Physik Journal 12 / 2021

Cover

Die drei Globen zeigen, wie sich die Temperatur auf der Erde aufgrund erhöhter Kohlendioxid-Konzentration im Vergleich zum Zeitraum von 1995 bis 2014 ent­wickeln könnte. In den nördlichen Polar­regionen steigt sie bis 2090 um mehr als 10 °C (lila). Über dem Nordatlantik bleibt sie zunächst konstant (hellblau) und erhöht sich dann um weniger als 1 °C (hellgelb). (Bild: DKRZ / MPI-M, vgl. S. 26)


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Meinung

Mehr MINT in den Medien!Helga Rietz12/2021Seite 3

Mehr MINT in den Medien!

Warum wir mehr Physiker:innen in den Redaktionen brauchen

Aktuell

Kerstin Sonnabend12/2021Seite 6DPG-Mitglieder

Eins, zwei, drei – du bist dabei

Maike Pfalz / U Stuttgart12/2021Seite 7DPG-Mitglieder

Quantentechnologie auf sicherem Fundament

Kerstin Sonnabend12/2021Seite 8DPG-Mitglieder

Ein Vierteljahrhundert Höchstleistung

Maike Pfalz12/2021Seite 10DPG-Mitglieder

Kernenergie ist keine Lösung

Kerstin Sonnabend12/2021Seite 10DPG-Mitglieder

Klimaneutral ohne Kohle

AIP / Alexander Pawlak12/2021Seite 11DPG-Mitglieder

Harmonische Expansion

Kerstin Sonnabend12/2021Seite 12DPG-Mitglieder

In Position gebracht

Anja Hauck12/2021Seite 12DPG-Mitglieder

Geringe Steigerung

12/2021Seite 12DPG-Mitglieder

Neue Graduiertenkollegs

Matthias Delbrück12/2021Seite 13DPG-Mitglieder

United Stardom

Alexander Pawlak12/2021Seite 14DPG-Mitglieder

Astronomischer Wunschzettel

Matthias Delbrück12/2021Seite 14DPG-Mitglieder

Quantentechnik für ­schnellere Teilchen

Matthias Delbrück12/2021Seite 15DPG-Mitglieder

USA

Lucy in the Sky with Asteroids; America not first; Strahlenunfall beim NIST

Leserbriefe

Ladislaus Alexander Bányai12/2021Seite 16DPG-Mitglieder

Verfrühter Optimismus

Zu: J.-S. Caux, Physik Journal, August/September 2021, S. 3

mit Erwiderung von Jean-Sébastien Caux

Elmar Schmidt12/2021Seite 16DPG-Mitglieder

Unterstützenswerte Forderung

Zu: T. F. L. Wilhelm, Physik Journal, Oktober 2021, S. 3

Heinz Steudel12/2021Seite 17DPG-Mitglieder

Ein letzter Gigant der ­Wissenschaft

zu G. Schiemann, Physik Journal, 2021, S. 29

mit Erwiderung von Gregor Schiemann

High-Tech

Michael Vogel12/2021Seite 18DPG-Mitglieder

Holografie per Video; Empfindlicher Feuchtesensor; Robust und schnell; Gewebediagnostik live

Brennpunkt

Wigner-Kristall in zweidimen­sionalen Festkörpern?Michael Bonitz und Jan-Philip Joost12/2021Seite 20DPG-Mitglieder

Wigner-Kristall in zweidimen­sionalen Festkörpern?

Bildung und Beruf

Der Arbeitsmarkt für Physikerinnen und PhysikerAlexander Heinrich, Susanne Friebel und Anja Metzelthin12/2021Seite 23DPG-Mitglieder

Der Arbeitsmarkt für Physikerinnen und Physiker

Eine Bestandsaufnahme nach 18 Monaten Pandemie

Nobelpreis

Physik und KlimaJochem Marotzke12/2021Seite 26DPG-Mitglieder

Physik und Klima

Zum Physik-Nobelpreis 2021 an Syukuro Manabe und Klaus Hasselmann

Eine Hälfte des Nobelpreises für Physik 2021 erhalten Syukuro (Suki) Manabe und Klaus Hasselmann „für die physikalische Modellierung des Erdklimas, für die Quantifizierung seiner Schwankungen und die verlässliche Vorhersage der Erderwärmung“. Es ist der erste Nobelpreis für Umweltphysik und der zweite in den Umweltwissenschaften nach dem Chemie-Nobelpreis 1995 für die Erklärung des Ozonlochs an Paul Crutzen, Mario Molina und Sherwood Rowland.

Suki Manabe und Klaus Hasselmann sind so eminente Figuren in der Klimaphysik, dass ich sie beide persönlich kenne. Klaus Hasselmann war ein steter Begleiter meines eigenen beruflichen Werdegangs, aber die Ideengeschichte dieses Nobelpreises begann mit Suki Manabe. Daher möchte ich diesen Beitrag auch mit ihm beginnen.

Der Wirbelwind
Suki Manabe feierte am 25. September seinen 90. Geburtstag. Er stammt aus Japan, hat aber praktisch sein gesamtes Berufsleben in den USA verbracht – überwiegend in Prince­ton, New Jersey – abgesehen von einer kurzen Rückkehr nach Japan nach seiner offiziellen Pensionierung. Die meiste und produktivste Zeit in Princeton verbrachte er nicht an der berühmten Universität, sondern am – außerhalb der Fachwelt weitgehend unbekannten – Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL). Diese Einrichtung der Wetterbehörde der USA genießt innerhalb des Fachs einen legendären Ruf. Der ebenso legendäre erste Direktor Joseph Smagorinsky versammelte Ende der 1950er-Jahre die weltweit herausragendsten Talente am GFDL, um numerische Modelle für Atmosphäre und Ozean zu entwickeln. Als einer von ihnen genoss Suki Manabe praktisch völlige Freiheit, um seine wissenschaftlichen Ziele zu verfolgen. 1969 gelang es der Gruppe um ihn und um den Ozean­modellierer Kirk Bryan, das erste gekoppelte Zirkulationsmodell für Atmosphäre und Ozean zu erstellen [1].

In Manabes nobelpreisgekrönter Arbeit geht es jedoch um eine viel fundamentalere Frage: Er benannte als Erster die unverzichtbaren Prozesse, um die Folgen einer Erhöhung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre theoretisch vorherzusagen. Unter den damals vergleichsweise bescheidenen Umständen fasste er die Prozesse in numerischen Modellen zusammen und leitete aus ihnen wichtige Ergebnisse her. (...)

 

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Wanderungen in zerklüfteten Energie-LandschaftenKurt Binder12/2021Seite 31DPG-Mitglieder

Wanderungen in zerklüfteten Energie-Landschaften

Giorgio Parisi erhält eine Hälfte des diesjährigen Physik-Nobelpreises für seine Theorien komplexer Systeme.

Mit dem Nobelpreis für Physik 2021 wird der italienische Physiker Giorgio Parisi ausgezeichnet für „die Ent­deckung des Zusammenspiels von Unordnung und Fluktuationen in physikalischen Systemen vom atomaren bis zum planetarischen Maßstab“. Sein zentraler Beitrag besteht darin, eine Molekularfeldtheorie für Spingläser entwickelt zu haben [1].

Um Giorgio Parisis Leistung möglichst verständlich zu erläutern, muss hier etwas weiter ausgeholt werden: Spingläser sind magnetische Materialien, die erst seit rund 50 Jahren bekannt sind, das Phänomen des Ferromagnetismus dagegen seit Jahrtausenden. Jedem geläufig ist die Magnetnadel im Kompass, die im Magnetfeld der Erdkugel die Richtung zum Nordpol anzeigt. Seit der Weiss’schen Molekularfeldtheorie (1907) wissen wir, dass die magnetischen Momente der Eisen-Atome durch Wechselwirkungen gekoppelt sind. In der Folge richten sich diese Momente spontan parallel aus. Erst bei hohen Temperaturen, oberhalb der Curie-Temperatur Tc, zerstören thermische Fluktuationen diese magnetische Ordnung.

Werner Heisenberg (1928) erklärte diese Wechselwirkung mittels Quantenmechanik. Die Kopplung kann auch das umgekehrte Vorzeichen haben, was eine antiparallele Ausrichtung benachbarter magnetischer Momente (die wir hinfort als „Spins“ bezeichnen wollen) hervorruft, also Antiferromagnetismus. Methoden wie Neutronenbeugung können die Bragg-Reflexe dieser Überstruktur des Kristallgitters nachweisen [2]. Bei Annäherung an die Néel-Temperatur TN, unterhalb der diese Ordnung der Spins auftritt, zeigt sich diese Phasenumwandlung auch durch eine Spitze der magnetischen Suszeptibilität bei TN [3]. Diese Kenngröße misst die Magnetisierung, die ein kleines angelegtes Magnetfeld in einem Material bewirkt. (...)

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Überblick

Die Physik aktiver FluideMichael Wilczek, Sebastian Heidenreich und Markus Bär12/2021Seite 35DPG-Mitglieder

Die Physik aktiver Fluide

Aktive Fluide zeigen überraschende Eigenschaften vom Strömungsverhalten bis zur Strukturbildung.

Aktive Fluide bestehen aus vielen wechselwirkenden Teilchen, die Energie dissipieren und sich eigenständig fortbewegen können. Die Untersuchung dieser Systeme hat ein spannendes Feld der Physik fernab vom thermodynamischen Gleichgewicht mit völlig neuartigen Phänomenen und Anwendungsfeldern eröffnet.

Wir alle kennen die Eigenschaften einer Flüssigkeit aus dem Alltag: Beim Umrühren beginnt sie zu strömen und erzeugt ein meist recht komplexes Bewegungsmuster. Dieses lässt sich mithilfe der Reynolds-Zahl charakterisieren, welche das Verhältnis von Geschwindigkeit und Längenskala der Strömung zur Viskosität angibt. Bei kleinen Reynolds-Zahlen ist die Strömung meist laminar, bei hohen komplex und turbulent. Turbulente Strömungen treten beispielsweise in der Atmosphäre oder in den Ozeanen auf, wo sie maßgeblich dazu beitragen, Wärme zu verteilen und mit der Strömung transportierte Stoffe zu mischen.

In den vergangenen Jahrzehnten sind aber auch auf der Mikro­skala komplexe Strömungsmuster entdeckt worden. So transportieren Strömungen in Zellen bio­chemische Stoffe. Zudem zeigen Suspensionen von Mikro­organismen – z. B. Bakterien – Strömungsmuster, die an Turbulenz erinnern. Das überrascht zunächst, da die Reynolds-Zahl auf der Mikroskala äußerst klein ist. Bei genauerem Hinsehen handelt es sich jedoch bei den genannten Beispielen nicht um eine Flüssigkeit im klassischen Sinne, sondern um ein aktives Fluid. Denn viele aktive, mikroskopisch kleine Makromoleküle oder Lebewesen „verrühren“ die Flüssigkeit lokal. Die vielen wechselwirkenden Teilchen eines aktiven Fluids können die chemisch oder biologisch zur Verfügung gestellte Ener­gie zur eigenständigen Fortbewegung nutzen. Makros­kopische Strömungen treten auf, wenn viele aktive Teilchen sich durch kollektive Wechselwirkungen zumindest lokal in dieselbe Lage ausrichten. (...)

 

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Aktiv beteiligtChristoph Pfrommer12/2021Seite 42DPG-Mitglieder

Aktiv beteiligt

Bei der Entstehung von Galaxien spielt die kosmische Strahlung nicht nur eine passive Beobachterrolle, sondern greift direkt in das Geschehen ein.

Victor Hess entdeckte vor über hundert Jahren die kosmische Strahlung. Deren Studium ermöglichte seitdem viele bahnbrechende Entdeckungen, von denen einige mit Nobelpreisen ausgezeichnet wurden. Beispielsweise ist schon seit Mitte der 1970er-Jahre bekannt, dass die kosmische Strahlung galaktische Winde antreiben kann. Aber erst 2012 konnten dreidimensionale Simulationen von entstehenden Galaxien dies belegen [2]. Seitdem hat sich ein aktives Forschungsfeld herausgebildet, das die Plasma-Astrophysik1) mit der kosmologischen Strukturentstehung verknüpft, um die Galaxienentstehung zu verstehen und damit Probleme des Standardmodells der Kosmologie auf der Größenskala von Galaxien zu lösen.

In den letzten zwei Jahrzehnten etablierte sich mithilfe von Präzisionsmessungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds und von Supernovae des Typs Ia sowie mit Himmelsdurchmusterungen von Galaxien und Galaxienhaufen das Standardmodell der Kosmologie. Das daraus resultierende Paradigma – die ΛCDM-Kosmologie, d. h. kalte Dunkle Materie mit einer kosmologischen Konstanten Λ – beschreibt unser Universum sehr gut auf kosmologischen Skalen, die größer als 100 Millionen Lichtjahre sind. Die aktuelle Kontroverse um die Hubble-Konstante könnte eine leichte Modifikation des Standardmodells erzwingen, was aber in der kosmologischen Strukturentstehung eine untergeordnete Rolle spielen sollte. Das kosmologische Standardmodell enthält eine Reihe ungelöster Fragen. So postuliert es die Existenz von (i) Dunkler Materie, die nicht-baryonischen Ursprungs ist und hauptsächlich gravitativ mit der uns bekannten Materie wechselwirkt, und (ii) Dunkler Energie beziehungsweise der kosmologischen Konstanten. Das Modell ist zudem (iii) auf Skalen von Galaxien und Galaxienhaufen nicht vorhersagekräftig, da hier komplexe baryonische Physik eine wichtige Rolle spielt. Einfache Modelle der Galaxienentstehung gelangen an ihre Grenzen und können nicht alle Beobachtungsdaten erklären. (...)

 

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Physik im Alltag

Psychoakustisch komprimiertJörn Donges12/2021Seite 50DPG-Mitglieder

Psychoakustisch komprimiert

Vor 30 Jahren wurde eine MPEG-Kodierung – besser bekannt als MP3 – veröffentlicht.

Menschen

12/2021Seite 52DPG-Mitglieder

Personalien

Martin Fischer, Stefan Groote, Misha Ivanov, Michael Krämer, Valery Lyubovitskij, Thomas Mannel, Blaženka Melić, Kirill Melnikov,­ Matthias Neubert und Alexei Pivovarov12/2021Seite 56DPG-Mitglieder

Nachruf auf Jürgen Hans Garlef Körner

Maike Pfalz12/2021Seite 57DPG-Mitglieder

„Wir waren unserer Zeit weit voraus.“

Interview mit Michael Feindt

Rezensionen

Maike Pfalz12/2021Seite 58DPG-Mitglieder

Alexander Gerst und Lars Abromeit: Horizonte

Kerstin Sonnabend12/2021Seite 58DPG-Mitglieder

Mark Miodownik: Fabelhafte Flüssig­keiten

Alexander Pawlak12/2021Seite 59DPG-Mitglieder

Jürgen Teichmann: Der Geheimcode der Sterne

Alexander Pawlak12/2021Seite 60DPG-Mitglieder

Alanna Stang (Hrsg.): Hidden Patterns

Maike Pfalz12/2021Seite 60DPG-Mitglieder

Will Gater, Daniel Long und Angela Rizza: Wundervolle Welt der Sterne

Kerstin Sonnabend12/2021Seite 61DPG-Mitglieder

Femi Fadugba: The Upper World

DPG

12/2021Seite 22DPG-Mitglieder

Physik im Advent

12/2021Seite 62DPG-Mitglieder

15 Jahre junge DPG

12/2021Seite 64DPG-Mitglieder

Frühjahrstagungen 2022

12/2021Seite 67DPG-Mitglieder

Kommunikationsprogramm der WEH-Stiftung

Tagungen

Anna Pappa, Janik Wolters12/2021Seite 68DPG-Mitglieder

Optical Information Processing – from Quantum Computing to Artificial Intelligence

751. WE-Heraeus-Seminar

Jobst Heitzig, Ricarda Winkelmann12/2021Seite 68DPG-Mitglieder

Interacting Tipping Elements in the Natural and Social Components of the Earth System

728. WE-Heraeus-Seminar

Peter Berg, Michael Eikerling, Barbara Wagner12/2021Seite 68DPG-Mitglieder

Nanoscale Physics of ­Electro­chemical and ­Biological Media

748. WE-Heraeus-Seminar

Terence Thias, Marc Busse, Lea Mitschker und Sandra Nierentz12/2021Seite 69DPG-Mitglieder

Physikexperimente im Schuleinsatz

DPG-Lehrerfortbildung

Teresa Tewordt und Sarah Pinkhaus12/2021Seite 69DPG-Mitglieder

Physik zum Erleben, ­Mitmachen und Verstehen - Physikshows für die Schule

DPG-Lehrerfortbildung

Christian Goerke und Yannik Hein12/2021Seite 69DPG-Mitglieder

Applied Photonics

Bad Honnef Physics School

Notizen

12/2021Seite 70DPG-Mitglieder

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