Erklärung für ein Phänomen, das schon Charles Coulomb um 1785 beschäftigt hatte. Luft wurde allgemein als guter Isolator betrachtet. Allerdings zeigte sich, dass ein elektrisch geladener metallischer Leiter mit der Zeit die Ladung verlor, auch wenn er nur von Luft umgeben war und gut isoliert in einem geschlossenen Gefäß lagerte. Die Erklärung lieferten um 1900 Julius Elster und Hans Geitel und unabhängig von ihnen der Schotte Charles Wilson. Die Leitfähigkeit der Luft wird durch die ionisierende Strahlung hervorgerufen, die von radioaktiven Subs­tanzen aus der Umgebung stammen. Die drei waren vermutlich die ersten, die Messungen der im Erdboden und in der umgebenden Luft vorkommenden ionisierenden Strahlung in der Natur durchführten. Während Wilson später für die Entwicklung der Nebelkammer den Nobelpreis erhielt, sind die beiden Physiklehrer und Hobbyforscher aus Wolfenbüttel heute den meisten wahrscheinlich völlig unbekannt. Dabei waren sie damals mit der Entwicklung der Photozelle, ihren Untersuchungen zur Elektrizität der Atmosphäre und zur ionisierenden Strahlung anerkannte Kapazitäten. Zwischen 1904 und 1911 wurden sie sieben Mal für den Nobelpreis nominiert. Den Ruf an eine Universität haben sie abgelehnt, um als Gymnasiallehrer mit Privatlabor unabhängig zu bleiben. ...

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Physik im Alltag

Michael Vogel
06 / 2012 Seite 58

Auf Messers Schneide

Messer sollen scharf sein. Um das zu erreichen, müssen Geometrie und Werkstoff der Klinge aufeinander abgestimmt sein.

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Menschen

06 / 2012 Seite 60

Personalien

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Manfred Euler, André Bresges und Fritz Siemsen
06 / 2012 Seite 64

Nachruf auf Gernot Born

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Peter Fulde
06 / 2012 Seite 65

Nachruf auf Helmut Eschrig

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Petra Folkerts und Erich Lohrmann
06 / 2012 Seite 66

Nachruf auf Pedro Waloschek

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Bücher/Software

Jürgen Mimkes
06 / 2012 Seite 67

R. Kümmel: The Second Law of Economics

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Hartwig Freiesleben
06 / 2012 Seite 67

Jo Hermans: ­Energy Survival Guide

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Marina Ganeva und Rainer Hippler
06 / 2012 Seite 68

Boris M. Smirnov: Fundamentals of Ionized Gases

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Tagungen

Dennis D. Dietrich
06 / 2012 Seite 72

Strong interactions beyond the standard model

497. WE-Heraeus-Seminar

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Raphaël Hermann, Volker Schünemann, Hans-Christian Wille und Ralf Röhlsberger
06 / 2012 Seite 72

Progress in Nuclear Resonance Scattering: from Methods to ­Materials

498. WE-Heraeus-Seminar

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Bianca Dittrich, Renate Loll und James P. Ryan
06 / 2012 Seite 72

Exploring Quantum Space-Time

499. WE-Heraeus-Seminar

weiterlesen
Raymond F. Bishop, Damian Farnell, ­Johannes Richter und Jürgen Schnack
06 / 2012 Seite 73

Quantum Magnetism in Low ­Spatial Dimensions

504. WE-Hereaus-Seminar

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Wilfried Nörtershäuser und Thomas Neff
06 / 2012 Seite 73

Nuclear Ground-State Properties of the Lightest Nuclei: Status and Perspectives

501. WE-Heraeus-Seminar

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06 / 2012 Seite 74

Tagungskalender

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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.

VACCU PURE 10

Lernen Sie VACUU·PURE 10 kennen.

Erleben Sie unsere neue HiScroll – die ölfreien Vakuumpumpen von Pfeiffer Vacuum

Die HiScroll Serie besteht aus drei ölfreien und hermetisch dichten Scrollpumpen mit einem nominellen Saugvermögen von 6 – 20 m³/h. Die Pumpen zeichnen sich insbesondere durch ihre hohe Leistung beim Evakuieren gegen Atmosphäre aus. Ihre leistungsstarken IPM*-Synchronmotoren erzielen einen bis zu 15% höheren Wirkungsgrad in Vergleich zu konventionellen Antrieben.

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