Physik Journal 11 / 2018

Auch in der deutschen Hochschullandschaft hat vor 50 Jahren ein Wandel eingesetzt, der bis heute andauert. Schon zu Beginn der 1960er-Jahre hatte der Wissenschaftsrat empfohlen, die Idealvorstellung einer „vollständigen Universität“ im Humboldtschen Sinne aufzubrechen: Die Hochschulen sollten Schwerpunkte entwickeln und spezielle Forschungsgebiete erschließen. Das erforderte ein Umdenken in Forschung und Lehre, aber auch in Berufungsfragen. Finanzielle Anreize setzte in dieser Zeit des Wandels die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) mit einem neuen Förderprogramm. Die Sonderforschungsbereiche (SFB) zeichneten sich durch damals noch schockierend neue Ziele aus: Es galt, das exzellente Forschen im Verbund und das Setzen von Schwerpunkten an Hochschulen voranzutreiben.
An diese Ideen mussten sich die antragstellenden Professoren erst gewöhnen. Das zeigen die noch sehr breit aufgestellten Titel der ers­ten bewilligten Sonderforschungsbereiche – in der Physik der SFB 39 „Meteorologie“ der Freien Universität Berlin. Dessen erster Sprecher, Richard Scherhag, hatte das Meteorologische Institut ab 1949 aufgebaut und war seit den 1950er-Jahren für Wettervorhersagen und -warnungen in West-Berlin zuständig. Für den Begründer der Berliner Wetterkarte,1) einer leicht verständlichen, täglich erscheinen­den Beschreibung der aktuellen Wetterlage, war das Einwerben eines Sonderforschungsbereichs eine große Ehre und Krönung seines Lebenswerks, wie sein Schüler Horst Malberg 2007 anlässlich des Gedenkkolloquiums zu Scherhags 100. Geburtstag betonte...

Eine Alternative bietet das Einbinden Smartphone-basierter Experimente [1, 2] in den Vorlesungs- und Übungsablauf. Nahezu alle Studierenden bringen heute in Form ihrer Smartphones eigene Messgeräte mit, die über zahlreiche Sensoren verfügen, welche die Mechanik breit abdecken. Je nach Modell gibt es Hellig­keits-, Magnetfeld-, Beschleunigungs- und Dreh­ratensensoren, Mikrofone, GPS sowie Luftdrucksensoren. Mikrofon und Beschleunigungssensor sind in jedem Gerät vorhanden. Die Verfügbarkeit anderer Sensoren hängt vom Modell ab, reicht aber meist aus, um in Gruppenarbeit alle Studierenden zu erreichen.
Ausgehend von dieser Beobachtung bekamen die Studierenden im Bachelorstudiengang Physik an der RWTH Aachen im Wintersemester 2016/17 experimentelle Aufgaben, die mit Smartphones sowie haushaltsüblichen Materialien durchzuführen waren. Für die Erfassung und Verarbeitung der Daten hatten sie eine eigens dafür an der RWTH Aachen entwickelte App zur Verfügung: phyphox [3]. Die Aufgaben waren Teil der Übungsaufgaben, die gleichzeitig Zulassungsvoraussetzung für die Klausur waren. Die Studierenden konnten auf freiwilliger Basis klassische Aufgaben durch Smartphone-Experimente ersetzen...

Im Englischen sind „Bologneser Glastränen“ auch heute noch als Prince Rupert‘s Drops bekannt: Ruprecht von der Pfalz hatte die Glastropfen am Hof des englischen Königs Karls II. im 17. Jahrhundert vorgeführt (Abb. 1). Der laute Knall, mit dem sich der Tropfen nach einem schnellen Fingergriff in Staub auflöste, hat wohl auch den anwesenden Robert Hooke fasziniert: Er versuchte, das Verhalten der Glastränen zu erklären, die beim schnellen Abschrecken heißer Glaströpfchen in Öl oder Wasser entstehen. Ohne die Erkenntnisse der Elastizitätstheorie – die Hooke später inklusive des bekannten Hookeschen Gesetzes entwickeln sollte – oder das Wissen um die Struktur von Gläsern und die thermischen Effekte beim Abschrecken erkannte der Zeitgenosse und Konkurrent Sir Isaac Newtons, dass es sich bei dem Tropfen um ein intern zutiefst verspanntes Material handeln musste. Auch wenn die „Explosion“ des Tropfens bis heute nicht im Detail verstanden ist [1], wissen wir inzwischen um die fundamentale Bedeutung mechanischer Frustration und die damit einhergehenden Verspannungen in vielen Materialien und Systemen.
Physikalisch gesehen stellen Verspannungen interne Kräfte dar. Sie treten auf, sobald Materialeigenschaften mit Geometrie oder Topologie inkompatibel sind. Typischerweise entstehen sie während des Aufbaus eines Objekts (Infokasten Verspannte Materialien und Frustration). Etwas abstrakter kann man sich auch vorstellen, dass ein Körper mit nicht-euklidischer innerer Geometrie in den flachen Euklidischen Raum gezwängt wird [2]: Der Körper muss sich bestmöglich mit der flachen Metrik des umgebenden Raumes arrangieren. Die damit verbundene Frustration führt zu vielen interessanten Phänomenen. In einigen Fällen hält das Mate­rial der Frustration nicht stand und löst sich bei geringer Perturbation in Staub auf, wie die Bologneser Glastränen. Verspannungen können aber auch sehr nützlich sein. Klassische Beispiele sind der Spann­beton, bei dem eine Vorspannung des Stahlgerüsts die Bildung von Rissen und Deformationen des Betons stark reduziert, und das für Displays verwendete Gorilla-Glas, an dessen Oberfläche ein Ionenaustausch in der Schmelzphase eine Spannung erzeugt, die ebenfalls der Rissbildung entgegenwirkt. Auch in biologischen Systemen entstehen durch Wachstumsprozesse Strukturen, die intern verspannt sind. Diese Verspannungen sind für viele Lebensprozesse wichtig [3]...

Jeder hat sicher schon beobachtet, wie Eiswürfel in einer Flüssigkeit schmelzen und sich nach einiger Zeit ein Gleichgewichtszustand einstellt, der durch die Temperatur der Flüssigkeit charakterisiert ist (Abb. 1). Dieses dynamische Erreichen des thermodynamischen Gleichgewichts nennt man Thermalisierung. Ludwig Boltzmann erkannte, dass dieses Gleichgewicht durch einen Zustand maximaler Entropie gegeben ist – unter Einhaltung vorliegender Randbedingungen. Dieser Zustand stellt sich durch dynamisches Chaos ein, bei dem kleinste Unterschiede in den Anfangs­bedingungen zu komplett unterschiedlichen End­zuständen führen.
Doch kann es Thermalisierung auch in isolierten Quantensystemen geben? Diese Frage ist von großer Bedeutung für das grundlegende Verständnis der Thermodynamik von Quantensystemen in Abwesenheit eines Wärmebades sowie für die Erklärung von Experimenten mit ultrakalten Quantengasen [2]. Diese sind exzellent von der Umgebung isoliert und eignen sich aufgrund bedeutender Fortschritte in der experimentellen Kontrolle sehr gut, um theoretische Vorhersagen zu überprüfen...

Wie sind Sie zum Journalismus gekommen?
Während meiner Postdoc-Zeit in England bekam ich die Möglichkeit, für eine populärwissenschaftliche Zeitschrift zu schreiben. Das hat mir viel mehr Spaß gemacht, als aktiv zu forschen. Ich habe dann noch ein Jahr in Marseille gearbeitet und mich zurück in Deutschland intensiv um den Einstieg in den Fachjournalismus bemüht.
… und sind beim Heise Verlag in Hannover gelandet.
Richtig, dort habe ich 1996 ein Volontariat bei der c’t begonnen. Das erste halbe Jahr hat mich mehr gefordert als das gesamte Studium. Für mich war unbegreiflich, wie man innerhalb eines Monats ein Gerät testen und darüber schreiben kann. Mein Zeithorizont für ein Experiment betrug eher drei Jahre...

Als Arnold Sommerfeld am 5. Dezember 1868 geboren wurde, waren die Maxwell-Gleichungen gerade drei Jahre alt. Die Versuche, mit denen Heinrich Hertz elektromagnetische Wellen nachweisen sollte, lagen noch zwanzig Jahre in der Zukunft. Im Rückblick bezeichnen wir dies als die Ära der klassischen Physik. Im Jahr 1951, in dem Sommerfeld am 26. April starb, befinden wir uns bereits im Zeitalter der modernen Physik, in dem die Theoretiker mit Feynman-Diagrammen und die Experimentalphysiker mit immer neuen Entdeckungen von Elementarteilchen für Aufsehen sorgten.
Am Beginn von Sommerfelds akademischer Karriere war von diesem Umbruch in der Physik noch nichts zu spüren. Während seines Studiums in Königsberg hatte er die Physik als nicht besonders aufregend erlebt, sodass sein Interesse zunächst mehr der Mathematik galt. Auch nach seinem Wechsel an die Universität Göttingen, wo er Assistent des Mathematikers Felix Klein wurde, wuchs ihm die Physik nicht sofort ans Herz. Bei Sommerfelds frühen Arbeiten der 1890er-Jahre stand die Mathe­matik immer im Vordergrund, selbst wenn er sich damit auf das Gebiet der Physik begab. In seiner Habilitationsschrift behandelte er die Beugung elektromagnetischer Wellen als Randwertproblem – ohne Rückgriff auf das in der Optik benutzte Huygenssche Prinzip, das der Beugungstheorie von Kirchhoff zugrunde lag. Er halte das für „Humbug und Redensarten“, schrieb Sommerfeld an seine Mutter, „was dieser mathematisch grundlichste unter den Physikern in der Optik gemacht hat. Aber das kann ich doch nicht in der Arbeit ohne Weiteres sagen.“ ([1], S. 83)...