Dossier: Schall, Klang, Musik

Der Stille Ozean – der Pazifik – kam angeblich zu seinem Namen, als Ferdinand Magellan im November 1520 vom Atlantik kommend durch die stürmische, heute nach ihm benannte Magellanstraße segelte und vor sich eine riesige, völlig ruhige Wasseroberfläche sah. Aber so still ist der Stille Ozean gar nicht – genauso wenig wie andere Ozeane. Hier sind nicht Sturm und Wellen gemeint, sondern der Lärm unter der Wasseroberfläche. Zum einen gibt es natürliche Lärmquellen, etwa das Brechen der Wellen, Regentropfen, die auf die Wasseroberfläche fallen, Wale, Fische, Krebse oder seismische Aktivität. Zum anderen verursachen Menschen Lärm unter Wasser, und zwar immer mehr. Zu den Ursachen gehören vor allem die Schifffahrt, militärische Aktivitäten, Sonar, Bauaktivitäten im Ozean oder seismische Erkundungen. Die Unterwassertierwelt nimmt diese Geräusche als sehr störend wahr, insbesondere Delfine und Wale [1].

In diesem Artikel geht es um beide Lärmquellen – die natürlichen und die menschengemachten – mit Fokus auf der Physik hinter der Lärmentstehung und -ausbreitung. Beides ist eng verbunden mit der Physik oder genauer der Dynamik der Blasen. Weiterhin geht es um Maßnahmen gegen die zunehmende Lärmverschmutzung im Ozean. (...)

Warum haben Sie gleichzeitig Physik und Musik studiert?

Die beiden Fächer fielen für mich in unterschiedliche Lebensbereiche: Bei aller Begeisterung stand Physik für einen Beruf; Musik habe ich als Hobby, als Leidenschaft verstanden. So war das eine immer Ausgleich für das andere.

Wie haben Sie das organisatorisch geregelt?

Praktischerweise ist in München die Hochschule für Musik und Theater (HMT) nur etwa fünf Minuten mit dem Rad von der Fakultät für Physik der Ludwig-Maximilians-Universität entfernt. So konnte ich gut pendeln.

Aber Ihr Tag war sicher sehr voll…

In der Tat folgte auf eine Veranstaltung in der Physik am Morgen der Unterricht an der Musikhochschule bis zum frühen Nachmittag. Danach habe ich einige Seminare, Übungen und Praktika für die Physik belegt und – nach zwei Stunden Pause – bis etwa 23 Uhr für Musik geübt. Anschließend standen zum Abschluss des Tages die Physik-Hausaufgaben auf dem Programm. (...)

Wie sind Sie zu den Glocken gekommen?

Ich bin schon als Kind immer gern beim Einläuten des Sonntags dabei gewesen. Als Jugendlicher habe ich angefangen, Daten über die Glocken bei den Pfarrämtern anzufragen – allerdings mit durchwachsener Ausbeute. Viele sind nicht gut über ihre Glocken informiert. Daraufhin bin ich selbst in die Türme gestiegen und habe die Archive durchwühlt. Insofern habe ich mich schon vor dem Physikstudium mit Glocken beschäftigt.

Und wieso dann das Physik­studium?

Das Fach fand ich in der Schule immer spannend. Das Interesse an den Glocken habe ich aber nie verloren. Nach dem Studium habe ich daher eine Ausbildung zum Glockensachverständigen angeschlossen.

Was lernt man dabei?

Alles rund um die Glocke, die Technik von Läuteanlagen und die Stabilität von Glockentürmen. Der wissenschaftliche Teil, die Glockenkunde, umfasst auch die Musik und die Inschriftenkunde. Um das musikalische Rüstzeug zu lernen, hatte ich damals Kurse an der Kirchenmusikhochschule in Heidelberg.

Ein zentraler Punkt ist die exakte, quantitative Diagnose der Hörbeeinträchtigung jedes Patienten. „Wir möchten Audiologie in eine exakte Wissenschaft verwandeln“, erklärt der Sprecher des Clusters, Birger Kollmeier, der als Physiker und Arzt in beiden Kerndisziplinen zuhause ist. Die Forscher möchten herausfinden, was die wichtigsten Kenngrößen sind, um Hörhilfen individuell anpassen und Interventionsmaßnahmen spezifisch planen zu können. In den ersten anderthalb Jahren der Förderperiode haben Kognitionspsychologen, Mediziner und Physiker eng auf diesem Gebiet zusammen gearbeitet, Ansätze entwickelt und Patientendaten erhoben. „Nun geht es in die Modellierungsphase, damit wir die Auswirkung von Hörpathologien auf die Signalverarbeitung exakt beschreiben können“, führt Kollmeier aus. Im nächsten Schritt gilt es, in komplexen Szenarien wie der eingangs erwähnten Party diejenigen Signale herauszufiltern, die das Hörgerät an den Patienten weiterleitet. Das ist ein Problem der Klassifizierung, denn das Gerät muss zunächst lernen, was Sprache ist und was nicht. „Bei der Klassifizierung haben wir in den letzten eineinhalb Jahren ordentlich Fortschritte erzielen und sogar einen internationalen Wettbewerb gewinnen können“, freut sich Birger Kollmeier.
Nach der erfolgreichen Klassi­fizierung muss das Hörgerät bzw. Cochlea-Implantat zudem wissen, welches die gewünschten Sprach­signale sind, also die Worte meiner Partybegleitung und nicht die Gespräche anderer Gäste. Dazu kommen sog. Brain-Computer-Interfaces zum Einsatz. Diese Systeme nehmen beim Menschen ein Elektroenzephalogramm (EEG) auf, um die Verarbeitung akustischer Signale im Gehirn zu verfolgen. Das Gehirn eines nicht hörgeschädigten Menschen verfügt über effiziente Vorhersagemecha­nismen, die es ihm erlauben, die Aufmerksamkeit im richtigen Moment auf den Gesprächspartner zu lenken. Gelingt es, diese Prozesse zu verstehen, könnte man dieses Wissen nutzen, um das gewünschte akus­tische Signal mittels Hörhilfe zum richtigen Zeitpunkt zu verstärken. Erste Erfolge sind bereits zu verzeichnen: „Wir haben das EEG-System inzwischen so miniaturisiert, dass es im Prinzip drahtlos in eine Baseball-Kappe passt“, erklärt Kollmeier. Zudem konnten die Wissenschaftler eine vereinfachte Situation, in der sich zwei Schallquellen abwechseln, im EEG erfassen. In der Realität überlagern sich allerdings meist mehrere Signale...

Ein ausgeschalteter Beschleuniger hat aber nichts mit Stillstand zu tun. Nicht umsonst lautet das Motto des CERN: „Accelerating Science“ und nicht „Finding the Higgs“. In der Betriebspause gilt es, den Upgrade der „Weltmaschine“ auf die Kollisionsenergie von 14 Teraelektronenvolt zu leisten. Bei dieser Energie hoffen die Forscher, mit dem LHC noch genauer auf das entdeckte Higgs-Boson oder noch tiefer in die „Quark-Gluon-Suppe“ des Protons blicken zu können. Doch dafür ist eine Herkulesaufgabe zu stemmen: Sie müssen mehr als zehntausend Hochstrom-Verbindungen zwischen den supraleitenden Beschleunigermagneten im 27 Kilometer langen Tunnel verstärken. Dabei ist höchste Sorgfalt gefordert, war es doch eine fehlerhafte Verbindung zwischen den Magneten, die den LHC im Herbst 2008 für mehr als ein Jahr lahmgelegt hatte. Die Auswertung der riesigen Datenmengen geht derweil weiter, und schon seit geraumer Zeit denkt die Teilchenphysik-Community über den nächsten und übernächsten Upgrade des LHC nach. Für eine um den Faktor fünf bis zehn höhere Kollisionsrate ab 2020 ist jedoch noch viel Entwicklungsarbeit nötig.

Der Schriftsteller Hans Magnus Enzensberger nannte das CERN einmal „Kathedrale der Wissenschaft“, nicht nur wegen der Ausmaße, sondern auch, weil so viele Beteiligte für Projekte arbeiten, die erst nach Jahren Früchte tragen. Diese Kathedrale ist meist vom profanen Krach der Generatoren, Kompressoren und Pumpen erfüllt, hat aber auch Musik zu bieten. ...