Physik Journal 2 / 2023

Cover

Die Phasenstruktur einzelner ­Photonen kann schraubenförmig verlaufen, was zu interessanten Forschungs- und Anwendungsmöglichkeiten in der Quanten­optik führt (vgl. S. 29).


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Meinung

Über Wissenschaft zwitschernPhilip Willke2/2023Seite 3

Über Wissenschaft zwitschern

Online-Plattformen sind ein neues Mittel für Wissenschafts­kommunikation und für den wissenschaftlichen Austausch.

Aktuell

Alexander Pawlak2/2023Seite 6DPG-Mitglieder

Die kosmische Kuppel-Show

Maike Pfalz2/2023Seite 7DPG-Mitglieder

Solidarische Rücktritte

Kerstin Sonnabend2/2023Seite 8DPG-Mitglieder

Neue Programme für schnellere Rechner

Matthias Delbrück2/2023Seite 8DPG-Mitglieder

Cyberattacke abgewehrt

Matthias Delbrück2/2023Seite 10DPG-Mitglieder

Zurück in die Zukunft?

Anja Hauck2/2023Seite 10DPG-Mitglieder

Auf dem Mars verstaubt

Matthias Delbrück2/2023Seite 11DPG-Mitglieder

USA: Das bisschen Haushalt / Wo das Wasser weilt / Zündende Laser

Kerstin Sonnabend2/2023Seite 11DPG-Mitglieder

USA: Lebenszeichen gesucht

Kerstin Sonnabend2/2023Seite 13DPG-Mitglieder

Hintergrundrauschen

Matthias Delbrück2/2023Seite 13DPG-Mitglieder

Australien: Review für die Forschungsförderung

High-Tech

Michael Vogel2/2023Seite 14DPG-Mitglieder

Klare Sicht / Sprung in der Effizienz / Früh erkannter Krebs

Brennpunkt

Hochgeladen zu noch mehr GenauigkeitWolfgang Quint2/2023Seite 16DPG-Mitglieder

Hochgeladen zu noch mehr Genauigkeit

Eine optische Atomuhr auf Basis eines hochgeladenen Argon-Ions verspricht, die relative Unsicherheit bei der Zeitmessung weiter zu reduzieren.

Kosmische Felder im LaborRalf Schützhold2/2023Seite 18DPG-Mitglieder

Kosmische Felder im Labor

In einem Bose-Einstein-Kondensat gelang es, die Dynamik von Quantenfeldern im expandierenden Universum zu simulieren.

Licht in ausgewählter RichtungMarkus A. Schmidt2/2023Seite 20DPG-Mitglieder

Licht in ausgewählter Richtung

Basierend auf akusto-optischen Wechselwirkungen ermöglichen chirale photonische Kristallfasern, die Leistung ausgewählter Vortexmoden gezielt zu verstärken oder abzuschwächen.

Lehre

Entwicklung einer DisziplinDaniel Laumann, Johannes Grebe-Ellis, Susanne Heinicke, Horst Schecker und Rita Wodzinski2/2023Seite 23DPG-Mitglieder

Entwicklung einer Disziplin

Die Auswertung der Dissertationen in der Physikdidaktik soll die Entwicklung dieser Fachdisziplin über die letzten Jahrzehnte zeigen.

Physikdidaktik befasst sich mit dem Lehren und Lernen von Physik und bewegt sich im Spannungsfeld zwischen Physik und Lehr-Lernpsychologie sowie einem Spektrum weiterer Bezugsdisziplinen, etwa der Pädagogik, der Geschichte und Philosophie der Physik oder der Wissenschaftstheorie. Die quantitative Auswertung der im deutschsprachigen Raum entstandenen physik­didaktischen Dissertationen im Rahmen der Initiative „Physikdidaktik – Quo vadis?“ soll zeigen, wie sich die Physikdidaktik als forschende Disziplin entwickelt hat.

Die Fachdidaktik Physik hat sich im deutschsprachigen Raum seit den ersten physikdidaktischen Lehrstühlen in den 1960er-Jahren als wissenschaftliche Forschungsdisziplin entwickelt. Heute gibt es in Deutschland 48 Standorte mit 54 Physikdidaktik-Professuren (Österreich 5 und 5, Schweiz 3 und 3) und zwei fachliche Vereinigungen (FV Didaktik der Physik der DPG seit 1973, Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik seit 1972).

Das Nachdenken über das Lehren und Lernen von Physik reicht weit zurück. Beispiele sind die „Große Didaktik“ des Comenius [1] im 17. Jahrhundert oder die Lehrplanempfehlungen der Gesellschaft deutscher Naturforscher und Ärzte von 1905 (Meraner Beschlüsse) [2]. Der Sputnik-Schock1) 1957 initiierte im Westen große Bildungsprogramme und beflügelte die physikdidaktische Forschung auch in der Bundesrepublik Deutschland (BRD).2) Die Wirkungen des naturwissenschaftlichen Unterrichts und die Frage nach seiner Verbesserung gerieten in den Fokus des technologischen Wettbewerbs rivalisierender politischer Systeme. Eine der Folgen war 1966 die Gründung des heutigen Leibniz-Instituts für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik (IPN) in Kiel als zentrale Institution für curriculare Entwicklung und Forschung. Dort wurden 1972 die ersten im engeren Sinne physik­didaktischen Promo­tionen in der BRD abgeschlossen, etwa zum Verständnis der Energie­erhaltung [3]. In der DDR gab es bereits 1971 zehn physikdidaktische Dissertationen.

Drei große Forschungsbereiche der Physikdidaktik sind die Entwicklung und Evaluation neuer Unterrichts- und Lehrkonzeptionen, etwa mit digitalen Medien, die empirische Erforschung von Lernvoraussetzungen und Lernprozessen, z. B. von Schülervorstellungen zu physikalischen Grundbegriffen, sowie theoretische Arbeiten beispielsweise zu fachlichen Elementarisierungen und Zielen des Physikunterrichts. (...)

 

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Überblick

Strukturierte PhotonenRobert Fickler2/2023Seite 29DPG-Mitglieder

Strukturierte Photonen

Photonen mit schraubenartiger Phasenstruktur besitzen einen Bahndrehimpuls und eröffnen in der Grundlagenforschung und für Quantentechnologien neue Möglichkeiten.

Licht, dessen Eigenschaften nur quantenoptisch zu beschreiben sind, ist als Quantenlicht bekannt. Seit vielen Jahrzehnten liefert es kontinuierlich neue Erkenntnisse in der Grundlagenforschung und initiiert die Entwicklung neuer Technologien und deren Anwendungen. Die technischen Fortschritte in der Modulierung von Licht zusammen mit neuen Erkenntnissen in der Quanteninformation eröffnen neue Möglichkeiten wie die Anwendung hochdimensionaler Quantenzustände oder das Zusammenspiel verschiedener Eigenschaften von Photonen. Das hat zu einem äußerst erfolgreichen Wissenschaftsgebiet geführt: der Erforschung und Anwendung strukturierter Photonen.

Wie vieles in der modernen Physik geht die Idee von Photonen, also einzelnen Lichtquanten, auf Albert Einstein zurück. In einer Arbeit aus dem Jahr 1905 erklärte Einstein den photoelektrischen Effekt durch die Existenz von Photonen und gab somit der von Max Planck zuvor heuristisch eingeführten Konstante eine physikalische Bedeutung. In den späten 1920er-Jahren erhielt das Konzept der Photonen im Zuge der Quantisierung des elektromagnetischen Feldes eine formalere Basis. Photonen sind demnach die Feldquanten des elektromagnetischen Feldes. Ihre Eigenschaften sind durch die Freiheitsgrade des Lichts gegeben, also durch die Lichtmoden, die durch Photonen angeregt werden. Die Schwingungsfrequenz v der ebenen Lichtwelle entspricht der Energie des Lichtquants (E = hv), der Wellenvektor k bezieht sich auf dessen Impuls [p = (h/2π)k = ħk], und die Polarisation beschreibt den Spindrehimpuls eines Photons (S = ±ħ). Besonders die Polarisation von Photonen stand in den vergangenen Jahrzehnten im Fokus: Zum einen untersuchte die Grundlagenforschung verblüffende Effekte wie die Überlagerung zweier Zustände, Quantenverschränkung oder Quantenteleportation. Zum anderen wurden bereits früh Anwendungen dieser Quanteneffekte vorangetrieben, sodass Geräte zur Quantenkommunikation oder Quantencomputer bereits verfügbar sind bzw. bald verfügbar sein werden. Der Siegeszug der Photonen und die Untersuchung ihrer grund­legenden Quanteneigenschaften gipfelten in der Vergabe des letztjährigen Physik-Nobelpreises an John Clauser, Alain Aspect und Anton Zeilinger für ihre quanten­optischen Experimente zur Verschränkung [1]. (...)

 

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Menschen

2/2023Seite 35DPG-Mitglieder

Personalien

Peter Bussemer2/2023Seite 40DPG-Mitglieder

Nachruf auf Reimund Torge

Maike Pfalz2/2023Seite 41DPG-Mitglieder

„Wir versuchen, den Bogen zur Anwendung zu spannen.“

Interview mit Kerstin Volz

Physik im Alltag

Garantiertes SchneevergnügenKerstin Sonnabend2/2023Seite 42DPG-Mitglieder

Garantiertes Schneevergnügen

Technischer Schnee sorgt zuverlässig für gute Pistenverhältnisse, steht aber unter anderem wegen des hohen Energie- und Wasserbedarfs in der Kritik.

Rezensionen

Alexander Pawlak2/2023Seite 44DPG-Mitglieder

Ben Moore: Sternenstaub

Christoph Strunk2/2023Seite 44DPG-Mitglieder

Jan-Peter Meyn: Wärme und Energie

Alexander Pawlak2/2023Seite 45DPG-Mitglieder

Iain S. Thomas, ­Jasmine Wang, GPT-3: Was euch zu Menschen macht

DPG

2/2023Seite 22DPG-Mitglieder

Jobbörse für Physiker:innen auf den DPG-Tagungen in Hannover und Dresden

2/2023Seite 27DPG-Mitglieder

Videowettbewerb: Physik in der Zukunft

2/2023Seite 28DPG-Mitglieder

WE-Heraeus-Stiftung: Ausschreibung Förderprogramme

2/2023Seite 39DPG-Mitglieder

Physiker:innen im Beruf

Julian Späthe2/2023Seite 46DPG-Mitglieder

Physik zum Frühstück

2/2023Seite 47DPG-Mitglieder

Methods of Effective Field Theory and Lattice Field Theory

Bad Honnef Physics School

Tagungen

Almudena Arcones, Camilla Juul Hansen, Kenta Hotokezaka, Thomas Stöhlker2/2023Seite 46DPG-Mitglieder

Kilonovae: Multimessenger and Multiphysics

774. WE-Heraeus Seminar

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