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2011 | Buch

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Physik im 21. Jahrhundert

Essays zum Stand der Physik

herausgegeben von: Werner Martienssen, Dieter Röß

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Physik: 10 Essays aus berufener Hand.

Physik ist eine höchst lebendige Wissenschaft! Einmal gewonnene Grundlagen-Erkenntnisse lassen sich auf unübersehbar viele Anwendungsbereiche anwenden. Experimentell gesichertes Detailwissen wächst heute in wenigen Dekaden lawinenartig in eine Größenordnung, die selbst für den Fachmann im Ganzen nicht mehr überschaubar ist.

Dieses Werk wählt einen neuen Zugang: Beschränkung auf wenige, exemplarische Teilgebiete der modernen Physik bei Darstellung ihrer Zusammenhänge in aller Tiefe. Verfasser der Beiträge sind herausragende Wissenschaftler mit großer Lebenserfahrung, die dem Leser in ihrem Fachgebiet Zusammenhänge erschließen und Ausblicke in zukünftige Möglichkeiten eröffnen. Mit ihrer in langjähriger Lehrtätigkeit gesammelten Erfahrung formulieren sie das in einem reichen Forscherleben gesammeltes Wissen ohne Abstriche an den Erkenntniswert so, dass es von einer elementaren Basis aus zugänglich ist.

Es werden jeweils bedeutende, in sich zusammenhängende Gebiete präsentiert. Sie vermitteln dem Leser über die reine Sachinformation hinaus:

Staunen über die Zusammenhänge in der Natur, Einsicht in die Möglichkeit und Grenze von Erkenntnis, Faszination des über das Alltägliche Hinausgehenden, Schönheit und Ästhetik in der Physik, Einblick in die Lebendigkeit der Forschung Eine Ahnung von der Anwendungsrelevanz von Grundlagenforschung

Das Werk bietet Inspiration für alle, die einen Zugang zu der bedeutenden „Kulturleistung Physik“ suchen. In gleichem Rang bietet es aber auch Orientierung gebende Vertiefung im Rahmen einer professionellen Beschäftigung mit Physik.

Physik im Diskurs der Gesellschaft

Wolfgang Frühwald

Quantennormale

Ernst O. Göbel

Chaos Siegfried Großmann

Strukturentstehung im Kosmos

Günther Hasinger

Energie für unser Leben

Klaus Heinloth

Elementarteilchen

Herwig Schopper

Halbleiter-Quantenpunkte

Dieter Bimberg, Sven Rodt und Udo W. Pohl

Förderung der Physik in Deutschland

Hermann Schunck

Organische Elektronik

Markus Schwoerer

Materie im Kosmos

Joachim Trümper

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Hoffnung und Gefahr

Physik im Diskurs der Gesellschaft

Zusammenfassung

Der Versuch, die Naturforschung fest und unverrückbar in den Diskursen der Gesellschaft zu verankern, ist vermutlich erstmals Alexander von Humboldt gelungen. Unter Diskursen versteht David Gugerli dabei „kollektive Problematisierungen und Wegweiser bei der Suche nach Lösungen“. Er zitiert dieWissenschaftsforscher Adalbert Evers und Helga Novotny, wonach die „theoretische“ Struktur solcher Diskurse, „die Art, wie Wissenselemente zusammengefügt werden, [wiedergibt], was einer Gesellschaft aus der Vielzahl von erlebten historischen Brüchen und Veränderungen jeweils als Problem erscheint und was sie als Problem definiert. Aber auch, welchen Fortgang die Suche nach Lösungen genommen hat“. Es liege in der Natur solcher Diskurse, dass sie beweglich sind, dass ihre „Dynamik im Hin und Her liegt und nicht in starren, linearen Entwicklungslinien zu begreifen ist“. Sie sind deshalb besonders gut geeignet, komplexe Sachverhalte zu beschreiben und aufzuklären.

Wolfgang Frühwald

2. Was heißt und zu welchem Ende studiert man Chaos?

Zusammenfassung

Im Jahre 1789 hielt Friedrich Schiller (1759–1805), damals 30 Jahre alt, in Jena seine Antrittsvorlesung als unbesoldeter Professor für Geschichte und Philosophie zum Thema „Was heißt und zu welchem Ende studiert man Universalgeschichte?“ Warum diese Erinnerung? Zunächst natürlich wegen der Trefflichkeit der Formulierung. Des weiteren, um durch disziplinenübergreifende Reverenz an Friedrich Schiller die ebenfalls disziplinenübergreifenden jüngsten Erkenntnisse über nichtlineare, komplexe, chaotische Systeme anzukündigen, mit dem Anspruch, dabei nicht im fachspezifischen Jargon zu versinken. Und schließlich, um den Bezug auf andere, möglicherweise medienwirksame aber sachlich falsche neuere Überschriften zu vermeiden, etwa auf das Thema eines Features, das 1989 vom NDR ausgestrahlt wurde: „Werft Eure alten Gleichungen auf den Schrott.“ Klingt zwar kurz und bündig, ist aber trotzdem Unsinn. Tun Sie’s nicht! Sie können sie noch gut gebrauchen.

Siegfried Großmann

3. Halbleiter-Quantenpunkte – ein Blick in die Welt der Nanos

Zusammenfassung

Beim Blick zum gestirnten Himmel stellt sich wohl jedem die Frage „Was leuchtet da?“ Das unendlich Kleine erschließt sich nicht so unmittelbar unserem Auge, aber jedes Kind versucht herauszufinden, ob man ein Stück Materie immer weiter zerteilen kann. Gibt es eine Grenze für das Zerlegen? Wenn ja, gibt es ewig beständige Bausteine der Materie, aus denen alles besteht – die Erde, die Sterne und auch wir Menschen?

Dieter Bimberg, Udo Pohl, Sven Rodt

4. Organische Elektronik

Zusammenfassung

Nach den neuesten Erkenntnissen der Kosmologie ist das Universum aus dem „Nichts“ entstanden, nur dass dieses „Nichts“ völlig andere Eigenschaften hat, als wir gemeinhin annehmen. Nach den Gesetzen der Quantenmechanik kann jeder Energiezustand nur bis auf eine gewisse Unschärfe genau festgelegt werden. Dies gilt insbesondere für den Energiezustand „Null“, den man auch als Vakuum bezeichnet. Wenn man aus einem Raum sämtliche Luft abpumpt und auch noch seineWände auf den absoluten Nullpunkt abkühlt, sollte er weder Teilchen, noch Strahlung enthalten. Dennoch sagt uns die Quantenmechanik, dass sein Energieinhalt bei jeder Messung um einen kleinen Betrag schwankt – gewissermaßen plus/minus Epsilon. Das Vakuum fluktuiert.

Markus Schwoerer

5. Quantennormale: neue Fundamente des Internationalen Einheitensystems

Zusammenfassung

Die zivilisatorische Entwicklung der Menschheit ist eng mit der Entwicklung und Nutzung von Materialien mit „neuen“ Eigenschaften wie Stahl, Kunststoffen, oder Halbleitern verknüpft. Diese Materialien beruhen auf der Kombination manchmal recht seltener Elemente wie Vanadium, Gallium, Europium (chemische Architektur). Unsere Kenntnis über die in der Natur vorkommenden chemischen Elemente ist heutzutage schon recht vollständig. Dennoch ist kein Ende der durch Durchbrüche in den Materialwissenschaften verursachten Innovationen zu erkennen. Mit der Erforschung von Nanostrukturen und deren Herstellungsverfahren (den Nanotechnologien) beginnen wir die Geometrie eines Körpers – seine Größe, seine Form – nicht nur als Gegenstand unserer Neugierde, das immer Kleinere zu erforschen, sondern auch als Möglichkeit zu begreifen, die uns wohlbekannten Eigenschaften des dreidimensional ausgedehnten Materials neu zu gestalten.

Ernst O. Göbel

6. Energie für unser Leben: Nahrung, Wärme, Strom, Treibstoffe (früher – derzeit – künftig)

Zusammenfassung

Organische Elektronik? Zur Elektronik braucht man Transistoren und andere Bauelemente. Transistoren schalten und steuern die winzigen elektrischen Ströme und mit ihnen die Informationen in unseren elektronischen Geräten. Auch Licht emittierende Dioden in Lampen und Bildschirmen oder Solarzellen sind elektronische Bauelemente. Wir alle benutzen elektronische Bauelemente millionen- und milliardenfach. Fast alle bestehen aus Silizium, Germanium, Galliumarsenid oder anderen harten, kristallinen, anorganischen Halbleitern. Organische Materialien, z. B. Polymere, sind weich und wir benutzen sie als kostengünstige, sehr anpassungsfähige Werkstoffe, darunter auch zur Ummantelung von Kupferleitungen, also als Isolatoren. Doch als Halbleiter, also als Materialien, deren elektrische und optoelektrische Eigenschaften schnell und effektiv gesteuert werden können, waren sie bis vor etwa zwei Jahrzehnten nur wenigen Physikern und Chemikern bekannt. Die wussten, dass dünne Schichten aus einer bestimmten Klasse fluoreszierender organischer Moleküle oder Polymere unter bestimmten äußeren, wohldefinierten Bedingungen elektrisch leitfähig werden und dann organische Halbleiter sind. Organische Halbleiter unterscheiden sich von den anorganischen Halbleitern in vielen ihrer Eigenschaften. Deshalb sie sind die Grundstoffe einer ganzen Reihe neuer und vielversprechender Produkte und Entwicklungen: großflächige Lichtquellen (Abb. 4.1), extrem dünne, hochauflösende und selbstleuchtende Farbbildschirme (Abb. 4.2) in elektronischen Geräten, Transistoren und andere elektronische Bauelemente in integrierten elektronischen Schaltungen (Abb. 4.3), die ähnlich gedruckt werden können, wie eine Zeitung („von der Rolle auf die Rolle“), und flexible Solarzellen (Abb. 4.4) sind die wichtigsten Beispiele.

Klaus Heinloth

7. Strukturentstehung im Kosmos

Zusammenfassung

Der Kosmos ist nach den heutigen Vorstellungen vor etwa 13,7 Milliarden Jahren im „Urknall“ entstanden und seitdem in ständiger Expansion begriffen, als deren Folge die Dichte der Materie kontinuierlich abnimmt. Am Anfang, als die Elementarteilchen entstanden, haben unvorstellbar große Dichten und Temperaturen (10 Billionen Kelvin) geherrscht. Inzwischen ist infolge der Expansion die Temperatur auf 2,7K und die mittlere Dichte auf äußerst geringe Werte abgefallen: Denkt man sich die derzeit vorhandene Materie gleichmäßig über den Raum verteilt, so befindet sich in einem Kubikmeter weniger als ein Wasserstoff-Atom. Diese Teilchen-Dichte ist um viele Größenordnungen geringer als im besten Höchst-Vakuum des irdischen Labors.

Günther Hasinger

8. Endzustände der Materie im Kosmos

Zusammenfassung

Das Meter hat es geschafft und das sichere Ufer erreicht. Das Kilogramm, das Ampere und das Kelvin hingegen (um nur drei weitere Kandidaten zu nennen), befinden sich noch in historisch arg aufgewühlten Gewässern und müssen sich mächtig ins Zeug legen, um aus den nassen Klamotten herauszukommen. Aber die Anstrengung, welche die physikalischen Basiseinheiten hier auf sich nehmen, lohnt sich, wartet hinter der Uferlinie doch nicht weniger als das Hoheitsgebiet der Naturkonstanten, ein Gebiet, das von historischen Zwängen kaum bedrängt ist. Diese Szenerie umschreibt die große wissenschaftliche Herausforderung, vor der die Metrologen derzeit stehen. Sie wollen die Basiseinheiten von ihren definitorischen Unzulänglichkeiten befreien – man denke nur an die Masseeinheit und ihre Verkörperung durch einen ganz bestimmten Metallzylinder in einem Pariser Tresor – und sie stattdessen auf ein möglichst festes, unverrückbares Fundament stellen, so wie es für das Meter mit dem Bezug zur Lichtgeschwindigkeit bereits gelungen ist. Können die Metrologen diese Herausforderung meistern, so werden in Zukunft nicht mehr sieben Basiseinheiten die Spitze des Internationalen Einheitensystems bilden, sondern vielmehr ein Satz festgelegter Naturkonstanten.

Joachim Trümper

9. Elementarteilchen – oder woraus bestehen wir?

Zusammenfassung

Ein effizientes Forschungssystem ist heute eine unverzichtbare Voraussetzung für die wirtschaftliche, gesellschaftliche und kulturelle Entwicklung unseres Landes. Derzeit erleben wir weltweit die Transformation klassischer Industriegesellschaften zu Wissensgesellschaften. Die Erneuerung und Verbreiterung der Wissensbasis unserer Gesellschaft und ihre sinnvolle Nutzung sind ohne kontinuierliche Forschung und Entwicklung nicht denkbar, von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung in Industrie und Dienstleistung. Dies begründet gesamtstaatliche Aktivitäten im Bereich der Förderung von Forschung und die Schaffung von Rahmenbedingungen für den Innovationsprozess. Zudem stehen Europa und auch Deutschland im Wettbewerb mit den USA und den sich rasch entwickelnden Staaten Asiens, insbesondere des Fernen Ostens. Die Länder der Europäischen Union hatten in Barcelona 2002 beschlossen, bis 2010 ihren Anteil der Forschungs- und Entwicklungsausgaben am Bruttoinlandprodukt (F- und E-Intensität) auf 3% zu erhöhen und damit den Anschluss an die Konkurrenten wieder herzustellen.

Herwig Schopper

10. Bundesweite Förderung der Physik in Deutschland

Zusammenfassung

Der Planet Erde hat sich vor knapp 4,6 Mrd. Jahren gebildet. Schon seit ca. 3,8 Mrd. Jahren wachsen auf der Erde lebende Organismen, zunächst nur im Wasser der Meere, seit ca. 400 Mio. Jahren auch auf dem Land.

Den für das Pflanzenwachstum mittels Photosynthese nötigen Bedarf an Energie deckt die Natur seit Anbeginn aus dem eingestrahlten Sonnenlicht, und dies in ständiger Anpassung an die natürlichen geologischen und klimatischen Veränderungen durch ständige Evolution zu immer höherer Artenvielfalt von Flora und Fauna.

Die Photosynthese der großen Vielfalt organischer Substanzen geschieht mittels katalytischer Prozesse in dezentraler Selbstorganisation in Zellen jeder Pflanzenart unter Nutzung aller natürlich verfügbaren Materialien in Luft, Wasser und Boden, sowohl als Baustoffe als auch in sehr komplexer Form z.B. von Übergangsmetallo-Proteinen als Enzyme, sprich Katalysatoren.

Dabei verlaufen die natürlichen Prozessketten zwischen Photosynthese, Weiterverarbeitung bis hin zu Abbau und Deponie in verketteten Stoffkreisläufen praktisch ohne Abfälle mit geringstmöglicher Beeinflussung der natürlichen Umgebung und mit ständiger Optimierung und Anpassung an natürliche Veränderungen.

Hermann Schunck

Backmatter

Titel: Physik im 21. Jahrhundert
herausgegeben von: Werner Martienssen
Dieter Röß
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-642-05191-3
Print ISBN: 978-3-642-05190-6
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-05191-3

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