Skip to main content
main-content

Über dieses Buch

Physik ist spannend, faszinierend – und vielfältig! In diesem Buch begeistern Sie mehr als 30 Wissenschaftlerinnen für die Physik. Sie geben überraschende Einblicke in ihre aktuelle Forschung, erklären anschaulich komplexe Sachverhalte und stellen neu entdeckte Phänomene der modernen Physik verständlich dar.

Jedes Kapitel wird mit einer persönlichen Biographie der Wissenschaftlerin und hilfreichen Tipps eingeleitet. So lernen Sie inspirierende Frauen aus der Wissenschaft kennen und erfahren, was ihnen an der Physik Spaß macht.

Das Buch richtet sich an angehende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, Schülerinnen und Schüler – und alle Interessierten, die mehr über spannende Forschung am Puls der Zeit erfahren möchten.

Es beinhaltet folgende Themen:

Physik und Gesellschaft: Philosophie und Physik, Wissenschaftsgeschichte, Didaktik und Geschlechterforschung in der PhysikKern- und Teilchenphysik

Festkörper-, Nano- und Materialphysik

Quantenoptik und Photonik

Nichtlineare Physik

Bio- und Medizinphysik

Astro- und Planetenphysik

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Geschichte, Philosophie und Didaktik der Physik

Frontmatter

Kapitel 1. Geschichte der Physik: Die ersten Physikerinnen

Die Geschichte der Physikerinnen war und ist eng mit der jeweils allgemeinen Geschichte sowie der Wirtschafts-, Sozial- und Bildungsgeschichte der betreffenden Länder verwoben. Die permanente – auch juristische – Ausgrenzung und Diskriminierung, das Fehlen gleicher Bildungs-, Zugangs- und Berufschancen führte dazu, dass in den meisten Staaten die ersten Physikerinnen erst Ende des 19./Anfang des 20. Jahrhunderts akademische Positionen einnehmen konnten. Der Beitrag erläutert – mit dem Schwerpunkt Europa – einige dieser Bedingungen, verweist auf Privatgelehrte vom 17. bis 19. Jahrhundert und erste Physikerinnen an der Wende zum 20. Jahrhundert, skizziert die Ausnahme-Physikerinnen Marie Curie und Lise Meitner und erinnert an die ersten Physikerinnen in Deutschland.

Annette Vogt

Kapitel 2. Physik und Philosophie

Die Philosophie der Physik behandelt die Struktur, Inhalte und Grenzen der physikalischen Erkenntnis. Im Zentrum steht die Frage: Was lehrt die Physik über die Welt? Diese Frage hat naturphilosophische, erkenntnistheoretische und wissenschaftstheoretische Aspekte, die im Verlauf der Wandlungen des physikalischen Weltbilds aufkamen und sich bis heute nicht voll erschöpft haben. Im Spannungsfeld von Quantenphysik und Kosmologie ist weiterhin offen, ob die physikalische Wirklichkeit vollständig erkennbar ist und inwieweit eine einheitliche Naturbeschreibung möglich ist. Ausgehend von der Unterscheidung zwischen Naturphilosophie, Erkenntnistheorie und Wissenschaftstheorie skizziere ich den Beitrag der Philosophie zur Klärung dieser Frage – und die Beiträge der Philosophinnen.

Brigitte Falkenburg

Kapitel 3. Physikunterricht aus Perspektive von Mädchen – und Jungen

Physikunterricht und das Interesse der Lernenden bilden der fachdidaktischen Forschung nach eine gewisse Dichotomie. Ein spezielles Augenmerk gilt dabei den Gemeinsamkeiten und Unterschieden, wie Mädchen und Jungen diesem Unterrichtsfach gegenübertreten. Auch die Ergebnisse der großen Bildungsstudien der letzten Jahre weisen neben einer fach- und altersabhängigen, auch auf eine genderspezifische Interessensentwicklung der Lernenden hin. Viele Initiativen bemühen sich daher, das Interesse der Mädchen für MINT zu stärken. Aktuelle Studien zeigen allerdings, dass einfache Erklärungen und Lösungen nicht zu haben sind. In diesem Beitrag geht es darum, Diskussionanlässe zu präsentieren, wie Unterricht den Interessen, Bedürfnissen und Kompetenzen von Mädchen und Jungen begegnet.

Susanne Heinicke

Kapitel 4. Interferenzen: Wissenschaftsforschung als Geschlechterforschung

Studien zur Geschlechterforschung, in denen die Physik und physikalisches Wissen im Zentrum stehen, sind über viele verschiedene Fachdisziplinen verstreut. Zusammengetragen bilden sie ein umfassendes Spektrum, das von den Geschichts- und Kulturwissenschaften, Philosophie, Kulturanthropologie und Soziologie bis zur Wissenschaftsund Technikforschung reicht. Ebenso vielfältig sind die Themenfelder dieser Studien, dazu gehören die klassische Mechanik, Magnetismus, Thermodynamik, Quantenphysik sowie Chemie und Astronomie, aber auch Anwendungsgebiete wie Klimawandel, Militärforschung und Toxikologie. Darüber hinaus weisen sie unterschiedliche geopolitische Standorte auf, sodass je besondere Kulturen der Physik und deren Freiräume für Geschlechterdifferenzen sichtbar werden. An der Erkundung ihrer Fachkulturen im Hinblick auf die Geschlechterverhältnisse nehmen nicht zuletzt Physiker und Physikerinnen selbst teil, davon sind manche in ihrem ursprünglichen Forschungsfeld geblieben, andere haben das Fach gewechselt, um diese Fragestellungen zu vertiefen.

Elvira Scheich

Kern- und Teilchenphysik

Frontmatter

Kapitel 5. Einführung in die Kern- und Teilchenphysik

Woraus besteht Materie? Was hält sie zusammen? Warum gibt es so viele unterschiedliche Elemente? Gibt es so etwas wie einen Baukasten der Natur, unzerlegbare kleinste Bausteine, aus denen die uns bekannte Materie aufgebaut ist? Gibt es eventuell noch ganz andere Materie als die, die uns umgibt? Diese Fragen stellen sich Menschen schon seit mehr als 2000 Jahren, und die moderne Kern- und Teilchenphysik kann zumindest auf viele dieser Fragen eine Antwort geben: Unsere Materie besteht aus kleinsten, nach heutigem Verständnis unteilbaren Elementarbausteinen, den Quarks und Leptonen, und wird durch Kräfte zwischen diesen Teilchen zusammengehalten. Mit diesem Standardmodell der Teilchenphysik können wir die allermeisten Beobachtungen erklären. Aber nicht alle . . .

Claudia Höhne

Kapitel 6. Faszinierende Neutrinos

Neutrinos sind faszinierende Elementarteilchen: Sie sind überall gegenwärtig, aber dennoch für uns schwer nachweisbar. Aufgrund ihrer geringen Wechselwirkungswahrscheinlichkeit durchqueren die meisten Neutrinos die ganze Erde unbeobachtet. Deshalb werden sie häufig auch als Geisterteilchen bezeichnet. In der Geschichte der Teilchenphysik gibt es viele gelöste und ungelöste Rätsel bezüglich Neutrinos. Noch immer werden sie nicht komplett vom sonst so erfolgreichen Standardmodell der Teilchenphysik beschrieben. Durch Experimente in den ungewöhnlichsten Lagen – am Südpol, im Meer, in Bergwerken und an anderen Orten – versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Geheimnisse der Neutrinos zu lüften und ihre Rolle bei der Entstehung und Entwicklung des Universums zu verstehen.

Anne Schukraft

Kapitel 7. Experimentieren mit Teilchen: Beschleuniger und Detektoren

Das Standardmodell der Teilchenphysik fasst unser derzeitiges Wissen über die kleinsten Bausteine der Materie und ihre Wechselwirkungen in einer kohärenten Theorie zusammen. Aber woher wissen wir all dies? Wie entlocken wir Teilchen, die man nicht sehen oder anfassen kann, ihre Geheimnisse?Dieses Kapitel gibt einen Einblick in die Funktionsweisen der riesigen Beschleunigeranlagen, die Protonen oder Elektronen große Energiemengen zuführen und dann zur Kollision bringen – sowie in die Experimente aus vielen verschiedenen, aufeinander abgestimmt arbeitenden Detektoren, die die aus diesen Kollisionen entstehenden Teilchen aufzeichnen. Schließlich wagen wir einen Blick in die Zukunft: Welche Art von Teilchenbeschleuniger könnte den LHC ablösen?

Jenny List

Kapitel 8. Das Standardmodell und jenseits davon

Die Teilchenphysik beschäftigt sich mit der Erforschung der Grundbausteine der Materie und der fundamentalen Kräfte, die sie zusammenhalten. Die uns heute bekannten grundlegenden Strukturen der Materie und Kräfte werden im Standardmodell (SM) der Teilchenphysik zusammengefasst. Dieses Modell kann auf eine lange Erfolgsgeschichte zurückblicken, die ihren Höhepunkt mit der Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahre 2012 fand. Dennoch weist das SM einige Schwachstellen auf, welche die Einführung von Theorien jenseits des SMs erfordern. In großen Beschleunigerlabors wird in internationaler Teamarbeit nach den von diesen Theorien vorhersagten neuen Teilchen gesucht, um so der der Teilchenwelt zugrunde liegenden fundamentalen Theorie auf die Spur zu kommen.

Milada Margarete Mühlleitner

vcKapitel 9. Quantengravitation – Physik an der Grenze des Denkbaren

Das Fehlen einer Theorie der Quantengravitation ist eine der größten Herausforderungen der modernen Hochenergiephysik. Das Schließen dieser eklatanten Lücke in unserem Verständnis der physikalischen Welt verspricht Aufschluss über die Ursprünge von Raum und Zeit und den Anfang unseres Universums. Zur quantitativen Beschreibung von Quantengravitationseffekten auf der für sie charakteristischen ultrakurzen Planck-Skala sind nicht-störungstheoretische Methoden unerlässlich. Die Entwicklung effektiver numerischer Methoden und das Verständnis einiger theoretischer Fallstricke haben in jüngerer Zeit wichtige Fortschritte möglich gemacht. Ein herausragendes Beispiel hierfür ist der Zugang der Kausalen Dynamischen Triangulierungen (KDT), der in diesem Beitrag beschrieben wird. Zur Illustration der Tragweite und Aussagekraft der auf KDT basierten Quantengravitationstheorie stelle ich zwei ihrer zentralen Ergebnisse vor: die Emergenz eines klassischen De-Sitter-Universums aus reinen Quantenfluktuationen und den Quanteneffekt der Dimensionsreduktion auf der Planck-Skala.

Renate Loll

Kapitel 10. Plasmaphysik und Fusionsforschung

Eine wichtige Anwendung der Plasmaphysik ist die Fusionsforschung. In gewissem Sinn ist Kernfusion die direkteste Nutzung der „Sonnenenergie“, denn ein Fusionskraftwerk soll – ähnlich wie die Sonne – Energie aus der Verschmelzung von Wasserstoffkernen gewinnen. Um eine ausreichende Anzahl von Fusionsreaktionen zu erzielen, müssen in einem künftigen Kraftwerk Temperaturen von mehr als 100 Millionen Grad vorherrschen. Bei solch hohen Temperaturen bildet sich ein Plasma, ein Gas aus geladenen Teilchen. Plasmen können in Käfigen aus Magnetfeldern eingeschlossen werden, die auch für die nötige Wärmeisolierung sorgen. Im Laufe der Fusionsforschung haben sich zwei Konzepte für solche Magnetfeldkonfigurationen herauskristallisiert: der Tokamak und der Stellarator.

Sibylle Günter

FestkÖrper-, Material- und Nanophysik

Frontmatter

Kapitel 11. Einführung in die Festkörper- und Nanophysik

Nanomaterialien, Nanophysik und Nanotechnologie eröffnen neue Wege in Wissenschaft und Anwendung. Die dabei gemachten Entdeckungen werden unser Leben nachhaltig prägen und verändern. Mit dem zunehmenden Verständnis von chemischen Vorgängen, Materialien, Grenzflächen, Bauelementen und biologischen Einheiten auf atomarer Ebenen kann man das Zusammenwirken von Makro, Mikro und Nano völlig neu gestalten und vor allem neu denken.

Margit Zacharias

Kapitel 12. Faszination Festkörperphysik: Theorie

Warum und wie beschreiben wir Festkörper mit Mathematik? Die Festkörperphysik untersucht die makroskopischen und mikroskopischen physikalischen Eigenschaften von Festkörpern. Ein Kubikzentimeter eines Festkörpers enthält in etwa 1023 Elektronen und Atomrümpfe. Eine der herausfordernden Aufgaben der theoretischen Festkörperphysik besteht darin zu verstehen, wie die kollektiven emergenten Phänomene in Festkörpern, wie z. B. Supraleitung, Magnetismus und viele andere faszinierende Eigenschaften, entstehen. Emergent bedeutet, dass diese Phänomene einzig und allein durch die Wechselwirkungen der elementaren Bestandteile des Festkörpers untereinander hervorgebracht werden. Wie können wir diese Vielfalt mathematisch beschreiben? Dies wird in dem folgenden Kapitel präsentiert, indem wir exemplarisch drei repräsentative und spannende emergente Phänomene behandeln, mit welchen ich mich in meiner Forschung befasse: Supraleitung, Magnetismus und topologische Phasen.

Roser Valentí

Kapitel 13. Atomare und molekulare Schalter

Computer, Tablets, Mobiltelefone werden immer leistungsfähiger, weil immer mehr und immer kleinere elektronische Bauteile, überwiegend Kondensatoren und Transistoren, darin enthalten sind. Dabei dienen die Kondensatoren zum Speichern der Information und Transistoren als Schalter. Beides wird üblicherweise aus dem Halbleitermaterial Silizium hergestellt. Wenn die Miniaturisierung so weitergeht, könnten demnächst einzelne Moleküle oder Atome Schaltfunktionen übernehmen, die bisher von Transistoren ausgeführt werden. In diesem Kapitel wird erklärt, wie man die Funktion solch kleiner Schalter erforschen kann. Außerdem wird ein Beispiel gezeigt für ein Speicher- und Schaltelement, das durch Umlagerung eines einzelnen Atoms betrieben wird.

Elke Scheer

Kapitel 14. Nanostrukturen und Oberflächen: Physik bei atomarer Auflösung

In diesem Kapitel gebe ich einen Einblick in unsere Arbeiten, die sich im Wesentlichen auf die Entwicklung von Nanomaterialien und Oberflächenreaktionen konzentrieren. Diese Arbeiten sind direkt mit technischen Anwendungen verknüpft. Wir verfolgen zurzeit unter anderem Projekte, die sich erstens mit den atomaren Mechanismen der Oxidation und Korrosion befassen und zweitens die Synthese und Eigenschaften zweidimensionaler Materialien untersuchen. Letztere sind vor allem für die Nanotechnologie und -elektronik von Interesse. Dazu benutzen wir die Rastertunnelmikroskopie, mit der wir Materie mit atomarer Auflösung untersuchen können. Die Forschung, die ich hier vorstelle, ist nicht abgeschlossen und viele Fragen sind noch offen und werden uns noch lange beschäftigen.

Petra Reinke

Kapitel 15. Plasmonische Nanostrukturen

In Analogie zu TV- oder Radioantennen gibt es auch für sichtbares Licht geeignete Antennen. Mit diesen kann die Energie eines Lichtfeldes konzentriert bzw. in kollektive Schwingungen der freien Elektronendichte von Metallpartikeln (Plasmonen) umgewandelt werden. Wegen der sehr kurzen Wellenlängen von Licht müssen solche Antennen entsprechend klein sein. Die Entwicklung der Nanotechnologie ermöglicht es, solche plasmonischen Nanostrukturen kontrolliert herzustellen. Wir entwickeln Prozesse zu deren definierter Fabrikation sowie Verfahren, um gezielt an Stellen hoher Feldstärke weitere Nanoobjekte anzubinden. An den Systemen werden fundamentale Zusammenhänge der Licht-Materie-Wechselwirkung untersucht. Als praktische Anwendung werden z. B. Rastersonden oder Biosensoren hergestellt.

Monika Fleischer

Kapitel 16. Nanomagnetismus im Röntgenlicht

Magnetische Systeme spielen eine bedeutende Rolle in innovativen Techniken wie der Datenspeicherung, Sensorik, Motorik und Energieumwandlung. Moderne Technologien erlauben es, künstliche Funktionswerkstoffe und Materialsysteme auch auf atomarer Skala maßzuschneidern und diese Strukturen sichtbar zu machen, um ein grundlegendes Verständnis und eine gezielte Optimierung zu erreichen. Der zirkulare magnetische Röntgendichroismus und die darauf basierende Röntgentransmissionsmikroskopie bieten hier einzigartige Möglichkeiten. Mit höchster Präzision werden hier atomare magnetische Momente getrennt nach Spin- und Bahnanteil ermittelt. Mit hochbrillianter, polarisierter und gepulster Synchrotronstrahlung kann sogar die Dynamik fundamentaler magnetischer Prozesse und Anregungen gefilmt werden.

Gisela Schütz

Kapitel 17. Strukturlandschaften für den Transport von Anregungen

Vielfältige Licht-Materie-Landschaften können aus kleinen Bausteinen auf Oberflächen konstruiert werden. Sie dienen als prototypische Strukturen, um neuartige Konzepte in Elektronik, Sensorik, Katalyse und für höhere Energieeffizienz zu entwickeln. Die Übertragung von Energie bzw. Information durch Molekülaggregate erfordert anisotrope, kabel-artige Strukturbausteine. Lokalisierte Lichtquellen werden mittels Beleuchtung metallischer Nanostrukturen bereitgestellt. Zunächst werden Landschaftselemente aus nur zwei Modulen, metallischen Nanoteilchen und Farbstoffmolekülaggregaten, betrachtet. Die rudimentäre Funktion solcher Einheiten ist der Energietransfer aus dem Lichtfeld in das Nanoteilchen, vom Nanoteilchen in das Molekülaggregat und der weitere Transport der Anregung. Anregungen sollen möglichst lange Laufzeit und - strecken erreichen, sodass sie an anderen Orten für eine Verarbeitung zur Verfügung stehen bzw. ihre Energie genutzt oder gespeichert werden kann. Die Beziehung des räumlich-zeitlichen Verhaltens von Anregungen zur Morphologie ist hilfreich, um intermolekulare Kopplungen und Transportmechanismen zu verstehen.

Sylvia Speller

Quantenoptik und Photonik

Frontmatter

Kapitel 18. Photonik – Von der klassischen Optik zur Zukunft des Lichts

Die Photonik beschäftigt sich mit Anwendungen des Mediums Licht in ganz verschiedenen Bereichen – von der Informationsübertragung bis hin zum Einsatz von Licht in der Medizin. Der Erfolg der Photonik liegt in den besonderen Eigenschaften des Lichts begründet. Es zeigt die höchste erreichbare Geschwindigkeit im Universum und kann daher Daten unvorstellbar schnell übertragen. Es kann auf einen sehr kleinen Bereich, auf den Millionstel Teil eines Millimeters, fokussiert werden und daher kleinste Strukturen auflösen. Und es kann höchste Leistungen bis zu Milliarden von Megawatt erzeugen, sodass Hochleistungslaser heute für die Materialbearbeitung genauso wie für die Fusionsforschung eingesetzt werden können.Wie sich die klassische Optik von Linsen, wie sie schon in der Antike bekannt war, bis heute in einen so spannenden Forschungszweig, der Quantenoptik und Nanophotonik beinhaltet, mit so vielfältigen Anwendungen in der Datenübertragung, der Nano- und der Biotechnologie entwickeln konnte, wird in diesem Kapitel beschrieben.

Cornelia Denz

Kapitel 19. Nichtlineare Optik an Nanostrukturen

Methoden der nichtlinearen Optik finden in der modernen Festkörperspektroskopie ein breites Einsatzfeld von der Grundlagenforschung bis zur angewandten Forschung. Experimente mit ultraschnellen Laserpulsen zur Anregung und Abtastung optischer Übergänge in neuartigen Nanostrukturen erlauben uns Rückschlüsse zu elektronischen Zuständen und ihrer Dynamik. Festkörperbasierte Nanostrukturen sind künstliche Materialien mit neuen Funktionalitäten, die so in der Natur nicht vorkommen. Sie sind interessant für Anwendungen in der Optoelektronik, Biophotonik und Photonik sowie für Bauelemente neuer Quantentechnologien. Wir zeigen an Beispielen, wie durch nichtlinear-optische Spektroskopie derartige nanoskalige Materialsysteme in ihren Eigenschaften untersucht und besser verstanden werden können.

Ulrike Woggon

Kapitel 20. Atom- und Molekülphysik nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt

In den vergangenen drei Jahrzehnten konnten atomare Gase auf immer niedrigere Temperaturen gekühlt werden. Der Rekord wurde 2003 in einem Gas aus Rubidiumatomen aufgestellt, in dem Temperaturen von einigen 500 pK über dem absoluten Temperaturnullpunkt nachgewiesen wurden [1]. Bei diesen tiefen Temperaturen ist die Welt nicht erstarrt, sondern es können eindrucksvolle Phänomene der Quantenmechanik beobachtet werden. Bisher haben sich Moleküle der Abkühlung auf ebenso niedrige Temperaturen widersetzt, jedoch konnten in den vergangenen Jahren enorme Fortschritte gemacht werden, die Welt der ultrakalten Temperaturen auch für Moleküle zu eröffnen. Aufgrund einer Vielzahl von molekularen Freiheitsgraden und neuer Wechselwirkungsmechanismen versprechen ultrakalte Moleküle, ein weites Forschungsfeld zu eröffnen, das von Quantenchemie über Präzisionsmessungen bis hin zu neuartigen Vielteilchenphänomenen reicht.

Silke Ospelkaus

Nichtlineare Physik

Frontmatter

Kapitel 21. Einführung in die nichtlineare Dynamik

Viele Phänomene in der Natur werden durch eine komplexe Dynamik in Raum und Zeit charakterisiert. Hier wird das faszinierende Feld der Anwendung von Methoden der nichtlinearen Dynamik auf Umweltsysteme beschrieben. Dieses Methodenspektrum erlaubt z. B. ein tieferes Verständnis von Klimaphänomenen wie der thermohalinen Ozeanzirkulation, der Wirbelbildung im Meer oder des Entstehens von Vegetationsmustern in niederschlagsarmen Regionen der Erde. Die Komplexität dieses Verhaltens wird durch die nichtlineare Wechselwirkung unterschiedlicher physikalischer Größen hervorgerufen. Besonders spannend sind dabei Kipppunkte, wo sich die Dynamik eines Umweltsystems sprunghaft ändert, wenn z. B. äußere Triebkräfte wie Temperatur oder Nährstoffzufuhr in einem Ökosystem durch den globalen Klimawandel verändert werden und dabei kritische Werte überschreiten.

Ulrike Feudel

Kapitel 22. Strukturbildung im Laserlicht

In diesem Beitrag wird die zeitliche Emission von Laserbauelementen mithilfe von numerischen Simulationen untersucht. Aufbauend auf dem Phasenübergang zu geordneter Lichtemission an der Laserschwelle charakterisieren wir auftretende komplexe Pulszüge und chaotisch moduliertes Licht. Das verwendete Beispielsystem ist ein modengekoppelter Halbleiterlaser mit optischer Rückkopplung. Dieses spezielle Lasersystem besteht aus mehreren Teilen: einem elektrisch betriebenen Laserteil, einem absorbierenden Teil (Absorber) und einem externen Spiegel, der für die zeitlich verzögerte Rückkopplung des Lichtes sorgt. In Abhängigkeit der Kontrollparameter, wie z. B. Spiegelabstand oder Laserbetriebsstrom, diskutieren wir Änderungen in der Dynamik des emittierten Lichtes.

Kathy Lüdge

Kapitel 23. Quantenchaos

Strahlen-Wellen-Korrespondenz zu Ende gedacht: Die Korrespondenz von Strahlen und Wellen, von klassischer und Quantenmechanik ist ein tiefliegendes Prinzip und fundamental für unser physikalisches Weltbild. Im Grenzfall verschwindender Wellenlänge bzw. großer Energien soll die Quantenmechanik in die klassische Mechanik übergehen, sollen Wellen als Teilchen beschreibbar sein. Die Fragestellungen im Gebiet des Quantenchaos sind in gewisser Weise durch die umgekehrte Herangehensweise motiviert: Gegeben seien zwei klassische Systeme mit unterschiedlicher Dynamik der (Punkt-) Teilchen, verursacht z. B. durch das Fehlen von Symmetrien und damit Erhaltungsgrößen in einem der beiden Systeme. Werden dann auch ihre quantenmechanischen Pendants unterschiedliche Eigenschaften aufweisen? Wie wird der Unterschied beider Systeme greifbar und ist er beobachtbar?

Martina Hentschel

Bio- und Medizinphysik

Frontmatter

Kapitel 24. Einführung in die Bio- und Medizinphysik

In der Biophysik geht es im weitesten Sinne darum, biologische Systeme mithilfe von physikalischen Messmethoden zu untersuchen und mit physikalischen Gesetzen zu beschreiben. Die Medizinphysik interessiert sich für die Entwicklung von medizinisch relevanten Untersuchungsmethoden. Beide Gebiete lassen sich nur schwer voneinander trennen. Insgesamt handelt es sich um sehr interdisziplinäre Gebiete, die neben der Biologie, Physik und Medizin noch viele weitere Disziplinen von der Chemie bis hin zu den Ingenieurswissenschaften beinhalten.

Katharina Landfester

Kapitel 25. Physik und Leben

Obwohl sich Philosophie und Wissenschaften seit dem Altertum intensiv mit dem Phänomen Leben auseinandergesetzt haben, ist uns doch bis zum heutigen Tag keine überzeugende und insbesondere quantifizierbare Definition dieses Phänomens gelungen. Entsprechend spät hat die Physik den Bereich der „belebten Materie” für sich entdeckt und erschlossen. Traditionell assoziiert man die Biophysik hier vor allem mit der physikalischen Chemie und der Weichen Materie. Andererseits schätzen auch die Biowissenschaften zunehmend den Wert der physikalisch-quantitativen Herangehensweise und die Vielzahl von physikalischen Methoden, allen voran natürlich die verschiedenen Spielarten der Mikroskopie. Deren intensive Nutzung durch die immer umfangreicher werdende biomedizinische Forschung bringt andererseits auch die (Bio-)Physik selbst voran, sodass an der Grenze zwischen Physik und Biologie mittlerweile eine extrem fruchtbare Zusammenarbeit zu den verschiedensten Themen erfolgt.

Petra Schwille

Kapitel 26. Polymere Nanopartikel als Formulierung für die Krebstherapie

Polymere aus wasserlöslichen und wasserunlöslichen Blöcken bilden in wässriger Lösung Nanopartikel, die als Träger für medizinische Wirkstoffe dienen können. In diesem Kapitel wird ein System vorgestellt, das mit außergewöhnlich großen Mengen des häufig verwendeten Krebsmedikaments Paclitaxel beladen werden kann und somit für die Krebstherapie von großem Interesse ist. Mit Neutronen-Kleinwinkelstreuung konnten wir herausfinden, ob die Nanopartikel bei hoher Beladung mit Paclitaxel ihre Struktur ändern und wie dieses im Nanopartikel verteilt ist.

Christine M. Papadakis

Kapitel 27. Klinisch-Spektroskopische Diagnostik bei Infektion und Sepsis

In Zeiten steigender Antibiotikaresistenzen ist eine schnelle Diagnose von Infektionen dringend notwendig, um Erkrankte zielgerichtet behandeln zu können. Derzeit können wichtige Informationen über das Pathogen meist aber erst nach ein bis drei Tagen zurückgemeldet werden. Neue spektroskopische Methoden haben das Potenzial, diese Zeit auf nur wenige Stunden zu reduzieren. Mithilfe der Raman-Spektroskopie können Bakterien in einer Urinprobe innerhalb von nur 35 Minuten identifiziert werden. Eine Bestimmung der Antibiotikaresistenz kann in etwa 3½ Stunden erreicht werden.

Ute Neugebauer

Kapitel 28. Biomedizinische Physik in der Krebstherapie

Die Therapie von Tumoren mit ionisierender Strahlung verfügt heute über eine hohe Zahl an Freiheitsgraden und ist daher hochpräzise, schnell und ausschließlich lokal wirksam. Bislang wurde in der Strahlentherapie eine hohe, homogene Dosis im Tumorbereich bei gleichzeitiger Schonung von gesundem Gewebe angestrebt. Jedoch zeigen aktuelle wissenschaftliche Arbeiten, dass die Gewebearchitektur eines Tumors chaotisch ist. Daher können starke lokale Änderungen der Strahlensensitivität auftreten. Biologische Eigenschaften von Tumoren können heute mit funktioneller Bildgebung wie Positronen-Emissions-Tomografie oder Magentresonanztomografie untersucht werden. Das Ziel unserer Forschungsarbeiten ist die Integration dieser biologischen Information zur lokalen Strahlensensitivität in eine indiviuell angepasste Dosisverschreibung für die Strahlentherapie.

Daniela Thorwarth

Planeten- und Astrophysik

Frontmatter

Kapitel 29. Einführung in die Astrophysik – Die Welt im Großen verstehen

Die moderne Astrophysik entstand in den letzten hundert Jahren. Sie baut aber auf Beobachtungen, Erkenntnissen und vor allem Fragen auf, die viele Jahrhunderte oder sogar Jahrtausende zurückreichen und die Astronomie zur wohl ältesten Wissenschaft der Menschheit machen. Die Astrophysik ist die Wissenschaft des gesamten Kosmos. Ihre Zuständigkeit reicht von der zunehmend erfolgreichen Entdeckung erdähnlicher Planeten in fremden Sonnensystemen bis hin zu der Suche nach Ursprung und Zukunft des gesamten Universums. Sie ist die Physik des Extremen, denn im Kosmos begegnen wir Dichten, Massen und Temperaturen, die weit außerhalb des Bereichs liegen, der uns von der Erde vertraut ist.

Susanne Hüttemeister

Kapitel 30. Terrestrische Planeten: Die ungleichen Geschwister unserer Erde

Als erdähnliche oder terrestrische Planeten werden diejenigen Planeten in unserem Sonnensystem bezeichnet, die einen ähnlichen Aufbau mit einem eisenreichen Kern, einem Gesteinsmantel und einer Kruste besitzen – dies sind der Merkur, die Venus, der Mars und unsere Erde. Durch Vorgänge im Planeteninneren und Einwirkungen von außen wurden sie seit ihrer Entstehung vor etwa 4,5 Milliarden Jahren beständig verändert, was sich natürlich insbesondere auf ihren Oberflächen widerspiegelt. Verschiedenste Daten von Raumsonden zeigen, dass sich die Planeten unterschiedlich entwickelt haben. Eine Beobachtung, die aber nicht nur für ihre Oberflächen gilt, sondern auch für ihre Magnetfelder, Atmosphären und für die Existenz von Leben. Die Planetenphysik ist eine der Wissenschaften, die man heranzieht, um die Unterschiede, aber auch Gemeinsamkeiten in der Entwicklung der terrestrischen Planeten zu verstehen.

Doris Breuer

Kapitel 31. Schwarze Löcher und Neutronensterne

Wenn Sterne den Kernbrennstoff in ihrem Innern verbraucht haben, werden sie – je nach ihrer Masse – zu Weißen Zwergen, Neutronensternen oder Schwarzen Löchern. Neutronensterne enthalten Materie in extrem dicht gepackter Form. Wenn sie aufgrund ihrer starken Magnetfelder und schnellen Rotation hochpräzise Pulse aussenden, nennt man sie Pulsare. Um Neutronensterne und Schwarze Löcher zu verstehen, benötigt man die Einstein’sche Allgemeine Relativitätstheorie. Man kennt stellare Schwarze Löcher und supermassereiche Schwarze Löcher. Letztere verbergen sich in den Zentren der Galaxien. Der Nachweis von Gravitationsstrahlung, die beim Verschmelzen von Schwarzen Löchern und Neutronensternen entsteht, hat die neue Ära der Gravitationswellen-Astronomie eingeleitet.

Jutta Kunz

Kapitel 32. Galaxienentwicklung

Nahfeldkosmologie befasst sich mit der Erforschung der Entwicklungsgeschichte naher Galaxien, die wir im Detail untersuchen können. Wenn wir in Galaxien (wie z. B. der Milchstraße) sogar einzelne Sterne unterschiedlichen Alters als Überbleibsel vergangener Epochen analysieren können, sprechen wir von galaktischer Archäologie. Dieser neue Forschungszweig kann uns aufzeigen, wie sich Galaxien gebildet haben, welche Rolle Verschmelzungsprozesse mit kleineren Galaxienbausteinen spielten und wie Sternentstehung und chemische Entwicklung abgelaufen sind. Derartige Studien ermöglichen Tests kosmologischer Modelle und ergänzen Untersuchungen weit entfernter Galaxien im jungen Universum. Ich beschreibe im Folgenden kurz Facetten des aktuellen Wissenstands und offene Fragen.

Eva K. Grebel

Kapitel 33. Galaxienhaufen: Die größten gebundenen Strukturen im Universum

Galaxien sind nicht gleichmäßig im Universum verteilt, sondern bilden Ansammlungen von Hunderten bis zu Tausenden von Galaxien mit Ausdehnungen von Millionen von Lichtjahren. Diese riesigen Strukturen sind durch die Wirkung der Gravitation gebunden. Sie sind nicht nur ideale Laboratorien, um physikalische Effekte unter extremen Bedingungen zu untersuchen, sondern auch ausgezeichnete Testobjekte für kosmologische Forschungen. So kann man etwa mithilfe von Galaxienhaufen die Menge der Dunklen Materie im Universum messen.

Sabine Schindler

Backmatter

Weitere Informationen