Physik Journal 3 / 2021

Traditionell sind Materialeigenschaften das Ergebnis der Zusammensetzung und Anordnung von Atomen in Kristallen. Abhängig davon, welche Atomspezies in einem Material gemischt sind, ordnen sich die Atome in unterschiedlichen periodischen Strukturen mit verschiedenen Symmetrien und elektronischen Eigenschaften an. Diese Attribute definieren somit die Eigenschaften des Materials und bestimmen, ob es beispielsweise ein Halbleiter, Magnet oder Supraleiter ist.

Um immer reichhaltigere Materialeffekte zu finden, hat sich die Wissenschaft in den letzten Jahrzehnten darauf konzentriert, immer kompliziertere Kristalle herzustellen. Damit ist es gelungen, eine zunehmende Anzahl verschiedener Atomspezies in einem Material zu mischen und eine Vielfalt exotischer Spezies zu entdecken, die in der Natur nicht vorkommen. Ein Beispiel ist der Kuprat-Supraleiter Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127. Um diese Materialien in der modernen Elektronik einzusetzen, müssen ihre Abmessungen nanometerklein sein. Die Miniaturisierung hat zudem einen weiteren positiven Effekt: Da die Materialien zunehmend empfindlich gegenüber angelegten elektrischen und magnetischen Feldern werden, können wir diese Felder nutzen, um die Materialeigenschaften kontrolliert zu verändern.  (...)

Die Frage, warum und wie Sterne ihre innere Struktur verändern, beschäftigt die Astronomie seit über einem Jahrhundert. Arthur Eddington schrieb 1926 [1]: „Our telescopes may probe farther and farther into the depths of space; but how can we ever obtain certain knowledge of that which is hidden beneath substantial barriers? What appliance can pierce through the outer layers of a star and test the conditions within?“ Zunächst führte dies zu einem allgemeinen Verständnis von Sternen, das weitgehend auf gemessener Temperatur, chemischer Zusammensetzung und der Gravitation an der Oberfläche in Kombination mit mathematischen Modellen beruhte. Die Beobachtungen der sichtbaren äußeren Schichten von Sternen grenzten die Modelle zwar ein, gaben aber keinen Aufschluss über die innere Sternstruktur.

Beim Erforschen des Sterninneren hilft die Asteroseismologie, welche die intrinsischen globalen Schwingungen der Sterne untersucht. Sterne lassen sich in gewisser Weise als Musikinstrumente auffassen. Je nach Form und Größe des Resonanzraumes ändert sich der Klang eines Musikinstruments, etwa einer Posaune. Sterne besitzen ebenfalls natürliche Resonanzen, d. h. stehende Wellen, die in einem Resonanzraum schwingen. Betrachten wir Sterne als Instrumente, so lösen intrinsische Mechanismen die Eigenresonanzen aus: Eine Schicht – in der aufgrund von Druck und Temperatur Eisen oder Helium teilweise ioni­siert vorliegen – kann Energie, die vom Kern des Sterns zu seiner Oberfläche fließt, einschließen, bevor diese die Oberfläche erreicht. Dies führt dazu, dass sich der Stern ausdehnt. Dabei wird die teilweise ionisierte Schicht für den Energiefluss wieder durchlässiger, und der Stern zieht sich zusammen [1, 2]. Wirkt dieser sogenannte κ-Mechanismus in einer angemessenen Tiefe des Sterns, so kann er dessen globale Schwingungen wie in einem Resonanzraum antreiben.

Sterne senden allerdings keinen Schall aus – dafür wäre ein Medium zur Wellenausbreitung nötig. Da die Wellen das Sternmaterial komprimieren und ausdehnen, können wir jedoch ihre Auswirkungen sehen, deren Eigenschaften von der inneren Struktur des Sterns abhängen: Im Lauf der Zeit ändern sich Helligkeit oder Geschwindigkeit an der Oberfläche. Diese Variationen können aus photometrischen Daten oder anhand der Doppler-Verschiebung aus spektroskopischen Zeitreihendaten gewonnen werden. Voraussetzung dafür ist eine ausreichende Empfindlichkeit für die Schwingungsamplitude, die von mehreren Größenordnungen von Magnituden bzw. km/s bis zu Mikromagnituden bzw. cm/s reicht. Die Variationen lassen sich aufgrund der Oszillationen messen, wenn einerseits die Beobachtungsfrequenz für die Oszillationsperiode des Sterns geeignet ist. Diese reicht für verschiedene Sterne von Sekunden über Minuten bis hin zu Stunden und Tagen. Andererseits muss die Dauer der Zeitreihe mindestens eine Periode der Oszillationen abdecken und einzelne Frequenzen auflösen, falls mehrere vorhanden sind. Die gemessenen Variationen dienen gewissermaßen als Soundcheck des Sterns, mit dem sich auf die Form und Größe des Resonanzraums schließen lässt. Die zeitlichen Variationen liefern zusätzliche Informationen zu den typischen spektroskopischen und photometrischen Messungen von effektiver Temperatur, Gravitation und chemischer Zusammensetzung an der Sternoberfläche. (...)

In seiner vierseitigen Druckschrift von 1820 beschrieb Hans Christian Ørsted die Wirkung von Elektrizität auf eine Magnetnadel (Abb. 1). Seit Voltas Einführung der nach ihm benannten „Säule“, der ersten kontinuierlichen Stromquelle, hatte man zwanzig Jahre lang vergeblich nach einer solchen Wirkung gesucht. Manche hatten aufgegeben und sie gar für unmöglich erklärt. Wohl wissend, dass er eine Sensation verkündete, hatte Ørsted einen ungewöhnlichen Veröffentlichungsweg gewählt: Statt des üblichen, aber langwierigen Wegs über wissenschaftliche Zeitschriften hatte er in höchster Eile auf Latein einen dichten Text verfasst, auf eigene Kosten gedruckt und an Autoritäten und Multiplikatoren der Physik in ganz Euro­pa versandt. Das war kostspielig, aber effektiv: Binnen kürzester Zeit hatten andere den Text in viele europäische Sprachen übersetzt und in allen wichtigen Fachzeitschriften abgedruckt. Damit war die Entdeckung in Europa breit bekannt und fest mit Ørsteds Namen verbunden.

Dieser hatte sich in der väterlichen Apotheke schon früh für Naturwissenschaft interessiert. Während seines Pharmaziestudiums in Kopenhagen beschäftigte er sich mit der idealistischen Naturphilosophie, die – bisweilen spekulativ – von einer Beziehung zwischen natür­lichen und geistigen Dimensionen ausging. Prägend für sein wissenschaftliches Arbeiten war ein Aufenthalt von 1801 bis 1804 in deutschen Ländern und in Frank­reich. Er vertiefte seine Beziehung zur später „romantisch“ genannten Physik mit ihrer Überzeugung vom Zusammenhang aller Natur­kräfte und schloss Freundschaft mit ihrem natur­wissenschaftlich produktivsten Vertreter, Johann W. Ritter, der unter anderem die UV-Strahlung entdeckt und die Elektrochemie mitbegründet hatte. Ørsted schätzte diesen weiten Denkrahmen, bestand aber zugleich immer auf nüchterner Empirie. Der mathe­matisch orientierten Physik, die er in Paris kennenlernte, konnte er nicht viel abgewinnen. Ab 1806 war er Professor in Kopenhagen, ab 1815 überdies Sekretär der Königlich Dänischen Gesellschaft der Wissenschaften. Als eine der einflussreichsten Persönlichkeiten in der dänischen Naturforschung initiierte er die Einrichtung einer Polytechnischen Lehranstalt in Kopenhagen. Seine Forschungen richteten sich auf Chemie (so entdeckte er das Aluminium), Elektrizität, Galvanismus, Magnetismus und Elektromagnetismus, aber auch auf akustische Figuren, Kompressibilität von Wasser, Kapillarität, Wärme- und Lichttheorie [1]. Die idealistischen Überzeugungen blieben ihm erhalten: 1850 veröffentlichte er das umfängliche Werk „Aanden i Naturen“ („Der Geist in der Natur“). (...)

Emil Kolben gehörte mit seiner Firmengründung von 1896 zu jenen Pionieren, die auf der Grundlage ihrer technisch-wissenschaftlichen Aus­bildung am Ende des 19. Jahrhunderts Fabrikationsstätten im Bereich der Elektrotechnik wie des Maschinenbaus etablierten und so die Industrialisierung Europas maßgeblich beförderten.

Die jüdischen Vorfahren von Emil Kolben lassen sich seit dem Ende des 18. Jahrhunderts im Prager Vorort Stranice nachweisen. Emil war das älteste von neun Kindern seines Vaters Joachim (1828 – 1912), der dort ein kleines Unternehmen führte. Nach der Matura studierte Emil an der Deutschen Technischen Hochschule in Prag von 1881 bis 1886 Elektrotechnik, die damals noch im Fach Maschinenbau integriert war. Nach einer kurzen praktischen Tätig­keit konnte er mit einem Reisestipendium 1888 in die USA gehen, wo er sich nach ausgedehnten Fahrten durch das Land spontan bei den „Edison Machine Works“ bewarb und umgehend angestellt wurde. Schon ein Jahr darauf stieg er zum Chef­ingenieur der technischen Abteilungen der „Edison General Electric“ in Schenectady auf. Dort entwickelte er vor allem Dynamos und Motoren. Die Begegnung mit ­Nikola Tesla überzeugte ihn von der Bedeutung des Wechsel­stroms, der damals noch weitgehend abgelehnt wurde, unter anderem auch von Edison. (...)