Physik Journal 9 / 2016

Die Studierendenstatistik der Konferenz der Fachbereiche Physik (KFP) basiert auf einem vollständigen Datensatz, zu dem alle 59 universitären Physik-Fachbereiche in Deutschland beigetragen haben. Bei den Fachstudiengängen sind die Daten nahezu komplett. Bei den Lehramtsstudien­gängen bestehen dagegen, wie stets, größere Unsicherheiten und gewisse Lücken.

Immatrikulationen

Im Wintersemester 2015/16 und im Sommersemester 2016 haben sich nochmals mehr Personen neu in einen grundständigen Physik-Studiengang eingeschrieben als in den Vorjahren: Insgesamt waren es 16 174, von denen sich 12 251 für einen Bachelorstudiengang Physik entschieden, 1505 für einen Bachelorstudiengang mit Schwerpunkt Physik und 2379 für einen Lehramtsstudiengang (Bachelor oder Staatsexamen). Der einzige verbliebene Diplomstudiengang verzeichnete 39 Neueinschreibungen (Abb. 1 und Tabelle). Damit waren im vorigen Wintersemester 50 597 Personen in einen Physik-Studiengang immatrikuliert (WS 14/15: 48 942; WS 13/14: 47 106; WS 12/13: 43 207). So beein­druckend diese Zahlen sind, so kritisch muss man sie betrachten. Seit mehreren Jahren weisen wir darauf hin, dass bei Weitem nicht alle, die sich für ein Physikstudium einschreiben, dieses auch ernsthaft betreiben oder überhaupt nur antreten. Physikstudiengänge sind in der Regel nicht zulassungsbeschränkt und daher offenbar ein attraktives Ziel für Parkstudierende – dazu unten mehr. (...)

Ein Vogel sitzt oben auf der Stahlkonstruktion und scheint dieses Schauspiel genauso zu genießen wie ich. Erst als der letzte Sonnenstrahl am Horizont verschwunden ist und es schlagartig dunkel wird, fliegt er davon. Für die Mitarbeiter auf der H.E.S.S.-Site beginnt nun die spannendste Phase des Tages, denn sobald es vollkommen dunkel ist, richten sich die Teleskope des High Ener­gy Stereoscopic System (H.E.S.S.) zur Milchstraße aus. Sie suchen nach Gamma­quellen.

Die von einer kosmischen Quelle erzeugte hochenergetische Gammastrahlung kann die Erdatmosphäre nicht durchdringen. Aber sie reagiert mit den Atomkernen der oberen Atmosphäre und wandelt sich in Paare aus Elektronen und Positronen um. Letztlich entsteht dabei eine Kaskade von hochrelativistischen Teilchen, die Cherenkov-Licht emittieren. Der zugehörige Lichtkegel bildet auf der Erde einen Fleck mit einem Durchmesser von rund 250 Metern. Seine Spitze zeigt zurück auf die kosmische Quelle. Die vier kleinen H.E.S.S.-Teleskope stehen auf den Eckpunkten eines Quadrats mit einer Seitenlänge von 120 Metern – ein Kompromiss, um möglichst viele Signale aufzusammeln und um das Licht eines Schauers in mindestens zwei Teleskopen zu registrieren. Nur dann lässt sich zuverlässig auf den Ursprung der kosmischen Quelle schließen. Kurzlich ist es gelungen, im Galaktischen Zentrum die ersten Spuren von Protonen mit einer Energie im Petaelektronenvolt­bereich nachzuweisen. (...)

Dieser Artikel stellt Quermaße mit ihren Eigenschaften und ihrer anschaulichen geometrischen und topologischen Interpretation vor. Als Beispiel dient ihre Anwendung bei einem Test des aktuellen Standardmodells der kosmischen Strukturbildung, den ich zusammen mit dem Testergebnis kurz vorstellen möchte.

Die autonome Aggregation der Materie in der Natur erzeugt eine Vielfalt räumlicher Muster auf Längen­skalen, die von molekularen bis zu kosmischen Distanzen reichen. Schon der visuelle Eindruck dieser Muster kann wichtige Informationen über den Aufbau, die Evolution und gegebenenfalls die Funktiona­lität der abgebildeten Struktur vermitteln. Ein Beispiel ist das Röntgenbild des DNA-Moleküls, das Rosalind Frank­lin 1952 aufgenommen hat (Abb. 1). Die X-Form dieses Laue-Diagramms ist die Signatur eines helikalen Mole-küls. Aus den fehlenden Bragg-Reflexen 4. Ordnung kann man schließen, dass das Gerüst des Moleküls aus zwei komplementären, gegeneinander um 180° verdrehten helikalen Strängen aufgebaut ist. Das Laue-Bragg-Muster bestätigt die DNA-Struktur, die Crick und Watson mittels Optimierung eines Analogmodells aufdeckten. Das Resultat lieferte den erhofften quantitativen Informationsgewinn aus dem Blickwinkel der Stereochemie. Wissenschaftlich bedeutsamer und folgenreicher war jedoch eine unerwartete semantische Information, die aus der Einsicht über die erkennbare Verbindung von Form und Funktion folgt und die in dem berühmten Satz von Crick und Watson aus dem Jahr 1953 dokumentiert ist: „It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for genetic material.“ Das Franklinsche Röntgenbild markiert die Geburt der Molekular­genetik. (...)

Der Vorschlag des britischen Kernphysikers Tony H. R. Skyrme, Neutronen und Protonen (Fermi­onen) als nicht-lineare Anregungen von Pionen­feldern (Bosonen) zu deuten [1], blieb zunächst über 20 Jahre unbeachtet. Erst 1983 erkannten Adkins, Nappi und Witten das visionäre Potenzial dieses Modells für quantitative phänomenologische Betrachtungen in der Kernphysik und als Bindeglied zur Quantenchromodynamik [2]. Aus heutiger Sicht stellt Skyrmes Arbeit einen Meilenstein der theoretischen Physik dar, dessen Bedeutung weit über die Kernphysik hinausreicht und sich von der Elementarteilchenphysik bis zur harten und weichen kondensierten Materie erstreckt [3].

Zur Illustration, was ein Skyrmion auszeichnet, ist es hilfreich, einen behaarten Ball zu betrachten (Abb. 1): Unabhängig davon, wie man diesen kämmt, bleibt immer ein Wirbel zurück. Dieser ist eine besondere Charakteristik der Geometrie der behaarten Oberfläche des Balls und reflektiert deren nicht-triviale Topologie. Zudem sind Skyrmionen Solitonen, d. h. stark nicht-lineare, räumlich lokalisierte, stationäre Anregungen mit teilchenartigem Charakter [4].

Die Erforschung der topologischen Eigenschaften der kondensierten Materie ist von großer Aktualität. So ziehen, angefangen von Quanten-Hall-Systemen über topo­logische Isolatoren und Weyl-Metalle, geometrisch frustrierte Spinsysteme großes Interesse auf sich. Die Entdeckung von Skyrmionen in der Magnetisierung von Festkörpern [5, 6] ist eine neue Entwicklung, welche die Erforschung topologischer Phasen mit Anwendungen, z. B. in der Spintronik, verbindet. (...)

Hendrik Casimir leitete diese unerwartete Kraft ab, als er die Energieänderung eines elektromagnetischen Feldes in Anwesenheit zweier Platten abschätzte und deren Abstand variierte. [1]. Seine Arbeit lieferte die Grundlage für unzählige Folgearbeiten über den Casimir-Effekt. Die zunächst verwandte formale Vorgehensweise bot allerdings nur begrenzte Einsicht in den zugrundeliegenden Mechanismus oder ein physikalisches Verständnis der Casimir-Kraft. Entsprechend galt sie lange vor allem als theo­retische Kuriosität, obwohl Casimirs Arbeit zweifelsohne bahnbrechend war. Aktuell lebt das Interesse an dem grundlegenden Quanteneffekt wieder auf, der zudem in modernen physikalischen Experimenten und technischen Apparaturen zu berücksichtigen ist.

Hier möchte ich einen ergänzenden Blickwinkel auf den Casimir-Effekt vorstellen, der auf der Streutheo­rie elektromagnetischer Felder und auf Methoden aus der Quantenoptik beruht. Während die Casimir-Kraft zunächst als widersinnig erschien, weil sich zwischen den Platten nichts befindet, ist ihr Ursprung heute gut verstanden: Sie entsteht, wenn Vakuumfluktuationen räumlich eingeschlossen bzw. zwischen zwei Objekten gestreut werden. Zwischen den Platten befindet sich nicht etwa nichts, sondern ein quantenmechanisches Vakuum, das durchaus physikalische Effekte zeigt.

In der Quantenmechanik weisen alle Felder – insbesondere elektromagnetische – Fluktuationen um einen Mittelwert auf. Selbst ein perfektes Vakuum am absoluten Temperaturnullpunkt enthüllt fluktuierende Felder. Bei diesen Vakuumfluktuationen handelt es sich um elektromagnetische Felder, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzen wie jedes andere freie Feld. Sie haben eine mittlere Energie, die der Hälfte der Energie eines Photons pro Feldmode entspricht. Da sich Vakuum­fluktuationen im Raum ausbreiten und eine mittlere Energie transportieren, üben sie auf die Oberflächen der Platten einen Druck aus – wie ein Fluss, der gegen ein Schleusentor drückt. Dieser Vakuum­strahlungsdruck wächst mit der Energie, also der Frequenz, des Vakuumfeldes. (...)

Der anhaltende Trend zur Miniaturisierung von elektronischen Bauteilen in der modernen Technologie steht vor fundamentalen physikalischen Grenzen. Die Suche nach neuen Konzepten hat atomdünne Nanostrukturen ins Zentrum der aktuellen Forschung gerückt [1]. Der bekannteste Vertreter dieser perfekten zweidimensionalen Materialien ist Graphen, das aus einer einzelnen Schicht von Kohlenstoff-Atomen besteht [2 – 4]. Lange Zeit galt Graphen als ein rein akademisches Material, das aufgrund zu erwartender thermodynamischer Instabilitäten nicht in der Realität existieren kann. Im Jahr 2004 gelang es Konstantin Novoselov und Andre Geim (Universität Manchester), eine einzelne Kohlenstoff-Schicht aus Graphit abzulösen und somit zum ersten Mal Graphen herzustellen [2]. Sie zeigten, dass das neue Material einzigartige Eigenschaften besitzt, die sowohl für die Grundlagenforschung als auch für technologische Anwendungen hoch interessant sind. So leitet Graphen elektrischen Strom ausgezeichnet, da sich Elektronen dort über weite Strecken nahezu stoßfrei bewegen können („ballistischer Transport“). Die starken Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen einerseits und die Biegsamkeit der gesamten Schicht andererseits ergeben ein außerordentlich reißfestes Material, das gleichzeitig flexibel und nahezu transparent bei optischen Frequenzen ist [3, 4]. (...)

Fast alle Phasenübergänge sind mit einem Symmetriebruch verbunden, sei es, dass durch ein Mag­netfeld eine Richtung ausgezeichnet ist oder dass die kontinuierlichen Translations- und Rotationssymmetrien einer Flüssigkeit zu diskreten Translations- und Rotationssymmetrien im Kristall gebrochen werden. Symmetrie bedeutet mathematisch die Invarianz unter einer Transformation, sie beschreibt die Menge der Abbildungen, die ein Objekt in sich selber zurückführen. In diesem Sinne hat eine Flüssigkeit im zeitlichen Mittel eine viel höhere Symmetrie als ein Kristall: Sie sieht in allen Richtungen bzw. an allen Orten gleich aus, während das für den Kristall nur entlang weniger diskreter Richtungen und an wenigen diskreten Orten gilt. Die Hochtemperaturphase besitzt eine hohe Symmetrie und wenig Ordnung, thermische Fluktuationen dominieren aufgrund der statistisch verteilten kinetischen Energie der Atome. In der Tieftemperaturphase ist eine (manchmal abstrakte) Symmetrie gebrochen, und thermische Fluktuationen zerstören die Ordnung nicht. Das Mysterium von Phasenübergängen ist, wie sich diese Ordnung aus den Wechselwirkungen der Atome untereinander von selbst generiert, ohne dass sich die Kräfte zwischen den Atomen in der Hoch- und Niedrigtemperaturphase unterscheiden. (...)

Die Diskussionen um die Zukunft der Energieversorgung und die Entwicklung des Klimas werden hierzulande oft mit kompromissloser Entschiedenheit und Selbstsicherheit geführt. Dabei werden die unanschaulichen globalen Emissionen mit den unmittelbar spürbaren positiven wie negativen Auswirkungen auf Arbeitsplätze, Kosten und Renditen sowie Naturschutz verwoben.

Viele Mitbürger machen sich große Sorgen, dass es mit den Lebensbedingungen auf unserer Erde sehr schnell bergab gehen wird, wenn wir es nicht schaffen, die bei jedem Unwetter erneut heraufbeschworene Klimakatastrophe zu stoppen. So setzen sie ihre Hoffnungen vor allem auf Windräder und Photovoltaik-Anlagen zur Stromerzeugung. Unbewusst oder bewusst verübeln sie es dem Vortragenden, wenn er sie allzu unvorbereitet mit nüchternen physikalisch-technischen Fakten, Netz- und Speicherproblemen, Kosten und unanschaulichen Zahlen konfrontiert. Sie empfinden, dass er damit ihr Bild von der Zukunft und ihre persönlichen Hoffnungen zerstört – auch wenn es sich dabei objektiv betrachtet häufig um Illusionen handelt. Ein nicht naturwissenschaftlich geprägtes Publikum lässt sich nämlich durch die Atmosphäre, die „Stimmung“ einer Präsentation viel stärker beeinflussen als durch Grafiken, physikalische Argumente oder gar trockene Zahlen und Daten. Daran kann ein mit besten Intentionen geplanter aufklärerischer Vortrag scheitern. Zwar gelingt ein Vortrag vor Naturwissenschaftlern einfacher als vor einem allgemeinen Publikum, doch zeigt auch hier die heftige Debatte über Strom und Emissionen, über die Verlässlichkeit langfristiger Projektionen (Stichwort „Klimaprognosen“) und über mögliche Auswirkungen auf die belebte Natur oft ein Maß an Unversöhnlichkeit, das an den Streit um die friedliche Nutzung der Kernenergie erinnert. (...)

Wie begeistert man junge Menschen langfris­tig für Physik? In dieser Frage sind Problem und Lösung bereits enthalten. Das Problem ist die Langfristigkeit. Es reicht eben nicht, mit feurigen Explosionen einen kurzfristigen Wow-Effekt zu generieren. Die vielen populärwissenschaftlichen Sendungen und naturwissenschaftlichen Shows eignen sich bestens, um einen ersten Einstieg zu finden, aber erst der Biss, etwas wirklich wissen zu wollen, ein Experiment zu durchdringen, zu hinterfragen und weiterzuentwickeln, hat langfristige Wirkung. Das bedeutet jedoch Arbeit. Diese extrinsische Notwendigkeit gilt es, mit einer intrinsischen Motivation zu verknüpfen. Die Motivation entsteht aus der Begeisterung, und um diese zu entfachen, also gedankliche Lawinen auszulösen, muss man im übertragenen Sinne an der richtigen Stelle eine Schneeflocke fallen lassen.

Zugegeben, der Vergleich zwischen Schülern und Bergen hinkt. Er ist aber hilfreich, um einige Aspekte deutlich zu machen. Wenn gedankliche Lawinen unser Ziel sind, ist zunächst einmal sicher zu stellen, dass der Berg überhaupt Schnee tragen kann. Im Schulalltag gehören dazu der Umgang mit physikalischem Fachwissen, die Erkenntnisgewinnung und die Kommunikation. Was aber hindert junge Menschen eigentlich daran, sich mit Naturwissenschaften zu beschäftigen? Das sind häufig die banalen Widrigkeiten des Lebens: Stress in der Familie, Ärger in der Klasse, Streit mit Freunden oder die Pubertät. Wenn es im Leben nicht so klappt, hat man keinen Kopf für Schule und ist nicht leis­tungsfähig – auch Erwachsene nicht. Diese Leistungsfähigkeit herzustellen, zu erhalten und im Idealfall auszubauen, ist essenziell für eine erfolgreiche Schullaufbahn. (...)

Die reichhaltige Geschichte der optischen Bildgebung ist untrennbar mit der Nutzung von Linsen verbunden. Während Teleskope ferne Galaxien darstellen, machen Mikroskope Strukturen in der Nanowelt sichtbar. Die Verwendung von Linsen scheint naheliegend, nutzt doch das menschliche Auge ebendiese, um Informationen zu sammeln. Dennoch wächst derzeit das Interesse an Abbildungsverfahren, die ohne Linsen auskommen. Seit den Arbeiten von Ernst Abbe Ende des 19. Jahrhunderts ist bekannt, dass das Auflösungsvermögen von Mikroskopen an die Wellenlänge des Lichts gekoppelt ist: Bildgebung mit kurzwelliger Strahlung erlaubt demnach eine hohe Auflösung. Die Herstellung von Linsen für EUV- und Röntgenstrahlung ist aber mit hohem technischen Aufwand verbunden, sodass linsenfreie Abbildungsver­fahren eine sinnvolle Alternative bieten. Die Renaissance linsenfreier Verfahren in der Röntgenmikroskopie beruht auf der zunehmenden Leistungsfähigkeit moderner Computer und auf der Entwicklung neuartiger kohärenter Röntgenstrahlungsquellen [1]. (...)