Physik Journal 7 / 2022

Cover

In Hamburg wird der Prototyp für das MADMAX-Haloskop zur ­Suche nach leichten Teilchen der Dunklen Materie aufgebaut. (Bild: ­Jens Rüssmann, vgl. S. 40)


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Meinung

Science and WarOleksiy Kolezhuk • 7/2022 • Seite 3

Science and War

This is the Moment of Truth.

Aktuell

Alexander Pawlak • 7/2022 • Seite 6 • DPG-Mitglieder

Zwei Jahre später und doch zur rechten Zeit

Maike Pfalz • 7/2022 • Seite 7 • DPG-Mitglieder

Schwerelos auf Schienen

Maike Pfalz / DLR • 7/2022 • Seite 8 • DPG-Mitglieder

Angewandte Quanten

Alexander Pawlak / FZ Jülich • 7/2022 • Seite 9 • DPG-Mitglieder

Hybride Hochleistung

Anja Hauck / AWI • 7/2022 • Seite 10 • DPG-Mitglieder

Schiff in Sicht

7/2022 • Seite 10 • DPG-Mitglieder

Positionen zum Publizieren

Kerstin Sonnabend • 7/2022 • Seite 11 • DPG-Mitglieder

Wachsende Kluft

Kerstin Sonnabend • 7/2022 • Seite 11 • DPG-Mitglieder

Länger befristet

Kerstin Sonnabend • 7/2022 • Seite 12 • DPG-Mitglieder

Richtungsweisend für die nächste Dekade

7/2022 • Seite 12 • DPG-Mitglieder

DFG: Neue SFBs

Kerstin Sonnabend • 7/2022 • Seite 13 • DPG-Mitglieder

Mehr Unterstützung, ­weniger Bürokratie

Matthias Delbrück • 7/2022 • Seite 13 • DPG-Mitglieder

Alpine Hängepartie

Matthias Delbrück • 7/2022 • Seite 14 • DPG-Mitglieder

Einstieg ins Exoplanetengeschäft

Matthias Delbrück • 7/2022 • Seite 15 • DPG-Mitglieder

Britische Universitäten benotet

Matthias Delbrück • 7/2022 • Seite 15 • DPG-Mitglieder

USA: Zukunftstechnologien fördern

High-Tech

Michael Vogel • 7/2022 • Seite 16 • DPG-Mitglieder

Vorhang aus Luft; Alterna­tiver Energieernter; Hörbarer Quantenvorteil; Um die Ecke geschaut

Brennpunkt

Den Schatten beleuchtetAstrid Eichhorn • 7/2022 • Seite 18 • DPG-Mitglieder

Den Schatten beleuchtet

Die Event Horizon Telescope Collaboration legt das erste Bild des supermassiven Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße vor.

Schrödingers Verfehlungen?Beate Ceranski • 7/2022 • Seite 20 • DPG-Mitglieder

Schrödingers Verfehlungen?

Die aktuelle Debatte um Erwin Schrödinger ist allein mit Umbenennungen nicht gelöst.

Überblick

Kontroverse um eine KonstanteBruno Leibundgut • 7/2022 • Seite 23 • DPG-Mitglieder

Kontroverse um eine Konstante

Verschiedene Messungen liefern unterschiedliche Werte für die Hubble-Konstante: ein ewiges Problem der Kosmologie?

Wir leben in einem dynamischen, expandierenden Universum. Die Beobachtung, dass die Radialgeschwindigkeit kosmischer Objekte mit ihrer Entfernung zunimmt, stellt eine der Säulen des kosmologischen Modells eines heißen Urknalls dar. Die anderen sind die Mikrowellen-Hintergrundstrahlung und die Häufigkeiten leichter Elemente: Damit Deuterium, Helium und Lithium aus Wasserstoff fusionieren, muss es eine sehr heiße Phase gegeben haben, die heute als Mikrowellen-Hintergrund beobachtet wird. Wenige Parameter reichen aus, um die Eigenschaften des expandierenden Universums zu beschreiben. Seine energetischen Inhalte bestimmen die Ausdehnung, und die momentane Ausdehnungsrate, die Hubble-Konstante, ist einer der wichtigsten Parameter. Im nahen Universum folgt sie dem Hubble-Lemaître-Gesetz; mit einem kosmologischen Modell ergibt sie sich aus der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung.

Mit der Annahme von räumlicher Homogenität und Isotropie (Robertson-Walker-Metrik) lassen sich die Einsteinschen Feldgleichungen auf die Friedmann-Gleichung reduzieren, um das beobachtbare Universum zu beschreiben. Die Friedmann-Gleichung gibt die kosmische Ausdehnung als Funktion von Hubble-Konstante, Raumkrümmung und den mittleren Energiedichten an. Letztere bestimmen die Dynamik der Expansion, zum Beispiel erzeugt eine höhere Materiedichte eine stärkere Abbremsung. Die Hubble-Konstante skaliert die kosmologischen Modelle und somit das absolute Alter des Universums.

Während der letzten zwei Jahrzehnte hat sich ein Modell des Universums mit einigen erstaunlichen Eigenschaften etabliert. Zusätzlich zur Strahlung, deren Energiedichte aufgrund der niedrigen Temperatur des Mikrowellenhintergrundes heute vernachlässigbar klein ist, und der „normalen“ (baryonischen) Materie, die etwa fünf Prozent der Gesamtenergie ausmacht, braucht es zwei „dunkle“ Komponenten, um die Beobachtungen zu erklären. Ein Großteil der Materie interagiert nur durch die Gravitation mit dem Rest der Welt: Diese Dunkle Materie macht etwa ein Viertel der Energie im Universum aus. Da die kosmische Expansion heute beschleunigt ist, sollte es eine zusätzliche, abstoßend wirkende Energiekomponente geben. Eine mögliche Erklärung dieser Dunklen Energie steckt in Einsteins kosmologischer Konstante. Die Dunkle Energie dominiert heute den Energieinhalt des Universums mit einem Anteil von 70 Prozent. Dieses kosmologische Modell heißt ΛCDM, wobei Λ für die kosmologische Konstante steht und CDM für kalte Dunkle Materie (Cold Dark Matter). Mittlerweile gibt es aber Beobachtungen, die innerhalb des ΛCDM-Modells inkonsistent erscheinen. Am deutlichsten tritt dies bei der Hubble-Konstante zutage, für die sich unterschiedliche Werte durch Beobachtungen des frühen Universums und aus der lokalen Umgebung ergeben. Die Diskussion dieses als Hubble-Spannung (Hubble tension) bezeichneten Problems soll im Folgenden erläutert werden. (...)

 

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Ferngesteuerte QuantensystemeTristan Kraft, H. Chau Nguyen und Otfried Gühne • 7/2022 • Seite 29 • DPG-Mitglieder

Ferngesteuerte Quantensysteme

In der Quantenmechanik können Messungen an einem System ein anderes steuern.

In der Quantenmechanik lassen sich Teilchen an verschiedenen Orten durch eine gemeinsame Wellenfunktion beschreiben. In den 1930er-Jahren bemerkte Erwin Schrödinger, dass dies die Möglichkeit bietet, ein Quantensystem durch Messungen an einem weit entfernten weiteren System zu steuern. Seine Ideen waren jedoch lange vergessen und wurden erst in den letzten 15 Jahren wieder aufgegriffen. Mittlerweile ist es aber gelungen, die theoretisch vorhergesagten Effekte in Experimenten zu beobachten. Das Phänomen dieser Quantenkorrelation hängt eng mit anderen Konzepten wie der gemeinsamen Durchführbarkeit von Messungen zusammen und ist wichtig für Anwendungen wie die Quantenkryptographie.

Wenn zwei Tatverdächtige, Alice und Bob, bei einem Polizeiverhör dieselbe Geschichte erzählen, kann es dafür verschiedene Gründe geben. Alice kann von der Version Bobs erfahren haben und ihre Darstellung des Tatgeschehens danach ausgerichtet haben. Es kann aber auch eine gemeinsame Ursache für die Übereinstimmung geben. Im besten Fall erzählen Alice und Bob nichts als die Wahrheit. Die gemeinsame Ursache kann aber auch darin bestehen, dass sie sich im Vorhinein über eine Darstellung abgesprochen haben. Wenn die Verhöre gleichzeitig an verschiedenen Orten stattfinden, liegt eine gemeinsame Ursache nahe.

Was folgt, wenn die Antworten in dem Verhör auf eine gemeinsame Ursache zurückgehen? Dazu betrachten wir ein einfaches Modell: Alice und Bob bekommen Fragen gestellt (Waren Sie zur Tatzeit zuhause?) und geben eine von mehreren Antworten (ja oder nein). Etwas abstrakter lassen sich die Fragen an Alice durch einen Index x und die Antworten durch einen Index a beschreiben – bei Bob entsprechend durch y und b. Dann kann man sich die Wahrscheinlichkeiten anschauen, dass Alice a antwortet und Bob b, wenn Alice die Frage x und Bob die Frage y gestellt. (...)

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Lehre

Vorher lesen statt vorgelesenRobert Kellner und Silke Stanzel • 7/2022 • Seite 35 • DPG-Mitglieder

Vorher lesen statt vorgelesen

Das Lehrkonzept „Just-in-Time-Teaching“ motiviert Studierende dazu, sich eigenständig intensiv mit Lehrinhalten auseinanderzusetzen.

Just-in-Time-Teaching ist eine Lehrmethode, bei der ein Teil des Wissenserwerbs in Vorbereitung einer Lehrveranstaltung vorausgeht. Online-Tests offenbaren hierbei den aktuellen Lernstand und regen die kritische Ausein­andersetzung mit Fachthemen und dem eigenen Studierverhalten an. Die Ergebnisse dieser Tests erlauben es, den Unterricht auf die Bedürfnisse der Studierenden dynamisch anzupassen und zeitliche Freiräume für weitere aktivierende Lehrmethoden zu eröffnen.

Just-in-Time-Teaching (JiTT) ist eine besondere Form des Blended Learnings, also der Verknüpfung von Präsenzlehre und E-Learning. Die Methode verbindet Phasen des Eigenstudiums effektiv mit Präsenzzeiten. Die Studierenden bekommen regelmäßig vor der Lehrveranstaltung einen Arbeitsauftrag mit Lernmaterialien, die sie bearbeiten sollen. Abschließend absolvieren sie einen Online-Test, bei dem verschiedene Frageformen (Multiple-Choice, Rechenaufgaben, offene Fragen) den aktuellen Lernstand der Studierenden zeigen, damit die Lehrenden die darauffolgende Präsenzphase „just in time“, also bedarfsgerecht, vorbereiten können. Themenschwerpunkte lassen sich passend setzen und Schwierigkeiten klären (Abb. 1) [1]. Die Vorbereitungsphase zielt darauf ab, Begriffsdefinitionen und einfache Zusammenhänge kennenzulernen, auf denen die Lehrveranstaltung aufbauen kann. Es geht nicht darum, den Themenbereich bereits komplett zu verstehen. (...)

 

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Forum

Die großen Fragen der PhysikMaike Pfalz • 7/2022 • Seite 40 • DPG-Mitglieder

Die großen Fragen der Physik

Der Exzellenzcluster Quantum Universe der Universität Hamburg beschäftigt sich mit Fragen rund um den Ursprung, die Geschichte und die Zusammensetzung des Universums.

Die Entdeckung des Higgs-Bosons am Large Hadron Collider und der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen durch die beiden LIGO-Observatorien zählen zu den spektakulärsten Erfolgen der physikalischen Grundlagenforschung in den letzten Jahren und wurden mit den Physik-Nobelpreisen 2013 und 2017 gewürdigt. Beide Entdeckungen stützen grundlegende Konzepte der Physik: die Erzeugung der Masse von Elementarteilchen durch den Higgs-Mechanismus bzw. die Dynamik der Raumzeit. Allerdings zeigen astronomische und kosmologische Betrachtungen, dass unsere derzeitige Beschreibung der Natur unvollständig ist. Noch bleibt unklar, woraus Dunkle Materie besteht oder was der Ursprung der beschleunigten Expansion des Universums ist. Darüber hinaus gibt es für die Entwicklung des sehr frühen Universums bislang keine konsistente Beschreibung im Rahmen der etablierten Quanten- und Gravitationstheorien. Ein Verständnis von Masse und Gravitation an der Schnittstelle von Quantenphysik und Kosmologie zu gewinnen, ist das zentrale Forschungsziel des Exzellenzclusters Quantum Universe der Universität Hamburg und des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY.

Um diese grundlegenden Fragen zu beantworten, arbeiten im Cluster mehr als 300 Personen aus der Mathematik, Teilchen-, Astro- und Mathematischen Physik zusammen. Die Forschungsarbeiten reichen von der Entwicklung mathematisch-theoretischer Modelle über das Studium der Physik des Higgs-Teilchens bis zu theoretischen und experimentellen Arbeiten zur Suche nach Dunkler Materie sowie zu Gravitationswellen als Fenster in das frühe Universum. Im Fokus steht die Beziehung zwischen der Quantenphysik, welche die kleinsten Objekte in der Natur beschreibt, und der Struktur und Entwicklung des Universums.

Hamburg hat eine lange Tradition in der Teilchenphysik. „Seit 60 Jahren gehören wir zur Weltklasse“, unterstreicht Clustersprecher Jan Louis, der sich als Physikprofessor der Universität Hamburg unter anderem mit der Stringtheo­rie beschäftigt. An der Schnittstelle zwischen Teilchen- und Astrophysik sowie Kosmologie haben Hamburger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Rahmen des SFB „Particles, Strings and the Early Universe“ zwölf Jahre lang geforscht und damit das Fundament geschaffen für den Exzellenz­cluster, der diese Felder zusammenführen, weiterentwickeln und mit weiteren Themengebieten verknüpfen möchte. „Um die Gravitation mit der Quantenfeldtheorie zu verbinden, müssen wir die Expertise aus all diesen Bereichen zusammennehmen und das Problem von den vielversprechendsten Seiten angehen“, ist der Teilchenphysiker Peter Schleper überzeugt, der zusammen mit Géraldine Servant das Co-Sprecherteam bildet. (...)

 

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Physik im Alltag

Optimal unterstütztDenise Müller-Dum und Jens Kube • 7/2022 • Seite 44 • DPG-Mitglieder

Optimal unterstützt

Inzwischen erfreuen sich E-Bikes immer größerer Beliebtheit. Unterschiedliche Sensoren sorgen für ein angenehmes Fahren im Rahmen gesetzlicher Bestimmungen.

Menschen

7/2022 • Seite 46 • DPG-Mitglieder

Personalien

Shaukat Khan • 7/2022 • Seite 52 • DPG-Mitglieder

Nachruf auf Thomas Weis

Kerstin Sonnabend • 7/2022 • Seite 53 • DPG-Mitglieder

„Forschung profitiert von vielfältigen Ansätzen.“

Interview mitAstrid Lambrecht

Rezensionen

Karl-Heinz Kampert • 7/2022 • Seite 54 • DPG-Mitglieder

Christian Spiering: ­Neutrinoastronomie – Blick in verborgene Welten

Kerstin Sonnabend • 7/2022 • Seite 54 • DPG-Mitglieder

Aeneas Rooch: Die Entdeckung der Unendlichkeit

Alexander Pawlak • 7/2022 • Seite 55 • DPG-Mitglieder

Stephen Webb: Wo sind sie alle?

Kerstin Sonnabend • 7/2022 • Seite 56 • DPG-Mitglieder

Thomas Bührke: Was ist Dunkle Materie?

Anja Hauck • 7/2022 • Seite 56 • DPG-Mitglieder

James Cheshire, Oliver Uberti: Atlas des Unsichtbaren

Alexander Pawlak • 7/2022 • Seite 57 • DPG-Mitglieder

Rian Hughes: XX

DPG

7/2022 • Seite 39 • DPG-Mitglieder

Ausschreibung Förder­programme der Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung

Johannes Wünsche, Tobias Messer und Monique Honsa • 7/2022 • Seite 58 • DPG-Mitglieder

Ein britisches Team hat die Nase vorn

7/2022 • Seite 60 • DPG-Mitglieder

Niederschrift der Ordentlichen Mitgliederversammlung 2022

7/2022 • Seite 70 • DPG-Mitglieder

Jobbörse für Physiker:innen auf der DPG-Tagung in Regensburg

Tagungen

Kai Litzius, Claire Donnelly • 7/2022 • Seite 63 • DPG-Mitglieder

Non-Linear Magnetism

757. WE-Heraeus-Seminar

Siegfried Dietrich, Andrea Gambassi, Matthias Krüger, Anna Maciołek • 7/2022 • Seite 63 • DPG-Mitglieder

Fluctuation-induced Forces

729. WE-Heraeus-Seminar

Matthias Günther, Dennis Philipp, Volker Perlick, Claus Lämmerzahl • 7/2022 • Seite 63 • DPG-Mitglieder

Metamaterials – Designing Wave Propagation with a Focus on Electrodynamics

760. WE-Heraeus-Seminar

Christian Klinke, Philipp Haizmann und Marcus Scheele • 7/2022 • Seite 64 • DPG-Mitglieder

Optoelectronic Processes at Nanostructured Interface

763. WE-Heraeus-Seminar

Edgar Weckert, Wim Leemans, Robert Feidenhans’l • 7/2022 • Seite 64 • DPG-Mitglieder

Diffraction Limited Synchrotron Light Sources and Next Generation Free Electron Lasers

762. WE-Heraeus Seminar

Tobias Heindel, Simone Luca Portalupi, Eleni Diamanti • 7/2022 • Seite 64 • DPG-Mitglieder

Photonic Quantum Technologies – A Revolution in Communication, Sensing, and Metrology

764. WE-Heraeus Seminar

Frank Ohme, Michèle Heurs • 7/2022 • Seite 65 • DPG-Mitglieder

Gravitational Wave and Multi-­Messenger ­Astrophysics

765. WE-Heraeus Seminar

Klaus Blaum, Dmitry Budker, ­Jo­achim Ulrich, Andrey ­Surzhykov • 7/2022 • Seite 65 • DPG-Mitglieder

High‐Precision Measurements and Searches for New Physics

766. WE-Heraeus Seminar

7/2022 • Seite 66 • DPG-Mitglieder

Tagungskalender

Notizen

7/2022 • Seite 67 • DPG-Mitglieder

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