Physik Journal 2 / 2022

Erich erwarb sein Abitur 1896 am Königlichen Wilhelms-Gymnasium in Berlin-Tiergarten. Er studierte anschließend an der Berliner Universität acht Semester Chemie im Hauptfach und dazu Philosophie, Physik und Paläontologie. Unter der Anleitung des Privatdozenten Wilhelm Traube (1866 – 1942) fertigte Lehmann zwischen dem Wintersemester 1898/99 und Anfang 1900 seine Dissertation „Über die Additionsreaktion der Alkylenoxyde“ an. Hans Landolt schrieb in seiner Beurteilung: „Die von dem Verfasser bearbeitete Reaction ist vollständig neu und wird an einer Anzahl durchgeführter Beispiele erläutert. Die Ausführung erforderte experimentelle Geschicklichkeit.“ Nach den mündlichen Prüfungen in den oben genannten vier Fächern am 13. Dezember 1900 kam das Promotionsverfahren am 23. Januar 1901 mit der öffentlichen Disputation der von dem Kandidaten eingereichten drei Thesen zu ihrem Abschluss. Neben Emil Berliner gehörten Lehmanns ältere, bereits in Medizin und Jura promovierten Brüder zu den drei Opponenten. (...)

Für eine Reihe von Themen ist das mathematische Modellieren eines physikalischen Phänomens so aufwändig, dass im Physikunterricht nicht im Vorfeld modelliert, sondern im Nachgang eines Experiments ein bestimmter Befund mit physikalischen Gesetzen oder Prinzipien erklärt wird. Im ersten Moment stellen solche Erklärungen zufrieden, weil sie eine plausible fachliche Begründung liefern, die über die reine Beobachtung oder den vorherigen Kenntnisstand hinausgeht. Allerdings werden dieselben physikalischen Sachverhalte im Laufe der Schulzeit mehrfach aufgegriffen – mit zunehmendem Komplexitätsgrad. So wird das Fallen eines Apfels vom Baum vorläufig mit seiner Schwere in Verbindung gebracht, später mit der Gewichtskraft und schließlich mit der Gravitationswechselwirkung oder sogar mit der Idee einer gekrümmten Raumzeit innerhalb der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Somit gibt es für viele Sachverhalte unterschiedliche Beschreibungen, die sich z. B. in formalen Gesichtspunkten oder ihrer Genauigkeit und Komplexität unterscheiden. Erkenntnistheoretisch ist die Rede von verschiedenen natur­wissenschaftlichen Modellen als Repräsentanten eines Phänomens. Keines dieser Modelle ist allerdings eine vollständige Erklärung, sondern lediglich ein möglicher Weg, das Phänomen greifbar zu machen und es innerhalb gewisser Grenzen zu verstehen. Verstehen im physikalischen Sinne bedeutet, eine Beobachtung einem bekannten physikalischen Phänomen zuzuordnen und mit einem Modell auf eine mehr oder weniger komplexe Art und Weise zu beschreiben. Für ein besseres Verständnis der Naturwissenschaften sollten die im Unterricht oder Studium kennengelernten Darstellungen, Fachbegriffe und formulierten Zusammenhänge stets als Modelle – also mögliche Beschreibungen physikalischer Sachverhalte, die sich in Experimenten bewährt haben – aufgefasst werden. Vor allem in Zeiten vermehrter Wissenschaftsskepsis spielt eine solche Reflexion über den Erkenntnisprozess und die Glaubwürdigkeit wissenschaftlichen Wissens im Unterricht eine große Rolle [1]. (...)

Im Februar 2016 verkündete die LIGO-Kollaboration nach sorgfältiger Überprüfung und Analyse ihrer Mess­daten den ersten direkten Nachweis eines Ereignisses von Gravitationswellen durch die beiden LIGO-Interferometer (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Aufgezeichnet hatten sie das Ereignis am 14. September 2015 [1]. Von Dezember 2015 bis Mitte 2017 erprobte die Technologiemission LISA Pathfinder die Schlüsseltechnologien für die Laser Interferometer Space Antenna (LISA, Abb. 1). Diese wird komplementär zu den bodengebundenen Observatorien wie LIGO, Virgo und deren Nachfolger niederfrequente Gravitationswellen mit Frequenzen bis maximal 1 Hz nachweisen, die von der Erdoberfläche aus nicht zu beobachten sind. Eine Abschätzung der charakteristischen Frequenzen von Gravitationswellen ergibt fGW  ~ 104 Hz (M⊙ / M) mit der Sonnenmasse M⊙ (2 · 1030 kg) und der Masse M der Quelle der Gravitationswelle [2]. Typische Frequenzen, die LIGO und Virgo nachweisen können, liegen zwischen 30 Hz und einigen kHz; bei LISA werden es einige 10–5 bis etwa 1 Hz sein.

Die mit Laserinterferometern nachweisbaren Frequenzen sind wesentlich durch die Armlänge sowie die internen Rauschquellen des Instruments und die seiner Umgebung bestimmt (Tabelle). Daher beobachten boden- und weltraumgebundene Observatorien Quellen sehr unterschiedlicher Massen und damit unterschiedlicher Natur. Während LIGO und Virgo Gravitationswellen erfassen, die durch stellare Massen hervorgerufen werden, sind es bei LISA auch Gravitationswellen von Quellen mit Massen von mehr als 1000 bis zu einigen 107 Sonnenmassen. LISA erweitert somit das Beobachtungsfenster für Gravitationswellen und ermöglicht zudem eine Triangulation, um die Richtung von Quellen, die permanent Gravitationswellen abstrahlen, präzise zu bestimmen. Damit ist oberhalb von etwa 10–4 Hz das gesamte Spektrum der Gravitationswellen abgedeckt. Die Lücke bei wenigen Hz sollen das geplante Einstein-Teleskop und die vorgeschlagene DECIGO-Mission, die ähnlich wie LISA konzipiert ist, schließen [3, 4]. (...)

Vladimir Anisimov und Co-Autoren formulierten schon vor über 20 Jahren die theoretische Idee von Supraleitung in Nickelaten (Seltenerd-Nickel­oxiden) auf Basis computergestützter Materialrechnungen [1]. Doch erst vor zwei Jahren gelang der Gruppe von Harold Hwang in Stanford der experimentelle Nachweis [2]: In Nd0,8Sr0,2NiO2 verschwindet der elektrische Widerstand unterhalb einer Sprungtemperatur Tc = 14,9 K (Abb. 1a), und Supraleitung tritt auf. Die Nickelate bilden dabei ähnlich wie Cuprate (Seltenerd-Kupferoxide) eine Kristallstruktur mit zweidimensionalen NiO2-Schichten, die durch Neodym-Atome voneinander getrennt sind (Abb. 1b). Die schwierige und aufwändige Synthese sorgte dafür, dass es ein Jahr dauerte, bis eine andere Arbeitsgruppe diese Entdeckung bestätigen konnte [3].

Die Geschichte der Hochtemperatur-Supraleitung lässt sich – ähnlich wie die Menschheitsgeschichte – in Zeitalter einteilen (Abb. 2), da die Entdeckung einer neuen Materialklasse immer wieder große experimentelle und theoretische Anstrengungen auslöst. Elementares Quecksilber, der erste von Heike Kamerlingh Onnes entdeckte Supraleiter, und weitere konventionelle Supraleiter wie Blei stehen dabei für die „Vorzeit“. Die Cuprate als erste Hochtemperatur-Supraleiter wurden 1986 völlig überraschend von Georg Bednorz und Alex Müller entdeckt. Nach dieser Kupferzeit (Cuprate) folgte die Eisenzeit (Eisenpniktide) und nun als jüngstes Zeitalter die Nickelzeit (Nickelate). Im Gegensatz zur Menschheitsgeschichte überlappen diese Zeitalter bei den Supraleitern: In Forschung und Anwendung spielen konventionelle Supraleiter aus der Vorzeit, wie NbTi, und die Cuprate nach wie vor eine tragende Rolle. Insbesondere kommen sie zum Einsatz, um starke Magnetfelder in der Medizin, für Teilchenbeschleuniger oder bei der Fusionsforschung zu erzeugen. Weitere Anwendungen reichen vom SQUID-Magneto­meter über Filter im Mobilfunk bis zu Fehlerstrombegrenzern. (...)