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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Physik Journal 7 / 2022
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Brennpunkt
• 7/2022 • Seite 18 • DPG-MitgliederDen Schatten beleuchtet
Die Event Horizon Telescope Collaboration legt das erste Bild des supermassiven Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße vor.
Überblick
• 7/2022 • Seite 23 • DPG-MitgliederKontroverse 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. (...)
• 7/2022 • Seite 29 • DPG-MitgliederFerngesteuerte 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. (...)
Lehre
• 7/2022 • Seite 35 • DPG-MitgliederVorher 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. (...)
Forum
• 7/2022 • Seite 40 • DPG-MitgliederDie 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. (...)
Physik im Alltag
Menschen
Rezensionen
• 7/2022 • Seite 54 • DPG-Mitglieder
Christian Spiering: Neutrinoastronomie – Blick in verborgene Welten
DPG
7/2022 • Seite 39 • DPG-Mitglieder
Ausschreibung Förderprogramme der Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung
Tagungen
• 7/2022 • Seite 63 • DPG-Mitglieder
Metamaterials – Designing Wave Propagation with a Focus on Electrodynamics
760. WE-Heraeus-Seminar
• 7/2022 • Seite 64 • DPG-Mitglieder
Optoelectronic Processes at Nanostructured Interface
763. WE-Heraeus-Seminar
• 7/2022 • Seite 64 • DPG-Mitglieder
Diffraction Limited Synchrotron Light Sources and Next Generation Free Electron Lasers
762. WE-Heraeus Seminar
• 7/2022 • Seite 64 • DPG-Mitglieder
Photonic Quantum Technologies – A Revolution in Communication, Sensing, and Metrology
764. WE-Heraeus Seminar
• 7/2022 • Seite 65 • DPG-Mitglieder
Gravitational Wave and Multi-Messenger Astrophysics
765. WE-Heraeus Seminar
• 7/2022 • Seite 65 • DPG-Mitglieder
High‐Precision Measurements and Searches for New Physics
766. WE-Heraeus Seminar
