Physik Journal 12 / 2020

In einer Arbeit von 1969 schrieb Roger Penrose fast schon prophetisch [2, S. 1162]: „I only wish to make a plea for ‚black holes‘ to be taken seriously and their con­sequences to be explored in full detail. For who is to say, without careful study, that they cannot play some impor­tant part in the shaping of observed phenomena?“ Damals gab es noch keine Beobachtungsindizien auf die Existenz Schwarzer Löcher, wie sie nun in überzeugender Weise von den Gruppen Reinhard Genzels und Andrea Ghez’ gelie­fert wurden. Dass Einsteins Allgemeine Relativitätstheo­rie zu Instabilitäten kompakter Sterne führt, die in einer Newtonschen Beschreibung keine Entsprechung haben, war dagegen bekannt [3 – 5] und ist qualitativ leicht ein­zusehen. Denn die Schwere nimmt relativistisch mit dem Druck zu. Unter Umständen ist dies durch keinen weiteren Druckaufbau kompensierbar, eben aufgrund der erneut zu­nehmenden Schwere. In diesem Fall kommt es zum Gravi­tationskollaps des Sterns.

Was aber kann ein möglicher Endzustand dieser Kon­traktion sein? Darauf sollte die Allgemeine Relativitätstheo­rie eine Antwort wissen. In der Tat! Stellt man sich der Ein­fachheit halber vor, der Stern sei sphärisch symmetrisch und kollabiere streng radial, dann muss auch das Endpro­dukt sphärisch symmetrisch und eine Lösung der quellen­freien Einsteinschen Feldgleichungen sein – die Quelle ist ja kollabiert. In diesem Fall gibt es eine eindeutige Ant­wort, die ebenfalls lange bekannt war. Es ist nämlich ein mathematischer Satz der Allgemeinen Relativitätstheorie, dass es genau eine einparametrige Schar solcher Lösungen gibt, die Karl Schwarzschild bereits 1916 gefunden hatte [6]. Diese beschreibt das Gravitationsfeld eines sphärisch­symmetrischen Sterns außerhalb der Quelle und wird normalerweise unterhalb der Sternoberfläche durch eine weitere Lösung (Innenraumlösung) fortgesetzt. Diese kann nicht mehr eindeutig sein, sondern hängt sensibel vom je­weiligen Materiemodell ab. (...)

In unserem Universum kommen Schwarze Löcher in zwei sehr unterschiedlichen Formaten vor. Zum einen entstehen sie beim Kollaps eines massereichen Sterns als Überrest einer Supernovaexplosion. Die Masse dieser Schwarzen Löcher beträgt bis zu mehrere Dutzend Sonnenmassen. Verschmelzen zwei dieser stellaren Schwarzen Löcher, entstehen Gravitationswellen; ihr erstmaliger direkter Nachweis wurde mit dem Physik-Nobelpreis 2017 ausgezeichnet. Zum anderen befinden sich Schwarze Löcher im Zentrum von Galaxien. Ihre Massen entsprechen der millionen- oder gar milliardenfachen Sonnenmasse. Ein populäres Beispiel ist das Schwarze Loch im Zentrum der aktiven Galaxie Messier 87: Sein „Foto“ faszinierte im letzten Jahr die Weltöffentlichkeit. Seit den 1960er-Jahren ist bekannt, dass Quasare die energiereichen Zentren aktiver Galaxien bilden: Sie setzen in einer sehr kompakten Region so viel Energie frei wie ganze Galaxien. Als Ursache kommt dafür nur die potentielle Energie infrage, die frei wird, wenn Materie in das extreme Gravitationspotential eines riesigen Schwarzen Lochs stürzt. Dabei entsteht intensive Radiostrahlung, die für Messier 87 und viele andere Fälle nachweisbar ist. Das stärkte die Vermutung, dass sich im Zentrum vieler, vielleicht sogar aller Galaxien supermassereiche Schwarze Löcher befinden – auch in unserer Milchstraße. (...)

Neben der Corona-Krise steht die Flugzeugbranche vor der Herausforderung, die Emissionswerte der Personen- und Güterbeförderung signifikant zu reduzieren. Der Beitrag von Flugzeugen an den weltweiten CO2-Emissionen beträgt derzeit etwa zwei Prozent, und die Branche ist stetig um etwa vier Prozent pro Jahr gewachsen. Trotz kontinuierlich verbesserter Emissionswerte bei Flugzeugen und Triebwerken kann dieses Wachstum in den nächsten 15 Jahren zu einem signifikanten Anstieg der Gesamtemissionen aus der Luftfahrt führen. Daher hat die Europäische Kommission zusammen mit den führenden europäischen Unternehmen der Luftfahrtbranche ehrgeizige Ziele formuliert, um die Emissionen zu reduzieren: Mit dem Programm „Flightpath 2050“ sollen die Emissionen pro Passagierkilometer bis 2050 für CO2 um 75 Prozent, für NOx um 90 Prozent und für Lärm um 65 Prozent sinken. Als Referenz dient das Bezugsjahr 2000 mit etwa 60 Gramm Emissionen pro Passagierkilometer. Zwar haben bisher Weiterentwicklungen in Aerodynamik und Antriebstechnologien dazu beigetragen, den Verbrauch und die Emissionen kontinuierlich zu senken. Angesichts des Wachstums im Luftverkehr reichen diese inkrementellen Verbesserungen aber nicht aus, um die Ziele von Flightpath 2050 zu erreichen. Elektrische und hybrid-elektrische Antriebe bieten dafür einen praktikablen Lösungsansatz. Einen elektrischen Antriebsstrang in eine speziell dafür ausgelegte Flugzeugkonfiguration zu integrieren, kann die Effizienz des gesamten Systems erhöhen. Bei vertretbaren Betriebskosten und erhöhter Zuverlässigkeit lassen sich Schadstoffemissionen eliminieren bzw. reduzieren. Außerdem ist es möglich, die Lärmbelastung im Umfeld des Flughafens deutlich zu senken. (...)

Lebende Zellen lassen sich als außerordentlich komplexe Form von weicher, kondensierter Materie auffassen. Wie sie ihr Inneres räumlich und zeitlich organisieren, ist eine zentrale Frage der Biologie und der Biophysik. So gilt es beispielsweise aufzudecken, wie Zellen sich teilen, über biochemische Signale miteinander kommunizieren oder ihren Metabolismus regulieren. Or-ganellen wie die Mitochondrien und der Zellkern sind als die Organe der Zelle dafür verantwortlich, grundlegende Zellfunktionen und wichtige biochemische Prozesse zu realisieren. Zum Beispiel entstehen in den Mitochondrien große Mengen an Adenosintriphosphat (ATP) – ein Zelltreibstoff für viele biochemische Reaktionen und zelluläre Transportprozesse. Mitochondrien besitzen eine Membran, mit deren Hilfe sie sich vom Zytoplasma abgrenzen und ihren spezifischen biochemischen Charakter bewahren.

Aber es gibt auch Organellen ohne Membran. Vor etwa zehn Jahren gelang es zu zeigen, dass membranlose Organellen proteinreiche tropfenähnliche Objekte sind, die mit dem umgebenden Zytoplasma koexistieren, genau wie phasengetrennte Flüssigkeiten. Aus dieser Erkenntnis entstand ein dynamisches und interdisziplinäres Forschungs-feld an der Schnittstelle von Zellbiologie und Biophysik. Phasengetrennte Organellen erlauben es der Zelle, Biomoleküle in Raum und Zeit zu organisieren. Membranlose Zellorganellen ähneln flüssigen Tropfen in einer entmischten Flüssigkeit, zum Beispiel Essig und Öl in einer Vinaigrette. (...)

Am Abend des 8. November 1895 fand der in Würzburg lehrende Physikprofessor Wilhelm Conrad Röntgen (1845 – 1923) bei Experimenten mit Gasentladungsröhren erste Hinweise auf eine „neue Art von Strahlen“ von bisher nicht bekannter Durchdringungsfähigkeit. In einer außergewöhnlich intensiven und von der Außenwelt abgeschirmten Arbeitsphase verifizierte und systematisierte er seine Entdeckung der zunächst von ihm so genannten „X-Strahlen“. In den Weihnachtstagen 1895 bereitete er seine Ergebnisse zum Druck in den wenig bekannten „Sitzungsberichten der Würzburger Phys.-medic. Gesellschaft“ vor [1] und verschickte die Separatdrucke in den ersten Januartagen 1896 an die bekanntesten Vertreter seines Fachgebietes. Ein Sturm brach los. Der Röntgenbiograph Otto Glasser zählte für 1896 über tausend Publikationen zur Nachstellung, Variation und Nutzbarmachung von Röntgens Experimenten. Nie zuvor und selten danach hatten Wissenschaftler und Techniker – hier Physiker, Mediziner, Elektrotechniker und Glasbläser – einer wissenschaftlichen Entdeckung so schnell zum Durchbruch und zur Nutzung verholfen.

Es fehlte nicht an konkurrierenden Prioritäts ansprüchen. Aber letztlich entsprachen sie alle der Erkenntnis, dass man spätestens seit der in der Mitte des 19. Jahrhunderts von dem in Bonn tätigen Glastechniker Heinrich Geißler angesto-ßenen Gas entladungsforschung die neuen Strahlen zwar immer wieder erzeugt, manchmal auch indirekt bemerkt hatte, aber doch nie entdeckt und beschrieben. Von ganz anderem Kaliber war der Seitenhieb, den Philipp Lenard in seinem Nobel-Vortrag am 28. Mai 1906 austeilte: Röntgen habe seine Entdeckung als erster Nutzer der von ihm, Lenard, entworfenen Fenster-Röhre „ganz notwendigerweise“ machen müssen. „Es treffen in ihr die ... Kathodenstrahlen die große Fläche des Platins, welches sie, wie man heute weiß, am besten in die damals noch nicht bekannten Röntgenstrahlen verwandelt.“ (...)

Herbert Pese forschte und unterrichtete an der Universität Breslau. Finanziert wurde er durch Gelder der Notgemeinschaft der Deutschen Wissenschaft. Obwohl Pese damit formal nicht unter das Berufsbeamtengesetz fiel, verlor er wie andere in der gleichen Situation dennoch sein Stipendium. Damit war er neben Professor Fritz Reiche und der Privatdozentin Hedwig Kohn (siehe Physik Journal, November 2020, S. 36/37) der dritte Physiker, dessen Laufbahn an der Universität Breslau 1933 abrupt endete.

Herbert Pese wurde 1899 in Gleiwitz als Sohn eines Kaufmanns geboren, der ein „Damenputz-Spezialhaus“ betrieb, das er 1905 nach Breslau verlagerte. Pese durchlief dort die Schule bis zum Abitur (1919), studierte dann an mehreren Universitäten, zuletzt an der TH Breslau, wo er sich zwi-schen 1924 und 1926 bei Erich Waetzmann mit Membranen und der Analyse von akustischen Schwingungen beschäftigte. Am 25. Juni 1925 trat er der DPG bei, die er 1931 wie-der verließ. 1927 wechselte er an das von Clemens Schäfer geleitete physikalische Institut der Universität Breslau, was mit einer Umorientierung zur Optik verbunden war. Schäfer verschaffte ihm bald ein Stipendium der Notgemeinschaft. (...)

Für den Arbeitsmarkt von Physikerinnen und Physikern gibt es zwei Datenquellen – die Zahlen der Bundesagentur für Arbeit und jene des Mikrozensus. Während Erstere monatlich beziehungsweise jährlich erscheinen, basieren Letztere auf einer umfangreichen Befragung und Modellbildung. Dadurch beleuchten sie einen um drei Jahre zurückliegenden Stand des Arbeitsmarktes – aktuell also das Jahr 2017. Für das Gesamtbild braucht es dennoch beide Erhebungen.

Der Mikrozensus betrachtet alle erwerbstätigen Physikerinnen und Physiker, die nach Selbstauskunft einen akademischen Physikabschluss haben (insgesamt 117 100). Physikerinnen und Physiker arbeiten hierbei in vielfältigen Bereichen. Der Anteil derjenigen, die in klassischen Physikberufen tätig sind, d. h. dem „Erwerbsberuf Physiker“ nachgehen, liegt nach der Einordnung des Mikrozensus bei nur rund 20 Prozent.

Die Arbeitslosendaten der Bundesagentur beziehen sich nur auf dieses Fünftel des „Erwerbsberufs Physiker“. Die Daten zu sozialversicherungspflichtig Beschäftigten, Arbeitslosen und offenen Stellen für „Physiker“ stellt die Bundesagentur für Arbeit der DPG im Rahmen einer Sonder auswertung, basierend auf den Septemberdaten, zur Verfügung. Von diesen handelt dieser Artikel und stellt sie vor dem Hintergrund langfristiger Entwicklungen mit speziellem Fokus auf die Besonderheiten der ersten Corona welle vor. (...)

Wie sind Sie auf die Idee gekommen, Physik zu studieren?

Schon während der Grundschulzeit habe ich Sachbücher über das Sonnensystem oder über Magnetismus verschlungen. Daher war eigentlich immer klar, dass ich in diese Richtung gehen wollte. Ich habe in Darmstadt ein Physikstudium angefangen und dort auch promoviert.

Womit haben Sie sich dabei beschäftigt?

Ich habe bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt das Protonenmikroskop PRIOR mit aufgebaut und getestet. „Ich habe der Physik nie den Rücken gekehrt“

Wie ging es danach weiter?

Nach der Promotion war ich in Hamburg beim European XFEL in der Detektorentwicklung tätig und habe ein Projekt für einen ultraschnellen Röntgendetektor federführend vorangetrieben. Mit diesem Large Pixel Detector lassen sich Bilder von Prozessen wie chemischen Reaktionen aufnehmen.

Was hat Sie an dieser Arbeit fasziniert?Ich fand es schön, Teil eines internationalen Projekts zu sein und meinen Beitrag in der aktuellen Spitzenforschung zu leisten. (...)