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Physik

Beitragsreihe Physik

Prof. Dr. Karlheinz Meier

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Aktuelle Fragestellungen und Herausforderungen

Die Physik in der Schule beschäftigt sich nahezu ausschließlich mit vollständig gelösten Problemstellungen der Physik. Die großartigen Gedankengebäude der Mechanik, des Elektromagnetismus und der statistischern Deutung der Thermodynamik bilden gemeinsam die Errungenschaft der klassischen Physik bis an das Ende des 19. Jahrhunderts.
Sie waren Grundlage der industriellen Revolution bis hinein in die ersten Jahrzehnte des 20. Jahrhunderts. In der Öffentlichkeit werden im Allgemeinen diese Errungenschaften direkt mit dem Begriff Physik identifiziert. Physik ist für viele zunächst einmal die schiefe Ebene, der Kühlschrank und der Fahrraddynamo. Auch die Schule konzentriert sich nahezu vollständig auf solche Themen.



Das 20. Jahrhundert wirbelte diese Physik dann gründlich durcheinander. Quantenphysik und Relativitätstheorie zeigten, dass die klassische Physik nicht unter allen Bedingungen unsere Welt beschreibt. Insbesondere das Verständnis der atomaren und subatomaren Welt braucht die neue Physik, die gleichzeitig die Grundlage für die Revolution in der Informationstechnologie bildete. Bereits die inzwischen wohl etablierte Physik des 20. Jahrhunderts ist in der Schule kaum mehr präsent. In der Universität ist sie aber natürlich Schwerpunkt der Ausbildung. Ist das dann schon alles? Muss man also nur verstehen, was in den Büchern steht? Die wichtigste Nachricht an alle angehenden Physikstudenten lautet: Die Physik ist heute voller völlig ungeklärter Fragen. Wer heute mit dem Physikstudium beginnt, hat gute Chancen bei einer grundlegenden Veränderung unseres Weltbildes aktiv mitzuwirken. Im Folgenden sind einige offene Fragen zusammengestellt. Die Liste orientiert sich an drei Stoßrichtungen, welche die aktuelle physikalische Forschung charakterisieren.



Das Kleine



Kleine Objekte erfordern Untersuchungen bei kleinen Abständen. Um Dinge sehr nahe aneinander zu bringen, braucht man hohe Energien. Hohe Energien können auf der Erde künstlich in Teilchenbeschleunigern erzeugt werden, existieren aber auch in explodierenden Sternen. Auch zum Zeitpunkt der Entstehung unseres Universums war die Welt so, wie wir sie heute in Teilchenbeschleunigern beobachten können. Moderne Experimente der Teilchenphysik am CERN, am DESY und anderen Laboratorien untersuchen unsere Welt bei Abständen bis hinunter zu 10-18 Metern. Das ist etwa ein tausendstel eines kleinen Atomkerns. Bis dorthin lässt sich unsere Welt mit dem erfolgreichen Standardmodell der Elementarteilchenphysik sehr gut verstehen. Trotzdem gibt es eine Reihe zum Teil sehr einfacher und offensichtlicher Fragen, die wir bis heute nicht beantworten konnten:
  • Warum haben Elementarteilchen so verschiedene träge Massen?

  • Warum ist die Gravitation so anders als die anderen Kräfte?

  • Warum gibt es fast nur Materie und keine Antimaterie?

  • Welche Massen haben die Neutrinos?

  • Kann man die dunkle Materie des Universums auch im Labor herstellen?

  • Gibt es womöglich eine superymmetrische Spiegelwelt?

  • Gilt das Gravitationsgesetz auch bei kleinen Abständen?

  • Sind die wirklichen Elementarteilchen punktförmig?

  • Hat die Welt tatsächlich nur drei Raumdimensionen?

Diese Fragen sind leicht gestellt, doch kann man sie auch beantworten? Nun, die Chancen stehen zurzeit sehr gut. Die Physiker haben ein spannendes Experimentierprogramm aufgelegt, das in den nächsten 10-20 Jahren genau diese Fragen angreifen wird. Zuallererst ist hier das große, internationale LHC-Projekt am CERN in Genf zu nennen, das ab 2008 die Physiker und wahrscheinlich die ganze Welt in Atem halten wird.



Das Große



Phantastische neue Beobachtungstechniken erlauben uns in den kommenden Jahren völlig neue und tiefe Einblicke in das Universum, seine Entstehungsgeschichte und seine heutige Struktur. Die Astronomie steht der Physik methodisch und inhaltlich sehr nahe und der Weg zur Astronomie führt über ein Physikstudium. Zu diesem Themenbereich wird an dieser Stelle ein gesonderter Artikel angeboten.



Das Komplexe



Der klassische, sehr erfolgreiche Ansatz physikalischer Forschung besteht in der Reduktion physikalischer Prozesse auf die elementaren Wechselwirkungen zwischen wenigen, fundamentalen Objekten. Dies gilt zum Beispiel für die klassische Mechanik des Massepunktes oder die Hochenergiestreuung von Elementarteilchen. Es gibt jedoch auch physikalische Phänomene, die auf der Wechselwirkung sehr vieler Konstituenten beruhen. Grundsätzlich geht es bei der Physik komplexer Systeme um die Prozesse der Strukturbildung und um die Dynamik solcher Prozesse. Die zu Grunde liegende Physik kann dabei klassischer Natur sein oder den Gesetzen der Quantenmechanik gehorchen. Fragestellungen aus diesem Gebiet der Physik lauten beispielsweise:
  • Wie laufen Phasenübergänge ab?

  • Welche Rolle spielen mikroskopische Ordnung und Unordnung für die Eigenschaften von Stoffen?

  • Wie erfolgte die Strukturbildung im Universum?

  • Welche Eigenschaften haben komplexe Biosysteme?

  • Welche dynamischen Prozesse laufen in neuronalen Netzwerken ab?

  • Welche Eigenschaften haben komplexe Quantensysteme?

  • Können komplexe Quantensysteme zur Informationsverarbeitung genutzt werden?

Offensichtlich sind in diesen Fragestellungen bereits interdisziplinäre Verknüpfungen zu anderen Wissenschaften, insbesondere natürlich der Biologie enthalten. Die Nutzung physikalischer Methoden gerade zur Lösung fundamentaler Fragen der Biologie ist ein besonders spannendes Forschungsfeld der Zukunft (Biophysik). Warum ist auf diesem Sektor in den kommenden Jahren besonders viel Fortschritt zu erwarten? Auch hier gibt es eine Reihe sehr neue und technologisch anspruchsvolle experimentelle Ansätze: Die Herstellung makroskopischer Quantensysteme, die Nanostrukturierung und die Nanomanipulation von Atomen und Molekülen, die Spektroskopie mir ultrakurzen Lichtpulsen und schließlich die atemberaubende Entwicklung der Simulationstechnologie auf extrem leistungsstarken Computern.



Angewandte Physik



Die Methoden der Physik waren und sind noch immer entscheidende Grundlage für alle Fortschritte in der Technologie. Der Schritt von der Grundlagenforschung zur industriellen Anwendung führt in jedem Fall über die angewandte Physik. Während es zur Zeit der industriellen Revolution die Entwicklung großer Maschinen war, die auf physikalischen Prinzipien der Thermodynamik oder des Elektromagnetismus beruhten, ist die Anwendung der Physik heute viel weiter gefasst. Wichtige Arbeitsfelder der angewandten Physik liegen heute vor Allem in der Informationstechnologie und den Lebenswissenschaften. Einige sehr aktuelle Beispiele sind im Folgenden aufgeführt:
  • Nachfolge der CMOS Technologie – Wie entwickelt sich Moores Law?

  • Magnetische und optische Speicher hoher Dichte

  • Sensoren für Strahlung und Teilchen

  • Abbildende Verfahren in der Biologie – Nanoskopie

  • Abbildende Verfahren in der Medizin (MRI, EEG, CT, PET)

  • Strahlentherapie mit Teilchenstrahlen

Diese Liste soll den Überblick über Studium und Beruf des Physikers abschließen. Die Physik ist ein Feld mit großen ungeklärten Fragen, phantastischen neuen Methoden und damit einer ausgezeichneten Zukunftsperspektive. Wer die Physik mag, sollte auf jeden Fall Physik studieren!


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18.08.2012
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Prof. Dr. Karlheinz Meier

Karlheinz Meier ist Professor für Experimentalphysik am Kirchhoff-Institut für Physik der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg

Kirchhoff-Institut für Physik, Uni Heidelberg

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