Physik Journal 5 / 2022

Erprobt wurde der Unterrichtsvorschlag in den Jahrgängen 6, 9 und 10 sowie in den beiden Jahrgängen Q1 und Q3 der Qualifikationsphase der Oberstufe. Die Einheit erfordert etwa 60 bis 90 Minuten Unterrichtszeit, wobei in jüngeren Jahrgängen das Redebedürfnis und Mitteilungsbedürfnis der Schülerinnen und Schüler größer ist und der Zeitbedarf dadurch höher. Jugendliche in höheren Jahrgängen erkennen dagegen auch abstrakte Zusammenhänge schneller. Auch die verwendete Fachsprache sollte sich am Alter der Schülerinnen und Schüler orientieren.  Die wesentlichen Elemente der betrachteten Modelle sind jedoch in allen Jahrgangsstufen zu vermitteln.

Als Einstieg in das Thema diente der Ausschnitt aus einem Zeitungsartikel: „Statt nur zu überlegen, wie ein Alltag mit Corona aussehen kann, sollten wir das Virus weiter aktiv zurückdrängen, schreibt der Physiker Matthias F. Schneider. Das sei durchaus noch möglich. [...] Die vielleicht wichtigste Frage derzeit ist: Wann entwickelt sich aus einzelnen Neuinfektionen, die sich nachverfolgen lassen, ein unkontrollierbarer Corona-Ausbruch? Um Antworten darauf zu finden, stellen sich Physikerinnen und Physiker die Situation als eine Art Phasenübergang (oder Perkola­tionsübergang) vor. Was bedeutet das?“ (...)

Die Auswirkung eines besonderen Sternwinds lässt sich spektakulär in den Polar­regionen beobachten: Jedes Jahr zieht es zahlreiche Menschen in den hohen Norden, um Polarlichter zu sehen. Sie entstehen, wenn der Sonnenwind mit dem Erdmagnetfeld wechselwirkt. Der Sonnenwind ist der wohl am besten studierte Sternwind und − zum Glück für uns auf der Erde − auch einer der harmloseren. Lediglich zehn Billiardstel ihrer eigenen Masse (10^–14 M⊙) gibt die Sonne pro Jahr als Sternwind ab. Das reicht aus, um Satelliten in Bedrängnis zu bringen, aber nicht, um das eigene Schicksal maßgeblich zu beeinflussen.

Der Wind heißer, massereicher Sterne fällt deutlich dramatischer aus: Typischerweise brauchen sie nur wenige Millionen Jahre, um eine Sonnenmasse in den Weltraum abzustoßen; bei besonders starken Winden passiert dies innerhalb von 10 000 bis 100 000 Jahren. Mit Effektivtemperaturen zwischen 10 000 und 60 000 K − teilweise sogar mehr als 100 000 K − sind diese Sterne um ein Vielfaches heißer als unsere Sonne mit ihren knapp 6000 K. Ein massereicher Stern ist bei seiner Entstehung mindestens achtmal so schwer wie die Sonne; die massereichsten Exemplare beginnen ihre Existenz mit weit über 100 Sonnenmassen. Durch den starken Sternwind geben sie allerdings einen signifikanten Anteil im Laufe ihrer Entwicklung an die Umgebung ab. Ist der Wind so stark, dass der Massenverlust auf einer vergleichbaren Zeitskala stattfindet wie die Fusionsprozesse im Sterninneren, beeinflusst der Wind die weitere Entwicklung des Sterns und kann zum Beispiel verhindern, dass sich der Stern zu einem Roten Überriesen aufbläht.

Der Wind massereicher Sterne ist wegen ihrer höheren Leuchtkraft deutlich ausgeprägter als bei unserer Sonne. Mit höherer Masse steigen Druck und Temperatur im Stern­inneren, sodass Fusionsprozesse schneller ablaufen: Die Leuchtkraft wächst überproportional im Verhältnis zur Sternmasse – und mit der Leuchtkraft skaliert der Strahlungsdruck. Während dieser für die Sonne und ihren Wind vernachlässigbar bleibt, stellt er für den Wind heißer, massereicher Sterne die alles entscheidende Größe dar, die den Gasdruck um ein bis zwei Größenordnungen übersteigt. (...)

Mit pantha rhei (Alles fließt) werden manchmal die Lehren des griechischen Philosphen Heraklit zusammengefasst. Sie entsprechen dem Verständnis von kausaler Verknüpfung sowie einem ständigen Wandel in der Natur. Viele Jahrhunderte später hat die Quanten­mechanik unser Weltbild revolutioniert. Die nicht-intuitiven Resultate der Quantentheorie bieten Raum für Spekulationen und werden bis heute debattiert. Dazu zählt die Erkenntnis, dass jede physikalische Größe eine intrinsische Unsicherheit mit sich trägt. Solche Quantenfluktuationen verbinden jede Observable mit statistischem Rauschen. Heute wissen wir: Alles rauscht. Was sich wie eine theoretische Kuriosität anhört, hat weitreichende Implikationen im gesamten Spektrum der Physik. Denn Quantenfluktuationen sorgen für messbare Effekte mit wachsender Bedeutung für moderne Nano- und Quantentechnologien.

Mathematisch gesehen sind Quantenfluktuationen die Konsequenz der nicht-kommutativen Struktur der Quantenmechanik, also der Tatsache, dass die Reihenfolge von Messungen wichtig ist. So können wir niemals „gleich­zeitig“ die Posi­tion x und den Impuls p eines Körpers exakt bestimmen. Als Konsequenz ergibt sich die Unschärferelation von Heisenberg. Für eine eindimensionale Dynamik gilt Δx Δp ≥ ħ/2, wobei ħ = h/(2π) die reduzierte Planck-Konstante ist. Je kleiner die Unschärfe im Ort Δx, desto ungenauer wird der Impuls Δp – und umgekehrt. (...)

Ab Herbst studierte er Mathematik und Physik in Budapest und arbeitete dort nach seinem Abschluss im Jahr 1913 als Physiklehrer. Daneben widmete er sich der Forschung. In den „Annalen der Physik“ erschien 1914 Bródys erste Publikation. Darin behandelte er das thermo­dynamische Gleichgewicht unter allgemeinen Rand­bedingungen. 1916 heiratete er seine Kollegin Sara [Sarolta]­ Strausz (1891 – 1944). Mit ­einer quantentheoretischen Untersuchung einatomiger Gase promovierte Bródy im Juni 1918. Kurz darauf wurde seine Tochter Eva geboren. (...)