Ich blicke zurück auf das Jahr 2013 und sage danke!

Das Jahr 2013 geht dem Ende zu - dies möchte ich als Anlass für einen kurzen Rückblick nehmen.

Das (bald) vergangene Jahr war für dieses Blog ein ganz besonderes Jahr, nämlich aus dem einfachen Grund, dass es sein erstes war. Ich habe ungefähr im April 2013 angefangen, halbwegs regelmäßig Blogartikel zu schreiben. Seitdem wurden 80 Einträge veröffentlicht, in welchen ich immer wieder versucht habe, die Themenwahl abwechslungsreich zu halten und die Artikel möglichst verständlich zu formulieren. Vor allem das verständliche Formulieren und Erklären stellt für mich manchmal eine große Herausforderung dar - besonders weil die Themen mancher Artikel, die ziemlich tief in den Wissensbereich der Physik eindringen und unsere Alltagserfahrung auf den Kopf stellen, ohne die Verwendung von Mathematik nur sehr oberflächlich - ja vielleicht sogar undurchsichtig - zu behandeln sind. Dennoch wollte ich es immer wieder versuchen.

"Golden Record Cover" - Wie kann man diese Botschaft an Außerirdische lesen?
(Credit: NASA, via Wikimedia Commons)

Was waren die Höhepunkte im Blog?

Um die Highlights der Leser nennen zu können, muss ich mich auf die Statistiken verlassen. Die meistgelesenen Artikel im Jahr 2013 waren:

1. Somnium - Der erste Sci-Fi-Roman,
   welcher im Wesentlichen eine Besprechung des ersten Science-Fiction-Werkes ist. Somnium wurde von niemand anderem als von Johannes Kepler um 1610 geschrieben.
2. Entwicklung der Quantenphysik VII - Wie sehen Atome aus?
   In diesem Artikel geht es hauptsächlich darum, warum und wie man die Frage nach der Gestalt der Atome stellen muss.
3. Feynmans inverser Wassersprinkler - Die Auflösung,
   in welchem der berühmte inverse Wassersprinkler mit grundlegenden physikalischen Konzepten und möglichst einfach erklärt wird.
4. Unsere Botschaften an Außerirdische + Leitfaden für den Erstkontakt.
   Hier erkläre ich einige Botschaften, die im Laufe der Geschichte ins All geschickt wurden, um vielleicht von einer außerirdischen Intelligenz gefunden zu werden.
5. Entwicklung der Quantenphysik X - Der verblüffende Versuch (2/2).
   Ein weiterer Teil aus der Artikelserie zur Entwicklung der Quantenphysik. Es geht um den bekannten Doppelspaltversuch. (Ich empfehle allerdings, den ersten Teil zum Doppelspaltversuch vorher zu lesen ...oder noch besser: die ganze Artikelserie! ;-) )

Etwa 360 Jahre nach "Somnium" reisen Menschen auf den Mond.
Das hätte wohl damals selbst dem ersten Sci-Fi-Autor Kepler zu viel Vorstellungskraft abverlangt.
(Quelle: http://spaceflight.nasa.gov/gallery/images/apollo/apollo16/html/as16-113-18339.html) 

Welche Artikel machten mir beim Schreiben besonderen Spaß?

Für viele Artikel habe ich zuvor in Büchern, im Internet, etc. gelesen und recherchiert. Dabei habe ich selbst viele Details dazugelernt, sodass ich beim Schreiben mancher Artikel fasziniert war und selbst Freude hatte.
Hier sind also meine "Lieblingsartikel":

1. Artikelserie zur Entwicklung der Quantenphysik.
   Durch das Schreiben dieser Artikel konnte ich meine Gedanken zu diesem Thema strukturieren und somit einen klareren Kopf bekommen. Außerdem ist Quantenphysik cool, nicht wahr? ;-)
2. Somnium - Der erste Sci-Fi-Roman.
   Nach dem Lesen von Keplers Werk und einigen Erörterungen des Buches hatte ich das Gefühl, mich mit einem Thema ganz gut auszukennen, von dem ich zuvor nicht einmal wusste, dass es existierte. So etwas ist immer toll!
3. Feynmans inverser Wassersprinkler - Die Auflösung.
   Wie dieser inverse Sprinkler wirklich funktioniert, habe ich mich bereits Jahre zuvor gefragt. Schließlich stolperte ich über ein Paper, welches diesen Versuch auf sehr verständliche Art erklärt. Nach dem Schreiben dieses Artikels habe ich Feynmans inversen Wassersprinkler endlich verstanden.
4. Einstein, Prinzessin Leia und das Telefon-Hologramm.
   Man kann sich denken, dass sich jeder Körper ein bisschen verformt, wenn man auf ihn draufdrückt. Was ich allerdings sehr erstaunlich finde, ist, dass man z. B. tatsächlich die Verformungen eines Telefonapparates unter der Gewichtskraft des Hörers sichtbar machen kann. In diesem Artikel erkläre ich, wie das geht.
5. Im Erdkern sitzt ein riesiger Stabmagnet, oder?
   Die Erde hat ja bekanntlich ein Magnetfeld, welches von weitem aussieht, als würde es von einem Stabmagneten im Inneren kommen. Ist unter unseren Füßen tatsächlich ein gigantischer Stabmagnet? Oder wird das Magnetfeld durch etwas anderes hervorgerufen? Können wir diese Frage überhaupt beantworten? Antworten auf diese Fragen im Artikel...

Die Verformung eines Telefonapparates unter Einwirkung der Gewichtskraft des Hörers.
Sichtbar gemacht mit Hilfe der Methode der holographischen Interferometrie.
(Bildquelle: Homepage von Jakob Woisetschläger)

Weniger anspruchsvolle, unterhaltsame Artikel

Viele der oben angeführten Artikel sind vermutlich bereits relativ anspruchsvoll, wenn man sich nicht alltäglich mit Physik beschäftigt. Deshalb möchte ich hier noch einmal auf ein paar weniger anspruchsvolle, vergleichsweise unterhaltsame Artikel hinweisen:

1. Was haben der Herrscher der Unterwelt, das 94. Element und Micky Maus gemeinsam?
   ...und was Venetia Burney aus Oxford damit zu tun?
2. Sind gerade Zahlen böse? / Beziehungstipps für Pythagoräer.
   Ein paar witzige, zahlensymbolische Spielereien.
3. Typisch Feynman...
   Eine weitere Anekdote aus dem Leben des Physikers Richard P. Feynman.
4. Ein Physiker geht duschen...
   Harald Lesch erklärt, warum einem der Duschvorhang beim Duschen immer entgegen kommt. Ich ergänze seine Erklärungen, indem ich die Bedeutung einer wichtigen physikalischen Formel etwas erläutere.
5. Atombomben: Explosionen seit 1945.
   Das ist einfach nur ein Video, in welchem alle Explosionen von nuklearen Sprengköpfen (bis auf die erst kürzlich getätigten Versuche von Nordkorea) gezeigt werden. Sehr befremdlich anzusehen!

Chris Cassidy und Karen Nyberg sind schwerelos in der Kuppel der Internationalen Raumstation, 7. August 2013.
(Credit: NASA)

Anspruchsvollere Artikel

Es hat auch einige Artikel gegeben, beim Lesen derer man sicherlich konzentriert mitdenken musste, um nicht den roten Faden zu verlieren. Für alle, die an detaillierteren Ausführungen interessiert sind, führe ich ein paar der vergleichsweise anspruchsvollen Artikel hier noch einmal an:

1. Artikelserie zur Entwicklung der Quantenphysik.
   Um wirklich etwas von dieser Artikelserie mitnehmen zu können, sollte man sie wahrscheinlich von Anfang bis Ende lesen und dabei ständig möglichst viele der vorgestellten Konzepte im Gedächtnis behalten.
2. Artikel zur Fresnel-Beugung: Es geht um eine spezielle Art der Lichtbeugung und eine mögliche Anwendung derer.
   1) Ein Loch als Intensitätsverstärker von Licht
   2) Lupeneffekt durch Lichtabsorption
3. Ist der Dopplereffekt falsch? - Rotverschiebung der Sonne.
   Wie immer, wenn es um Einsteins Relativitätstheorie geht, muss man sich von den Alltagserfahrungen befreien, um etwas verstehen zu können. Das ist schwierig. Doch wenn man es schafft, wird man mit einer völlig neuen Sichtweise der Realität belohnt.
4. Ein oft vernachlässigtes Detail der Entropie.
   Die Entropie in abgeschlossenen Systemen bleibt ohne Fremdeinwirkung immer gleich oder wächst an - von alleine wird sie nie weniger. So liest man das in den meisten Büchern. Warum mich diese Formulierung lange davon abgehalten hat, das Entropiekonzept zu verstehen, erkläre ich in diesem Artikel.
5. Ein Raumanzug für Mona Lisa - Fehlerkorrigierende Codes (Gastbeitrag).
   Wie kann man Codes generieren, die nach einer fehlerhaften Übertragung wieder vollständig rekonstruierbar sind? Lasst euch dies von Jakob Kogler erklären!

Feynman-Diagramm, in dem ein Elektron ein Photon emittiert, und danach wieder eines absorbiert.
Antiteilchen kann man als Teilchen interpretieren, die sich rückwärts in der Zeit bewegen.

An dieser Stelle möchte ich mich auch bei allen Lesern fürs Vorbeischauen in meinem Blog bedanken!

Ich wünsche euch allen, dass das kommende Jahr 2014 mindestens so gut wird, wie ihr es euch erhofft!

Wir sehen uns wieder im neuen Jahr!

Kein Feuerwerk, sondern eine Simulation des Erdmagnetfelds.
(Credit: Gary A. Glatzmeier, von Wikimedia Commons)

Skipisten-Wissenschaft: Die Frage nach der Skibrillen-Farbe

Eben war Weihnachten, der Winter hat zumindest für diejenigen begonnen, die auf der Nordhalbkugel leben, viele haben Ferien. Und einige von euch wird es vermutlich auf die Skipisten ziehen!
SkifahrerInnen wissen, dass diverse Schutzkleidung (Helm etc.) ratsam ist. Insbesondere hilfreich beim Skifahren ist auch eine Skibrille - sie dient als Schutz vor gefährlicher Sonnenstrahlung, vor Wind und Schnee und zur Verbesserung der Umgebungswahrnehmung.
Doch welche Farbe der Skibrille sollte man wählen? Welche Tönung der Scheibe sieht am besten aus? - Tja, tatsächlich ist die Frage der Farbwahl keine Geschmackssache, sondern eine Frage der Physik und der Anatomie des menschlichen Auges.
Inwiefern können diese beiden Disziplinen beim Thema Skibrillen mitreden? - Darüber werde ich im Folgenden etwas erzählen.

Dieser Skifahrer trägt eine Skibrille.
Ob er sonst noch (Schutz-)Kleidung trägt, ist auf diesem Bild nicht zu erkennen, aber für den weiteren Verlauf des Artikels sowieso unerheblich.
(Quelle: http://www.photorack.net)

Warum und wie eine Skibrille Wind, Schnee, usw. von den Augen abhalten kann, ist relativ einsichtig und klar, denke ich. Viel interessanter werden die Überlegungen, wenn man sich zum Ziel setzt, dass eine Skibrille (neben Schutz vor schädlicher Sonnenstrahlung) auch die Wahrnehmung der Umgebung verbessern sollte. Mit Skibrillen sollte man im Schnee also irgendwie "besser sehen" können.

Um zu verstehen, wie dieses Ziel zu erreichen ist, könnten wir uns zuerst fragen, wie wir eigentlich unsere Umgebung wahrnehmen.

"Das ist einfach!", werdet ihr euch denken, "Das von der Umgebung reflektierte Licht trifft in unsere Augen, worauf wir irgendwie mit Hilfe unseres Gehirns ein Bild der Außenwelt erstellen." Und so ist das auch richtig: Licht, das von der Sonne kommt, wird an allem Möglichen gestreut, bevor es die Netzhaut in unseren Augen erreicht. Dort löst es verschiedene Reize aus, die in Form von elektrischen Signalen über den Sehnerv in die dahinter befindliche große Rechenmaschine - das Gehirn - gelangen, um zu etwas für uns Sinnvollem verarbeitet zu werden.
Man kann das Sonnenlicht in seine verschiedenen Wellenlängen aufspalten und sich ansehen, wie viel Licht für jede Wellenlänge auf der Erde ankommt. Dabei verändert die Atmosphäre die spektrale Zusammensetzung des Sonnenlichts deutlich, wie man in der folgenden Abbildung sieht (vgl. extraterrestrische und terrestrische Sonnenstrahlung).

Die extraterrestrische Sonnenstrahlung kann näherungsweise mit einem idealen schwarzen Strahler von 5900 Kelvin beschrieben werden.
Für unsere Überlegungen spielt allerdings nur das Spektrum der terrestrischen Strahlung eine Rolle, davon insbesondere der sichtbare Bereich des Lichts, der zwischen ultraviolettem (UV) und infrarotem (IR) Licht eingezeichnet ist.
(Credit: Degreen / Quilbert, via Wikimedia Commons)

Warum es vielerorts zu "Einschnitten" im terrestrischen Spektrum kommt, habe ich in schon einmal erklärt. (Dort könnt ihr auch nachlesen, wie man die chemische Zusammensetzung von fernen Sternen herausfinden kann.)


Wie bereits erwähnt, wird Sonnenlicht an allem Möglichen reflektiert - nicht nur an Gegenständen und am Boden, sondern auch an Teilchen in der Luft. Mit Hilfe des Modells der Rayleigh-Streuung kann man erklären, warum der Himmel blau ist: Die Luftmoleküle und "Luftteilchen" streuen blaues Licht stärker und öfter als z. B. rotes. Deshalb treffen stets blaue Lichtstrahlen auf unsere Netzhaut, egal in welche Himmelsrichtung wir blicken.
Es ist somit vergleichsweise viel blaues Licht in unserer Atmosphäre unterwegs. Das ändert sich auch kaum, wenn die Witterungsverhältnisse schlecht sind und der Boden mit Schnee bedeckt ist.
(Ich habe übrigens ein Paper namens "Optical Properties of Snow"[1] gefunden - da drinnen könnt ihr vermutlich alles über Skipisten-Licht nachlesen.)

Fürs Erste merken wir uns also:
Auf der Skipiste gibt es viel blaues Licht.

Auf der Skipiste gibt es viel blaues Licht!
Dass ich gerade hier ein so blaulastiges Foto eingefügt habe, ist natürlich reiner Zufall!
(Quelle: http://www.photorack.net)

Nun machen wir einen Abstecher in den Bereich der Anatomie des menschlichen Auges und versuchen, uns einen Eindruck von der Funktionsweise unseres Sehorgans zu verschaffen!

Einstein, Prinzessin Leia und das Telefon-Hologramm

Stell dir vor, du hast einen langen Stab in der Hand - einen ganz langen Stab, der bis zum Mond reicht. Auf der Mondoberfläche steht dein Freund und hält das weit entfernte Stabende fest. Zeitgleich läuft im Fernsehen ein wichtiges Fußballspiel, welches euer Kumpel auf dem Mond zwar sehen kann (die NASA hat ihm freundlicherweise erlaubt, einen (akkubetriebenen) Fernseher auf seinen Spaziergang mitzunehmen), jedoch aufgrund der Zeitverzögerung das "Echtzeit-Feeling" vermisst. (Die Funksignale der Erde brauchen immerhin etwa 1,2 Sekunden, bis sie den Mond erreichen.) Deshalb habt ihr euch ausgemacht, dass du jedes Mal, wenn seine Lieblingsmannschaft ein Tor schießt, den Stab bewegst. So weiß er, dass ein Tor fällt, noch bevor es ihm der Fernseher 1,2 Sekunden später mitteilt. Die Information wurde ihm somit mit Überlichtgeschwindigkeit übermittelt.
Doch halt - hier haben wir einen Widerspruch zu Einsteins Relativitätstheorie, laut welcher sich nichts (nicht einmal irgendeine Art von Information) schneller als das Licht fortpflanzen kann! Irgendetwas stimmt hier nicht! (Und wie ihr bereits vermutet habt, ist es nicht die Relativitätstheorie!)
Vielmehr liegt der Gedankenfehler bei der Signalübertragung über den Stab: Die "Information der Bewegung" kann sich auch im Stab nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Sobald du das erdnahe Ende des Stabes bewegst, wandert eine Welle (mit Unterlichtgeschwindigkeit!) entlang des Stabes. Solange diese Welle nicht bei deinem Freund ankommt, weiß dieser gar nicht, dass du den Stab bereits bewegt hast. Er erfährt es erst später, sogar erst nachdem ihn die Funksignale erreicht haben. (Die ganze Sache mit dem Stab hättet ihr euch also sparen können.)
Eine Folge der Relativitätstheorie ist also, dass es keine Körper geben kann, die vollkommen starr sind. Alles muss bis zu einem gewissen Grad elastisch, verformbar und biegsam sein, denn sonst wäre eine Informationsübertragung schneller als das Licht in der Tat möglich.

Doch wir kennen aus dem Alltag zahlreiche Objekte, die absolut starr und fest erscheinen. Setzt man diese einer Kraft aus, müssten sie sich ja eigentlich verformen, egal wie schwach die Kraft ist, oder? Nehmen wir an, du hast von der Unmöglichkeit der überlichtschnellen Übertragung erfahren und rufst deinen Freund am Mond an, um ihm diese schlechte Nachricht zu überbringen. Nach einigen Erklärungen über die Interferometrieexperimente von Albert Abraham Michelson und Edward Morley, welche die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit in allen Bezugssystemen nahelegten, und zahlreichen Ausschweifungen über die Form der Lorentztransformationen legst du enttäuscht den Hörer auf das Telefon. Dabei wird dir bewusst, dass sich der ganze Telefonapparat aufgrund des Gewichts des Hörers ja eigentlich verformen müsste. Kann man diese winzigen Verformungen irgendwie sichtbar machen?
Die Antwort ist: Ja, kann man. Und der heutige Artikel soll eine Methode vorstellen, die dies ermöglicht.

Ein "Fernsprechtischapparat" aus den 1970ern, oder wie ich gerne sage: "Telefon".

Würde uns die Physiologie und die Physik nicht einen Strich durch die Rechnung machen, könnten wir die kleinen Verformungen aufgrund des Hörergewichts direkt sehen. Bei derart kleinen Krafteinwirkungen sind die Verformungen womöglich kleiner als die Wellenlänge des Lichts, das vom Telefonapparat reflektiert wird und unser Auge erreicht. Daher reicht die Auflösung einfach nicht aus, um kleine Strukturen und Verformungen zu erkennen.

Wir werden daher tief in die physikalische Trickkiste greifen und uns der Methode der holographischen Interferometrie bedienen.

Prinzessin Leia als Hologramm
(Szene aus Star Wars, Episode IV - Eine neue Hoffnung)

Wenn es um Hologramme geht, denken viele vielleicht an die Szene aus Star Wars, in welcher der Droide R2-D2 den Hilferuf der Prinzessin Leia in Form eines Hologramms überbringt. (Zumindest ich denke an Star Wars, da ich es mir vor kurzem wieder angesehen habe.)
Vielleicht denken manche aber auch an die etwas realistischere Form von Hologrammen, wie sie z. B. in diesem Video recht eindrucksvoll gezeigt wird.

Um das Kernthema des Artikels (die holographische Interferometrie) zu verstehen, werde ich nun ein bisschen etwas über Hologramme schreiben.

Als "Erfinder" der Holographie gilt der Ingenieur Dennis Gábor, der für das Konzept der Holographie im Jahr 1971 den Nobelpreis für Physik erhielt. Die Motivation hinter seiner "Erfindung und Entwicklung der holographischen Methode" bestand allerdings nicht in der dreidimensionalen Abbildung von Objekten, sondern vielmehr in der Verbesserung des Auflösungsvermögens von Mikroskopen. Die technische Umsetzung der Holographie war allerdings bis zur Erfindung des Lasers nur sehr begrenzt möglich.

Ein Raumanzug für Mona Lisa - Fehlerkorrigierende Codes (Gastbeitrag)

Heute gibt's etwas Besonderes, etwas Erstmaliges: einen Gastartikel.
Es werden Methoden vorgestellt, die uns in unserem technischen Alltag eine Vielzahl von Sorgen nehmen. Dank der folgenden klugen Überlegungen ist es z. B. möglich, diesen Artikel fehlerfrei auf eure Bildschirme zu bringen - und alleine deswegen hat die Technik der fehlerkorrigierenden Codes bereits ihre Berechtigung, wie ihr nach dem Lesen des folgenden Textes von Jakob Kogler sicher auch denken werdet! ;-)

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Einleitung

Vergangene Woche wurde von der NASA der Rekord für die schnellste Datenübertragung durch das Weltall gebrochen. Seit eh und je verwendet die NASA zur Kommunikation mit Satelliten, der Crew von der ISS, usw. sogenannte RF-Systeme, sprich Radiowellen. Mittlerweile gerät diese Technik aber an ihre Grenzen. Durch bessere Messgeräte, größere Auflösung bei Kameras,... entstehen immer mehr Daten, die zur Erde gesendet werden sollen. Doch die Geschwindigkeit bei Funkübertragungen ist begrenzt. Dadurch treffen wichtige Ergebnisse erst verspätet an bzw. HD-Videos können nicht live angesehen werden. Deshalb experimentiert die NASA seit einiger Zeit mit alternativen Techniken. Letzte Woche ist es ihnen bei der LLCD (Lunar Laser Communication Demonstration) gelungen, den alten Rekord zu brechen. Bei dieser neuen Technik werden pulsierende Laserstrahlen verwendet, die für eine deutlich schnellere Übertragung sorgen. Im vergangenen September wurde dazu der Satellit LADEE in den Orbit des Mondes geschossen. Über die große Distanz von 385.000 Kilometern wurde eine Downloadgeschwindigkeit (Mond → Erde) von 622 Mbps und Uploadgeschwindigkeit (Erde → Mond) von 20 Mbps gemessen, was ungefähr der 5-fachen alten Geschwindigkeit entspricht.

Satellit LADEE und die Kommunikation über Laserstrahlen
(Credit: NASA)

Bereits im Januar dieses Jahres ist diese neue Technik in die Medien gerückt, als ein ähnliches Experiment stattfand. Damals wurde allerdings nicht die Geschwindigkeit untersucht, sondern die Fehleranfälligkeit. Wie man sich denken kann, ist so eine Übertragung nicht perfekt, schließlich liegt die Erdatmosphäre zwischen Sender und Empfänger. Bei diesem Experiment wurde eine digitale Version der Mona Lisa mit einer Auflösung von 152x200 Pixel zu einem mondnahen Satelliten geschickt. Zum Testen der Fehleranfälligkeit schickten sie das Bild einmal in Rohform und einmal veränderten sie die Daten vorher mit einem bestimmten mathematischen Verfahren, das ich in diesem Artikel vorstellen möchte. Das Ergebnis sieht man in der folgenden Grafik. Links ist das Ergebnis der normalen Übertragung, bei welcher große Teile des Bildes nicht richtig angekommen sind, wobei weiße Pixel fehlende und schwarze Pixel falsche Daten indizieren. Rechts hingegen kann man keine Fehler beobachten.

Ergebnis der Übertragung der Mona Lisa
(Credit: Xiaoli Sun, NASA Goddard)

Dieses mathematische Verfahren nennt sich "fehlerkorrigierende Codes"; in diesem Fall verwendete die NASA einen speziellen Reed-Solomon-Code. Diese Codes sind alltäglicher als man glaubt. Jeder von uns verwendet tägliche diese Technik. Schließlich übertragen wir ständig Daten, sei es übers Handy (Anrufe, SMS, Internet), am PC, wo Daten von der Festplatte oder von der RAM gelesen werden, wenn wir uns eine CD anhören, ... An all diese Übertragungen stellen wir eine wichtige Anforderung. Die Daten sollen genauso ankommen, wie sie ursprünglich waren. Eine CD bekommt nach kurzer Zeit Kratzer, doch wir möchten die Musik rauschfrei genießen, bei Funkübertragungen stören kosmische oder elektromagnetische Strahlen, trotzdem möchten wir keine SMS der Art "Tref/*n um 1%:00" entziffern müssen, und wir wollen keine wichtigen Daten verlieren, nur weil irgendwo beim Speichern ein kleiner Fehler passiert ist.

Die wie wird man diese Fehler los? Die Physik kann keine hundertprozentig fehlerfreie Übertragung gewährleisten. Neben dem Interpolieren der fehlerhaften Daten gibt es ein anderes mathematisches Verfahren. Man greift schon vor dem Versenden mittels fehlerkorrigierenden Codes ein. Bei diesem Verfahren bringt man die Daten vor dem Senden auf eine spezielle Gestalt, sodass man, falls bei der Übertragung Fehler passieren, diese erkennen und korrekt ausbessern kann.

Im Erdkern sitzt ein riesiger Stabmagnet, oder?

Betrachtet man das Magnetfeld der Erde in größerer Entfernung, so sieht es aus, als ob dieses von einem riesigen, gekippten Stabmagneten kommt, der um ca. 450 Kilometer aus dem Erdmittelpunkt in Richtung 140° östlicher Länge verschoben ist.¹ Und obwohl eine Kompassnadel immer nach Norden zu zeigen scheint, stimmen die magnetischen Pole nicht ganz mit den geographischen Polen überein. Der "Magnet" im Inneren der Erde ist momentan um etwas mehr als 11° gegenüber der Erdrotationsachse geneigt.

Bild des Erdmagnetfeldes, welches gegenüber der Erdachse geneigt ist.
(Credit: Universität Bremen, von Wikimedia Commons)

Doch wie kommt dieses Magnetfeld überhaupt zustande? Sitzt wirklich ein gigantischer Stabmagnet mit einer roten und einer grünen Hälfte inmitten des Erdballs? (Sind seine Hälften womöglich sogar mit "N" und "S" beschriftet?)
Wissen wir eigentlich etwas über die Ursache unseres globalen Magnetfeldes? Ich meine, das tiefste Loch, das Menschen jemals gegraben haben, ist nur ein paar lächerliche Kilometer tief - nichts im Vergleich zu den etwa 6400 Kilometern bis zum Erdmittelpunkt! Noch nie konnte also jemand direkt in den Erdkern schauen und einen großen Stabmagneten sehen.
Naja, dass ein Stabmagnet, wie man ihn aus den Physikschulbüchern kennt, tatsächlich in dieser Form im Inneren der Erde steckt, ist von vornherein wohl eher unwahrscheinlich. Doch wäre eine andere Form eines solchen Magneten denkbar, die das gleiche Magnetfeld erzeugt und natürlich entstanden sein könnte?

Nun ja... Da wir, wie es aussieht, nicht hinuntergraben und nachsehen können, müssen wir versuchen, den Ursprung des Erdmagnetfelds auf eine andere Art herauszufinden.

Sternenlicht "lesen" VI - Beispiel Sonne

Aus naheliegenden Gründen war die Sonne immer schon der wichtigste Himmelskörper für jedes Leben auf der Erde. Menschen, die bereits lange vor dem Anfang der Geschichtsschreibung lebten, machten sich Gedanken über sie. Viele Kultstätten wurden errichtet, um die Bewegung der Sonne zu verfolgen. Verschiedene Kulturen brachten verschiedene Mythen um die Sonne hervor, die ihr Verhalten am Himmel und das Verhalten der anderen Himmelskörper zu erklären versuchten. Später wurden Bemühungen unternommen, den Abstand der Sonne und ähnliche Daten zu ermitteln. Dabei erreichte man trotz Mangel an moderner Technologie oft ein erstaunlich hohes Maß an Genauigkeit.
In diesem Artikel werde ich mich allerdings weniger mit der Erforschung der Sonne in der Geschichte beschäftigen, sondern mich auf moderne Messmethoden konzentrieren, um zu zeigen, wie wir die Eigenschaften der Sonne in Erfahrung bringen können.
Abschließend gibt's dann noch zwei wirklich sehenswerte Videos. ;-)

Sternenlicht "lesen" V - Masse eines Sterns

Mit diesem Artikel schließe ich die Reihe "Sternenlicht 'lesen'" inhaltlich ab.
Es geht hier zuletzt darum, wie man die Masse eines Sterns bestimmen kann. Wiederum können wir nur sein abgestrahltes Licht betrachten und analysieren und mittels logischen Schlussfolgerungen seine Masse herausfinden.
Am Beispiel der Bestimmung der Sonnenmasse kann man die Vorgehensweise verstehen und analog auf die Massenbestimmung von anderen, weit entfernten Sternen übertragen.

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Vorhergehende Artikel (zum Verständnis dieses Artikels teilweise notwendig):

1. Helligkeit und Leuchtkraft
2. Temperatur eines Sterns
3. Chemische Zusammensetzung
4. Radius eines Sterns

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V) Masse eines Sterns:

Um das ganze etwas begreiflicher zu machen, erkläre ich kurz die Bestimmung der Masse unserer Sonne.
Im Prinzip braucht man dafür nur die Umlaufdauer eines Himmelskörpers, der die Sonne umkreist, und seine Entfernung von der Sonne. Natürlich verwenden wird die Daten unserer Erde, alles andere wäre in diesem Fall umständlich. Die Umlaufdauer der Erde - sie wird mit T bezeichnet - beträgt bekanntermaßen 365,25 Tage. Die Entfernung zum Zentralobjekt stellt allgemein die große Halbachse a der elliptischen Umlaufbahn dar und beträgt in unserem etwa 150 Mio. km.
Die Achsen einer Ellipse sind zur Veranschaulichung kurz dargestellt:

Ellipse mit Halbachsen
(a...große Halbachse, b...kleine Halbachse)

Protonenkanonen in Wiener Neustadt - Oder: Warum MedAustron?

Aufgrund des medizinischen Fortschritts in unserer Gesellschaft und anderer Faktoren steigt die Lebenserwartung von Generation zu Generation. Momentan werden Menschen in Europa im Schnitt etwa 80 Jahre alt. Das ist einerseits angenehm, da ein langes Leben wohl in erster Linie auf den Wohlstand in unserer Gesellschaft zurückzuführen ist, andererseits werden unsere Körper mit zunehmendem Alter immer anfälliger für Krebs- oder Tumorerkrankungen und andere unangenehme Dinge. Die Forschung und den technologischen Fortschritt in vielen Bereichen (Medizin, Physik, Biologie, Chemie, usw.) machen wir uns zu Nutze, indem wir verschiedene Möglichkeiten entwickelten, um tumoröse Zellen in unseren Körpern loszuwerden. Es gibt verschiedene Ansätze, die meisten beinhalten allerdings den Einsatz von Strahlung, welche idealerweise Radikale erzeugt, die wiederum die Zerstörung von bösartigen Zellen zur Folge haben.

Solche Strahlung wird ionisierende Strahlung genannt. Sie kommt durchaus häufig in der Natur vor (Kosmische Strahlung, Radioaktivität, UV-Licht,...), allerdings ist auch ein erheblicher Teil unserer im Laufe des Lebens aufgenommenen Strahlung auf zivilisatorische Strahlungsquellen zurückzuführen (z. B. Strahlenbelastung durch Röntgenaufnahmen, radioaktives Material von früheren Kernwaffentests oder Nuklearunfällen, ...). Die durchschnittliche Jahresdosis für einen Menschen beträgt etwa 2,4 mSv (Millisievert) aus natürlichen Strahlungsquellen und 1,5 mSv aus zivilisatorischen. Etwa zwei Drittel unserer Strahlenbelastung kommen also aus Bereichen, wie z. B. der Röntgendiagnostik oder der Nuklearmedizin. (Wobei wir einen großen Teil dieser Art von Strahlenbelastung erst in den letzten Monaten vor dem Tod abbekommen.)

Doch wie kann man Tumore behandeln?
Im Jahr 2010 wurden in Österreich 36.733 Krebsneuerkrankungen dokumentiert - in 46,5 Prozent der Fälle war eine Therapie erfolgreich. (Quelle: Statistik Austria)
Obwohl die Therapien für gewisse Erkrankungen bereits äußerst erfolgreich sind, wäre es natürlich wünschenswert, diese Erfolgsrate auch allgemein steigern zu können.

Einen Schritt in diese Richtung stellt der Fortschritt auf dem Gebiet der Strahlentherapie mit Protonen oder Kohlenstoffionen dar.
Die Bestrahlung von tumorösen Zellen mit Protonen bzw. Kohlenstoffionen hat entscheidende Vorteile gegenüber der herkömmlichen Bestrahlung mit Photonen (Gammastrahlung, Röntgenstrahlung)!

Zu Recht: Links - September 2013 (2/2)

Worauf bin ich in letzter Zeit im Internet gestoßen und was ist mir davon in Erinnerung geblieben? - Hier trage ich wieder einmal eine Auswahl empfehlenswerter Links zusammen.

Die Einträge, die mit einem "≤" eingeleitet werden, sind besonders sehenswert! Allen, denen die folgende Liste etwas zu lang ist, möchte ich bei ihrer Wahl damit ein bisschen unter die Arme greifen. ;-)

Hunderte alter Link-Empfehlungen sind hier zu finden.

Sternenlicht "lesen" IV - Radius eines Sterns

Wie können wir die Größe eines fernen Sterns bestimmen? Einfach mit einem guten Teleskop hinzuschauen und unter Berücksichtigung seiner Entfernung die Größe abzuschätzen, ist schlicht und einfach ungenau und nicht zielführend. Wir brauchen andere Methoden!
Dazu sammeln wir alle Informationen, die wir über den Stern erfahren können - und all diese Informationen stecken in seinem ausgesandten Licht. Abermals haben wir nicht mehr (und nicht weniger) als das. Einen Großteil unseres Wissens über die Himmelskörper übermittelte uns nur das Licht. Es ist schon faszinierend, dass wir uns ein Bild von Orten im Weltall machen können, an denen natürlich noch niemand von uns war und zu denen wir auch wohl niemals gelangen können. Das alles ist möglich durch den wissenschaftlichen und technischen Fortschritt und durch die Macht des logischen Denkens.
Heute soll es darum gehen, wie man den Radius ferner Sterne, die uns ja normalerweise nur als Punkte ohne Ausdehnung am Himmel erscheinen, mit geschickten Überlegungen herausfinden kann.

Die Sonne schrumpft

...und zwar gewaltig schnell, wenn man in irdischen Dimensionen denkt.

Im Kern der Sonne passieren ja ständig nukleare Fusionen, bei denen Wasserstoff in Helium umgewandelt wird. Dabei werden - grob gesagt - aus vier Wasserstoffatomen ein Heliumatom. Der Grund, warum die Sonne so heiß ist, ist folgender: Nimmt man die einzelnen Bestandteile, die ein Heliumatom aufbauen (zwei Protonen und zwei Neutronen), "wiegt" man sie einzeln ab und zählt ihre Massen dann zusammen, so beobachtet man, dass diese Summe der einzelnen Massen größer ist als die Masse eines Heliumatoms. Wie ist das möglich? Warum werden unsere atomaren "Grundbausteine" plötzlich leichter, wenn man sie zu einem Heliumatom kombiniert?

Schematischer Ablauf der Proton-Proton-Reaktion
(Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:FusionintheSun.svg)

Zwischen "Ausgangsstoffen" und "Endprodukten" gibt es also einen Massenunterschied. Kann man sagen, es ist Masse "verloren" gegangen? Ist Masse nicht eine Art Erhaltungsgröße, sodass sie nie einfach verschwinden oder erscheinen kann? - Die Antwort ist: Nein, die Masse wird nur in der klassischen, newtonschen Physik erhalten. Wie Einstein herausgefunden hat, kann Masse in Energie umgewandelt werden. Masse und Energie sind über seine berühmte Masse-Energie-Äquivalenzformel E = Δmc² miteinander eng verbunden. (Wir schreiben hier "Delta-m" - also Δm - anstatt einfach nur m, was verdeutlichen soll, dass wir uns hier mit Massendifferenzen beschäftigen.) Bei der Kernfusion geht also keine Masse einfach so verloren, sondern sie wird in Energie umgewandelt. Es gilt also eine Art universellerer Erhaltungssatz.
Diese Energie wird abgestrahlt, wandert vom Sonnenkern mehrere 100.000 Jahre zur Sonnenoberfläche und danach etwa acht Minuten lang zu uns auf die Erde, wo sie unsere Eislutscher oder - fast noch schlimmer - unser Bier erwärmt. (Hat sich das ganze also ausgezahlt?) ;-)

Smarter Every Day feiert ein Jubiläum!

Destin vom YouTube-Kanal Smarter Every Day hat vor kurzem die hundertste Folge herausgebracht, in welcher er sein Jubiläum feiert. Es ist ein schönes Video, welches ich euch unbedingt empfehlen möchte.
(Abgesehen davon finde ich, dass Destin eine sehr interessante und sympathische Persönlichkeit ist. Gratulation auch meinerseits zu hundert Folgen Smarter Every Day!)

Vielleicht bekommt der eine oder andere Appetit, sich auch andere seiner Videos anzusehen und smarter even this day zu werden. ;-)

Entwicklung der Quantenphysik XI: Worum ging es nun eigentlich? - Ein Resümee

Puh... es war ein langer Weg bis hierher!

Angefangen hat alles mit dem Problem der Ultraviolett-Katastrophe der Hohlraumstrahlung und Planck's Quantenhypothese. Licht war plötzlich nicht mehr eine Welle, sondern bekam einen Teilchencharakter. Dann ging es richtig los, als Louis de Broglie vorschlug, auch "Teilchen" (wie z. B. Elektronen) durch Materiewellen zu beschreiben. Die Folgen waren weitreichend: Man entdeckte, dass sich die Welt auf fundamentaler Ebene nur mehr durch Wahrscheinlichkeiten ausdrücken lässt. Außerdem gibt es prinzipielle Grenzen in der Bestimmbarkeit gemäß der Heisenberg'schen Unbestimmtheitsrelation. Das klassisch-deterministische Universum von Newton und seinen Zeitgenossen, das bereits durch Einsteins Relativitätstheorie in seinen Grundfesten erschüttert wurde, entpuppte sich als eine zu oberflächliche Naturbeschreibung. Auch in der Atomvorstellung gab es revolutionäre Erkenntnisse - so sind die Elektronenbahnen um den Atomkern in Bohrs Atommodell gequantelt, sodass es für die Elektronen "verbotene" Bereiche gibt, in denen sie sich nicht aufhalten können. Der Doppelspaltversuch mit all seinen Variationen zeigt wohl am deutlichsten, welche Kuriositäten in der mikroskopischen Quantenwelt herrschen: Man kann ihn in Begriffen der klassischen Physik (also unserer "Hausverstandsphysik") nicht erklären.

(Credit: Zach Weiner, SMBC)

Über viele Jahre haben wir mehrere Interpretationen dieser für uns so absonderlich wirkenden Quantenmechanik erarbeitet, die sich bislang als konsistent mit der Natur erwiesen haben. Die am meisten verbreitete und in den meisten Lehrstätten unterrichtete ist die sog. "Kopenhagener Interpretation". Sie erlaubt uns, die Natur mit bisher unerreichter Genauigkeit zu beschreiben und hat nebenbei eine Revolution im technologischen Fortschritt ausgelöst. Moderne Technik wäre ohne die grundlegenden Erkenntnisse vieler Wissenschafter des vorherigen Jahrhunderts nicht denkbar!

Wie wir in dieser Artikelserie gesehen haben, kann die Quantenphysik ehemals paradoxe Phänomene, wie z. B. die Ultraviolett-Katastrophe, die Stabilität der Atome, die Elektronenbeugung oder den photoelektrischen Effekt, zufriedenstellend erklären. (Es gibt eine Erweiterung dieser "neuen Physik", die sog. "Quantenelektrodynamik" oder kurz "QED". Die Quantenelektrodynamik befindet sich bislang in vollkommener Übereinstimmung mit den Experimenten. Obwohl man sie ohne jahrelanger Beschäftigung mit Mathematik und Physik wohl nicht vollständig verstehen kann, möchte ich Interessierten Richard Feynmans Buch "QED: Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie" ans Herz legen. Feynman beschreibt dieses/sein Konzept der QED auf eine Weise, die so anschaulich ist, dass ich sogar etwas damit anfangen konnte, als ich das Buch bereits vor meinem Physikstudium gelesen hatte.)
Die Quantenphysik vermag also alle Erscheinungen der Elektronenhüllen der Atome und damit die Atom- und Molekülphysik auf befriedigende Weise zu beschreiben. Erst bei der Untersuchung der Kernstruktur und der Elementarteilchen wird ihre Beschreibung lückenhaft. (Es ist übrigens auch noch nicht gelungen, allgemeine Relativitätstheorie, also die Gravitation, und die Quantenphysik erfolgreich zu vereinen. Falls das jemandem von euch eines Tages gelingt, könnt ihr wohl gleich die Koffer packen, um euch den Nobelpreis aus Stockholm abzuholen.)

Doch was ist nun eigentlich das Besondere an der Quantenphysik? Was ist ihre "zentrale Aussage"?
Wir haben bisher ja sehr viele kuriose Phänomene kennengelernt, sodass wahrscheinlich untergegangen ist, was die Quantenphysik eigentlich auszeichnet.
In vielen Quellen wird die Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation als die grundlegende Aussage der Quantenphysik bezeichnet. Das stimmt nicht, denn sobald man akzeptiert, dass man "Teilchen" durch Wellen beschreiben kann, folgt die Unbestimmtheitsrelation (und zwar aus dem klassischen Fourier-Theorem). Obwohl diese Relation weitreichende und philosophische Fragen aufwirft, ist sie also in dem Sinne nicht "so besonders", wie einem oftmals glaubhaft gemacht wird.

Zu Recht: Links - September 2013 (1/2)

Worauf bin ich in letzter Zeit im Internet gestoßen und was ist mir davon in Erinnerung geblieben? - Hier trage ich wieder einmal eine Auswahl empfehlenswerter Links zusammen.

Die Einträge, die mit einem "≤" eingeleitet werden, sind besonders sehenswert! Allen, denen die folgende Liste etwas zu lang ist, möchte ich bei ihrer Wahl damit ein bisschen unter die Arme greifen. ;-)

Hunderte alter Link-Empfehlungen sind hier zu finden.

Entwicklung der Quantenphysik X: Der verblüffende Versuch (2/2)

Das letzte Mal habe ich über eines der berühmtesten physikalischen Experimente aller Zeiten geschrieben. Der Young'sche Doppelspalt-Versuch und seine verschiedenen Variationen zeigen tatsächlich sehr demonstrativ, welche kuriosen Überraschungen die Quantenmechanik für uns bereithält, wenn man im Rahmen der klassischen Physik denkt.

Doppelspalt-Experiment
(Credit: Koantum, svg version by Trutz Behn)

Wir haben gedanklich bereits makroskopische Teilchen (Farbtröpfchen) und Licht (in Form von Photonen) durch einen Doppelspalt geschickt. Dabei wurde hoffentlich der Unterschied zwischen der Intensitätsverteilung klassischer Teilchen hinter dem Spalt und der Intensitätsverteilung quantenmechanischer Teilchen (in unserem Fall Photonen) deutlich.
Die Intensitäten der Teilchenstrahlen durch die einzelnen Spalten werden im klassischen Fall einfach zusammengezählt und ergeben somit ganz intuitiv die Gesamtintensität. Man könnte auch sagen: |ψ(x=D, y)|² = |ψ₁|² + |ψ₂|². (Das ψ bedeutet die Wellenfunktion, mit der wir die Teilchen beschreiben. Es handelt sich hierbei um eine Wahrscheinlichkeitsdichte. Im klassischen Fall kann man statt dieser etwas komplizierten Schreibweise einfach ganz normal die Intensitäten der Teilchen durch die einzelnen Spalte addieren: I_gesamt = I₁ + I₂.)
Im Falle von einzelnen Photonen beobachten wir Interferenzen, wenn beide Spalte offen sind! Die Intensität ist plötzlich vom Winkel abhängig, wie man aus dieser Gleichung - durch den Kosinus - ablesen kann (mehr dazu im vorhergehenden Artikel!):
|ψ(x=D, y)|² = |ψ₁+ψ₂|² = |ψ₁|² + |ψ₂|² + (A²/r²)·cos k(r₁-r₂)

Sobald einer der beiden Spalte geschlossen wird, beobachten wir wieder die klassische Intensitätsverteilung.
Die folgenden zwei Abbildungen sollen den Unterschied noch einmal verdeutlichen:

Intesitätsverteilung für klassische Teilchen hinter dem Doppelspalt

(Quelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Slit_double_particles_left%26right.svg)

Intensitätsverteilung von Licht - beide Spalte offen - hinter dem Doppelspalt
(Quelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Slit_double_57_8.svg)

Das Bisherige habe ich ja bereits im letzten Artikel erzählt. Wem das hier zu schnell gegangen ist, der kann dort nachschlagen.

Versuchen wir etwas Neues, indem wir heute Elektronen durch den Doppelspalt schicken!

Entwicklung der Quantenphysik IX: Der verblüffende Versuch (1/2)

Wir haben bisher besprochen, dass Licht aus einer Vielzahl von winzigen, unteilbaren Energiepaketen besteht, den sog. Lichtquanten oder Photonen. Diese Vorstellung war neu, denn Licht wurde zuvor großteils als Welle angesehen. Mindestens genauso spektakulär dürfte dann die Entdeckung gewesen sein, dass das, was man zuvor als "ganz normale" Teilchen angesehen hat, in der Tat Welleneigenschaften besitzt. So kann man Elektronen, die klassisch gesehen als Teilchen gelten, plötzlich durch Materiewellen beschreiben. Die Wellenlänge eines Elektrons heißt in diesem Fall de Broglie-Wellenlänge.
Etwas später lernte man, die Materiewelle eines "Teilchens" als Wahrscheinlichkeitsdichte-Funktion zu interpretieren. Das heißt, man kann nur mehr die Wahrscheinlichkeit kennen, mit der man ein "Teilchen" zu einer bestimmten Zeit an einem bestimmten Ort findet. Zusätzlich folgt aus den bisherigen Annahmen, dass man z. B. Ort und Impuls eines "Teilchens" gleichzeitig nicht mit beliebiger Genauigkeit bestimmen kann. Die Tatsache, dass es für diese simultane Bestimmung eine fundamentale untere Grenze gibt, wird in der Heisenberg'schen Unbestimmtheitsrelation deutlich. Mit dieser Unbestimmtheitsrelation kann man auch die Stabilität der Atome erklären, wie ich im letzten Artikel zum Bohr'schen Atommodell bereits andeutete. Es gibt einen tiefsten Energiezustand für ein Elektron, das sich um den Atomkern bewegt - das Elektron kann also nicht in den Atomkern stürzen, wie man es aufgrund der Coulomb-Anziehung erwarten könnte.

Heute beschreibe ich ein berühmtes Experiment, das einen Großteil aller kuriosen Phänomene der Quantenphysik vereint: Das Doppelspaltexperiment.

Man kann wohl unzählige Bücher über dieses Experiment schreiben, doch ich werde versuchen, mich kurz zu halten und mich darauf zu beschränken, möglichst einfach zu erklären, was passiert, wenn man große Teilchen, kleine Teilchen und Lichtteilchen durch einen Doppelspalt schickt.

Der Doppelspaltversuch ist bei genauerer Betrachtung völlig kurios!

Zu Recht: Links - August 2013 (2/2)

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Entwicklung der Quantenphysik VIII: Das Planetenmodell

Der letzte Artikel stellte folgendes Problem vor: Atome absorbieren und emittieren nur Strahlung bestimmter Energie. Für das Wasserstoffatom gibt es eine einfache Formel, die die Absorptions- bzw. Emissionslinien beschreiben kann. Doch wie müssen Atome aufgebaut sein, um solche Spektren erzeugen zu können? In unserem Fall: Wie sieht das Wasserstoffatom aus? Es muss auf jeden Fall - das hat man bereits früher herausgefunden - aus einem Kern, in dem fast die gesamte Masse des Atoms sitzt, und einer vergleichsweise enorm großen Elektronenhülle bestehen.

Schließlich gelang es Niels Bohr im Jahr 1913 nach langen Bemühungen, ein Modell des Wasserstoffatoms zu entwerfen, das den Anforderungen gerecht zu werden schien. Dieses Atommodell soll heute vorgestellt werden.

Niels Bohr, um 1922
(Quelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Niels_Bohr.jpg)

(Ich werde in diesem Artikel keine Mathematik verwenden. Doch weil die Mathematik hinter diesem Modell recht einfach zu verstehen und ganz nett ist, werde ich sie in einem separaten Artikel anführen. Interessierte können sich nach dem Lesen dieses Artikels dann noch weiter informieren.)

Das Bohr'sche Atommodell (ergänzender Artikel)

Im achten Teil der Artikelserie zur Entwicklung der Quantenphysik habe ich das Bohr'sche Atommodell ("Planetenmodell") mit Worten beschrieben. Es ist aber auch nicht besonders schwierig, ein bisschen Mathematik hinter diesem Konzept nachzuvollziehen. Für Interessierte werde ich dieses Atommodell nun also auf eine andere Art beschreiben, die wohl tiefere Einblicke bieten kann. Dieser Artikel ist, allgemein verglichen mit meinen anderen Artikeln, eher von mathematischer und technischer Natur, wobei ich versuche, das Thema dennoch so verständlich wie möglich aufzubereiten.

Holzblöcke beballern - für die Wissenschaft

Derek Muller von Veritasium motiviert uns in diesem Video, unsere graue Hirnmasse zu aktivieren und ein kleines Quiz zu beantworten.

Das erste Video

Derek stellt das Experiment vor: Eine Pistolenkugel wird von unten in einen Holzblock gefeuert, welcher folglich hochgeschleudert wird, bis er eine gewisse Höhe erreicht. Danach wird die Pistole etwas versetzt, sodass die Kugel nicht mehr in der Mitte des Blocks auftrifft, sondern nahe der Kante. Dadurch rotiert der Block ab jetzt im Flug.
Und hier ist die Quizfrage: Wie hoch wird der Block in die Luft geschleudert werden, wenn ihn die Pistolenkugel am Rand trifft, im Vergleich zur Höhe, die er erreichen würde, wenn ihn die Kugel zentral trifft?

Das zweite Video

Um zu diesem "geheimen" Video zu gelangen, muss man eine der vorgeschlagenen Antworten anklicken. (Dazu unbedingt die Video-Anmerkungen im Player aufgedreht lassen!) Nun erklärt Derek, welche Antwort die richtige ist. (Ich muss zugeben, ich war ziemlich überrascht über den Ausgang des Experiments! Ich hätte genau wie Henry von MinutePhysics oder Destin von Smarter Every Day getippt.)
An diesem Punkt weiß der Zuseher zwar, welche Antwort stimmt, doch weiß er noch nicht, warum sie richtig ist. Letzteres vermittelt uns nächste Woche...

...das dritte Video

Ich bin gespannt! :-)

Sternenlicht "lesen" III - Chemische Zusammensetzung

Vom makroskopischen Objekt zu Atomen, Kernen, Quarks bzw. Gluonen und Strings
(Quelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Th%C3%A9orie_des_cordes-%C3%A9chelle.PNG)

Jede Materie, also alles, was wir kennen, besteht aus kleineren Bestandteilen als wir wahrnehmen können.
So besteht irgendein Material aus einer bestimmten Anordnung von Molekülen und Atomen. Atome bestehen ihrerseits wiederum aus einem Kern und der Hülle. Die aus Elektronen bestehende Hülle nimmt den meisten Platz ein, der Kern ist vergleichsweise winzig. Das Verhältnis von Hülle zu Kern entspricht in etwa dem der Größe eines Fußballfeldes zu einem Stecknadelkopf. Dabei ist quasi die ganze Masse des Atoms im Kern. Der Kern besteht, abhängig vom Element, das er darstellt, aus bishin zu fast 300 Teilchen. Diese Teilchen unterscheiden sich in Protonen und Neutronen. Ein Proton bzw. ein Neutron wird abermals aus noch kleineren Bestandteilen aufgebaut - den Quarks. Es gibt mehrere verschiedene Quarks; die "normale" Materie bauen aber Up- und Down-Quarks auf. Hier sind wir beim kleinsten Baustein des Universums nach dem heutigen überprüfbaren Stand der Wissenschaft angelangt. Es gibt Theorien, in denen noch fundermentalere Bausteine existieren. So sagt z.B. die Superstringtheorie "Strings", eindimensionale, schwingende, offene oder geschlossene "Saiten" vorher, die durch ihr Schwingungsmuster die heute bekannten Teilchen mit all ihren Eigenschaften hervorbringen. (Bislang konnte man Strings experimentell noch nicht nachweisen. Doch vielleicht passiert dies noch in Zukunft.)

Uns Menschen ist es bei weitem nicht möglich, Dinge von der Größe eines Atoms zu sehen. Trotzdem sind wir in der Lage, Atome in der Atmosphäre eines weit entfernten Sterns ausfindig zu machen. Wir können sogar die Anzahl der im Kern enthaltenen Teilchen bestimmen, obwohl der Kern wiegesagt um bis zu einem hunderttausendstel kleiner ist als die Atomhülle. Wow!

Zu Recht: Links - August 2013 (1/2)

Worauf bin ich in letzter Zeit im Internet gestoßen und was ist mir davon in Erinnerung geblieben? - Hier trage ich wieder einmal eine Auswahl empfehlenswerter Links zusammen.

Die Einträge, die mit einem "≤" eingeleitet werden, sind besonders empfehlenswert! Allen, denen die folgende Liste etwas zu lang ist, möchte ich bei ihrer Wahl damit ein bisschen unter die Arme greifen. ;-)

Warum sind Astronauten im All schwerelos?

Wenn man sich Videos von Astronauten im Weltall ansieht, stellt man sofort fest, dass diese umherschweben als würde "dort oben" keine Gravitation wirken. Man sagt ja immerhin auch, dass sie in der "Schwerelosigkeit" (engl. "zero gravity environment") leben.

Aber stimmt es, dass es dort oben keine Gravitation gibt?

Obwohl viele Quellen behaupten, es würden im Weltraum keine gravitativen Kräfte wirken, lautet die richtige Antwort: Gravitation ist überall - und besonders in den Umlaufbahnen um massereiche Körper, wie z. B. die Erde (oder die Sonne oder generell Sterne oder das Zentrum von Galaxien usw. - ihr wisst schon, was ich meine). Die Bezeichnung "zero gravity" oder "Schwerelosigkeit" in Verbindung mit dem Inneren von Raumschiffen oder Experimenten in der Internationalen Raumstation (ISS) ist jedoch sehr irreführend, wie ich finde.
Tatsächlich würden Astronauten das gleiche Gefühl von "Schwerelosigkeit" haben, wenn sie sich, anstatt die Erde zu umkreisen, in den Weiten des Weltraumes bewegen würden. "Sich im Erdorbit zu befinden" und "frei durch's All zu fliegen" sind für das Empfinden der Astronauten das selbe. Wenn ihr Raumschiff keine Fenster hätte, würden sich die Astronauten ziemlich schwer tun zu bestimmen, ob sie die Erde umkreisen oder fernab jeglicher Massen durch's Universum reisen. Dennoch ist der Begriff der "Schwerelosigkeit" von Astronauten in einer Erdumlaufbahn irreführend - an Orten, wie z. B. in der ISS, gibt es nämlich definitiv Gravitation!

Chris Cassidy und Karen Nyberg in der Kuppel der Internationalen Raumstation, 7. August 2013.
(Credit: NASA)

Aber warum "schweben" Astronauten in der ISS als ob keine gravitativen Kräfte auf sie wirken würden?

Die Antwort ist, dass sie sich gemeinsam mit ihrem Raumschiff im freien Fall um die Erde befinden. Und im freien Fall ist man nun mal schwerelos.

Meteorschauer hören

In den nächsten Tagen rast unser Raumschiff Erde wieder durch die Trümmerspur des Kometen Swift-Tuttle. Das Ergebnis sind die beeindruckenden Perseiden, ein Meteorstrom, dessen Ursprung für uns etwa im Sternbild des Perseus zu liegen scheint. Leider dürfte das Wetter nicht besonders mitspielen - das ist schade, denn dieses Jahr könnte man die vielen (bis zu 100 pro Stunde) Sternschnuppen besonders gut sehen, da kein störendes Mondlicht vorhanden ist.

Perseiden-Meteor (2009)
(Credit: Andreas Möller,
Quelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Perseiden_Meteor_(2009).jpg)

Doch wie kriegt man die Perseiden mit, wenn man sie möglicherweise nicht sehen kann? - Naja...man kann sie hörbar machen, und das ist im Prinzip auch gar nicht so schwierig.

Somnium - der erste Sci-Fi-Roman

Habt ihr euch schon einmal gefragt, wann zum ersten Mal ein Science-Fiction-Text geschrieben wurde und wer somit der Schöpfer dieses Genres war? - Ich nämlich bisher nicht.
Aber vor kurzem habe ich in Carl Sagans Buch "Cosmos" über eben dieses erste Science-Fiction-Werk gelesen. Ob man nun ein Sci-Fi-Fan ist oder nicht - die Geschichte um dieses Buch und die Handlung des Werkes sind durchaus interessant, denke ich, und haben außerdem eine gewisse kulturelle Bedeutung.

"Somnium" (lat. für Traum) heißt dieser kurze Text und wurde von niemand anderem geschrieben als von Johannes Kepler um 1610. (Von ihm stammen die berühmten Keplerschen Gesetze für die Bewegung von Planeten, die wohl jeder irgendwann schon mal lernen musste.) Veröffentlicht wurde es allerdings erst 1634 (überdies in kürzerer Form als gedacht) aufgrund verschiedener Umstände, auf die ich später noch kurz eingehen werde.

(Ich werde übrigens die von Daniel A. Di Liscia (Kepler-Kommission der Bayerischen Akademie der Wissenschaften) überarbeitete Version der deutschen Übersetzung von Ludwig Günther (1889) mit dem Titel "Keplers Traum vom Mond" verwenden, welche von Rainer Zenz 2013 digitalisiert und gestaltet wurde. Kurzum: Ich behandle diese Version, welche laut Impressum gemeinfrei ist.)


Ausgangspunkt für Keplers "Somnium" ist das kopernikanische Weltbild, das die Sonne in den Mittelpunkt des Universums rückt und das sich zu Keplers Zeit noch nicht vollständig gegen das vorherrschende geozentrische (ptolemäische) Weltbild durchsetzen konnte. Der evangelische Theologe, Mathematiker und Astronom Johannes Kepler war allerdings von dessen Gültigkeit überzeugt und konnte - im Gegensatz zu den wohl meisten seiner Zeitgenossen - den folgenden, durchaus sinnvollen Gedanken fassen: Wir Menschen auf der Erde sind an die Beschleunigung in Richtung des Erdmittelpunkts gewohnt und spüren auch die Bewegung der Erde um die Sonne nicht. Deshalb unterliegen wir der Illusion, wir würden uns in Ruhe befinden. Mögliche Bewohner anderer Welten (z. B. des Mondes) würden das gleiche von sich behaupten - nämlich dass auch sie sich in Ruhe befinden. Eben diesen Gedanken wollte Kepler in seinem "Somnium" einem breiteren Publikum bewusst machen, sodass das heliozentrische (= kopernikanische) Weltbild an Anerkennung gewinnen konnte.

Buchumschlag mit Tuschezeichnungen von Galileo Galilei, 1610

Thermodynamik lernen mit Muse

Thermodynamik ist ja doch oft ein bisschen zach, wenn man es lernen muss, jedoch nicht ganz versteht, und der Stoff meistens relativ trocken präsentiert wird!

Mit der britischen Rockband Muse macht es vielleicht ein bisschen mehr Spaß! ;-)
Natürlich kann man über Thermodynamik und Entropie viel mehr sagen als im Liedtext vorkommt (einen Aspekt der Entropie habe ich vor kurzem ja in einem Artikel beschrieben). Aber niemand anderer wird einem beim Physik lernen so die Ohren durchpusten wie Muse mit ihrem Lied "The 2nd Law: Unsustainable".
Auch das Album heißt "The 2nd Law" - also hat auch dieser Titel mit der besungenen Entropie zu tun (Stichwort: zweiter Hauptsatz der Thermodynamik).

Na dann: Lautstärke aufdrehen und durchdrehen! ;-)
Unter dem Video gibt's dann den Text zum Mitlesen.

All natural and technological processes proceed in such a way that the availability of the remaining energy decreases.
In all energy exchanges, if no energy enters or leaves an isolated system, the entropy of that system increases.

Energy continuously flows from being concentrated, to becoming dispersed, spread out, wasted and useless.
New energy cannot be created and high grade energy is being destroyed. An economy based on endless growth is... Un-sus-tain-able!

The fundamental laws of thermodynamics will place fixed limits on technological innovation and human advancement.
In an isolated system the entropy can only increase. A species set on endless growth is... Un-sus-tain-able!

Sternenlicht "lesen" II - Temperatur eines Sterns

Unser Wissen über das Universum ist seit Beginn der Wissenschaft (anfangs wohl eher der Naturphilosophie) enorm gewachsen. Der permanente Erkenntnisgewinn hält bis heute an.
Um die Natur, ihre Beschaffenheit und Gesetzmäßigkeiten genauer kennenzulernen, muss man sie gründlich beobachten.
Genau das macht die Menschheit seit jeher und hat dabei Großartiges gelernt.

Im diesem Artikel - dem zweiten Teil aus meiner Reihe "Sternenlicht 'lesen'" - konzentriere ich mich abermals auf Informationen, die man aus dem Licht eines Sterns in Erfahrung bringen kann. Ich hoffe, auch diesmal zeigen zu können, auf welch bemerkenswerte Weise wir unser Wissen über weit entferne Sterne und Galaxien erweitern, indem wir nur das von ihnen ausgesandte Licht betrachten.

Zu Recht: Links - Juli 2013 (2/2)

Fast 40 neue und alte Artikel und Videos in den letzten zwei Wochen - entdeckt, gefunden und für die folgende Liste ausgewählt.

Falls man sich nicht die Zeit nehmen möchte, alles anzusehen, kann ich die Beiträge mit einem "≤" besonders empfehlen.

Fröhliches Stöbern! ;-)

"We live in a society that is entirely based on science"

Presented with the "President's Medal" at an event in London, Professor Brian Cox (Manchester University) gave a speech about the importance and necessity of scientific education for our (future) society.

"All the great, important decisions that our democracy will be forced to take in the next decades and onwards in the 21st century are based on science. They are based on the scientific method. They are based on an understanding what reason and reaching conclusions based on evidence is."

18 minutes that are really worth watching:
"Brian Cox: it is not acceptable to promote bad science"

You can find a more extensive article on this topic here (in German language).

Entwicklung der Quantenphysik VII: Wie sehen Atome aus?

Als Max Planck 1874 seinen Physikprofessor in München fragte, wie denn die beruflichen Aussichten nach einem Physikstudium seien, wurde ihm geraten, nicht Physik zu studieren, denn nach der damaligen Ansicht vieler Physiker war "in dieser Wissenschaft schon fast alles erforscht" und es galt "nur noch, einige unbedeutende Lücken zu schließen". Eine dieser "unbedeutenden Lücken" war das Problem der Ultraviolett-Katastrophe der Hohlraumstrahlung. Planck gelang es, diese Lücke mit seiner Quantenhypothese zu schließen. Wie sich jedoch herausgestellt hatte, war dieses Problem alles andere als nur ein unbedeutendes und kleines - vielmehr stellte seine Lösung unser ganzes physikalisches Weltbild auf den Kopf und legte einen Grundstein für eine neue, umfangreiche und äußerst präzise Theorie: die Quantenphysik. Hätte Plancks ehemaliger Physikprofessor gewusst, dass sein Schüler einer der bedeutendsten Physiker aller Zeiten werden wird, hätte er ihm wohl niemals vom Physikstudium abgeraten. So gesehen gut, dass sich der junge Planck doch nicht dem Musikstudium widmete.

Max Planck in München, 1874
(Quelle: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Max_Planck_1874.png)

Viele neue Ideen und Konzepte folgten Plancks Quantenhypothese, wie wir in den letzten Artikeln gesehen haben. So erkannte man z. B., dass Licht aus Photonen ("Wellenpaketen") besteht, dass man herkömmliche "Teilchen" (z. B. Elektronen) analog zum Licht durch Welleneigenschaften beschreiben kann, dass diese Materiewellen jedoch nur eine Wahrscheinlichkeit repräsentieren, das Teilchen zu einer bestimmten Zeit an einem bestimmten Ort zu finden, oder dass es fundamentale Grenzen in der gleichzeitigen exakten Bestimmbarkeit von Impuls und Ort eines Teilchens gibt.

Ist jemandem aufgefallen, dass wir trotz unserer mikroskopischen Beschreibung von Licht und Materie noch gar nicht darauf eingegangen sind, wie unsere Materie tatsächlich aussieht? Anders gefragt: Wie kann man sich ein Atom vorstellen? Diese Frage soll heute genauer behandelt werden.

Sternenlicht "lesen" I - Helligkeit und Leuchtkraft

(Im August 2011 schrieb ich eine Artikelserie mit dem Titel "Sternenlicht 'lesen'" in einem alten Blog. Diese sechs Artikel werde ich in nächster Zeit nun auch hier in meinem aktuellen Blog stückweise veröffentlichen. Ich hoffe, dass sie für viele von euch wie neu erscheinen!)


Sterne bedeuten wohl für jeden etwas anderes. Manche sind bei ihrem Anblick fasziniert und hingerissen und denken andächtig an die unbegreiflich großen Dimensionen des Universums. Manche sinnieren darüber, ob es "da oben" wohl noch mehr geben kann als bloße Sterne - Leben, intelligentes Leben, womöglich etwas Göttliches. Manchen ist vielleicht bewusst, dass alles "Material" auf unserem Planeten Erde - sogar der organische Stoff, der jeden von uns aufbaut - in genau solchen Sternen, wie wir sie auf jedem Fleck des Himmels sehen, einst gebildet wurde.
Andere betrachten all die Himmelskörper womöglich weniger emotional - für sie sind Sterne einfach Sterne, nicht mehr und nicht weniger. Sterne sind für unsere Sinnesorgane immerhin nur helle Punkte, die bestenfalls ein bisschen flackern (was übrigens unsere Atmosphäre bewirkt - die Sterne selbst flackern nicht derart), sonst aber wirklich nicht aufregend sind. Oder womöglich doch?

Ja, unsere Augen sind wohl etwas zu unsensibel, um aus dem Licht der Sterne Nennenswertes herauszulesen. Aber wir haben technische Hilfsmittel und logische Gedankengänge entwickelt, mit deren Hilfe wir erstaunlich viele Eigenschaften eines Sterns erfahren können.
In diesem und in den folgenden Artikeln dieser Serie geht es darum, was wir einzig und allein aus dem Sternenlicht (denn mehr "haben" wir von einem Stern nicht) "lesen" können.

Zu Recht: Links - Juli 2013 (1/2)

Dass ich das Internet einschalte und keine interessanten Artikel oder Videos finde, gibt's eigentlich nicht.

Hier findet ihr wieder eine kleine Auswahl meiner Internet-Fundstücke der letzten beiden Wochen.
Artikel bzw. Videos, die mit einem "≤" markiert sind, kann ich besonders empfehlen!

Na dann: Viel Vergnügen!

Ein oft vernachlässigtes Detail der Entropie

Das Konzept der Entropie in der Physik ist wohl für die meisten etwas unintuitiv und deshalb schwer nachvollziehbar, wenn sie sich zum ersten Mal damit beschäftigen.
Es gibt viele ganz gute Erklärungen, die man schnell in Büchern oder im Internet findet, welche dem Leser durch einfache Analogien ein Gefühl für Entropie vermitteln. Meist wird diese mit "Maß für Unordnung" in Verbindung gebracht, was ein durchaus hilfreiches Bild sein kann (...aber nicht die beste "Übersetzung" ist). Dabei wächst die Entropie mit zunehmender Unordnung. Jedes (abgeschlossene) System wird mit der Zeit "unordentlicher". In diesem Zusammenhang könnte man die "Richtung des Zeitpfeils" sogar als diejenige Richtung in der Zeit definieren, in die die Unordnung eines Systems zunimmt. Die Entropie nimmt also mit der Zeit stets zu!

Das waren nur ein paar knappe Worte zum Zusammenhang zwischen Entropie und Zeit. (Keine Angst - ich bringe gleich nette Beispiele und werde meine Gedanken detaillierter ausführen!) Besonders möchte ich mich jedoch auf ein Detail stürzen: Entropie nimmt mit der Zeit stets zu. Dieser letzte Satz des ersten Absatzes stimmt nicht prinzipiell! Zwar kann man für alle praktischen Zwecke davon sprechen, dass Entropie (in einem abgeschlossenen System = ohne äußere Einwirkung) immer zunimmt, doch da es theoretisch in der Tat möglich ist, dass die Entropie eines Systems spontan und von selbst abnimmt, entgeht einem leicht das grundlegende Konzept der Entropie durch das Aufstellen dieser "praxisorientierten Regel".

Warum ist es mir wichtig, auf diesen Punkt einzugehen? Ist dieser nicht völlig irrelevant, wenn man in der Natur immer Entropiezunahme beobachtet, egal wo man hinschaut? - Ich denke nicht. Denn dieses Detail verkörpert den grundlegenden, statistischen Charakter der Entropie.
(Abgesehen davon: Erst als dieses Detail, welches in vielen Quellen unerwähnt bleibt, in meinem Gehirn Platz gefunden hatte, konnte ich mit dem Begriff der "Entropie" wirklich etwas anfangen.)