November 2015

Trotz tiefer Temperaturen und niedrigem Druck scheint es dank Salzverbindungen flüssiges Wasser auf dem Mars zu geben. (Bild: NASA/JPL-Caltech/U of Arizona, vgl. S. 19)

Meinung

Udo Weigelt
11 / 2015 Seite 3

Brücke zur Wirtschaft

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Aktuell

Kerstin Sonnabend
11 / 2015 Seite 6

Und sie oszillieren immer noch...

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Gerhard Samulat
11 / 2015 Seite 7

Lichtspiele in Jena

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Anja Hauck
11 / 2015 Seite 8

Zukünftige Exzellenz

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Kerstin Sonnabend
11 / 2015 Seite 10

Heißes Thema Wärme

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Susanne Koch / GWK
11 / 2015 Seite 11

Geld für die Forschung

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Maike Pfalz
11 / 2015 Seite 11

FAIR bleibt fair

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Kerstin Sonnabend
11 / 2015 Seite 12

Schwereloser Fall

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Rainer Scharf
11 / 2015 Seite 13

USA

Immigranten für die Wissenschaft / Planetare Ziele / Energie im Fokus

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Matthias Delbrück
11 / 2015 Seite 14

Indiens Weitblick im All

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Im Brennpunkt

Martin Wegener
11 / 2015 Seite 18

Ein Fokus auf Getränkedosen

Die Beugungsbegrenzung entfällt für akustische Wellen beim Fokussieren mit Subwellenlängenresonatoren.

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Ernst Hauber
11 / 2015 Seite 19

Mars mit Hang zum Wasser?

Trotz tiefer Temperaturen und niedrigem Druck scheint es Wasser auf dem Mars zu geben.
Möglich ist dies durch verschiedene Salzverbindungen, die den Gefrierpunkt senken.

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Rudolf Hackl und Bernd Büchner
11 / 2015 Seite 22

Supraleitung unter Hochdruck

In Schwefelwasserstoff tritt bei 203 K und 190 GPa konventionelle Supraleitung auf.

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Forum

Alexander Pawlak
11 / 2015 Seite 24

Sag mir, wo die Daten sind…

Wir schreiben das 22. Jahrhundert: Auf dem Planeten Losannien ist die Forschung in einer Sackgasse gelandet. Zwar ist schon so gut wie alles Erdenkliche untersucht worden, aber keiner weiß, wo sich bestimmte Forschungsergebnisse befinden. Um dem Unwissen über das Wissen zu begegnen, rufen die Losannier eine eigene Wissen­schaft namens Ignorantik ins Leben und durchfors-ten mit einem Spürcomputer die Datenspeicher des Planeten nach verschollenen Wissensschätzen. Doch im stetig wachsenden Netzwerk dauert die Suche bereits bis zu 16 Jahre, Tendenz steigend.

Dieses fiktive Dilemma hat der polnische Schriftsteller Stanislaw Lem bereits 1982 in seinem Science Fiction-Roman „Lokaltermin“ ersonnen und legte damit den Finger in die richtige Wunde. Wie überall ist heutzutage auch in der Wissenschaft eine steigende Daten­flut zu beobachten. So erzeugen allein die Detektoren des Large Hadron Colliders am CERN jährlich rund 15 Petabyte Daten. Dafür gibt es nicht nur ein eigenes Rechenzentrum vor Ort, sondern gleich ein global verteiltes Netzwerk: Für das „Worldwide LHC Computing Grid“ stellen 170 Rechenzentren aus 34 Ländern über 100 000 Prozessoren zur Verfügung, um die Daten zu verarbeiten und für die Community verfügbar zu machen...

Doch abseits von der Großforschung, im Labor herkömmlicher Größe, sieht der Datenkreislauf meist wenig nachhaltig aus: Forscher gewinnen im Experiment Messdaten, werten sie aus, vergleichen sie mit anderen Beobachtungen oder Simulationen und veröffentlichen schließlich ihre Ergebnisse in den einschlägigen Fachzeitschriften. Dann müssen neue Daten her, die alten haben schließlich ihre Schuldigkeit getan, oder? Nein, sagte schon die Deutsche Forschungsgemeinschaft 1998 in ihrer Denkschrift zur „Sicherung guter wissenschaftlicher Praxis“. Darin empfiehlt sie: „Primärdaten als Grundlagen für Veröffentlichungen sollen auf haltbaren und gesicherten Trägern in der Institution, wo sie entstanden sind, zehn Jahre lang aufbewahrt werden.“ Ein Auslöser für die Empfehlung war ein schwerer Fall von Forschungsbetrug: Die Krebsforscher Friedhelm Herrmann und Marion Brach von der Universität Ulm hatten über viele Jahre hinweg ihre Daten manipuliert und fremde Ergebnisse kopiert und in den eigenen Publikationen verwendet. Ein verantwortungsvoller Umgang mit den Primärdaten ist daher ein entscheidender Schritt, um gute wissenschaftliche Praxis zu sichern und eventuelle Vorwürfe überprüfen zu können. Wie berechtigt die DFG-Empfehlung ist, rief der Fall des Physikers Jan Hendrik Schön im Jahr 2002 wieder eindrücklich in Erinnerung. Originaldaten konnte er nicht vorweisen...

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Überblick

Stephan Gekle
11 / 2015 Seite 29

Wasser in Grenzen

Flüssiges Wasser und Eis sind zwar chemisch identisch, haben aber physikalisch völlig unterschiedliche Eigenschaften. Weit weniger geläufig ist die Tatsache, dass Wasser auch im flüssigen Zustand nicht immer gleich ist. Grund ist die räumlich ausgedehnte Struktur des Netzwerks aus Wasserstoffbrücken. Wird dieses nämlich von einer Grenzfläche durchschnitten, entsteht ein neuer Typus flüssigen Wassers: Grenz­flächenwasser. Dessen Eigenschaften unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht und oft fundamental von normalem, flüssigem Wasser („Bulk“-Wasser).

Flüssiges Wasser ist die wichtigste Substanz auf unserem Planeten, ohne die Leben in der bekannten Form nicht möglich wäre. Jahrzehntelange Forschung hat zu einem guten, wenngleich längst nicht vollständigen, Verständnis von Bulk-Wasser auf mole­kularer Ebene geführt. In direkter Nachbarschaft zu einer Begrenzung jedoch bilden die Wassermoleküle eine dünne Schicht mit oftmals gänzlich neuen Eigenschaften. Dieses Grenzflächenwasser, das z. B. in der Umgebung von Zellmembranen, Proteinen oder auch makroskopischen Oberflächen auftritt, ist in den letzten Jahren zunehmend in den Fokus der wissenschaftlichen Anstrengungen von Physikern, Chemikern und zum Teil auch Biologen gerückt. In lebenden Zellen ist die Konzentration an biologischen Molekülen oft sogar so hoch, dass ein Großteil des Wassers in solchen Grenzschichten vorliegt [1]. Trotzdem galt Wasser lange Zeit nur als passive Hintergrundsubstanz für biologische Prozesse − deutlich weniger interessant als Proteine oder DNA. Inzwischen aber wird die zentrale Rolle von Wasser als aktiver, gleichwertiger Partner in der Maschinerie des Lebens immer deutlicher.

Flüssiges Wasser bildet ein molekulares Netzwerk, in dem jedes Wassermolekül mit durchschnittlich knapp vier Nachbarn verbunden ist. Zentrales Bindeglied sind dabei die Wasserstoffbrücken (H-Brücken). Bei diesen handelt es sich um intermolekulare Bindungen zwischen einem partiell positiv geladenen Wasserstoffatom und einem partiell negativ geladenen Partner. In reinem Wasser ist letzterer immer das Sauerstoffatom eines anderen Wassermoleküls, an Grenzflächen jedoch können auch H-Brücken zwischen Wasser und dem begrenzenden Molekül entstehen. Die Bindungsenergie einer typi­schen Wasserstoffbrücke in Wasser liegt bei etwa 4kBT. In reinem flüssigen Wasser besitzt jedes Molekül im Schnitt nHB = 3,5 H-Brücken [1]. Die Tatsache, dass nHB < 4 ist, also kleiner als die Zahl der Bindungen in einer idealen tetraedrischen Struktur, belegt den Einfluss thermischer Fluktua­tionen und den transienten Charakter des Netzwerks...

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Christian Rothleitner und Stephan Schlamminger
11 / 2015 Seite 37

Schwere Experimente

Obwohl die Gravitationskonstante eine der ersten Fundamentalkonstanten ist, die je gemessen wurde, ist sie immer noch die am ungenauesten bestimmte. In den letzten fünf Jahren hat sich die relative Standardmess­unsicherheit nur etwa um den Faktor zwei verringert. Im Juni 2015 hat das Committee on Data for Science and Technology (CODATA) eine neue Empfehlung für den Wert der Newtonschen Gravitationskonstanten herausgegeben – gegenwärtig mit einer relativen Unsicherheit von

&#160;
Neue Wege sind nötig, um diese Unsicherheit zu verkleinern.

Nach Isaac Newton ist die Anziehungskraft zwischen zwei punktförmigen Massen m1 und m2 im Abstand r gegeben durch

.

Der in dieser Gleichung auftretende Faktor G bezeichnet die Gravitationskonstante und gilt als Fundamentalkonstante, d. h. sie besitzt einen Wert, der im gesamten Universum gleich ist und sich zeitlich nicht ändert.

Genau genommen taucht G in Newtons Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica von 1687 [1] – kurz Principia – nicht einmal auf. So bleibt in jenem Meisterwerk, das die Gravitationskraft zwischen zwei Körpern beschreibt, das Maß für die Stärke der beschreibenden Kraft unerwähnt. Aus damaliger Sicht betrachtet verwundert diese Tatsache aber nicht so sehr: Zu Newtons Zeit war die Gravitationskonstante nicht interessant. Die Massen der Himmelskörper waren einfach zu ungenau bekannt, und es gab keine hinreichend präzise Technologie, um Kräfte zwischen zwei Massen im Labor zu messen. Die Wissen­schaft interessierte sich vielmehr für astronomische oder geo­physikalische Fragen wie die Dichte der Erde. Diese hatte Newton auf 5000 bis 6000 kg m–3 geschätzt und damit den heutigen Messwert von

ρe =  5514 kg m–3 gut getroffen.

Seine Schätzung basierte auf einer Extrapolation der Dichte von Objekten auf der Erdoberfläche wie Wasser, Erde und Gestein...

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Geschichte

Johannes-Geert Hagmann
11 / 2015 Seite 43

Wie sich die Physik Gehör verschaffte

Auch nach hundert Jahren fehlt vielfach ein klares Bild über die Physik zur Zeit des Ersten Weltkriegs [1]. Dank der vielen erhaltenen Quellen ist die Organisation der physikalischen Forschung in den USA während des Kriegs noch heute gut nachzuvollziehen. Dabei zeigt sich, dass die kriegsbezogenen Aktivitäten amerikanischer Physiker kaum Einfluss auf den Verlauf des Konflikts hatten, der Erste Weltkrieg die Entwicklung und den Stellenwert der Physik in den USA aber sehr erhöhte.

Vier Monate nach Beginn des Ersten Weltkriegs, die USA gehörten noch nicht zu den Kriegsparteien, schrieb der amerikanische Astrophysiker George Ellery Hale an seinen deutschen Kollegen Johannes Stark in Aachen: „I cannot tell you how sincerely I regret that you have been compelled to leave your laboratory and take part in the work of the army. The war is causing appalling losses, and I sympathy most deeply with all who are compelled to bear them. May peace soon be restored, bringing with it the happy life of the past!“1) Hale, der als Sekre­tär für Auslandsbeziehungen der National Academy of Sciences der USA eine besonders große Zahl von Kontakten mit anderen Ländern pflegte, war auf Starks Arbeiten zur Aufspaltung von Spektral­linien im statischen elektrischen Feld aufmerksam geworden und suchte nach einem ähnlichen Effekt in der Sonnenatmosphäre. Der Amerikaner bewunderte Starks Ergebnisse und brachte dies nicht nur in Briefen zum Ausdruck: Zweimal, 1914 und 1916, nominierte Hale den deutschen Physiker sogar für den Physik-Nobelpreis.2)

Hales Wunsch nach der Rückkehr zum „glücklichen Leben aus vergangenen Tagen“ und dem Anknüpfen an wissenschaftliche Beziehungen aus der Vorkriegszeit sollten sich jedoch nicht erfüllen. Trotz der Wahrung der Neutralität durch die Vereinigten Staaten unter der Führung von Präsident Woodrow Wilson bis zum Frühjahr 1917 begannen amerikanische Wissenschaftler und Ingenieure früh damit, nach praktischen Antworten auf die durch den Krieg aufgeworfenen militärischen Probleme zu suchen und den amerikanischen Kriegseintritt vorzubereiten. Hale selbst und seinem wissenschaftlichen Umfeld aus dem Netzwerk der University of Chicago sollte dabei eine tragende Rolle zukommen...

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Physik im Alltag

Michael Vogel
11 / 2015 Seite 48

Raum für guten Klang

Mit passenden Absorbern und Diffusoren lässt sich die Raumakustik verbessern.

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Menschen

11 / 2015 Seite 50

Personalien

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Goerg H. Michler, Dieter Katzer, Gunnar Berg und Christian Teichert
11 / 2015 Seite 54

Nachruf auf Johannes Heydenreich

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Maike Pfalz
11 / 2015 Seite 55

„Alle Gebiete der Physik sollen diskutiert werden.“

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Bücher/Software

DPG

11 / 2015 Seite 28

Physik im Advent

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Ruzin Aanolu und Iris Traulsen
11 / 2015 Seite 58

Licht fürs Leben

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Juliane Klatt
11 / 2015 Seite 58

Lichtstunden in Freiburg

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Tagungen

Ralf Kießwetter
11 / 2015 Seite 60

Einstein relativ einfach – 100 Jahre Allgemeine Relativitätstheorie

DPG-Lehrerfortbildung

weiterlesen
Reinhold Rueckl
11 / 2015 Seite 60

Quantenphysik an der Schule

Zweiter Workshop der Heisenberg-Gesellschaft

weiterlesen
Benita von Finckenstein und Andreas Wagner
11 / 2015 Seite 60

Quanteninformation

DPG-Lehrerfortbildung

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Volker Lindenstruth, Thomas Lippert und Alexander Reinefeld
11 / 2015 Seite 61

Science Applications for Exa­scale Computing – Exploring New Avenues towards Scalability and Fault-Tolerance

596. WE-Heraeus-Seminar

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Werner Becker und Axel Jessner
11 / 2015 Seite 61

Autonomous Spacecraft Navigation

593. WE-Heraeus-Seminar

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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

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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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