Physik Journal 12 / 2019

Jim Peebles hat über viele Jahrzehnte wichtige Beiträge zur Kosmologie und zur großräumigen Struktur des Universums geliefert. Nach dem Grundstudium in seiner Heimat Manitoba in Kanada war er als Graduate Student nach Princeton gegangen. Zusammen mit seinem Doktorvater Robert Dicke sagte Peebles 1965 die Mikrowellenhintergrundstrahlung als „Echo des Urknalls“ vorher [1]. Dies geschah wohl unabhängig von den früheren Arbeiten von Gamow, Alpher und Herman und etwa zeitgleich mit der Entdeckung der 3K-Strahlung, die aus allen Richtungen des Himmels zu uns kommt, durch Arno Penzias und Robert Wilson – eine Leistung, die 1978 mit dem Physik-Nobelpreis gewürdigt wurde. Im Abstract schreibt Peebles: “There is good reason to expect the presence of black-body radiation in an evolutionary cosmology, and it may be possible to observe such radiation directly“. 1970 sagte Peebles zusammen mit Jer Yu – etwa zeitgleich, aber unabhängig von Sunyaev und Zel‘dovich – die Temperaturschwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund vorher [2]. Deren detaillierte Beobachtung und Berechnung haben entscheidend dazu beigetragen, die Eigenschaften unseres Universums zu verstehen. Damit hatte Peebles ein Fenster in das sehr frühe Universum eröffnet, das experimentell und theoretisch immer präziser untersucht, beschrieben und verstanden wurde. Die Satelliten COBE (Nobelpreis 2006 für John Mather und George Smoot), WMAP und Planck haben dazu großartige Daten geliefert (Abb. 1).

Der Theoretiker Peebles beschäftigte sich zudem mit dem Modell des heißen Urknalls, er dachte nach über die primordiale Nukleosynthese und berechnete, dass in dieser frühen Phase des Universums Helium entstehen und etwa 25 % des Massenbudgets ausmachen sollte. Er war einer der ersten, die sich quantitativ mit der hierarchischen Struktur des Kosmos beschäftigten, und Mitbegründer des kosmologischen Standardmodells, in dem kalte Dunkle Materie die wesentliche Materie-Komponente ausmacht und die Kosmologische Konstante (bzw. Dunkle Energie) die dominante Energieform darstellt [3]. Um die unerwartet kleine Amplitude der Temperaturschwankungen im Universum zu erklären, schlug Peebles 1982 vor, dass die kosmische Materie zum weitaus überwiegenden Teil aus nichtrelativistischen Teilchen bestehen könnte, die nicht mit Licht wechselwirken. Damit trat die kalte Dunkle Materie auf den Plan, ohne die das kosmologische Standardmodell erfolglos wäre. Der Titel seines ersten Buches „Physical Cosmology“ aus dem Jahr 1971 beschreibt den wesentlichen Beitrag von Peebles: Er machte aus der Kosmologie eine quantitative Wissenschaft. Zuvor war die Kosmologie oft etwas abwertend als die Wissenschaft der drei Zahlen bezeichnet worden: Hubble-Konstante H0, Brems- oder Beschleunigungsparameter q0 und Dichteparameter ρ0. Dieses Lehrbuch – wie auch „The Large-Scale Structure of the Universe“ von 1980 und die „Principles of Physical Cosmology“ von 1993 – waren schon zu ihrer Zeit Standardwerke, und sie gehören auch heute noch zum Repertoire jedes Studierenden der Extragalaktik und Kosmologie. Damit hat Peebles das Denken von Generationen von Studierenden und Wissenschaftlern geprägt. Er ist ein Wegbereiter der modernen Kosmologie...

Die bahnbrechenden Arbeiten der diesjährigen Chemie-Nobelpreisträger und vieler weiterer Forscher über die letzten Jahrzehnte haben die Grund­lagen für Batterien1) gelegt, ohne die Smartphones, Tablets oder batterie-elektrische Fahrzeuge in ihrer heutigen Form nicht denkbar wären [1]. Die Entwickler der Lithium-Ionen-Batterie haben damit unsere Gesellschaft nachhaltig verändert.

Leistungsfähige Batterien haben sich als ein strategisch wichtiger Baustein für die globale und nationale wirtschaftliche Entwicklung herausgestellt. Noch vor etwa zehn Jahren trieb hauptsächlich die Verbreitung tragbarer Elektronik und Kommunikation die Weiterentwicklung an. Diese wurde daher mit Nachdruck in Asien verfolgt, während das Thema in Europa stark vernachlässigt oder sogar belächelt wurde. Inzwischen besteht ein genereller gesellschaftlicher Konsens, welcher der Batterie eine zentrale Rolle in der Dekarbonisierung der Energieversorgung sowie in der lokal emissionsfreien Mobilität zuweist. Zudem sind Batterien dringend nötig, um zeitliche Inkompatibilitäten in der Sektorenkopplung zu puffern. Die zeitlich flexible Ladung und Entladung von Fahrzeugbatterien gemäß der Verfügbarkeit regenerativ erzeugter Energie ist ein Beispiel für die Kopplung der Sektoren „Energie“ und „Verkehr“. Dabei sind die Fahrzeuge selbst integraler Bestandteil einer dezentralen und schwankenden Energieerzeugung...

Beispiele für Probleme, die sich mittels Quantencomputer lösen lassen könnten, finden sich in der Simulation komplexer quantenmechanischer Systeme aus Chemie oder Materialwissenschaften, im Entschlüsseln kryptographischer Verfahren oder in drastischen Verbesserungen der künstlichen Intelligenz. Ein Quantencomputer benötigt eine Ansammlung von Quanten-Bits (Qubits), die einen quantenmechanischen Zustand speichern und mit sehr hoher Genauigkeit manipulieren können. Was sich leicht anhören mag, stellt sich in der experimentellen Realität als monumentale Herausforderung dar. Nach mehr als 20 Jahren aktiver Forschung in akademischen und industriellen Laboren auf der ganzen Welt sind bisher nur kleine Testsysteme verfügbar.

 In der Alltagserfahrung treten die Eigenschaften individueller Quantensysteme − Superposition verschiedener Zustände, Kollaps der Wellenfunktion und Verschränkung − nicht in Erscheinung. Grund dafür ist Dekohärenz: Koppelt ein quantenmechanisches System auch nur schwach an seine Umgebung, werden die Super­position und Verschränkung quantenmechanischer Zustände zerstört. Das System verhält sich effektiv klassisch...

Das Röntgenobservatorium XMM-Newton der Europäischen Raumfahrtagentur startete am 10. Dezember 1999 und ist seither zusammen mit Chandra, dem Röntgenobservatorium der NASA, die instrumentelle Basis der Hochenergieastrophysik. Die hohe effektive Sammelfläche von XMM-Newton und die hohe räumliche Auflösung von Chandra ergänzen sich perfekt, um einmal aufgespürte Röntgenquellen im Detail zu untersuchen. Mit XMM-Newton lassen sich Planeten und Kometen im Sonnensystem, aber auch die aktiven galaktischen Kerne weit entfernter Galaxien beobachten. Einen Schwerpunkt bilden dabei heiße Plasmen mit Temperaturen von einigen 105 bis 108 K (Infokasten). Typische Beobachtungsprogramme drehen sich um Fragen zu den heißen Koronen von Sternen, zu kompakten Objekten wie Neutronensternen und Schwarzen Löchern und zu den tiefen Gravitationspotentialen Dunkler Materie in Galaxienhaufen. Darüber hinaus zählt XMM-Newton zu den Wegbereitern der Multiwavelength- oder Multimessenger-Astronomie.
Bereits 2002 waren erstmals gemeinsame Programme mit weiteren Satelliten oder Teleskopen möglich. Heute erlaubt es die Zusammenarbeit mit neun verschiedenen Observatorien, Strahlungsquellen im TeV-, Gamma-, Röntgen-, optischen und Radiobereich gleichzeitig zu beobachten. Dazu gehören insbesondere das Neil Gehrels Swift Observatory, das kurze Beobachtungen im Röntgen- und Gammabereich mit sehr schneller Reaktionszeit erlaubt, und das Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) mit einem abbildenden Teleskop für Energien von 3 bis 60 keV. Derzeit steht für gemeinsame Untersuchungen etwa ein Viertel der Beobachtungszeit von XMM-Newton zur Verfügung...

Für den 8. Oktober 2019 lud die DPG zum Public Viewing – nicht zum Endspiel einer Fußball-WM, sondern zur Bekanntgabe der Nobelpreise für Physik 2019. In der gediegenen Atmosphäre des Berliner Magnus-Hauses verfolgten die Gäste an diesem Tag, wie die Vergabe des Preises an Michel Mayor, Didier Queloz und James Peebles verkündet wurde. Deutsche Physikerinnen oder Physiker gingen leer aus. Auch vor hundert Jahren hätte wohl kaum jemand gewettet, dass deutsche Physiker den Nobelpreis erhalten. Umso überraschender verkündete die Schwedische Akademie der Wissenschaften Mitte November 1919, den Preis gleich zwei Mal an Physiker aus Deutschland zu vergeben: Max Planck wurde kriegsbedingt mit Verspätung der Preis für 1918 zuerkannt, Johannes Stark derjenige für 1919. Hinzu kam der Nobelpreis für Chemie für 1918 an Fritz Haber. Und das nur ein Jahr nach Ende des Ersten Weltkriegs und gerade drei Monate nach Unterzeichnung des Friedensvertrags von Versailles, in dem Deutschland seine Schuld am Ausbruch des Weltkriegs anerkennen musste. Gleich drei deutschen Wissenschaftlern sollte somit die höchste Ehre zukommen, welche die internationale Wissenschafts-Community seit 1901 zu vergeben hatte – in einem Moment der Isolation, in die sich die deutschen Wissenschaften mit dem Kriegsausbruch im Sommer 1914 selbst begeben hatten.

Angesichts dieser Ausgangslage fieberte niemand in Deutschland im November 1919 der Nachricht aus Stockholm entgegen, Public Viewings fanden nicht nur aufgrund der fehlenden medialen Möglichkeiten nicht statt. Doch sehr rasch bildete sich eine klare Deutung der Stockholmer Entscheidung heraus: Schon einen Tag nach der offiziellen Bekanntgabe hatte das Berliner Tageblatt auf Seite drei eine Überschrift parat, welche die Nachricht aus Stockholm einordnete und das Presseecho der folgenden Tage vorwegnahm: „Ein deutscher Sieg“ [1]...

Die Zahl der in Deutschland tätigen Physikerinnen und Physiker hat sich in den letzten Jahren stetig erhöht. Der Mikrozensus1) wies 2016 insgesamt 115 100 Erwerbstätige mit einem Hochschulabschluss im Fach Physik aus. Seit 2005 wächst die Zahl der erwerbstätigen Physikerinnen und Physiker im jährlichen Mittel um 2,5 Prozent. Im Vergleich zu allen erwerbstätigen Physikerinnen und Physikern liegt der Anteil derjenigen, die in den klassischen Physikberufen arbeiten, d. h. dem Erwerbsberuf Physiker nachgehen, bei nur rund einem Fünftel. Physikerinnen und Physiker werden bekanntermaßen in verschiedenen Berufen und Branchen hochgeschätzt und sind häufig interdisziplinär tätig. So arbeiten sie zu großen Teilen außerhalb des Erwerbsberufs Physiker (Abb. 1), weshalb die konkrete Berufsausübung in vielen Fällen nicht der Physik zugeordnet wird. Beispiele sind laut Mikrozensus die Tätigkeitsfelder Lehre und Forschung, Ingenieurberufe oder sonstige MINT-Expertenberufe. Eine genaue Analyse auf Basis des Mikrozensus 2013 ist in der DPG-Studie „Physikerinnen und Physiker im Beruf – Anschlussstudie für die Jahre 2005 bis 2013“ zu finden [1].

Die Daten der Bundesagentur für Arbeit (BA), die in diesem Artikel ausgewertet werden, beziehen sich nur auf den Erwerbsberuf Physiker. In der Statistik der BA wird lediglich festgehalten, in welchen Beruf Arbeitsuchende vermittelt werden möchten, nicht aber, welchen Studienabschluss sie haben. Die Zahlen beziehen sich also nur auf rund 22 Prozent aller erwerbstätigen Physikerinnen und Physiker.2) Physikerinnen und Physiker, die beispielsweise in IT- oder Finanzberufen, in der Beratung, als Geschäftsführer oder als (Hochschul-)Lehrer arbeiten wollen, erfasst die Statistik folglich nicht. Weiterhin beziehen sich die Daten der BA auf sozialversicherungspflichtig Beschäftigte, bzw. Personen, die solch eine Tätigkeit suchen. Daher sind beispielsweise Selbstständige und Beamte nicht erfasst...