Physik Journal 3 / 2017

Mark sitzt nicht in einem Hörsaal, sondern in seinem WG-Zimmer vor dem Computer. Er nimmt an einem Massive Open Online Course (MOOC) teil, den Werner Krauth von der École Normale Supérieure (ENS) in Paris anbietet. Für Mark ist der MOOC die Chance, eine Vorlesung zu einem sehr speziellen Thema bei einem der führenden Experten weltweit zu verfolgen. Die Videos dauern etwa 20 bis 30 Minuten und sind in einzelne Lernabschnitte aufgeteilt. Wenn Mark die Fragen am Ende eines Abschnitts problemlos beantworten kann, hat er alles verstanden und lässt das Video weiterlaufen. Meist braucht er 90 Minuten und mehr, bis er alles angeschaut hat: Er unterbricht die Sendung und spult zurück. Wird ihm zum Ende der Lektion klar, dass er zu Beginn etwas Wichtiges verpasst hat, fängt er von vorne an. Das ist von Werner Krauth durchaus so gewünscht: „Ich behandele in einem halbstündigen Video den Stoff, der bei einer klassischen Vorlesung eine Doppelstunde füllt.“
Im Gegensatz zu eLearning-Angeboten, die Universitäten speziell für ihre Studenten anbieten, stehen MOOCs auf Plattformen im Internet („online“) weltweit frei zur Verfügung. Ziel ist es, möglichst viele Teilnehmer („massive“) unabhängig von ihrer Herkunft, ihrem Bildungsstand oder ihren finanziellen Möglichkeiten („open“) zu erreichen (Infokasten). Die Betreiber der Plattformen arbeiten gewinn­orientiert (z. B. Coursera mit Angeboten aus Stanford oder Princeton) oder gemeinnützig (z. B. edX mit Kursen vom MIT, aus Harvard oder Berkeley). Kurze Videos vermitteln den Lernstoff. Die Festigung erfolgt mittels Übungen, die entweder als Multiple-Choice-Aufgaben angeboten oder in einem Peer-to-Peer-Review korrigiert werden. (...)

Das Interesse am kosmischen Mikrowellenhintergrund (Cosmic Microwave Background, CMB) geht auf Arbeiten von Gamow, Alpher und Herman aus den 1940er-Jahren zurück. In diesen untersuchten sie die Möglichkeit, dass ein Großteil der leichten Elemente im Universum kurz nach dem Urknall entstanden sein könnte. So deutete die beobachtete Häufigkeit von Helium-4 in der Sonne darauf hin, dass die heutige Temperatur der Wärmestrahlung im Universum zwischen einem und fünf Kelvin liegen sollte. Mit einer Intensität, die dieser Erwartung genau entsprach, entdeckten Penzias und Wilson 1965 diese Restwärmestrahlung des Urknalls bei einer Frequenz von 4080 MHz [1]. Dass es sich dabei tatsächlich um Wärmestrahlung handelt, belegten Ergebnisse des Cobe-Satelliten 1989 und 1990. Demnach liegt die mittlere Temperatur des CMB bei 2,728 ± 0,004 K und das Intensitätsmaximum bei 160 GHz [2]. Mithilfe des Cobe-Satelliten gelang es, die lang erwarteten Temperaturschwankungen im Mikrowellenhintergrund zu finden. Die Winkelauflösung lag bei 7°, die des WMAP-Satelliten bei 15, Planck erreichte 5.

Der Mikrowellenhintergrund wurde freigesetzt, als das Universum 380 000 Jahre nach dem Urknall eine Temperatur von ca. 3500 K erreicht hatte. Zu dieser Zeit, bei dieser thermischen Energie und wegen der kleinen Amplitude der Schwankungen von Dichte, Intensität und Temperatur um ihren Mittelwert war das baryonische kosmische Material im vergleichsweise einfachen Zustand eines nichtrelativistischen, thermischen Plasmas mit kleinen Fluktuationen, dessen Wechselwirkung sich mit elektromagnetischer Strahlung durch Thomson-Streuung beschreiben lässt. Da der Thomson-Streuquerschnitt vom linearen Pola­risationszustand der Streustrahlung abhängt, gehen Temperaturschwankungen im CMB mit dazu korrelierten Schwankungen seiner Stokes-Parameter Q und U einher. (...)

Newtons optische Experimente gehören bis heute zu den bedeutendsten Errungenschaften der Optik. Das hat Goethe nicht davon abgehalten, in seiner Farbenlehre Newtons Argumentation als einseitig und methodisch irreführend zu bezeichnen. Am Ende seines Lebens relativierte der Dichter sein literarisches Werk gegenüber der Bedeutung, die er seinem Beitrag zur Wissenschaft der Farbe zuerkannt wissen wollte. Doch obwohl sich namhafte Physiker um eine Würdigung Goethes als Wegbereiter einer ganzheitlichen Naturwissenschaft bemüht haben, ließen sie keinen Zweifel daran, dass seine Farbenlehre aus physikalischer Sicht ein hoffnungsloser Fall ist [1].

Doch nur wenige haben die Farbenlehre Goethes gründlich studiert, sein Hinweis auf die Symmetrie spektraler Phänomene blieb unbeachtet, und ernstzunehmende Versuche, die Komplementarität inverser Spektren experimentell zu untersuchen, haben nicht stattgefunden [2]. Was aber besagt Goethes Symmetrieargument? Lässt sich die Symmetrie komplementärfarbiger Spektren so übersetzen, dass die Bedingungen, unter denen die spektralen Zustände eines optischen Systems als „Komplementärzustände“ auftreten, experimentell überprüfbar werden? Eine aktuelle Studie zeigt, dass Komplementarität als Symmetrieeigenschaft inverser optischer Zustände vorliegt, wenn sich das optische System als konservatives System betrachten lässt [3]. Das Konzept des konservativen Systems ist in der Optik unüblich, obwohl sich die Annahme der Abgeschlossenheit eines physikalischen Systems bei mechanischen oder thermodynamischen Experimenten als überaus erfolgreich erwiesen hat.

Goethes Schriften zur Farbenlehre bilden einen mehr als tausendseitigen Werkkomplex, der aus einer über 50 Jahre dauernden Beschäftigung mit dem Thema Farbe hervorgegangen ist.1) Ursprünglich auf der Suche nach einer Farbenlehre für Künstler versuchte Goethe, das technische und künstlerische Praxiswissen sowie die weitverzweigten naturwissenschaftlichen Farbforschungen seiner Zeit zu einer umfassenden Farbwissenschaft zusammenzuführen [4]. Das Bild von Goethe als einsamem Newton-Kritiker wird dieser Unternehmung nicht gerecht und durch neuere wissenschaftshistorische Untersuchungen relativiert [5, 6]. Diese zeigen ferner, dass der explorative Stil der Goetheschen Forschungsmethode in der Naturwissenschaft und namentlich der Physik wesentlich verbreiteter war, als zuvor angenommen. (...)

Carl Auer von Welsbach wurde 1858 in Wien geboren und studierte dort Chemie, Physik und Mathematik. Anschließend studierte er bei Robert Bunsen in Heidelberg und promovierte dort 1882. Mit der von Bunsen und Kirchhoff entwickelten Spektralanalyse entdeckte er bis 1905 vier Elemente der Seltenerd-Reihe. Diese Elemente bildeten neben der Radioaktivität das Hauptinteresse seines Lebens als Unternehmer und Forscher. Als erfolgreicher Unternehmer produzierte Auer seine Erfindungen, darunter das Gasglühlicht, die Metallfaden-Glühlampe und der Zündstein für Feuerzeuge, in den eigenen Betrieben in Österreich, Deutschland, USA, Kanada, England und Frankreich [1]. Für seine Leistungen wurde ihm unter anderem 1920 der Siemensring verliehen.
Nicht nur als Industrieller, sondern auch als Naturwissenschaftler erhielt er zahlreiche Würdigungen, darunter fünf Ehrendoktorate. Max Planck berief ihn 1913 als kooptiertes Mitglied an die Königliche Akademie von Preußen. Planck und Wilhelm Wien nominierten Carl Auer von Welsbach 1925 für den Chemie-Nobelpreis [2].1) Wien begründete seinen Vorschlag mit der Zerlegung des vermeintlichen Elements „Didyms“ in Praseodym (Ordnungszahl 59)und Neodym (60) sowie der Entdeckung von Aldebaranium (70) und Cassiopeium (71), also in der heutigen Nomenklatur Ytterbium und Lutetium.

Die Seltenerd-Elemente (Lanthanoide) mit Ordnungszahlen von 57 bis 71 kommen in der Natur wegen ihrer ähnlichen chemischen Eigenschaften stark vergesellschaftet vor und sind schwer zu trennen. Auer von Welsbach beherrschte in seinen chemischen Laboratorien die dafür nötige Technik der fraktionierten Kristallisation (Infokasten) und galt besonders auf diesem Gebiet als Koryphäe. Zu seiner Zeit waren diese Elemente auch in den Fokus der Physiker geraten, denn ihre Einordnung in das Periodensystem war umstritten, zumal das Periodensystem noch Lücken aufwies, da beispielsweise die Elemente mit Ordnungszahl 61 und 72 noch nicht entdeckt waren. Außerdem fehlte ein schlüssiges Modell, um die unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften der Elemente, also auch die der Lanthanoiden, zu erklären. Zwar vermuteten die Physiker, dass dafür die Elektronen verantwortlich sein könnten. Diese Vermutung erwies sich aber im konkreten Einzelfall als nicht haltbar, wie Niels Bohr in seiner Dissertation 1911 nachwies, solange das Thomsonsche Atommodell die Grundlage für den Aufbau der Atome bildete. Die weitere experimentelle und theoretische Entwicklung führte zu den Anfängen des Rutherford-Bohrschen Atommodells (1912) und zur Einführung von (Haupt-)Quantenzahlen für die Energiezustände der Elektronen eines Atoms. (...)