Physik Journal 11 / 2024

Die Anzahl an Neueinschreibungen in Physikstudien­gänge in Deutschland hat seit 2018 merklich abgenommen – von 16 592 im Jahr 2018 [1] auf 10 402 in diesem Jahr [2]. In diese Zeit fällt auch die Corona-Pandemie und der Rückgang betrifft auch andere Studiengänge – allerdings weniger stark. (Abb. 1).

Schreiben wir die jährliche Abnahme des Anteils von Physik-Neueinschreibungen fort, beträgt der Rückgang etwa 0,1 Prozent pro Jahr – ausgehend von 2,3 Prozent im Jahr 2023. Auch wenn die Gesamtzahl der Neuimmatrikulierten nach 2026 durch höhere Geburtsraten und Zuwanderung steigen sollte [4], bedeutet das nicht zwangsläufig, dass Physikstudiengänge davon profitieren. Beispielsweise wählen viele potenzielle Studierende stattdessen Informatik [2], das einzige MINT-Studienfach mit wachsenden Zahlen. Darüber hinaus nehmen die Leistungskurs-Belegungen in Physik ab: Von 5 % im Schuljahr 02/03 auf 3,4 % im Schuljahr 22/23 [5]. Mädchen und Frauen bleiben unterrepräsentiert: 41 % Schülerinnen in Grundkursen, 24 % in Leistungskursen [5], 33 % in Physikstudiengängen [2] .
Daher gibt es in vielen Physik-Fachbereichen in Deutschland angeregte Debatten über mögliche Konsequenzen des Rückgangs der Studierenden- und Kursanmeldungen in der Sekundarstufe II und darüber, wie diesem Trend zu begegnen ist. Vielfach gehen die Diskussionen von folgenden Annahmen aus: (...)

Die Kristallisation von Flüssigkeiten setzt in der Regel­ an den Grenzflächen zu fremden festen Ober­flächen wie Substraten, den Wänden von Behältern oder kleinen Partikeln wie Verunreinigungen oder Keimbildnern ein. Besonders wichtig ist dieser Prozess für Poly­mere, also für lange Kettenmoleküle, aus denen beispielsweise Kunststoffe bestehen. Denn letztere werden meist in geschmolzenem Zustand verarbeitet, aber im festen, meist kristallinen Zustand verwendet. Ihr kristalliner Zustand hängt stark von den Kristallisationsbedingungen ab. Additive, die als Keimbildner dienen, helfen bei der Verarbeitung von Polymeren häufig, die Kristallisation zu beschleunigen oder mechanische bzw. optische Eigenschaften zu verbessern. Daher ist ein detailliertes Verständnis der grenzflächeninduzierten Kristallisation in Polymeren nicht nur für die Grundlagenforschung wichtig, sondern auch für mögliche Anwendungen.

Die Kristallisation einer Flüssigkeit erfolgt in zwei ­Schritten: Keimbildung und Wachstum. Zunächst muss sich ein kleiner, neuer Kristall bilden. Dieser Keim ist wegen­ ­seiner Grenzflächenenergie zur umgebenden Flüssig­keit oder Schmelze (der Oberflächenenergie) zunächst instabil,­ bis er eine gewisse kritische Mindestgröße – den kritischen Radius – erreicht hat. Erst jenseits davon stabilisiert weiteres Wachstum des Kristalls das System. In der klassischen Keimbildungstheorie ist dies charakterisiert durch eine größen­abhängige freie Enthalpie G: Bei der Keimbildung ist zunächst eine Energiebarriere ΔG* zu überwinden (aktivierter Prozess, Abb. 1a) [2]. Die Wahrscheinlichkeit zum Über­winden dieser Barriere ist proportional zu exp(–ΔG*/kBT). Da ΔG* mit zunehmender Unterkühlung unter die Schmelztemperatur sinkt, nimmt die Keim­bildungsrate zu. Meist findet Kristallisation daher immer erst bei einer gewissen Unterkühlung statt, d. h. einige­ Kelvin bis einige 10 K unterhalb der Schmelztempe­ratur. Die zweistufige Kristallisation bildet sich direkt ab in der typischen Morphologie kristalliner Polymere, die auf mikroskopischer­ Skala meist aus Sphäruliten bestehen (Abb. 1b). Im Zentrum eines Sphärulits befindet sich ein Keim, von dem aus Kristallite in radia­ler Richtung weiter­ wachsen und sich dabei verzweigen. Die resultierende Struktur lässt sich zum Beispiel mit dem Rasterkraft­mikroskop sichtbar machen (Abb. 1c). (...)

Das Standardmodell stellt gegenwärtig die beste Erklärung der physikalischen Welt dar und ist in beeindruckender Weise experimentell bestätigt. Es beschreibt in einer komprimierten Form alle bekannten Elementarteilchen außer dem Graviton sowie deren Wechselwirkungen in einer zusammenhängenden Weise. (Das Standardmodell berücksichtigt die Gravitation nicht, doch von der Existenz des Gravitons wird mehrheitlich ausgegangen, auch wenn ein experimenteller Nachweis noch fehlt.) Aber natürlich lässt sich nicht ausschließen, dass es in der Zukunft eine noch bessere Erklärung geben wird.

Das Standardmodell gibt allerdings keine Antwort auf die Frage, um was es sich bei den beschriebenen Elementarteilchen wie dem Elektron eigentlich handelt. Über die Eigenschaften hinaus, die sich etwa einem Elektron zuschreiben lassen, wie Ladung oder Ruhemasse, stellt sich die Frage, ob ein Elektron beständig bzw. materiell ist: Besteht es aus Materie, aus Energie oder aus etwas anderem? Sucht man Antworten auf diese Fragen, so gerät man unvermeidlich in den Grenzbereich von Physik und Philo­sophie. Daher möchte ich in diesem Artikel schildern, welche Charakterisierungen diese beiden Disziplinen jeweils aktuell anbieten [1].

Für die Physik setzt sich jedes Stück Materie wie ein Stein oder ein Stück Holz aus kleineren Teilchen zusammen. Die kleinsten Teilchen jeder Materie sind die Elektronen sowie die Neutronen und Protonen, die wiederum aus Quarks bestehen. Welche Klassifizierung bietet das Standard­modell hinsichtlich der Elementarteilchen? Diese setzen sich aus Fermionen und Bosonen zusammen [2]. Die Fermionen unterteilt man dabei in Leptonen und Quarks. Die sechs Arten von Leptonen sind das Elektron e, Myon μ, Tauon τ sowie die drei entsprechenden Neutrinos. Zusammenfassend ergeben sich folgende Aussagen des Standardmodells (Abb. 1): (...)