Physik Journal

Im Sommer letzten Jahres fand in Stuttgart die elfte Welt-Wasserstoff-Energie-Konferenz (WHEC) mit über 700 Teilnehmern statt. Diese Tagung wird regelmäßig im Abstand von zwei Jahren in verschiedenen Ländern durchgeführt. Ein Schwerpunkt war wie jedesmal die Brennstoffzelle, die in mehreren Sitzungen von den grundlagenorientierten Arbeiten, über die Realisierung von Demonstrationsvorhaben bis hin zu Beiträgen über die Möglichkeiten der Markteinführung behandelt wurde.

Die Zeitrichtung der Naturphänomene ist tief in unserem Kausalitätsdenken verwurzelt: Ursachen haben stets der Wirkung vorauszugehen. Demgegenüber sind die fundamentalen dynamischen Gesetze der Physik deterministisch, d. h. sie bestimmen einen Zustand gleichermaßen eindeutig aus Anfangs- wie aus Endbedingungen. Das gilt auch dann, wenn diese Gesetze nicht symmetrisch unter Zeitumkehr sind, wie bei Lorentzkräften.

The phenomenology of hadronic interactions at high energy, which developed in the 1960s, is briey explained. Following the introduction of Quantum Chromodynamics (QCD) and its success in elucidating the nature of nucleon structure in the 1970s, experimental results, both new and not so new, are described which, when taken together, provide insight into the structure of hadrons and of the chromodynamic mechanisms responsible for their interactions. A future theory must be unitary in a very wide sense; it must connect all the present theories of particles and their interactions in a single rational system." y 1. Introduction Nearly every advance in physics can be attributed in some way or another to an understanding of the structure of the phenomenon on which it is based. Measurements of structure come from scattering experiments in which the results depend on the nature both of the quanta involved and of their interaction, sometimes in an inseparable way. They rely on the principles ...

Traditionellerweise rechnet man auf dem Computer mit Zahlen, d. h. numerisch. Inzwischen sind aber Software-Pakete entwickelt worden (z. B. Axiom, Derive, Macsyma, Maple, Mathematica, Reduce), die es erlauben, mathematische Formeln auf dem Computer zu manipulieren. Man kann z. B. Polynome vereinfachen, nicht-lineare algebraische Gleichungen analytisch lösen, Funktionen differenzieren und integrieren, Matrizen invertieren usw. Anhand einfacher Beispiele wird gezeigt, wie leistungsfähig die heutigen Systeme sind und wie man sie in Mathematik, Naturwissenschaft und Technik typischerweise anwenden kann.

Acht Jahre lang, von 1907 bis 1915, arbeitete Einstein daran, die Spezielle Relativitätstheorie auf beschleunigte Bezugssysteme zu erweitern und eine relativistische Theorie der Gravitation zu entwickeln. Obwohl die Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie Einstein schließlich als weitgehende Verwirklichung seiner bereits früh formulierten heuristischen Annahmen erschienen, verlief der historische Entwicklungsgang keineswegs gradlinig. — Wie die Analyse eines in der Wissenschaftsgeschichte bislang nur in Auszügen berücksichtigten Forschungsmanuskripts Einsteins zeigt, führten ihn dieselben heuristischen Annahmen bereits 1912 fast bis zu den Gleichungen von 1915, verhinderten aber gleichzeitig deren sinnvolle physikalische Interpretation. Die Rekonstruktion der in diesem Manuskript niedergeschriebenen Überlegungen Einsteins erlaubt ein besseres Verständnis der Entdeckungsgeschichte der Allgemeinen Relativitätstheorie und insbesondere Einsichten in die begrifflichen Schwierigkeiten, die Einstein zu überwinden hatte.

Am Beispiel der Grenzfläche von physenseparierten 3He-4He-Mischungen werden die Eigenschaften von neutralen und elektrisch geladenen Flüssigkeitsgrenzflächen untersucht. Eine Belegung mit Ladungsträgern verschiebt das Anregungsspektrum der Grenzfläche zu niedrigeren Frequenzen hin und führt zur spontanen Ausbildung eines makroskopischen zweidimensionalen Coulomb-Gitters.

Wenn die Philosophen in diesem Jahr den 400. Geburtstag von René Descartes begehen, so sollte dies für die Physiker Anlaß sein, sich daran zu erinnern, daß von ihm auch entscheidende Teile der Physikgeschichte mitgeschrieben wurden und Isaac Newtons Physik, aus der sich die spätere Newtonsche Physik entwickelte, ein Ergebnis der bewußten Auseinandersetzung mit der Cartesischen Physik ist.

Die akustische Mikroskopie erlaubt die bildhafte Darstellung des Verteilungsmusters der elastischen Eigenschaften eines Festkörpers. Gebündelte Ultraschall wellen treffen ausgewählte mikroskopische Bereiche einer Probe und erzeugen charakteristische Signale, die weitreichende Auskünfte über das lokale mechanische Verhalten geben. Ausgehend von frühen Experimenten der akustisch-optischen Signalwandlung wird der Weg zum direkt abbildenden akustischen Rastermikroskop mit piezoelektrischer Schallwandlung gezeigt. Seine z. T. überraschenden Eigenschaften führen zu Bildeindrücken, die mit der menschlichen Seherfahrung nicht kompatibel sind, aber unser Wissen über das Innenleben der untersuchten Proben bedeutend erweitern.

Mit dem Rastertunnelmikroskop kann man einzelne Atome nicht nur „sehen“, sondern auch verschieben, auf Oberflächen gezielt anordnen und ihre Transporteigenschaften messen. Im Labor wird daran gearbeitet, elektronische Schaltkreise „additiv“, d. h. Atom für Atom, für bestimmte Anwendungen aufzubauen. Dafür ist es erforderlich zu verstehen, wie die makroskopischen Eigenschaften des Schaltkreises von den atomaren, chemischen und physikalischen Eigenschaften der Bausteine abhängen. Naheliegende Fragen dabei lauten: Was bestimmt den Stromfluß durch ein einzelnes Metallatom, das zwei Stücke desselben Metalls verbindet? Welche Rolle spielt die chemische Natur des Elements? Um diese Fragen zu beantworten, haben wir Kontakte aus verschiedenen Elementen des Periodensystems hergestellt, die an ihrer engsten Stelle nur ein Atom „dick“ sind, und ihre Transporteigenschaften unter Verwendung von Transportprozessen, die im supraleitenden Zustand auftreten, bestimmt. Gleichzeitig entwickeln wir ein quantenchemisches Modell, das aus den atomaren Orbitalen Leitungsbänder oder „Tranportkanäle“ aufbaut.

Versuch an der Universität Bremen, die Physikstudenten schon bei Studienbeginn mit dem späteren Berufsalltag bekannt zu machen.

Die Bindung in Atomen wird zum überwiegenden Teil durch die elektromagnetische Wechselwirkung bestimmt. Im Rahmen der erfolgreichen Theorie der Quantenelektrodynamik (QED) kann man besonders für Zweikörpersysteme, die wasserstoffähnlichen Atome, die Lage der Energieniveaus mit sehr hoher Genauigkeit berechnen. Daher eignen sich diese Systeme sehr gut zu Präzisionsbestimmungen fundamentaler Naturkonstanten und zur Untersuchung der Einflüsse der starken und schwachen sowie möglicherweise bisher unbekannter exotischer Wechselwirkungen und Teilchen. Das aus einem positiven Myon und einem Elektron zusammengesetzte Myoniumatom bietet dabei den besonderen Vorteil, daß beide Konstituenten „punktförmige” Leptonen sind, wodurch die Beschreibung im Rahmen der Quantenfeldtheorien besonders genau erfolgen kann. Dadurch werden präzise Tests grundlegender Symmetrien in der Physik möglich.

Entropie, eine anschaulich schwer faßbare Größe, kann in Vielteilchensystemen zu direkt beobachtbaren Kräften führen. Taucht man zwei große harte Kugeln in ein Bad aus kleinen harten Kugeln, so läßt sich eine effektive Kraft zwischen beiden großen Kugeln feststellen, die anziehend ist, und dies, obwohl keine attraktiven Paarwechselwirkungen existieren. Schon 1954 vorhergesagt, lassen sich nun solche entropischen Kräfte direkt nachweisen und vermessen. Sie sind in der statistischen Physik und der Biophysik von grundlegender Bedeutung, etwa für die Entmischung binärer Hartkugelmischungen oder die Koagulation roter Blutkörperchen.

Photoelektronen sind selbst dann spinpolarisiert, wenn die Atome oder Moleküle und die Vakuum-UV-Strahlung unpolarisiert sind; aber auch dann, wenn das absorbierte Licht zirkularpolarisiert ist. Über solche Experimente und den Zusammenhang zwischen Intensität und Spinpolarisation der Photoelektronen und deren Winkelverteilungen wird am Beispiel der Photoionisation von Xenonatomen berichtet.

Die Statistische Mechanik verdankt, jedenfalls in ihrer Einsteinschen Version, ihren Ursprung der Herausforderung der kinetischen Theorie der Wärme durch die Elektronentheorie der Metalle. Das geht aus zum Teil erst kürzlich vollständig bekannt gewordenen zeitgenössischen Dokumenten hervor. Um 1901 hat sich demnach Albert Einstein als Student intensiv mit der Elektronentheorie der Metalle beschäftigt und einem ihrer Begründer, Paul Drude, einen Brief mit zwei sachlichen Einwänden gegen dessen Theorie gesandt. Über die Natur dieser Einwände konnte man bisher nur spekulieren. Eine jetzt bekannt gewordene Briefstelle macht klar, daß einer dieser Einwände auf Drudes Verwendung von Resultaten der Boltzmannschen kinetischen Gastheorie zielte. Der junge Einstein war überzeugt, daß zur Begründung der Elektronentheorie eine Theorie mit weniger speziellen Annahmen als denen der Gastheorie erforderlich war. Während Drude die Kritik zurückwies, entwickelte Einstein aus dieser Aufgabenstellung seine Version der Statistischen Mechanik, die er, unabhängig von Gibbs, beginnend im Jahre 1902 veröffentlichte.

Die Nobelpreise sind sowohl auf den Gebieten, für die sie verliehen werden, als auch im weiteren Sinne die international begehrtesten und renommiertesten Preise. Das liegt sicher nicht nur an den beträchtlichen Preisgeldern, sondern vor allem am gesellschaftlichen Ansehen, das die Laureaten erlangen. Trotzdem werden immer wieder berechtigte Fragen laut: Ist die getroffene Auswahl gerecht bzw. gerechtfertigt? Hätte den Preis nicht so mancher verdient gehabt, der ihn nicht bekam? Ist der Nobelpreis überhaupt noch zeitgemäß? Muss man heutzutage nicht eher ganze Gruppen auszeichnen, da es sich immer weniger um Einzelleistungen handelt?

Im Mai wird in Berlin das neue ARD-Hauptstadtstudio seinen Betrieb aufnehmen. Es befindet sich an jenem Ort, an dem zwischen 1873 und 1878 das Physikalische Institut der Berliner Universität für Hermann Helmholtz erbaut wurde. Das Institut war für lange Zeit „unter den deutschen Lehranstalten gleicher Art das größte und schönste”, an dem bedeutende Physiker – darunter die Nobelpreisträger J. Franck, G. Hertz, W. Nernst und W. Wien – gewirkt haben. Bis zu seiner Zerstörung im Frühjahr 1945 war es eng mit der Tätigkeit der Physikalischen Gesellschaft verknüpft.

Zu den physikalischen Entdeckungen vom Ende des vorigen Jahrhunderts, die im Rahmen der klassischen Physik unerklärbar blieben, gehört neben der Röntgenstrahlung auch die nur wenige Monate später erfolgte Entdeckung der Becquerel-Strahlen. Sie eröffnete der Physik mit der Radioaktivität nicht nur ein neues Forschungsgebiet, das aus heutiger Sicht zugleich als erster Schritt in die Kernphysik betrachtet werden kann, sondern bildete zugleich eine der Wurzeln für die Entwicklung der modernen Physik.

Schon im ersten Betriebsjahr konnten die LEP-Experimente durch Präzisionsmessungen an der Z-Resonanz fundamentale Ergebnisse liefern: Messung der Z-Masse mit einer Präzision von 0,3 ‰; Bestimmung der Zahl der Neutrinoarten; Überprüfung des Standardmodells der elektroschwachen Wechselwirkung mit einer Genauigkeit von etwa 0,5 %; Grenzen für die Top-Masse; genaue Messungen der Kopplungsstärke der starken Kraft und Nachweis, daß es sich bei der QCD um eine nicht-abelsche Eichtheorie handelt; untere Massengrenzen für das Higgs- und für SUSY-Teilchen und vieles mehr.

In Bremen wird erstmalig versucht, die verschiedenen Empfehlungen, neben einem forschungsorientierten einen anwendungsorientierten Diplomstudiengang Physik einzurichten, in die Tat umzusetzen. Auf die Eingangsphase (1. Semester) folgen der erste (bis Vorprüfung) und der zweite (bis Hauptprüfung) Studienabschnitt. Dabei spielt das Projektstudium eine wichtige Rolle.

Wie kann man es einem Quantensystem im Grenzfall großer Quantenzahlen ansehen, daß das korrespondierende klassische System sich chaotisch verhält? Neuere theoretische und experimentelle Untersuchungen am Wasserstoffatom – dem „Paradepferd” der Quantenmechanik – in intensiven Mikrowellenfeldern und in starken Magnetfeldern haben Ergebnisse zutage gefördert, die eine Antwort auf diese Frage geben können.

Die SPIEGEL-Serie „Der Kult um das Chaos” [1] hat der Chaosforschung eine zweifelhafte Publicity verschafft. Zwar wurde in den drei Folgen eine Fülle von Material präsentiert, die aufwendige Recherche ist erkennbar, auch kritische Punkte wurden unbekümmert angesprochen, aber dennoch entwertet sich die Darstellung durch ihren Grundtenor: Chaos gebe es überhaupt nicht, es sei nur ein Artefakt des Computers. Der Versuch, diese These durch die Gegenüberstellung zweier Rechnungen zum Dreikörper-problem konkret zu verifizieren, fand inzwischen ein gerichtliches Nachspiel, wobei die verfügte Gegendarstellung im SPIEGEL jedoch keine inhaltliche Richtigstellung war. Die Physikalischen Blätter empfinden sich als das geeignete Forum, den angegriffenen Fachkollegen eine Klarstellung zu ermöglichen, nicht zuletzt auch deshalb, weil der SPIEGEL-Beitrag auch unter Physikern — Nicht-Chaosspezialisten — Verunsicherung hervorgerufen hat. — Einem (ungeschriebenen) Fairneßgebot im Fall einer persönlichen Kontroverse folgend, hat die Redaktion beide Seiten zu Wort kommen lassen und ihnen die Texte vor Veröffentlichung zur Kenntnis gegeben.

Die Physikalische Gesellschaft in der DDR wurde 1952 auf Initiative von R. Rompe, F. Möglich und anderer interessierter Physiker gegründet. Verfügte die Gesellschaft zu Beginn noch über gewisse Freiräume, so wurden diese nach dem Mauerbau und insbesondere mit den wissenschaftspolitischen Reformen der späten sechziger Jahre weitgehend beseitigt. Ab dieser Zeit wurde die Gesellschaft zunehmend zu einem Instrument der Wissenschaftspolitik Partei- und Staatsführung in der DDR. Dennoch war auch die Physikalische Gesellschaft der DDR in ihrer fast vierzigjährigen Geschichte für viele Physiker ein wichtiger wissenschaftlicher Bezugspunkt, vielfach sogar Heimstatt, wofür insbesondere die Tätigkeit vieler engagierter und integrer Physiker „vor Ort” — in den Fachverbänden und im Rahmen der zahlreichen wissenschaftlichen Aktivitäten — Zeugnis gibt.

Nanostrukturen sind zurzeit in aller Munde, da man von ihnen neuartige physikalische und chemische Eigenschaften erwartet. Zur Erzeugung solcher Strukturen mit GroBen von wenigen hundert Nanometern und darunter werden ganz unterschiedliche Lithographyeverfahren eingesetzt. Dabei sind meist aufwandige Apparaturen notwendig, um grotlere nanostrukturierte Bereiche zu erhalten. Im Folgenden stellen wir einen alternativen, technisch einfachen Ansatz vor, bei dem ein durch Kapillarkrafte induzierter, selbstorganisierter Prozess fiir die Herstellung von Nanostrukturen ausgenutzt wird.

Die Gravitationswellenastronomie erlaubt neuartige und nur auf diese Weise mögliche Einblicke in die energiereichsten Vorgänge im Kosmos. Mit großem Aufwand wird zur Zeit der Bau eines weltweiten Netzes von Gravitationswellendetektoren vorangetrieben, mit dessen Hilfe dieses neue Fenster geöffnet werden kann. Der erste Teil des folgenden Übersichtsbeitrags beschreibt die theoretischen Grundlagen der Gravitationswellenastronomie, der zweite die Nachweismethode, insbesondere die Laser-Interferometrie.

Die wohl bedeutendste Zäsur in der Geschichte der modernen Physik in Deutschland war die Emigration der besten und nicht allein jüdischen Forscher nach 1933. Die wissenschaftshistorische Betrachtung dieser Zeit ermöglicht neue Einblicke in das Verhältnis von Wissenschaft und Gesellschaft und bestätigt die von Schrödinger selbst 1932 aufgestellten These von der Milieubedingtheit der Wissenschaft. Die Frage, inwieweit es eine spezielle Physik der Emigration gab, soll exemplarisch am Werk Max Borns und Erwin Schrödingers untersucht werden.

Die Zielkonflikte zwischen „der Wissenschaft” und „der öffentlichen Meinung” entstehen in ihrer beobachtbaren Schärfe und Unauflösbarkeit, weil die Wissenschaft in der Welt des Laien und der Laie in der Welt der Wissenschaft entweder nicht vorhanden sind oder als Zerrbilder erscheinen. Die Öffentlichkeit ist nicht so irrational, borniert und einseitig wie manche Wissenschaftler glauben. Andererseits ist die Mehrzahl der Wissenschaftler nicht so überspezialisiert, ehrgeizig und bedenkenlos wie gelegentlich suggeriert wird. Dies läßt sich durch zahlreiche empirische Untersuchungen belegen.

Polarlichter zählen zu den eindrucksvollsten Erscheinungen am nächtlichen Himmel. Obwohl die Polarlichtforschung auf eine lange Tradition zurückblicken kann, gibt es für viele häufig zu beobachtende Polarlichtstrukturen noch keine befriedigende Erklärung.

Mit den Protonenspeicherringen ISR (Intersecting Storage Rings) wurde im Genfer Kernforschungszentrum CERN 1984 eine der größten Beschleunigeranlagen der Welt nach dreizehnjähriger Betriebszeit stillgelegt. Während dieser Periode erzielte die Erforschung der starken Wechselwirkung bei höchsten Energien entscheidende Fortschritte. Die Substruktur der stark wechselwirkenden Elementarteilchen, der Hadronen (z. B. Protonen, Neutronen, Pionen) wurde aufgedeckt und experimentell zugänglich. Zur Erklärung der Dynamik dieser Wechselwirkung wurde mit der Quantenchromodynamik (QCD) eine neue, vielversprechende Eichtheorie vorgeschlagen, die erstmals Ordnung in der äußerst vielfältigen und komplexen Phänomenologie der Hadronenphysik erhoffen läßt. Der vorliegende Artikel versucht, den Beitrag der Experimente am ISR zu dieser Entwicklung aufzuzeigen und Möglichkeiten und Grenzen unseres heutigen Verständnisses deutlich zu machen