Physik Journal 11 / 2015

Dieses fiktive Dilemma hat der polnische Schriftsteller Stanislaw Lem bereits 1982 in seinem Science Fiction-Roman „Lokaltermin“ ersonnen und legte damit den Finger in die richtige Wunde. Wie überall ist heutzutage auch in der Wissenschaft eine steigende Daten­flut zu beobachten. So erzeugen allein die Detektoren des Large Hadron Colliders am CERN jährlich rund 15 Petabyte Daten. Dafür gibt es nicht nur ein eigenes Rechenzentrum vor Ort, sondern gleich ein global verteiltes Netzwerk: Für das „Worldwide LHC Computing Grid“ stellen 170 Rechenzentren aus 34 Ländern über 100 000 Prozessoren zur Verfügung, um die Daten zu verarbeiten und für die Community verfügbar zu machen...

Doch abseits von der Großforschung, im Labor herkömmlicher Größe, sieht der Datenkreislauf meist wenig nachhaltig aus: Forscher gewinnen im Experiment Messdaten, werten sie aus, vergleichen sie mit anderen Beobachtungen oder Simulationen und veröffentlichen schließlich ihre Ergebnisse in den einschlägigen Fachzeitschriften. Dann müssen neue Daten her, die alten haben schließlich ihre Schuldigkeit getan, oder? Nein, sagte schon die Deutsche Forschungsgemeinschaft 1998 in ihrer Denkschrift zur „Sicherung guter wissenschaftlicher Praxis“. Darin empfiehlt sie: „Primärdaten als Grundlagen für Veröffentlichungen sollen auf haltbaren und gesicherten Trägern in der Institution, wo sie entstanden sind, zehn Jahre lang aufbewahrt werden.“ Ein Auslöser für die Empfehlung war ein schwerer Fall von Forschungsbetrug: Die Krebsforscher Friedhelm Herrmann und Marion Brach von der Universität Ulm hatten über viele Jahre hinweg ihre Daten manipuliert und fremde Ergebnisse kopiert und in den eigenen Publikationen verwendet. Ein verantwortungsvoller Umgang mit den Primärdaten ist daher ein entscheidender Schritt, um gute wissenschaftliche Praxis zu sichern und eventuelle Vorwürfe überprüfen zu können. Wie berechtigt die DFG-Empfehlung ist, rief der Fall des Physikers Jan Hendrik Schön im Jahr 2002 wieder eindrücklich in Erinnerung. Originaldaten konnte er nicht vorweisen...

Flüssiges Wasser ist die wichtigste Substanz auf unserem Planeten, ohne die Leben in der bekannten Form nicht möglich wäre. Jahrzehntelange Forschung hat zu einem guten, wenngleich längst nicht vollständigen, Verständnis von Bulk-Wasser auf mole­kularer Ebene geführt. In direkter Nachbarschaft zu einer Begrenzung jedoch bilden die Wassermoleküle eine dünne Schicht mit oftmals gänzlich neuen Eigenschaften. Dieses Grenzflächenwasser, das z. B. in der Umgebung von Zellmembranen, Proteinen oder auch makroskopischen Oberflächen auftritt, ist in den letzten Jahren zunehmend in den Fokus der wissenschaftlichen Anstrengungen von Physikern, Chemikern und zum Teil auch Biologen gerückt. In lebenden Zellen ist die Konzentration an biologischen Molekülen oft sogar so hoch, dass ein Großteil des Wassers in solchen Grenzschichten vorliegt [1]. Trotzdem galt Wasser lange Zeit nur als passive Hintergrundsubstanz für biologische Prozesse − deutlich weniger interessant als Proteine oder DNA. Inzwischen aber wird die zentrale Rolle von Wasser als aktiver, gleichwertiger Partner in der Maschinerie des Lebens immer deutlicher.

Flüssiges Wasser bildet ein molekulares Netzwerk, in dem jedes Wassermolekül mit durchschnittlich knapp vier Nachbarn verbunden ist. Zentrales Bindeglied sind dabei die Wasserstoffbrücken (H-Brücken). Bei diesen handelt es sich um intermolekulare Bindungen zwischen einem partiell positiv geladenen Wasserstoffatom und einem partiell negativ geladenen Partner. In reinem Wasser ist letzterer immer das Sauerstoffatom eines anderen Wassermoleküls, an Grenzflächen jedoch können auch H-Brücken zwischen Wasser und dem begrenzenden Molekül entstehen. Die Bindungsenergie einer typi­schen Wasserstoffbrücke in Wasser liegt bei etwa 4kBT. In reinem flüssigen Wasser besitzt jedes Molekül im Schnitt nHB = 3,5 H-Brücken [1]. Die Tatsache, dass nHB < 4 ist, also kleiner als die Zahl der Bindungen in einer idealen tetraedrischen Struktur, belegt den Einfluss thermischer Fluktua­tionen und den transienten Charakter des Netzwerks...

Nach Isaac Newton ist die Anziehungskraft zwischen zwei punktförmigen Massen m₁ und m₂ im Abstand r gegeben durch

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Der in dieser Gleichung auftretende Faktor G bezeichnet die Gravitationskonstante und gilt als Fundamentalkonstante, d. h. sie besitzt einen Wert, der im gesamten Universum gleich ist und sich zeitlich nicht ändert.

Genau genommen taucht G in Newtons Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica von 1687 [1] – kurz Principia – nicht einmal auf. So bleibt in jenem Meisterwerk, das die Gravitationskraft zwischen zwei Körpern beschreibt, das Maß für die Stärke der beschreibenden Kraft unerwähnt. Aus damaliger Sicht betrachtet verwundert diese Tatsache aber nicht so sehr: Zu Newtons Zeit war die Gravitationskonstante nicht interessant. Die Massen der Himmelskörper waren einfach zu ungenau bekannt, und es gab keine hinreichend präzise Technologie, um Kräfte zwischen zwei Massen im Labor zu messen. Die Wissen­schaft interessierte sich vielmehr für astronomische oder geo­physikalische Fragen wie die Dichte der Erde. Diese hatte Newton auf 5000 bis 6000 kg m^–3 geschätzt und damit den heutigen Messwert von

ρ_e =  5514 kg m^–3 gut getroffen.

Seine Schätzung basierte auf einer Extrapolation der Dichte von Objekten auf der Erdoberfläche wie Wasser, Erde und Gestein...

Vier Monate nach Beginn des Ersten Weltkriegs, die USA gehörten noch nicht zu den Kriegsparteien, schrieb der amerikanische Astrophysiker George Ellery Hale an seinen deutschen Kollegen Johannes Stark in Aachen: „I cannot tell you how sincerely I regret that you have been compelled to leave your laboratory and take part in the work of the army. The war is causing appalling losses, and I sympathy most deeply with all who are compelled to bear them. May peace soon be restored, bringing with it the happy life of the past!“1) Hale, der als Sekre­tär für Auslandsbeziehungen der National Academy of Sciences der USA eine besonders große Zahl von Kontakten mit anderen Ländern pflegte, war auf Starks Arbeiten zur Aufspaltung von Spektral­linien im statischen elektrischen Feld aufmerksam geworden und suchte nach einem ähnlichen Effekt in der Sonnenatmosphäre. Der Amerikaner bewunderte Starks Ergebnisse und brachte dies nicht nur in Briefen zum Ausdruck: Zweimal, 1914 und 1916, nominierte Hale den deutschen Physiker sogar für den Physik-Nobelpreis.²⁾

Hales Wunsch nach der Rückkehr zum „glücklichen Leben aus vergangenen Tagen“ und dem Anknüpfen an wissenschaftliche Beziehungen aus der Vorkriegszeit sollten sich jedoch nicht erfüllen. Trotz der Wahrung der Neutralität durch die Vereinigten Staaten unter der Führung von Präsident Woodrow Wilson bis zum Frühjahr 1917 begannen amerikanische Wissenschaftler und Ingenieure früh damit, nach praktischen Antworten auf die durch den Krieg aufgeworfenen militärischen Probleme zu suchen und den amerikanischen Kriegseintritt vorzubereiten. Hale selbst und seinem wissenschaftlichen Umfeld aus dem Netzwerk der University of Chicago sollte dabei eine tragende Rolle zukommen...