Physik Journal 2 / 2013

Vor so vielen Physikprofessoren wie hier beim Tag der DPG sind Sie vermutlich noch nie aufgetreten. Haben Sie sich darauf extra vorbereitet?

Marcus Weber: Für heute haben wir uns bemüht, ein Programm mit anspruchsvolleren Sachen zu präsentieren. Die Frage am Anfang, ob ein rohes Ei oder ein gekochtes schneller die schiefe Ebene hinun­ter rollt, war allerdings riskant. Wenn alle richtig gelegen hätten, wäre das nicht witzig gewesen. Aber ziemlich genau die Hälfte des Publikums lag falsch. Auch die Honoratioren in der ersten Reihe dachten, das gekochte Ei würde schneller rollen. Das war sehr schön für uns. Und wenn so viele daneben liegen, lohnt es sich offenbar auch, über solche Dinge gründlicher nachzudenken.
Ich war überrascht, dass Sie dieses fachkundige Publikum so früh gepackt hatten.

Engelbert Kobelun: Auch Professoren wollen lachen. Humor gehört einfach dazu.

Weber: Letztlich konnte man sehen, was das Team ausmacht, nämlich dass alle Leute einen sehr professionellen Hintergrund haben. Einmal von der Physik, damit die Versuche funktionieren und gut aussehen, aber auch von der darstellerischen Seite. Engelbert ist zum Beispiel gelernter Schauspieler. Das zahlt sich aus.

Kann und darf man über Physik lachen?

Kobelun: Aus meiner Sicht geht es nicht darum, dass man über Physik lacht. Die Physik ist ein Mittel, das den Humor transportiert, ohne dass man – und darauf achtet Marcus – die Inhalte vernachlässigt.

Weber: Wir machen uns nie über die Physik lustig, über Physiker schon (lacht). Es ist schließlich auch gut, mal über sich selbst zu lachen. Wenn wir das Ganze sympathisch rüberbringen, lachen die Leute letztlich nicht über die Physik, sondern über uns und über die Art, wie wir die Physik auf der Bühne zeigen. ...

Schon bei der Formulierung der Quantenmechanik in den 1920er-Jahren war den daran beteiligten Physikern bewusst, dass sich die neue Theorie von der klassischen Physik fundamental unterscheidet. Die Interferenz von Teilchen am Doppelspalt oder die Unschärferelationen galten als typische Quanteneffekte. Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen bemerkten 1935, dass bei räumlich getrennten Quantensystemen neuartige und überraschende Effekte auftauchen. In ihrem berühmten EPR-Paradoxon betrachteten sie zwei separierte Teilchen, die sich jedoch durch eine gemeinsame Wellenfunktion beschreiben lassen. Sie zeigten, dass man unter Umständen dem Ort und Impuls eines Teilchens einen Wert zuweisen kann, was der Quantenmechanik zu widersprechen scheint. Dies warf die Frage auf, ob die Quantenmechanik vollständig ist oder − so die Idee von Einstein, Podolsky und Rosen − eine komplexere determinis­tische Theorie mit weiteren Parametern sie ablösen könnte. Der Indeterminismus der Quantenmechanik würde sich dann aus unserem Unwissen über die zusätzlichen „verborgenen“ Parameter erklären.

John Bell konnte 1964 mit seiner bekannten Ungleichung zeigen, dass Modelle mit verborgenen Parametern nicht mit den Vorhersagen der Quantenmechanik verträglich sind. Hierbei machte er im Wesentlichen zwei Annahmen über klassische Modelle:
Realismus: Der Wert einer messbaren Größe exis­tiert unabhängig davon, ob die Messung tatsächlich stattfindet oder nicht.
Lokalität: Die Messresultate an einem Teilchen hängen nicht von der Wahl der Messung an einem anderen, weit entfernten Teilchen ab.

Die Bellsche Ungleichung liefert ein klares, experimentell testbares Kriterium, um zwischen Quanten­mechanik und klassischer Physik zu unterscheiden. Zahlreiche Experimente an verschränkten Teilchen haben in den letzten Jahren die Vorhersagen der Quanten­mechanik bestätigt. Demnach ist zumindest eine der Annahmen von Realismus oder Lokalität nicht erfüllt. ...

Bereits im 19. Jahrhundert haben Faraday, Kelvin und Rayleigh den Einfluss von Vibrationen auf Flüssigkeiten untersucht. In der Tradition von Chladni, Oersted und Savart, die Klangfiguren von Pulvern auf festen Oberflächen beschrieben hatten, versetzte Faraday 1831 Flüssigkeitsschichten vertikal in Vibration und beobachtete, wie auf der freien Oberfläche dynamische Strukturen entstanden. Etliche Jahre später berechneten Rayleigh und Kelvin die Eigenschwingungen freier sphärischer Tropfen idealer Flüssigkeiten.

Für eines seiner Experimente beschichtete Faraday die Unter­seite einer waagerechten Platte mit Wasser, Öl oder Eiweiß und brachte die Platte durch einen am Rand angesetzen Geigenbogen zum Schwingen. Tropfen, die sich unter dem Einfluss der Schwerkraft an verschiedenen Stellen geformt hatten, wurden geglättet. Gleichzeitig entstanden an den Stellen der stärksten Vibrationen flache Erhebungen im Film. Als Fara­day zentimeterdicke Wasserschichten auf einem hori­zontalen Substrat homogen vertikal schüttelte, ordneten sich nichtlineare stehende Wellen regelmäßig an – die Faraday-Wellen. Die zeitliche Modulation der Beschleunigung bewirkt eine Grenzflächeninstabilität, die als Faraday-Instabilität bekannt ist und als Musterbeispiel für eine parametrische Resonanz gilt.

Bis heute ist die Frage, wie Flüssigkeiten mit freien Oberflächen auf Vibrationen reagieren, von wissenschaftlichem Interesse. Zum Beispiel ermöglichen es Varianten des Faraday-Experiments zu untersuchen, wie sich dynamische Muster in getriebenen Systemen herausbilden und entwickeln. Neben den klassischen Quadratmustern, die schon Faraday kannte, lassen sich inzwischen Supergitter- und quasi­kristalline Muster experimentell erzeugen. Dazu ist es erforderlich, mehrere Vibrationsfrequenzen gleichzeitig zu verwenden und die Amplituden genau einzustellen. Auch kleine Behälter zeigen interessante raumzeitliche Muster. Diese Effekte sind mit Werkzeugen der nichtlinearen Dynamik zu erklären. ...