Physik Journal 11 / 2022

Cover

Anhand eines Planetenpendels können Schülerinnen und Schüler untersuchen, wie sich verschiedene Energieformen ineinander umwandeln. (Bild:  Adobe Stock / Павел Сунцов, vgl. S. 24)


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Meinung

Mehr Geschichte wagen!Julia Bloemer und Peter Heering11/2022Seite 3

Mehr Geschichte wagen!

Physikgeschichte ermöglicht reflektiertes Forschen und Kommunizieren und sollte daher im Studium fest verankert sein.

Aktuell

Alexander Pawlak11/2022Seite 6DPG-Mitglieder

Vom Gedankenexperiment zur Quantentechnologie

Kerstin Sonnabend11/2022Seite 7DPG-Mitglieder

Mit Astrophysik in eine strahlende Zukunft

Kerstin Sonnabend11/2022Seite 8DPG-Mitglieder

Qubits beschleunigen Hochleistungsrechner

Anja Hauck11/2022Seite 10DPG-Mitglieder

Eine Handvoll Quantenphysik

Maike Pfalz / HAWK11/2022Seite 11DPG-Mitglieder

Plasma für das Leben

Kerstin Sonnabend11/2022Seite 12DPG-Mitglieder

Im vollen Ausbau zur Höchstleistung

Maike Pfalz11/2022Seite 13DPG-Mitglieder

Eine Iris in Adlershof

Anja Hauck11/2022Seite 13DPG-Mitglieder

Bildungswesen 2.0

Universität Innsbruck / Alexander Pawlak11/2022Seite 14DPG-Mitglieder

Kosmische Bauhütte

Matthias Delbrück11/2022Seite 14DPG-Mitglieder

Und Action!

Matthias Delbrück11/2022Seite 15DPG-Mitglieder

Fragwürdige Wahl

Alexander Pawlak11/2022Seite 15DPG-Mitglieder

Proteste im Iran

Matthias Delbrück11/2022Seite 16DPG-Mitglieder

USA: Wo das Geld hingeht

Alexander Pawlak11/2022Seite 17DPG-Mitglieder

Einschlagender Erfolg

High-Tech

Michael Vogel11/2022Seite 18DPG-Mitglieder

Höhere Zugtaktung / Lichtkonverter en miniature / Laser statt Ofen / Mehr als ein Scheinwerfer

Brennpunkt

Sein oder Nichtsein?Davi R. Rodrigues und Karin Everschor-Sitte11/2022Seite 20DPG-Mitglieder

Sein oder Nichtsein?

In dünnen Schichten wurden Antiskyrmionen sowie Skyrmion-Antiskyrmion-Paare nachgewiesen.

Sechs auf einen StreichLotte Geck und Lars R. Schreiber11/2022Seite 22DPG-Mitglieder

Sechs auf einen Streich

Ebnen siliziumbasierte Quantencomputer den Weg zur Skalierbarkeit?

Lehre

Von Formen zum TransferKnut Neumann11/2022Seite 24DPG-Mitglieder

Von Formen zum Transfer

In der Mittelstufe gibt es verschiedene Ansätze, um das Energiekonzept zu vermitteln.

Das Energiekonzept ist in der Physik zentral. Mit seiner Hilfe lassen sich Probleme in vielen Sachgebieten und an deren Schnittstellen von der klassischen Mechanik bis zur modernen Quantenphysik elegant lösen. Das Energiekonzept spielt aber auch darüber hinaus eine wichtige Rolle. So erfordert der angemessene Umgang mit einigen der großen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts wie dem Klimawandel oder der Energiekrise ein entsprechendes Energieverständnis.

Der großen Bedeutung des Energiekonzepts stehen die Schwierigkeiten gegenüber, die Schülerinnen und Schüler mit seinem Verständnis haben. Dies liegt einerseits in der alltäglichen Verwendung des Begriffs Energie begründet und andererseits in der abstrakten Natur des physikalischen Energiekonzepts. Im Alltag ist oft von Energieerzeugung oder -verbrauch die Rede, oder Energie wird gleichgesetzt mit anderen physikalischen Konzepten: „Die Sonne hat viel Kraft.“ In der Folge kommen die Schülerinnen und Schüler mit einem breiten Spektrum von Vorstellungen zum Energiekonzept in den Schulunterricht. Sie setzen Energie mit menschlicher Aktivität gleich („Ich habe heute viel Energie!“), stellen sich Energie als eine Art universellen Treibstoff vor („Wir laden unser Auto mit Solar­energie!“) oder verstehen Energie als Ressource, die für unsere Gesellschaft von zentraler Bedeutung ist („Wir brauchen mehr Windenergie!“) [1].

Die zentrale Bedeutung des Energiekonzepts leitet sich vor allem aus der abstrakten Eigenschaft ab, dass die Ener­gie eines abgeschlossenen Systems erhalten bleibt. Dies setzt ein Verständnis davon voraus, wie, beziehungsweise in welchen Formen, sich Energie in einem System manifes­tieren kann; was es also heißt, dass sich diese Formen ineinander umwandeln oder dass Energie in einer gegebenen Form von einem Teil des Systems in ein anderes übergehen kann; dass dabei immer ein Teil der Ener­gie in innere Energie des Systems umgewandelt wird, die Energie des Systems insgesamt aber erhalten bleibt – sofern es abgeschlossen ist [2].

Neuere Forschung zeigt, dass sich das Verständnis der Schülerinnen und Schüler von Energie schrittweise entwickelt – von einem durch Alltagserfahrungen geprägten Verständnis über eines der unterschiedlichen Energieformen, die sich ineinander umwandeln, bis hin zu einem Verständnis, dass und unter welchen Bedingungen Energie erhalten bleibt [3]. Diese Forschung weist aber auch auf eine Reihe von Schwierigkeiten im Verlauf dieser Entwicklung hin. So haben Schülerinnen und Schüler Schwierigkeiten, Ener­gie als Eigenschaft eines Systems zu verstehen [4], interpretieren die Dissipation von Energie als Umwandlung in Reibung [5] oder setzen Energieerhaltung mit dem Alltagskonzept des Energiesparens gleich [6]. Insgesamt erreicht in standardisierten Tests nur ein Drittel aller Schülerinnen und Schüler ein Energieverständnis, das ein physikalisch korrektes Verständnis der Energieerhaltung einschließt [3].

Die Ursache für diese Schwierigkeiten liegt mutmaßlich im weit verbreiteten Ansatz begründet, Energie in der Mittelstufe als Größe einzuführen, die sich in unterschiedlichen Formen manifestiert [7]. (...)

 

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Überblick

Geheimnisvolle AusbrücheJochen Greiner11/2022Seite 29DPG-Mitglieder

Geheimnisvolle Ausbrüche

Die gleichzeitige Beobachtung von Gammablitzen und Gravitationswellen stellt unser Wissen über die Eigenschaften der Jets bei den Strahlungsausbrüchen infrage.

Obwohl Jets in verschiedenen astrophysikalischen Szenarien auftreten, ist bisher wenig über die zugrundeliegenden Mechanismen bekannt. Ihre schnelle zeitliche Variation bei Gammablitzen könnte es erlauben, die Struktur und den Emissionsmechanismus besser zu verstehen. Die Multimessenger-Beobachtungen des Gammablitzes GRB 170817A haben erste Einblicke gewährt und an bestehenden Modellen gerüttelt.

Um zu verstehen, wie ein astrophysikalischer Jet funktioniert, gilt es zunächst, seinen Erzeugungsmechanismus zu entschlüsseln. Außerdem stellen sich die Fragen, wie die Beschleunigung auf nahezu Lichtgeschwindigkeit und die Kollimation erfolgen, was seine innere geometrische Struktur ausmacht und welcher Mechanismus der Strahlungsemission zugrundeliegt. Um diese zu beantworten, scheinen die Jets bei Gammablitzen deutlich besser geeignet als diejenigen aus dem Kern Aktiver Galaxien: Während letztere sich auf Zeitskalen von vielen Jahren entwickeln, variieren Gammablitze deutlich schneller. Im Folgenden zeigt das Beispiel von GRB 170817A, wie neue Untersuchungen unseren Blick auf die Jets von Gammablitzen verändert haben. Zukünftig sollte die gleichzeitige Beobachtung von Gammablitzen und Gravitationswellen klären, ob es sich dabei um einen Einzelfall handelt oder einen deutlichen Fortschritt im allgemeinen Verständnis.

Gammablitze (engl. Gamma-Ray Bursts, GRBs) stellen die stärksten beobachteten Ausbrüche von elektromagnetischer Strahlung dar: Sie geben binnen einer Sekunde so viel Energie ab wie unsere Sonne während ihrer gesamten Lebensdauer von rund zehn Milliarden Jahren. Wenn die Elektronen in den Schockwellen dieser Ausbrüche mit der umgebenden Materie wechselwirken, entsteht ein Nachleuchten, das mehrere Tage als Röntgenstrahlung, im optischen Bereich und als Radiowellen sichtbar ist. Aufgrund ihrer Dauer und Ursache unterscheidet man zwei Arten von Gammablitzen (Abb. 1). „Lange“ Ausbrüche erzeugen Blitze, die typischerweise zehn bis hundert Sekunden anhalten und bei der Supernova-Explo­sion massereicher Sterne entstehen. Die Beobachtung von zwei Dutzend Ausbrüchen in geringer Entfernung zu uns belegt dies durch den Nachweis optischen Lichts der Supernova etwa acht bis zehn Tage nach dem Gammablitz [1]. Massereiche Sterne werden nur einige Millionen Jahre alt – im Gegensatz zu unserer Sonne. Daher treten die Strahlungsausbrüche relativ schnell nach der Entstehung des Muttersterns auf. Da massereiche Sterne häufig in Gruppen vorkommen, zeichnen sich die Muttergalaxien langer Ausbrüche wegen der vielen anderen jungen, heißen Sterne durch eine blaue Farbe und eine hohe Sternentstehungsrate aus. Lange Blitze lassen sich bis an den „Rand des Universums“ beobachten: Sie gehören zu den am weitesten entfernten bekannten Objekten. In den vergangenen zehn Jahren dienten sie in der Kosmologie dazu, die Entstehung der ersten Sterne und Galaxien zu untersuchen. (...)

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Geschichte

Prinzipien statt OrthodoxieDieter Hoffmann und Raphael Schlattmann11/2022Seite 35DPG-Mitglieder

Prinzipien statt Orthodoxie

Hans-Jürgen Treder (1928 – 2006) war einer der prominentesten Physiker der DDR. Im Fokus seines Schaffens standen physikalische Prinzipienfragen und das Erbe Einsteins.

Der Physiker Hans-Jürgen Treder ist heute eher unbekannt und sein Werk weitgehend in Vergessenheit geraten, obwohl ihm manche zutrauten, in die Riege der Nobel­preisträger aufzusteigen. Darüber hinaus war Treder in der DDR aber auch wegen seines breiten Wissens und markanten Auftretens als prototypischer „Gelehrter“ eine Person der Öffentlichkeit [1], um den sich Legenden und Anekdoten ranken. Der nachfolgende Beitrag versucht, den „Einstein der DDR“ in seiner Differenziertheit und Ambivalenz zu würdigen.

Zum 100. Geburtstag Albert Einsteins fand 1979 in der DDR eine Vielzahl von Gedenkveranstaltungen statt. Den Höhepunkt bildeten ein staatlicher Festakt und eine hochkarätige Konferenz mit internationaler Wissenschaftsprominenz, beide in (Ost-)Berlin. Spiritus rector und Organisator der Tagung war der Physiker Hans-Jürgen Treder. Nach seinen Worten sollte diese nicht nur Einsteins wissenschaftliche und geschichtliche Rolle würdigen, sondern auch einen „Überblick über die Grundlagen der Wissenschaft unserer Zeit, über gesellschaftliche, philo­sophische und fachwissenschaftliche Leistungen, Aufgaben und Probleme, immer gesehen unter den Aspekten von Einsteins Denken“ bieten ([2], S. 7).

In diesem Diktum spiegelt sich die eigene lebenslange und konkrete Bezugnahme auf Ideen des „größten Physikers unserer Zeit“ ([3], S. 63). Treders Schaffen war in besonderer Weise auf die „Grundlagen der Wissen­schaft“ gerichtet – stets unter Einbeziehung erkenntnistheoretischer und his­torischer Aspekte. Er pflegte einen aktiven Umgang mit dem Erbe Einsteins und dem Werk anderer bedeutender Physiker aus dem historischen Umfeld der „Großen Berliner Physik“ – ein Terminus, den er zusammen mit seinem Kollegen und Mentor Robert Rompe ab Mitte der 1970er-Jahre propagiert hatte ([4], S. 9). Sein Habitus und Denkstil machten Treder zu einem klassischen Vertreter grundlagen­orientierter physikalischer Forschung, in dem die DDR-Führung eine Projektionsfläche für ihr Streben nach wissen­schaftlicher und politischer Reputation fand. Der Doyen der DDR-Gesellschaftswissenschaften Jürgen Kuczynski, ein Vertrauter Treders, formulierte es gar so ([5], S. 65): „Wenn sich an unserer Akademie [der Wissen­schaften der DDR] auch kein Genie befindet, so haben wir doch ihn als dem Genie am nächsten Kommenden“. (...)

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Physik im Alltag

Optisches Radar fürs AutoMichael Vogel11/2022Seite 41DPG-Mitglieder

Optisches Radar fürs Auto

Lidarsysteme können beim autonomen Fahren Kameras und Radarsysteme ergänzen.

Menschen

11/2022Seite 42DPG-Mitglieder

Personalien

Rafal Broda, Rauno Julin, Santo Lunardi, Helga Paffen, Berta Rubio, Otto Schult, Jan Styczen, Steven Yates11/2022Seite 46DPG-Mitglieder

Nachruf auf Peter Kleinheinz

Ada Bäumner, Rolf Binder, Sangam Chatterjee, Weng Chow, Harald Giessen, Jörg Hader, Hartmut Haug, Martin Hofmann, Frank Jahnke, Mackillo Kira, Andreas Knorr, Martin Koch, Markus Lindberg, Torsten Meier, Jerome V. Moloney, Hans Christian Schneider, Angela11/2022Seite 47DPG-Mitglieder

Nachruf auf Stephan W. Koch

Maike Pfalz11/2022Seite 49DPG-Mitglieder

„Die große Kunst ist es, emotional zu berühren.“

Interview mit Matthias Mader

Rezensionen

Reinhard Buthmann11/2022Seite 51DPG-Mitglieder

Gerhard Barkleit: Werner Hartmann

Kerstin Sonnabend11/2022Seite 51DPG-Mitglieder

Giorgio Parisi: Der Flug der Stare

Claus Beisbart11/2022Seite 52DPG-Mitglieder

Anne Dippel und Martin Warnke: Tiefen der Täuschung

DPG

11/2022Seite 27DPG-Mitglieder

Virtuelle Jobbörse

11/2022Seite 28DPG-Mitglieder

Physik im Advent

11/2022Seite 48DPG-Mitglieder

German Young Physicists’­ Tournament

11/2022Seite 50DPG-Mitglieder

Otto-Hahn-Preis 2023

Franka Neumann11/2022Seite 54DPG-Mitglieder

Physik am Neckar

Bernhard Nunner11/2022Seite 54DPG-Mitglieder

Mitgliederversammlung 2023

Bernhard Nunner11/2022Seite 55DPG-Mitglieder

Wahlen zum DPG-Vorstand

Notizen

11/2022Seite 55DPG-Mitglieder

Notizen

Tagungen

Jens Bredenbeck, Eric Lutz, Artur Widera11/2022Seite 56DPG-Mitglieder

Entropy and the Second Law of Thermodynamics: the Past, the Present and the Future

761. WE-Heraeus-Seminar

Achim Kittel und Svend‐Age Biehs11/2022Seite 56DPG-Mitglieder

Photon, Phonon, and Electron Transitions in Coupled Nanoscale Systems

745. WE-Heraeus-Seminar

Ady Arie, Peter Hommelhoff, Nahid Talebi11/2022Seite 56DPG-Mitglieder

Quantum Electron Optics

770. WE-Heraeus-Seminar

Tibor Dome, Julien Laux, Karen Elyaouti, Maria Dias Astros und Janning Meinert11/2022Seite 57DPG-Mitglieder

Ultralight Dark Matter

Bad Honnef Physics School

Anne Matthies und Julius Zeiss11/2022Seite 57DPG-Mitglieder

Quantum Computing

Bad Honnef Physics School

Alexander Nies und Beata Opacka11/2022Seite 57DPG-Mitglieder

Atmospheric Physics: ­Ex­periment meets Modelling

Bad Honnef Physics School

Pedro Lind11/2022Seite 58DPG-Mitglieder

Chaos Theory

Bad Honnef Physics School

Jennifer Schmeink11/2022Seite 58DPG-Mitglieder

Physics of 2D Materials and Heterostructures

Bad Honnef Physics School

Clemens Walther11/2022Seite 58DPG-Mitglieder

Transdisciplinary research for nuclear waste disposal: Science meets Society

TRANSENS Sommerschule

Helmut Fink11/2022Seite 59DPG-Mitglieder

Quantenphysik an der Schule

Workshop der Heisenberg-Gesellschaft

11/2022Seite 60DPG-Mitglieder

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