Moderne Physik am Samstagmorgen im Winter 2012/13

From Institute for Theoretical Physics II / University of Erlangen-Nuremberg

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Kurzinformation

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Es haben die folgenden Vorträge stattgefunden:

  • Samstag, 20. Oktober 2012: Physik mit Pinguinen, Prof. Dr. Ben Fabry
  • Samstag, 10. November: Fremde Welten – Extrasolare Planeten, Prof. Dr. Ulrich Heber
  • Samstag, 24. November: Einzelne Atome sehen – Aufnahmen mit einem Rastersondenmikroskop, Prof. Dr. Sabine Maier
  • Samstag, 19. Januar 2013: Die 3D Kamera – Optische 3D Sensoren und ihre Anwendungen, Prof. Dr. Gerd Häusler
  • Samstag, 2. Februar: Physik auf dem Computer – Von Seifenblasen bis zu Schmetterlingsflügeln, Dr. Gerd Schröder-Turk


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Von Pinguinen, fremden Planeten und einzelnen Atomen

Erlanger Vortragsreihe "Moderne Physik am Samstagmorgen" erklärt aktuelle Forschungsthemen

Speziell für Schülerinnen, Schüler und interessierte Laien ist die Vortragsreihe gedacht, die im Winter an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg wieder stattfinden wird. An fünf Samstagen in den Monaten Oktober, November, Januar und Februar bietet das Department Physik Einblicke in moderne Forschungsthemen auf einem allgemeinverständlichen Niveau.

Die Reihe hatte zum ersten Mal im Sommer 2012 stattgefunden und war sofort sehr gut aufgenommen worden, mit typischerweise um die 200 Zuhörerinnen und Zuhörern. "Wir waren selbst von dem Andrang überrascht und mussten in einen größeren Hörsaal ausweichen," berichtet Prof. Dr. Florian Marquardt, der die Vortragsreihe organisiert.

Am 20. Oktober 2012 startet die Reihe erneut, mit einer kurios anmutenden Frage: Was haben Pinguine mit Physik zu tun? Prof. Dr. Ben Fabry wird in seinem Vortrag erklären, wie Methoden aus der Physik verwendet werden, um das Verhalten großer Pinguinkolonien in der Antarktis zu verstehen ("Physik mit Pinguinen").

Einem uralten Rätsel geht der nächste Vortrag nach: gibt es außerhalb unseres Sonnensystems weitere Planeten im Universum? Gibt es darunter vielleicht auch solche, die so ähnlich wie unsere Erde beschaffen sind, und damit eventuell sogar außerirdisches Leben beherbergen könnten? Erst in den letzten zwei Jahrzehnten sind Hunderte von sogenannten extrasolaren Planeten entdeckt worden. Prof. Dr. Ulrich Heber von der Sternwarte Bamberg wird am 10. November die Forschungsergebnisse in diesem Gebiet vorstellen ("Fremde Welten - Extrasolare Planeten").

Einzelne Atome zu sehen schien lange Zeit unmöglich zu sein. Doch heutzutage werden mit speziellen Mikroskopen Aufnahmen gemacht, in denen die Lage jedes Atoms und Moleküls auf einer Oberfläche identifiziert werden kann, was zu bedeutenden Fortschritten in Gebieten wie Katalyse, Materialphysik und Nanophysik geführt hat. Prof. Dr. Sabine Maier wird am 24. November Einblicke in die daraus resultierenden faszinierenden Bilder geben, in ihrem Vortrag "Einzelne Atome sehen – Aufnahmen mit einem Rastersondenmikroskop".

Am 19. Januar 2013 wird die Reihe fortgesetzt, mit einem Thema aus der modernen Optik. Prof. Dr. Gerd Häusler wird demonstrieren, wie dreidimensionale, räumliche Aufnahmen von Objekten erstellt werden und wofür diese gut sind ("Optische 3D-Kameras für Technik, Medizin und virtuelle Realität").

Schließlich widmet sich der letzte Vortrag der sogenannten "weichen Materie", deren Aufbau im Gegensatz zu den normalen, kristallinen Festkörpern besonders komplex ist. Dies ist eines der vielen Gebiete der Physik, in denen der Einsatz von Computersimulationen in letzter Zeit besonders große Fortschritte ermöglicht hat. Davon berichtet Dr. Gerd Schröder-Turk in dem Vortrag "Physik auf dem Computer – Von Seifenblasen zu Schmetterlingsflügeln" am 2. Februar.

Zu den einzelnen Vorträgen

Physik mit Pinguinen (20. Oktober, Prof. Dr. Ben Fabry)

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Kaiserpinguine sind die einzigen Tiere, die während des antarktischen Winters brüten. Die Pinguine müssen dabei Temperaturen von -50° C bei Windgeschwindigkeiten bis zu 200 km/h ertragen. Von ihrer Ankunft in der Kolonie bis zum Ausbrüten der Eier müssen die Männchen, die sich ausschließlich dem Brutgeschäft widmen, 4 Monate lang fasten. Um Energie zu sparen und um unter den extremen Witterungsbedingungen zu überleben, drängen sich die Pinguine dicht aneinander und bilden sogenannte Huddles. Dabei ist es entscheidend, dass sich die Huddle-Struktur kontinuierlich verändert, so dass jeder Pinguin ausreichend Zeit im warmen Inneren des Huddles verbringen kann. Jedoch stehen die Pinguine in einem Huddle so dicht gedrängt, dass eine Bewegung einzelner Pinguine unmöglich ist. Um die Gesetzmäßigkeiten des Umstrukturierungsprozesses in einem Huddle und seine Bedeutung für die soziale Thermoregulation zu verstehen, entwickeln wir eine Beobachtungsplattform, welche die genaue Position mehrerer tausend Pinguine einer Kolonie gleichzeitig und über den gesamten Winter hinweg verfolgen kann. Diese Daten sollen weiterhin dazu beitragen, die Auswirkungen der zunehmenden Umweltbelastung auf die Kaiserpinguine abzuschätzen, wie Klimaveränderungen, Ausdünnung des Meereises und reduziertes Nahrungsangebot.

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Fremde Welten - Extrasolare Planeten (10. November, Prof. Dr. Ulrich Heber)

Schon der griechische Philosoph Epikur vermutete, dass es unendlich viele Planetensysteme im Weltall geben müsste. Doch erst seit 1995 wissen wir, dass unser Sonnensystem kein Einzelfall ist. Die Suche nach Planeten bei anderen, meist sonnenähnlichen Sternen, zeigt, dass Planetensysteme eher der Normalfall denn die Ausnahme sind. Einen extrasolaren Planeten direkt sichtbar zu machen gelingt nur sehr selten, da der Helligkeitsunterschied und die Nähe des Muttersterns dies meist unmöglich machen. Daher sind indirekte Methoden angezeigt, die erfolgreichste darunter ist die Dopplerreflex-Methode. Sie nutzt das dritte Keplersche Gesetz, um aus winzigen Schwankungen der Geschwindigkeit eines Sterns auf die Existenz und die Masse eines oder mehrerer Planeten zu schließen. Transitsuche und Lichtlaufzeitveränderungen sind zwei weitere wichtige Verfahren, die im Vortrag vorgestellt werden.

Die Eigenschaften der gefundenen Planetensysteme sind vielfältig, wenn auch keines unserem Sonnensystem gleicht. Heute konzentriert sich die Suche auf extrasolare Planeten aus Gestein, die ihre Muttergestirne in der sogenannten habitablen Zone umlaufen, d.h. in Regionen, in denen Wasser, so vorhanden, flüssig sein könnte. Zwei Kandidaten, sogenannte Supererden, wurden bereits entdeckt.

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Quelle: interstellarum Newsletter


Einzelne Atome sehen – Aufnahmen mit einem Rastersondenmikroskop (24. November, Prof. Dr. Sabine Maier)

Die in den frühen 80er Jahren entwickelten Rastersonden-mikroskope erlauben es uns, molekulare und sogar atomare Strukturen abzubilden. Diese Mikroskope bestehen im Wesentlichen aus einer feinen Spitze, die in extrem kleinen Abstand über die Probenoberfläche geführt wird. Durch die rasterförmige Abtastung kann ein Höhenrelief der Probe erstellt werden. Mit dieser Methode können nicht nur einzelne Moleküle und Atome auf Oberflächen sichtbar gemacht werden, sondern es können auch deren mechanische und elektronische Eigenschaften gemessen werden. Mit der Spitze lassen sich auch einzelne Moleküle und Atome gezielt manipulieren. Solche fundamentale Experimente mit dem Rastersondenmikroskop haben eine breite Anwendung von der Energieforschung und Katalyse bis hin zur molekularen Elektronik. In diesem Vortrag wird die Funktionsweise eines Rastersondenmikroskops und dessen Anwendung anhand von zahlreichen Beispielen aus der aktuellen Forschung erklärt.

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Bild: Graphen (eine Schicht aus Kohlenstoffatomen) auf Ruthenium

Optische 3D-Kameras für Technik, Medizin und virtuelle Realität (19. Januar, Prof. Dr. G. Häusler)

Daten über die "3D-Form" eines Objektes sind viel aussagekräftiger als ein Foto: in der Industrie prüft man mit 3D-Sensoren Bauteile auf Formgenauigkeit oder Vollständigkeit. Es stehen Sensoren mit einer Messunsicherheit bis zu wenigen Nanometern zur Verfügung. In der Museumstechnik werden 3D-Daten für die Dokumentation aber auch für die Anfertigung von 3D-Kopien genutzt. In der Medizin helfen 3D-Daten bei der Operationsplanung für die Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie und bei der automatisierten Herstellung von Zahnersatz. Leider ist die "Aufnahme" von 3D-Daten nicht so einfach wie das Knipsen eines Fotos. Die Physik und die Informationstheorie setzen hier Grenzen. Es werden die Möglichkeiten aber auch die Grenzen erklärt und Beispiele aus dem breiten Anwendungsbereich von "3D-Kameras" gezeigt.

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Aus gemessenen 3D-Daten gefertigte Krone auf einem Zahnstumpf


Physik auf dem Computer – Von Seifenblasen bis zu Schmetterlingsflügeln (2. Februar, Dr. Gerd Schröder-Turk)

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Dazu schreibt Dr. Schröder-Turk:

In diesem Vortrag werde ich über eine wenig bekannte Klasse von geometrischen Formen, sogenannten dreifach-periodischen Minimalfächen, reden, die aber in der Natur (in vivo) und synthetisch (in vitro) überaschend häufig vorkommen. Diese Flaechen, allen voran eine bestimmte Fläche mit dem Namen Gyroid, sind negativ gekrümmt, sind mathematisch Minimalflächen und teilen den Raum in zwei Netzwerk-artige Domänen auf. Ich werde berichten, warum sich derartig komplexe Strukturen in Self-Assembly Prozessen zum Beispiel von Lipiden bilden können, im wesentlichen weil sie geometrisch sehr homogen sind und sozusagen das negativ-gekruemmte Pendant der Kugel oder des Zylinders sind. Als spezielles Beispiel möchte ich auf das Auftreten dieser Strukturen in weichen und harten biologischen Systemen berichten, einerseits den Schuppen auf den Flügeln von einigen grünen Schmetterlingen und ebenso den Retinazellen eines dem Eichhörnchen ähnlichen Spitzhörnchen. In beiden Fällen scheint das Auftreten der komplexen Gyroidstruktur auch, oder vielleicht hauptsächlich, einer biologischer Aufgabe zu dienen, nämlich dem optischen Filtern bestimmte Frequenzen des reflektierten oder transmittierten Lichtes.

Ein Link zu einem (englischen) Übersichtsartikel: