Physik Journal 9 / 2018

Wie kamen Sie zur Physik?

Durch einen Lehrer, der einfach Begeisterung für Physik erzeugt hat. Ich war weder besonders gut noch familiär vorgeprägt, aber mir war völlig klar: Ich will etwas mit Physik studieren. Daher bin ich nach Heidelberg gegangen, um dort Physik mit dem Ziel Astronomie zu studieren.

Haben Sie das aufgegeben?

v schnell erkannt, dass Astronomie heutzutage mehr Datenauswertung ist und nichts mit der romantischen Vorstellung zu tun hat, dass man noch selbst mit dem Teleskop arbeitet. Das war doch nichts für mich. Ich brauche eher etwas Praktisches.

Haben Sie das im Physik-Studium gefunden?

Ja, in der Umweltphysik, wo ich im letzten Jahr promoviert habe. Das ist ganz mein Ding: angewandte Physik kombiniert mit praktischer Feldarbeit. Da spielt man auch mal im Matsch herum.(...)

In Deutschland bieten 59 Universitäten Physik als Studienfach an. Die zugehörigen Physik-Fachbereiche sind in der Konferenz der Fachbereiche Physik (KFP) organisiert, die seit 30 Jahren jährlich eine Studierendenstatistik erhebt. Auch 2018 haben alle Fachbereiche Daten für diese Statistik übermittelt. Bei den Fachstudiengängen ist der Datensatz – wie in allen Vorjahren – nahezu vollständig und in hohem Maße aussagekräftig. Dagegen bestehen bei den Lehramtsstudien­gängen Unsicherheiten, da die Fachbereiche die entsprechenden Daten oft nicht selbst erheben.

Immatrikulationen

Insgesamt 16 592 Personen haben sich im Wintersemester 2017/18 und im Sommersemester 2018 zum ersten Mal in einen Physik-Studiengang eingeschrieben, davon 12 585 in einen Bachelorstudiengang Physik, 1604 in einen Bachelorstudiengang mit Schwerpunkt Physik und 2389 in einen Lehramtsstudiengang (Bachelor oder Staatsexamen) (Tabelle und Abb. 1). In der Summe sind dies nochmals gut 800 Studien­anfänger mehr als im vergangenen Jahr und sogar etwas mehr als im bisherigen Rekordjahr 2016. (...)

Seit dem erfolgreichen Nachweis erhalten Sie viele Auszeichnungen – eine späte Bestätigung Ihrer Arbeit?

Das stimmt, aber wie mein Kollege Albrecht Rüdiger sagte: In unserem Bereich braucht man nicht Geduld, sondern ein langes Leben. Diese Preise schaffen nun Sichtbarkeit und öffnen wichtige Türen.

Wie kamen Sie damals eigentlich zu den Gravitationswellen?

Durch reinen Zufall. 1989 hielt ich auf einer Konferenz in Bretton Woods einen Vortrag über Doppler-freie Zwei-Photonen-Laser­spektroskopie. Herbert Walther, der die Gravitationswellengruppe nach der Emeritierung von Heinz Billing am Max-Planck-Institut für Quantenoptik verwaltet hat, sprach mich anschließend an und sagte: „Herr Danzmann, Sie kommen nach Mün­chen und machen Gravita­tionswellen!“ Damals stand durchaus zur Debatte, den ganzen Bereich zu schließen.

Sie haben trotzdem zugesagt?

Ich habe schon immer gerne etwas Exotisches gemacht, deswegen bin ich nach München geflogen und habe mir das Ganze genauer angeschaut. In den vier Tagen ist mir Herbert Walther nicht von der Seite gewichen. Ich habe ihn in der Zeit wohl mehr gesehen als in den 20 Jahren danach. Nach dem Besuch war für mich klar, dass ich diese Herausforderung annehme.

Wie war damals der Stand der Dinge?

Es gab einen deutschen Prototypen für ein Laserinterferometer mit 30 Meter langen Armen, der so gut verstanden war, dass man den Schritt zu großen Detektoren wagte. Damals lagen fast zeitgleich die Proposals für GEO und LIGO auf dem Tisch, VIRGO kam etwas später. Die Zeit war dafür reif. Interessanterweise basierte auch der LIGO-Antrag auf den Ergebnissen des deutschen Prototypen, weil dieser als einziger bereits die Schrot­rauschgrenze erreicht hatte. (...)

Der enorme experimentelle Fortschritt in den letzten fünfzig Jahren hat viele grundlegende Tests der Quantenmechanik ermöglicht. Dies hat die Tür zu neuen Anwendungen aufgestoßen, insbesondere im Zusammenhang mit der Verarbeitung und Übertragung von Information. Quantencomputer und -kommunikationssysteme könnten das Gebiet der Informationsverarbeitung und Kryptographie revolutionieren, auch wenn die Konstruktion skalierbarer Geräte trotz erster Prototypen eine große Herausforderung darstellt. Mit diesen Bemühungen geht die Entwicklung einer Quantentheorie der Information einher, die beschreibt, wie sich die quantenmechanischen Gesetze nutzen lassen, um Daten effizient zu verarbeiten und zu übertragen. Zudem stellt diese Theorie eine formale Sprache zur Verfügung, um beliebige Quanten­systeme zu beschreiben und viele Phänomene auf eine einheitliche Art zu verstehen. Diese Sprache hat sich über den Bereich der Informationsverarbeitung hinaus entwickelt und hält mittlerweile auch in andere Bereiche Einzug, wie die Atom-, Molekül- und Festkörperphysik, Optik und sogar Hochenergiephysik und Kosmologie.

Let‘s Twist Again war Anfang der 60er-Jahre ein großer Hit von Chubby Checker. Das Lied spielt auf den legendären Twist-Tanz an, bei dem man pantomimisch mit den Fußballen Zigaretten­kippen ausdrückt und sich gleichzeitig mit einem Handtuch den Rücken abrubbelt. Etwa zur gleichen Zeit befasste sich Tony Skyrme mit einem anderen Twist: Er schlug vor, dass sich die Stabilität z. B. von Protonen dadurch erklären ließe, dass man sie als teilchenartige topologische Wirbel in Quantenvektorfeldern betrachtet [1]. Um 1965 stellte sich heraus, dass Protonen aus Quarks bestehen, weshalb Skyrmes Theo­rie in der Teilchenphysik in den Hintergrund geriet. Sein mathematisches Konzept der topologisch stabilen Wirbel in nichtlinearen Feldtheorien findet jedoch in vielen anderen Bereichen der Physik erfolgreich Anwendung, beispielsweise in Quanten-Hall-Systemen, Flüssigkris­tall-Phasen, Bose-Einstein-Kondensaten und dem Magnetismus. Entsprechend des Entdeckers sind diese teilchenartigen Wirbel als Skyrmionen bekannt.

In der ersten deutschsprachigen „Didaktik und Methodik der Physik“ schrieb Ernst Grimsehl 1911 [1]: „Daß natürlich die Schüler bei gedankenloser Anwendung die beiden Begriffe [v, a] dennoch miteinander vertauschen, darf kein Wunder nehmen; antworten sie doch […] selbst in der Oberprima […] noch auf die einfachsten Fragen den unglaublichsten Unsinn – aber nicht nur im physikalischen Unterricht.“ Inzwischen sind mehr als 100 Jahre vergangen, und die Frage ist berechtigt, ob die Schülerinnen und Schüler noch immer große Schwierigkeiten haben, Physik zu lernen. Die vorläufige Antwort ist: ja. Aber es gibt inzwischen einige bemerkenswerte Teilerfolge. Zunächst zwei Beispiele, um zu verdeutlichen, welche Art von Lernschwierigkeiten gemeint ist: (...)

Zum guten Unterricht haben sich viele schlaue Menschen Gedanken gemacht. So hat der Reform­pädagoge Georg Kerschensteiner vor hundert Jahren erkannt, dass „Bildung das ist, was zurückbleibt, wenn man das Gelernte wieder vergessen hat“ und dass sich „die Persönlichkeit des Kindes nicht durch Wissen entfaltet, sondern durch Tun“. Das stimmt nach wie vor. Spätestens seit den PISA-Studien ist klar, dass deutsche Schülerinnen und Schüler zwar gut abschneiden, wenn es um das Durchexerzieren von Lösungsrezepten geht. Beim realen Problemlösen, Anwenden und Präsentieren liegen sie international jedoch unter dem Durchschnitt. Dabei sind es gerade diese Fähigkeiten, die uns im Leben weiterhelfen. Dieser handelnde Umgang mit Wissen erfordert Kompetenzen, die – 2004 als Bildungsstandards von der Kultusministerkonferenz festgelegt – den Kindern zu vermitteln sind. (...)

Eine Reihe technischer Innovationen geht darauf zurück, dass Wissenschaftler durch sorgfältiges Beobachten herausfanden, wie die Natur ein bestimmtes Problem löst. So kann man auch vorgehen, wenn man die Fokussierung optimieren will. Natürlich wissen wir, dass sich ein Lichtstrahl mit einer Linse fokussieren lässt. Aber gehen wir noch einen Schritt zurück und schauen, wie in der Natur Licht von einem einzelnen Atom absorbiert wird – dem kleinsten Objekt, das eine Resonanz bei der Frequenz des Lichts aufweist. Schon früh fiel auf, dass der Absorptionsquerschnitt σ eines Atoms proportional zum Quadrat der Wellenlänge des Lichts ist, σ =3λ2/(4π), und nichts mit den viele Größenordnungen kleineren Abmessungen des Atoms zu tun hat. Wie ist das zu verstehen? Licht ins Dunkel brachten Harry Paul und Randolf Fischer, die den Energiefluss in ein Atom hinein berechneten, das mit einer ebenen Lichtwelle beleuchtet wird, deren Frequenz in Resonanz mit dem Atom ist [2]. Offensichtlich „saugt“ das Atom die Lichtenergie an und verformt dabei das Feld so, dass es in der Nähe des Atoms dem einer einlaufenden Dipolwelle ähnelt (Abb. 1). Die Botschaft ist, dass die Absorptionswahrscheinlichkeit mit einer einlaufenden Dipolwelle am höchsten ist. Dazu passt, dass die Absorption eines Photons die Zeitumkehrung der spontanen Emission ist, bei der eben eine elektrische Dipolwelle emittiert wird [3]. Wir sehen also, dass ein Atom ganz ohne unser Zutun selber schon ein wenig Fokussierarbeit übernimmt. (...)

Das Standardmodell der Urknall-Kosmologie beschreibt die Physik auf kosmologischen Skalen auf Grundlage der Allgemeinen Relativitätstheorie und des kosmologischen Prinzips. Letzteres beruht auf der Annahme, dass das Universum auf kosmologischen Skalen räumlich homogen und isotrop ist. Verschiedene Kombinationen kosmologischer Beob­achtungen haben das so genannte ΛCDM-Modell der Kosmologie, das eine späte Expansion des Universums erfordert, fest etabliert. Dieses einfache Weltmodell versetzt uns in die Lage, die beobachtete Phänomenologie auf kosmologischen Skalen zu erklären.

Dennoch zwingt uns dieses einfache Bild, drei unbekannte Bestandteile einzuführen: Dunkle Energie in Form einer kosmologischen Konstante, Dunkle Materie und das Inflaton-Feld. Trotz vieler Jahre der Forschung gelang es bislang nicht, deren Herkunft zu identifizieren. Innerhalb des einfachen kosmologischen Standardmodells bleiben somit große theoretische Herausforderungen bestehen. Das hartnäckigste theoretische Hindernis ohne befriedigende Grundlage ist das Problem der kosmologischen Konstante, deren Beobachtung und theoretische Vorhersage um einen Faktor von 10¹²⁰ auseinander liegen. Das ist die größte Diskrepanz zwischen theoretischen Vorhersagen und Beobachtungen der gesamten Wissenschaft!

Spin-Hall-Nano-Oszillatoren (SHNO) bieten gegenüber anderen GHz-Oszillatoren den Vorteil, dass sie sich skalieren sowie einfach und kostengünstig herstellen lassen. Dies macht sie für eine breite Palette an Anwendungen interessant. Die aktuelle Forschung zielt darauf ab, die Ausgangsleistung der Oszillatoren zu erhöhen und die Linienbreite zu reduzieren. Beides ist z. B. über die Synchronisation mehrerer Oszillatoren untereinander oder zu einem äußeren Stimulus möglich.

Der Spin-Hall-Effekt ist das spinabhängige Gegenstück zum klassischen Hall-Effekt. Hier kommt es zu einer rein spinabhängigen Ablenkung von Elektronen senkrecht zur Stromrichtung, ohne dass notwendigerweise ein äußeres Magnetfeld anliegt [1]. Ursache dafür sind spinabhängige Streumechanismen, hervorgerufen durch Fremdatome (extrinsisch) oder durch die Bandstruktur des Materials selbst (intrinsisch). Die Effekte sind in Materialien mit hoher Spin-Bahn-Wechselwirkung besonders stark. (...)