Physik Journal 11 / 2017

Was ist Ihnen von „Blue Dot“ in Erinnerung geblieben?

Zum einen der Blick auf die Erde von dort oben, der ist einzigartig und unvergesslich! Zum anderen die wissenschaftliche Arbeit und die Freundschaft zwischen den Mannschaftsmitgliedern. Es ist eine besondere Erfahrung, ein halbes Jahr auf einer Raumstation zu verbringen und so erfolgreich zusammen zu arbeiten.

Da gab es keine Streitereien?

Das könnte es an sich zwar geben, aber wir trainieren vorher über Jahre als Mannschaft zusammen. Im Zuge der Vorbereitung verbringen wir viel Zeit miteinander, unter anderem bei minus 30 Grad im Wald beim Über­lebenstraining in Russland. Wenn es da ernste Spannungen gäbe, hätten wir das vorher gemerkt und daran arbeiten können...

Intensives Laserlicht kommt in vielen Bereichen zum Einsatz, von der Materialbearbeitung über Chirurgie bis hin zur kontrollierten Kernfusion. Üblicherweise denkt man dabei an stark kollimierte Lichtstrahlen im sichtbaren Spektrum. Heute gibt es auch laserähnliche Strahlung mit Wellenlängen im Röntgenbereich [1]. Dies wurde durch die Entwicklung von Freie-Elektronen-Lasern (FEL) möglich, die eine neuartige Form der Synchrotronstrahlungsquellen darstellen. In einem FEL durchlaufen hochrelativistische Elektronenpulse speziell geformte Magnetstrukturen, so genannte Undulatoren. Die Magnetfelder zwingen die Elektronen auf eine Wellenbahn, sodass diese Strahlung emittieren. Eine Mikrostrukturierung der Pulse sorgt dabei für die extrem verstärkte kohärente Abstrahlung. Da die Elektronenpulse in einem FEL zudem sehr kurz sind, erhält man bis zu zehn Größen­ordnungen intensivere Lichtpulse als in Speicher­ringen, den herkömmlichen Quellen von Synchrotronstrahlung [1, 2].

Dank seiner kurzen Wellenlänge lässt sich Röntgenlicht zu Strahlflecken bis unter 1 μm Durchmesser fokussieren, sodass sich im Extremfall Leis­tungsdichten von mehr als 1018 W/cm2 ergeben [3]. Das entspricht einer Fokussierung des gesamten auf die Erde auftreffenden Sonnenlichts auf die Fläche eines Fingernagels – natürlich nur für einen sehr kurzen Moment. Die Verbindung von hoher räumlicher Auflösung durch die kurze Wellenlänge und extrem geringer Pulslänge bis hinunter zu wenigen Femtosekunden erlaubt es erstmals, dynamische Prozesse im Bereich atomarer Längen- und Zeitskalen durch Streuexperimente sichtbar zu machen [4]...

Elektrische Dipolmomente entstehen in der makroskopischen Welt, wenn positive und negative Ladungsträger unterschiedliche räumliche Verteilungen haben. Für zwei entgegengesetzt geladene Punktladungen Q beträgt das elektrische Dipolmoment der Verbindungsvektor von der negativen zur posi­tiven Ladung ist. Naiv erwartet man demnach bei einem Wassermolekül ein Dipolmoment, das dem Abstand der Wasserstoffatome zum Sauerstoffatom (etwa 10^–8 cm) multipliziert mit der Elementarladung e entspricht, also 10^–8 e · cm. Dieses Ergebnis kommt dem experimentellen Wert von 3,8 · 10^–9 e · cm recht nahe. Analog folgt für ein Neutron, das aus zwei d-Quarks und einem u-Quark aufgebaut ist und einen Durchmesser von 10–13 cm besitzt, ein Dipolmoment von 10^–13 e · cm. Experimente haben bislang jedoch nur einen mit Null verträglichen Wert ergeben. Die experimentelle Messunsicherheit lässt auf eine obere Grenze von etwa 3 · 10^–26 e · cm schließen – ein Wert, der um 13 Größenordnungen unter der naiven Abschätzung liegt! Die elektroschwache Wechselwirkung des Standardmodells der Teilchenphysik sagt sogar einen Wert kleiner als 10^–31 e · cm voraus.

Daher stellt sich die Frage, warum die elektrischen Dipolmomente (EDM) subatomarer bzw. atomarer Teilchen so klein sind, obwohl in klassischen Systemen wie Plattenkondensatoren, Dioden oder Batterien und in gewissen Molekülen die geo­metrisch zu erwartenden Resultate auftreten. Die Ursache hierfür liegt darin, dass die Ausrichtung und Existenz des EDM-Vektors dieser Teilchen mit der expliziten Brechung diskreter Symmetrien verknüpft sind. Konkret sind das die Parität (P) und die Zeitumkehrinvarianz (T), die empirisch nur sehr schwach verletzt sind (Infokasten Parität, Zeitumkehr und Ladungs­konjugation). Wie aber führen diese Symmetriebrechungen zu einem EDM?...

Eve Curies romanhafte Biographie über ihre Mutter fordert in ihrer einseitigen Verklärung geradezu zum Widerspruch heraus – und hat doch Marie Curies Bild jahrzehntelang geprägt und prägt es noch immer.1) Zwei Nobelpreise hat Marie Curie erhalten – und doch hat sich die Wissenschafts­geschichte schwer getan, ihre Bedeutung zu charakterisieren. Bis heute ist die Beschäftigung mit Marie Curie ein faszinierendes, aber auch sperriges Thema geblieben. Im Folgenden möchte ich zentrale biographische Stationen im Licht neuerer wissenschafts­his­torischer Forschungen analysieren und abschließend fragen, wie sich Marie Curie in der Geschichte der Naturwissenschaften im ersten Drittel des 20. Jahrhunderts einordnen lässt.

Als Maria Skodowska wird die spätere Marie Curie am 7. November 1867 im russisch verwalteten Polen in eine Akademikerfamilie geboren. Damit gehört sie nach Herkunft und Generation zu einer bildungsgeschichtlichen Schlüssel­gruppe in der Geschichte ihres Landes. Ähnlich den russischen Nihilisten, aus deren Umfeld die eine halbe Generation ältere Mathematikerin Sofia Kova­levskaja stammte, setzt die intellektuelle polnische Jugend dieser Zeit alle Hoffnung auf Besserung der sozialen und politischen Situation ihres Volkes auf den Zugang zu Bildung und Wissenschaft – Frauen ausdrücklich eingeschlossen. Dass Maria Skodowska ebenso wie ihre ältere Schwester Bronia zum Studium nach Paris aufbricht (in ihrem Heimatland ist für Frauen ein Studium zu dieser Zeit nicht möglich), hat sie mit einer ganzen Reihe Zeitgenossinnen gemeinsam. Auch die Studienfächer – Medizin bei Bro­nia, Naturwissenschaften bei Maria – passen in dieses Bild, boten diese doch konkrete Perspektiven, dem polnischen Volk nach Abschluss des Studiums und Rückkehr in das Heimatland zu helfen...