Physik Journal 10 / 2021

Wieso haben Sie Physik studiert?
Eigentlich wollte ich Medizin studieren, doch das konnte Ende der 1980erJahre
in der damaligen DDR nicht mehr jeder, weil sich der Umbruch abzeichnete und viele Mediziner
das Land verlassen hatten. Also habe ich mich für Physik entschieden.

Und dabei sind Sie ja lange geblieben…
Das stimmt. Ich habe promoviert und drei Jahre als Postdoc in Amsterdam gearbeitet. Dabei wurde mir klar, dass ich mit diesen Grundlagen einen anderen Weg einschlagen möchte. Mir war die Laborarbeit zu einsam.

Wie ging es weiter?
Mit der Familiengründung und einer Orientierungsphase. Zwischenzeitlich sind wir nach Berlin gezogen und ich habe in der Wissen schaftskommunikation gearbeitet. Mit der Unterstützung meines ehemaligen Doktorvaters ist der Wie dereinstieg in das Berufsleben gelungen. Ich habe
ein Stipendium eingeworben und ein Jahr lang wieder in der Physik an der Hum boldtUniversität
gearbeitet. (...)

Die Biophysik hat zwei Gesichter: Einerseits entwickeln Forschende gezielt physikalische Methoden neu oder optimieren diese, um biologische Prozesse zu untersuchen. Andererseits gilt es, die Prozesse in lebender Materie mithilfe physikalischer Gesetze zu verstehen und zu beschreiben. Beiden Aspekten hat sich der Exzellenz cluster „Physics of Life“ der TU Dresden verschrieben, an dem unter anderem die Max-Planck-Institute für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) und für Physik komplexer Systeme (MPI PKS), das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), das Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden (IPF) sowie Institute der TU Dresden beteiligt sind.

Ziel dabei ist es, die dynamische Selbstorganisation von aktiver lebender Materie auf allen Skalen zu verstehen. Das beginnt mit den Nichtgleichgewichtsprozessen, bei denen Moleküle molekulare Maschinen formen, die wiederum unter Energieverbrauch das Innere der Zelle organisieren. Aus den Zellen setzen sich verschiedene Gewebe und Organe zusammen, die gemeinsam den gesamten Organismus
bilden. Hier gilt es, Faktoren zu finden, welche die Form eines Organs beeinflussen. Dazu gehört die Links-Rechts- Asymmetrie von Geweben, deren Ursache allerdings auf Zellebene zu suchen ist. Die drei Ebenen Moleküle – Zellen – Gewebe sind auf vielfältige Weise miteinander verknüpft: Veränderungen auf einer davon beeinflussen die Entwicklung der anderen, eine dynamische Rückkopplung ist die Regel. (...)

Sicher ist es angemessen, Helmholtz als Physiker und Physiologen zu bezeichnen. Verfehlt wäre es allerdings, ihn in vergleichbarer Weise einen Erkenntnistheoretiker oder gar Philosophen zu nennen. Zwar beschäftigte er sich weitergehend mit wissenschaftstheoretischen, ästhetischen und bildungspolitischen Fragen. Als einer der herausragendsten Naturwissenschaftler des 19. Jahrhunderts hatte er an der Entstehung der philosophischen Strömung des Neukantianismus Anteil und war führender Vertreter einer mechanistischen Naturauffassung. Die Bedeutung seiner wegweisenden und berühmten Beiträge zur Erkenntnistheorie besteht aber nicht zuletzt darin, dass sie von einem Naturforscher, nicht von einem Philosophen verfasst wurden.
In seinen Schriften lässt sich ein Wandel im Wissenschaftsverständnis nachweisen, der in seinem Resultat bis in die Gegenwart für die Naturwissenschaften typisch geblieben ist. Den seit der Antike vertretenen Wahrheitsanspruch löst eine bloß noch hypothetisch gültige Auffassung der wissenschaftlichen Erkenntnis ab. Hermann von Helmholtz war vermutlich der letzte große Wissenschaftler, der weit über die sich damals schon zusammenziehenden Ränder seiner Fächer hinausblickte. Sein britischer Kollege James Clerk Maxwell bezeichnete ihn 1877 in einem würdigenden Artikel in der Zeitschrift Nature (Bd. 15, S. 389) zu Recht als „intellectual giant“. (...)

Mit dem Eintritt von Gertrud Rothgießer im Jahr 1912 übersprang der Anteil der Frauen bzw. „Fräuleins“ in der DPG die Ein-Prozent-Marke. Sie waren nun sieben von fast 600 persönlichen Mitgliedern. Dazu gehörten Margrete Bose, die den Titel „Frau Professor“ führte, sowie die bereits promovierten Lise Meitner und Gerta von Ubisch. Letzterer gelang nach einer Promotion in der Physik später eine Hochschulkarriere in der Biologie. Aufgrund des Vorschlags von Rothgießers Doktorvater Franz Himstedt in Freiburg gehörte auch sie für drei Jahre zu diesem kleinen Zirkel.
Es mussten besondere familiäre Randbedingungen vorliegen, um einer jungen Frau unter den damaligen Umständen ein akademisches Studium zu ermöglichen. Bei der am 21. März 1888 in Bielefeld geborenen Gertrud Rothgießer trafen die innovativen Aktivitäten ihres Vaters Georg (1858 – 1943) mit einem sich daraus ergebenden vorteilhaften ökonomischen Hintergrund zusammen. Georg Rothgießer hatte sich als vielseitiger Technikpionier seit 1878 eine Reihe von Erfindungen patentieren lassen. Nach mehreren Umzügen kam die um eine weitere Tochter und zwei Söhne angewachsene jüdische Familie 1897 schließlich nach Berlin. Im Adressbuch ließ Georg Rothgießer seinen Beruf als „Ingenieur“ eintragen. Bald betrieb er auch zwei Verlage für technische Literatur, und seine Tochter Gertrud gab mitunter „Schriftsteller“ als Berufsbezeichnung ihres Vaters an.
Nach Absolvieren der Höheren Mädchenschule und speziellen Kursen für Frauen bestand Gertrud Rothgießer am Friedrichs-Realgymnasium im Herbst 1906 die Reifeprüfung. Da Frauen in Preußen noch nicht regulär studieren durften, schrieb sie sich zunächst mit einer „Zulassungs-Verfügung“ als Gasthörerin für Mathematik und Physik ein, die ersten beiden Semester an der Technischen Hochschule in Charlottenburg und ab dem Wintersemester 1907/08 an der Berliner Universität. Während viele Frauen den „Zweck des Vorlesungsbesuches“ mit dem allgemeinen Begriff „Fortbildung“ beschrieben, verfolgte Rothgießer mit der Angabe „Staatsprüfung“ offenbar schon als Gasthörerin das Ziel, später als Lehrerin arbeiten zu können. Die Öffnung der preußischen Universitäten für Frauen ermöglichte ihr ab Oktober 1908 ein reguläres Studium als „vollimmatrikulierte“ Studentin. Sie belegte nach eigenen Angaben in ihrem ersten „normalen“ Semester nicht weniger als zehn verschiedene Veranstaltungen in Physik, Mathematik, Astronomie und Philosophie, darunter die Vorlesung „Wärme“ sowie die „mathematischphysikalischen Übungen“ bei Max Planck. Im Sommer 1909 wechselte sie für ein Semester nach Freiburg, im folgenden Winter für eines nach München; die letzten fünf Semester ging sie wieder nach Freiburg und fertigte beim dortigen Direktor des physikalischen Instituts Franz Himstedt eine Doktorarbeit an. (...)

Messungen an individuellen Quantensystemen erfolgten erstmals in den 1980er-Jahren in Experimenten zum Nachweis diskreter Quantensprünge. Neuere Experimente erlauben es, über die kohärente Kopplung an Hilfssysteme allgemeinere Messungen zu implementieren und hierdurch die zeitliche Entwicklung der zu messenden Systeme zu untersuchen und zu beeinflussen.
Wir beginnen mit einer kurzen, abstrakten Einführung in einen Messapparat, der eine quantenmechanische Messung ermöglicht. Folgende Einschränkungen und Eigenschaften ergeben sich aus der Quantenmechanik:

• Die Quantentheorie kann im Allgemeinen nur eine statistische Aussage über Messergebnisse machen. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung für einzelne Messergebnisse ist durch den klassischen Messapparat in Wechselwirkung mit dem zu messenden Quantensystem bestimmt. Die Quantentheorie formuliert diesen Zusammenhang.
• Eine Messung beeinflusst den Zustand des gemessenen Quantensystems. Das System befindet sich anschließend in dem Zustand, der dem Eigenzustand der Messobservablen entspricht. Bestimmte, nicht miteinander kompatible Messobservablen wie der Ort und die Geschwindigkeit eines Teilchens lassen sich meist nicht gleichzeitig beliebig genau messen (Unschärferelation). Bei aufeinanderfolgenden Messungen, wenn beispielsweise nach dem Ort auch die Geschwindigkeit gemessen wird, geht das System aufgrund der Rückwirkung der zweiten Messung in Bezug auf den Ort wieder in einen unbestimmten Zustand über.

Diese Axiome haben weitreichende Implikationen, insbesondere im Zusammenhang mit dem Gewinn und Verlust von Information. Im Allgemeinen ist der Gewinn von Information (der Erhalt eines Messergebnisses) mit der Kopplung an ein klassisches System verbunden. Dieser Vorgang ruft fast immer Dekohärenz hervor, die quantenmechanische Eigenschaften wie Verschränkung zerstört, die nicht im Rahmen klassischer Physik zu erklären sind. (...)

Der Brout-Englert-Higgs-Mechanismus löst ein fundamentales Problem des Standardmodells der Teilchenphysik. Diese moderne Quantenfeldtheorie erklärt und beschreibt alle fundamentalen Wechselwirkungen aller bekannten Teilchen untereinander – mit Ausnahme der Gravitation. Die Wechselwirkungen erfolgen über Vermittlerteilchen: das Photon (γ) im Fall der Elektro dynamik, die W- und Z-Bosonen für die schwache Kraft und die Gluonen (g) im Fall der starken Kraft. Die Existenz, Dynamik und nahezu alle Eigenschaften dieser Vermittlerteilchen lassen sich aus der Forderung lokaler Eichsymmetrien, wie sie aus der Elektrodynamik bekannt sind, ableiten [1]. Eichtheorien haben aber eine Schwäche:
Sie erfordern zwingend, dass alle Vermittlerteilchen masselos sein müssen, da ein von Null verschiedener Massenterm die Eichsymmetrie zerstört. Diese Forderung steht jedoch in eklatantem Widerspruch zu den experimentell nachgewiesenen hohen Massen der W- und Z-Bosonen. Einen Ausweg aus diesem Dilemma bietet die spontane Symmetriebrechung.
Dabei besitzt das physikalische System zwar alle erforderlichen Symmetrien. Allerdings erscheinen die Eichsymmetrien im energetischen Grundzustand der Natur – dem Vakuum – teilweise gebrochen, wodurch die W- und Z-Bosonen dynamisch eine Masse erhalten [2, 3].
Dieser Mechanismus sagt die Existenz eines neuen fundamentalen Teilchens vorher: das Higgs-Boson. Dieses entsteht aus der Quantisierung und Anregung eines postulierten Higgs-Feldes im Vakuum. Es ist das einzige bekannte Elementarteilchen ohne Spin und wechselwirkt mit allen bekannten Teilchen des Standardmodells – bei Fermionen proportional zu deren Masse, bei Bosonen mit dem Quadrat der Masse. Die Masse des Higgs-Bosons sagt das Standardmodell jedoch nicht vorher. Lange nach seiner Postulierung 1964 [3] galt das Teilchen als unmessbar. Doch 2012 wurde ein neues Teilchen mit genau den erwarteten Eigenschaften entdeckt [4]. (...)

Viele Hochschulen bieten durch ihre Schülerlabore auch Wissenschaftskommunikation an – eine Kernaufgabe von Universitäten [1, 2]. Damit nehmen sie neben der wissenschaftlichen Forschung, der Bereitstellung von Bildungsangeboten für Studierende sowie der Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses eine wichtige gesellschaftliche Verantwortung wahr. Die Hochschulen betreiben Wissenschaftskommunikation und transportieren dadurch Wissen in die Gesellschaft. Schülerlabore können dazu einen entscheidenden Beitrag leisten. Sie bieten nicht nur vielfältige Projekte für Schüler:innen an, sondern sind darüber hinaus ein Kanal der Wissenschaftskommunikation. Diese Wissensweitergabe versteht sich zum einen als Wissen über Forschung und zum anderen als Wissen über Lehre.
Eine Aufgabe der Fachdidaktik besteht darin, tragfähige und nachweislich wirksame Konzepte zu entwickeln, um Wissen zu gewinnen und Kompetenzen zu erwerben. Im weitesten Sinne gehört auch die Wissenskommunikation dazu. In Deutschland haben die naturwissenschaftlichen Fachdidaktiken gerade erst begonnen, die Wissenschaftskommunikation als eigenes Aufgabenfeld zu erschließen.
International hat sich dagegen bereits vor einiger Zeit etabliert, dass eine stärkere Anbindung an Forschung zu Wissenskommunikation und Fachdidaktik einen Mehrwert für beide Blickwinkel bietet [3].
Die Ziele etwa der Entwicklung einer naturwissenschaftlichen Grundbildung (Scientific Literacy) fokussieren in der Schule stärker auf das systematische Lernen und auf Anschlussfähigkeit erworbenen Wissens zwischen Fächern und Jahrgangsstufen. Die Wissenschaftskommunikation zielt dagegen darauf ab, Wissen aus der Forschung für die Allgemeinheit bereitzustellen. Dies führt zur Übernahme von Verantwortung und Befähigung zur gesellschaftlichen Teilhabe, etwa in Fragen des Klimaschutzes. Durch die Verbindung beider Bereiche lassen sich Ziele gemeinsam erreichen und ein Umfeld erschließen, um sich mit Themen an Schnittstellen von Wissenschaft und Gesellschaft zu beschäftigen. Themenfelder, die gesellschaftliche und naturwissenschaftliche Relevanz besitzen (Socio-Scientific Issues), können das schulische Lernen mit dem persönlichen Umfeld der Kinder und Jugendlichen verbinden, beispielsweise Energie, Klima und Umwelt. Die vielfältigen Angebote reichen von KinderUnis bis zu Schülerlaboren. (...)