Physik Journal 5 / 2021

Was waren Ihre Schwerpunkte im Studium?

Ich habe am Karlsruher Institut für Technologie studiert und für meine Diplomarbeit untersucht, wie Halbleiter-Nanopartikel auf Polymerstrukturen wachsen. Die Frage dahinter war, ob elektronische Strukturen auch ohne litho­graphische Verfahren herstellbar sind.

Haben Sie das in der Promotion ­vertieft?

Nein, ich habe nach dem Diplom bei einer Unternehmensberatung gearbeitet. Für die Promotion an der FernUniversität in Hagen war ich freigestellt und habe mich an der wirtschaftswissenschaftlichen Fakultät mit Monte-Carlo-Verfahren befasst. (...)

 

Die Metrologie hat aber auch einen wirtschaftlichen Aspekt: So ist die Überwachung von Maßeinheiten die Basis für Handel und Industrie. Entsprechend hoch ist die Bedeutung von Metrologie für Wirtschaft und Gesellschaft. Während die Rechnung an der Tankstelle oder des Stromanbieters heute noch auf präzisem Messen von Volumina und elektrischer Energie beruht, sind es in zukünftigen Produkten der Quantentechnologie quantenphysikalische Eigenschaften. Auch darauf müssen wir uns vorbereiten.
Um diese Ziele zu erreichen, untersuchen rund 360 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Licht und Materie an der Quantengrenze. Sie wollen lernen, die inneren und äußeren Freiheitsgrade von Quantenobjekten vollständig zu kontrollieren und mit Fortschritten in der Nanotechnologie die Basis für vielfältige Anwendungen und wissenschaftliche Experimente zu legen. Die Breite der Themen reicht von Nano-LED-Plattformen und chipbasierter Atom­optik über makroskopische Quanteneffekte, hochgenaue optische Uhren, die Untersuchung von Fundamentalkonstanten und die Entwicklung atominterferometrischer Methoden für Weltraummissionen bis zu relativistischer Geodäsie oder zur Gravitationswellenastronomie. Der Cluster vereint Forschende aus theoretischer und experimenteller Physik sowie Ingenieurwesen und trägt zum technischen Fortschritt in Gebieten wie Geodäsie, Quantenoptik, Laserwissenschaft, Festkörperphysik, Elektrotechnik, Gravitationsphysik, Nanotechnologie und Quantenmetrologie bei. (...)

 

Andrej Dimitrijewitsch Sacharow wurde am 21. Mai 1921 in Moskau geboren. Sein Vater lehrte Physik an der Pädagogischen Hochschule und hatte sich durch die Veröffentlichung von Lehrbüchern und ­populärwissenschaftlichen Schriften einen Namen gemacht. Seine Mutter war die Ur-Enkelin eines prominenten griechischstämmigen Militärführers.
1938 begann Sacharow, an der Moskauer Universität Physik zu studieren. Vier Jahre später schloss er in Aschgabat sein Studium mit Auszeichnung ab. Die Familie war mit dem Beginn des Krieges in die Hauptstadt Turkmenistans evakuiert worden. Bis zum Kriegsende arbeitete er als Versuchsingenieur in einem großen Rüstungsbetrieb an der Wolga. Hier lernte er auch seine erste Frau kennen, die er 1943 heiratete. In dieser Zeit machte er einige Erfindungen auf dem Gebiet der Qualitätskontrolle, von denen eine sogar patentiert wurde, und schrieb vier theoretische Arbeiten zur Physik, unter anderem zur Kettenreaktion im Uran mit Moderator, die allerdings nicht veröffent­licht wurden. Er schickte seine Arbeiten an den bekannten Theo­retiker und späteren Physik-Nobelpreisträger Igor Tamm, der ihn daraufhin 1945 als Doktorand aufnahm. Tamm arbeitete im Lebedew-Institut der renommierten Akademie der Wissenschaften. Sacharow fiel schon bald durch seine schnelle Auffassungsgabe, seine große wissenschaftliche Begabung und sein bescheidenes und zurückhaltendes Wesen auf. Er veröffentlichte Arbeiten zur Teilchener­zeugung bei hochenergetischen Kernstößen, zur Kerntheorie und zur optischen Temperaturbestimmung in Gasentladungen. (...)

 

Global betrachtet entsteht Wind bei der Zirkulation von Luftmassen in unterschiedlichen Höhenlagen und lässt sich durch ein kompliziertes Vektorfeld beschreiben. Seine Eigenschaften leiten sich zum Beispiel aus der Bewegung von Wolken ab, die Hinweise auf die Windgeschwindigkeit gibt. Daneben zeichnet sich Wind durch eine Richtung und eine Stärke aus.

Die ersten Windmesser oder Anemometer entstanden Mitte des 15. Jahrhunderts während der Renaissance. Diese Windplattenanemomenter funktionieren ähnlich einer Katzenklappe: Je stärker der Wind drückt, desto höher ist die Winkelauslenkung der Platte. Bald unterstützten diese Instrumente meteorologische Messungen. Noch heute versorgen Schalenanemometer und Ultraschallanemometer die Vorhersagemodelle für Wetter und Klima mit Daten zu Windgeschwindigkeit und -richtung. Andere Bereiche, wie der Flug- und Seeverkehr, die Landwirtschaft, das Bauwesen und die Erdsystemforschung, müssen ebenfalls wissen, wie stark und aus welcher Richtung der Wind bläst. Dazu messen Anemometer den Wind zeitlich und räumlich hoch aufgelöst, beispielsweise auf Baukränen oder an Hubschrauberlandeplätzen, um plötzlichen Starkwind und Böen rechtzeitig zu erkennen.

Während Anemometer das Windfeld in-situ an einem Punkt messen, benötigen präzise Wettervorhersagen vertikale Windprofile. Hier helfen moderne Fernerkundungs­instrumente. Ein etabliertes Verfahren ist das „Sonic Detection and Ranging“, kurz SODAR. Das Windprofil lässt sich dabei aus Schallwellen rekonstruieren, die an Dichtefluk­tuationen der Troposphäre rückstreuen. Die Rückstreusignale fallen so schwach aus, dass eine Mittelung über mehrere Minuten nötig wird. Während diese Messrate für klima- und wetterrelevante Messungen ausreicht, lassen sich damit schnelle Turbulenzen und Fluktuationen der Windgeschwindigkeit nur schwer messen. (...)

 

Physikerinnen und Physiker untersuchen und modellieren seit jeher Phänomene ihrer Umwelt. Seit einigen Jahrzehnten untersuchen sie zudem das Lernen und Lehren der Physik an Hochschulen. Die entsprechende Forschung findet vor allem in Nordamerika statt. Dort hat sich mit Physics Education Research ein Teilgebiet der Physik entwickelt, das in Deutschland als Forschungsgebiet eher unbeachtet ist, dessen Erkenntnisse aber allmählich auch hierzulande in der Hochschullehre Einzug halten – und das nicht nur in der Physik.

Ohne Zweifel haben viele Studierende Schwierigkeiten, Physik zu erlernen. Liegt die Ursache eher in individuellen Eigenschaften wie mangelnder Vorbildung, Fähigkeiten oder Begabung? Sind die Schwierigkeiten vor allem von jemand oder etwas anderem verursacht, also durch die Rahmenbedingungen an Hochschulen oder die Kompetenz der Lehrenden? Oder ist die Angelegenheit komplexer? Wenn ja, wie lässt sich diese Komplexität beschreiben – im Sinne Einsteins „so einfach wie möglich, aber nicht einfacher“?
Bei diesen Fragen geht es darum, ein Modell für ein beobachtbares Phänomen zu erstellen – eine vertraute Tätigkeit in der Physik. Nehmen wir als Beispiel den Vorgang, bei dem ein nach oben geworfener Gegenstand zunächst langsamer wird. Lässt sich dies eher durch eine Eigenschaft des Gegenstands erklären – etwa dass sein Impetus geringer wird? Wird der Gegenstand aufgrund einer einzigen Wechselwirkung langsamer – beispielsweise durch gravitative Wechselwirkung mit der Erde? Oder ist die Situa­tion komplexer, etwa weil der Gegenstand neben der Erde noch mit weiteren Objekten wechselwirkt? Wie lässt sich dieser Vorgang beschreiben? (...)