Research Blogging - Physics - German

Atomenergie: Alle 20 Jahre ein GAU

2012-05-23T13:42:20Z

Kernschmelzen sind weitaus wahrscheinlicher als bisher angenommen. Das jedenfalls besagt eine Studie einer Forschergruppe des Max-Planck-Instituts für Chemie. Zwar halbiere Deutschland das atomare Risiko voraussichtlich mit dem Ausstieg aus der Kernenergie....

Lelieveld, J., Kunkel, D., & Lawrence, M. (2012) Global risk of radioactive fallout after major nuclear reactor accidents. Atmospheric Chemistry and Physics, 12(9), 4245-4258. DOI: 10.5194/acp-12-4245-2012

Nanopartikel können Schwangerschaft beeinflussen

2012-05-16T23:59:00Z

In Versuchen mit schwangeren Mäusen wiesen Wissenschaftler Nanopartikel in deren Plazenta sowie in der Leber und im Gehirn der Föten nach. Davon berichten sie in dem wissenschaftlichen Fachmagazin Nature Nanotechnology. ...

Yamashita K, Yoshioka Y, Higashisaka K, Mimura K, Morishita Y, Nozaki M, Yoshida T, Ogura T, Nabeshi H, Nagano K.... (2011) Silica and titanium dioxide nanoparticles cause pregnancy complications in mice. Nature nanotechnology, 6(5), 321-8. PMID: 21460826

Die Quanten-"Stimmgabel"

2012-04-17T03:00:00Z

Die Quantenmechanik verbindet man ja meist mit sehr sehr kleinen Objekten wie Atomen oder Molekülen. Im Prinzip gilt sie aber natürlich immer. Forschern ist es jetzt gelungen, dies an einer Art schwingender "Stimmgabel" nachzuweisen.O.k., auch die "Stimmgabel" ist mit einer Länge von etwa 10 und einer Breite von etwa einem Mikrometer sehr klein, aber immerhin nicht sehr sehr klein - sie enthält immerhin einige Zehn Milliarden Siliziumatome (eine genaue Angabe kann ich nicht machen, weil im paper die Dicke der Stimmgabel nicht steht). Trotzdem schwingt sie so, wie es sich für ein Quantensystem gehört - die Schwingungen sind quantisiert und man kann das auch nachweisen. Da ich ja bekanntlich (siehe links) theoretischer Physiker bin, erstmal ein bisschen quantenmechanische Theorie. Zum Glück brauchen wir hier nur eine ganz einfache Gleichung, die vom guten alten Einstein stammt. Sie lautet E= h ν in Worten: Energie ist gleich Plancksches Wirkungsquantum h multipliziert mit der Frequenz ν. Einstein hat diese Gleichung für Photonen aufgestellt, also für Licht. Licht kann man ja in vielen Fällen sehr gut als elektromagnetische Welle betrachten, die eine bestimmte Schwingfrequenz hat. Bei sichtbarem Licht ist diese Frequenz sehr hoch, etwa 600Billionen Schwingungen pro Sekunde. Das Bild der Welle für Licht ist allerdings nicht perfekt, denn man kann Lichtenergie nur in Paketen (oder "Quanten", daher ja der Name "Quantenmechanik") bekommen, also entweder aus einem Lichtstrahl absorbieren oder an einen Lichtstrahl übertragen. Ein Lichtstrahl kann aber mehr als ein solches Lichtquant (Photon) enthalten; sind es N Stück, dann ist die Energie insgesamt E= N h ν . Hinweis an die Expertinnen: Ein Laserstrahl hat keine scharf definierte Photonenzahl (es gibt eine Unschärfe zwischen der Photonenzahl N und der Phase der Welle - da ein Laser eine sehr scharf definierte Phase hat, ist die Photonenzahl unscharf). Das macht aber nichts, weil der Austausch von Energie zwischen dem Laser und der Umwelt trotzdem quantisiert ist. (Der Erwartungswert der Photonenzahl ändert sich um Eins.) Die Gleichung hier darf aber deswegen nicht zu wörtlich genommen werden. Die Gleichung gilt aber nicht nur für Licht, sondern ganz allgemein. Wenn ihr eine handelsübliche Stimmgabel nehmt und sie anstoßt, dann gilt auch hier die gleiche Beziehung. Die Stimmgabel schwingt langsam aus und wird scheinbar kontinuierlich leiser, aber in Wahrheit gibt sie ihre Schwingungsenergie auch in Quanten an die umgebende Luft ab. Die Energie in einem Schwingungsquant einer 440Hz-Stimmgabel (440Hertz, also 440 Schwingungen pro Sekunde, ist dabei die Resonanzfrquenz) beträgt aber nur 0,0000000000000000000000000000003 Joule, und deshalb gibt sie so unglaublich viele Schwingungsquanten pro Sekunde an die Umgebung ab, dass wir davon nichts merken. Würden wir die Stimmgabel aber ganz unglaublich schwach anstoßen würden, so dass sie nur, sagen wir mal, zwei Schwingungsquanten an Energie enthielte, dann würde sie quasi "ruckartig" leiser werden, erst würde sich die Lautstärke halbieren, dann wäre sie plötzlich weg. Noch ein Hinweis an die Expertinnen: Ja, das ist etwas vereinfacht, weil ich mir korrekterweise Gedanken über die Energie-Zeit-Unschärfe machen müsste. Sowohl die schwingende Stimmgabel als auch ein Lichtstrahl können also Energie nur in Quanten abgeben. Für Licht ist das - wie gesagt - ein lange bekanntes Phänomen (für das Albert E. ja auch seinen Nobelpreis kassierte), dass es prinzipiell für mechanisch schwingende Systeme wie eine Stimmgabel gilt, weiß man zwar auch schon lange, aber das neue Experiment hat den Effekt jetzt in ganz besonderer Weise nachgewiesen. Schauen wir dazu noch einmal auf die Gleichung E= N h ν Wenn unsere Stimmgabel nur sehr schwach schwingt (N also sehr klein ist), dann enthält sie nur sehr wenig Energie. Ist beispielsweise N=2, dann enthält sie genau zwei Schwingungsquanten. Gibt sie eins davon ab, und geht in den Zustand N=1, dann verliert sie die Hälfte ihrer Quanten, die Zahl nimmt von 2 auf 1 ab. Nimmt sie dagegen ein weiteres Schwingungsquant auf, dann erhöht sie die Zahl ihrer Quanten von 2 auf 3. Bringen wir unsere Stimmgabel in Kontakt mit einem System, mit dem sie Energie (also Quanten) austauschen kann, dann sagen die Regeln der Quantenmechanik, dass folgendes gelten muss: Haben wir N Quanten in der Stimmgabel, dann ist die Wahrscheinlichkeit, ein Quant an das äußere System abzugeben, durch C·N gegeben, wobei C ein Koeffizient ("Koeffizient" ist Physikerinnensprech für "Eine Zahl, die ich vermutlich berechnen könnte, wenn ich Lust hätte, deren Wert mir aber gerade egal ist") ist, der etwas über die Wechselwirkung mit dem äußeren System aussagt. Die Wahrscheinlichkeit, stattdessen ein Quant aus dem äußeren System zu absorbieren, beträgt dagegen C·(N+1). Aufnahme und Abgabe von Energie sind also nicht symmetrisch, es ist wahrscheinlicher, ein Quant von außen aufzunehmen als eins abzugeben. (Im Extremfall N=0 kann nur Energie aufgenommen, aber keine abgegeben werden.) Und wieder ein Hinweis an die Expertinnen: Man kann das auch so ausdrücken, dass Phononen Bosonen sind und deswegen die Wahrscheinlichkeit, ein weiteres Phonon in einen bereits besetzten Zustand zu emittieren, erhöht ist. In einem klassischen System ist das anders - da hier die Energie nicht quantisiert ist, ist die Wahrscheinlichkeit für Aufnahme und Abgabe von Energie immer dieselbe. (Der Extremfall Energie=0 gilt nicht, da unser System immer eine bestimmte Temperatur hat und deswegen immer ein bisschen Schwingungsenergie enthält, von der man beliebige Mengen entnehmen könnte. Quantenmechanisch dagegen ist bei hinreichend niedriger Temperatur der Grundzustand erreicht und das System schwingt einfach gar nicht.) Und noch ein Hinweis an die Expertinnen: Ich vernachlässige hier die ganze Zeit die Nullpunktsenergie hν/2, weil die hier keine Rolle spielt - aus ihr kann man keine Quanten absorbieren. Um also die quantenmechanischen Eigenschaften einer Stimmgabel nachzuweisen, muss man folgendes tun: 1. Passende Stimmgabel bauen 2. Stimmgabel auf sehr niedrige Temperaturen abkühlen, so dass N sehr klein ist. 3. Stimmgabel in Kontakt mit einem System bringen, mit dem sie Energiequanten austauschen kann. 4. Messen, wie viele Quanten die Stimmgabel im Schnitt aus dem System absorbiert und emittiert. 5. Aus der Messung berechnen, ob tatsächlich mehr Quanten absorbiert als emittiert werden und das Ergebnis mit der Vorhersage der Quantenmechanik vergleichen. Die einzelnen Schritte sind dabei zum Teil extrem trickreich (einige sind sooo trickreich, dass ich selbst nicht alle Details verstanden habe (wer sich mal richtig gruseln will, der kann sich die Schemazeichnung zum Versuchsaufbau angucken, das ist was für die Hardcore-Experimentalisten (schauder)), aber ich hoffe, die prinzipiellen Ideen gebe ich korrekt wieder). 1. Passende Stimmgabel bauen Hier ist erstmal unsere Quanten-Stimmgabel: Es handelt sich um eine Struktur aus Silizium, die an einem äußeren "Rahmen" befestigt ist. Offiziell heißt so etwas natürlich nicht "Stimmgabel", sondern "optomechanical cavity" - Optomechanischer "Hohlraum" (in Physikerinnenkreisen wäre eigentlich wohl "Kavität" üblicher, klingt aber auch irgendwie doof.). "Mechanisch" liegt natürlich daran, dass das Ding schwingen kann. Wenn man es zum Schwingen anregt, gibt es verschiedene mögliche Schwingungsmuster, das, das uns hier interessiert, ist das, wo die Stimmgabel in der Mitte (wo die Löcher am kleinsten sind) ihre Breite verändert. So sieht diese Schwingung (in einer Computerberechnung und arg übertrieben, damit man was erkennt) aus: Diese Schwingung ist es, die wir anregen und deren Quantisierung wir untersuchen wollen. Aber das Ding ist ja nicht bloß mechanisch, sondern "opto-mechanisch" - das hat natürlich was mit Optik zu tun. Wir müssen ja irgendwie Energie mit einem anderen System austauschen, um Quanten zu klauen oder reinzustecken. Dieses andere System ist ein System aus Photonen. Lichtwellen können mit der Stimmgabel wechselwirken, denn Licht ist ja eine elektromagnetische Welle. (Ja, ich werfe hier in einem Satz wieder das Teilchenbild und das Wellenbild vom Licht durcheinander - das ist aber hier zulässig.) Eine elektromagnetische Welle kann sich passend zu den Löchern in unserer Stimmgabel anordnen, was das so aussieht: Hier ist das elektrische Feld dargestellt, das sich in der Stimmgabel einstellt, genauer gesagt, zwei unterschiedliche Möglichkeiten, wie ein elektrisches Feld mit der Stimmgabel wechselwirken k...

Safavi-Naeini, A., Chan, J., Hill, J., Alegre, T., Krause, A., & Painter, O. (2012) Observation of Quantum Motion of a Nanomechanical Resonator. Physical Review Letters, 108(3). DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.033602

Der kleinste Kühlschrank der Welt

2012-02-17T13:00:00Z

O.k., ich geb's zu - da Kühlschränke eh immer zu klein sind, wenn man mal wieder versucht, den Einkauf oder die Essensreste unterzubringen, ist es praktisch gesehen eigentlich ziemlich unsinnig, sich darüber Gedanken zu machen, ob man auch einen mikroskopisch kleinen Quantenkühlschrank bauen kann. Trotzdem, zumindest theoretisch ist das Problem des kleinsten möglichen Kühlschranks gelöst - sein "Kühlaggregat" besteht aus insgesamt drei einzelnen Quanten; dennoch arbeitet er mit maximaler Efiizienz.Ein Kühlschrank entzieht ja einem ohnehin schon kühleren Bereich (nämlich dem Kühlschrankinneren) Wärme und transportiert diese nach außen (in eure Küche). Das ist nicht gerade das normale Verhalten von unterschiedlich warmen Systemen, denn normalerweise fließt Wärme vom wärmeren zum kälteren Bereich, so dass sich die Temperaturen angleichen. Das jedenfalls ist die Aussage des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik. Fließt Wärme vom wärmeren zum kälteren Körper, dann steigt die Entropie - fließt sie in die andere Richtung, dann sinkt die Entropie dagegen ab. Aber bevor ihr jetzt auf einen Nobelpreis hofft - nein, euer Kühlschrank ist keine unglaubliche Widerlegung der Thermodynamik. Er senkt zwar tatsächlich lokal die Entropie, aber das tut er nicht einfach so - vielleicht ist euch schon mal aufgefallen, dass an jedem Kühlschrank immer so eine lange Schnur dran ist, die am Ende zwei Zapfen hat, und dass euer Kühlschrank nur dann funktioniert, wenn ihr die in ein passendes Loch in der Wand steckt. Von dort bezieht der Kühlschrank Energie - die wiederum stammt aus irgendeinem Kraftwerk, das seinerseits die Entropie erhöht (oder wiederum seine Energie aus der Sonne bezieht, dann ist es deren Entropie, die ansteigt). Durch Zufuhr von Energie kann man also Wärme in die "falsche" Richtung pumpen, ohne Ärger mit der Thermodynamik zu bekommen. Die Thermodynamik sagt euch auch, wie groß genau der Wirkungsgrad eines Kühlschranks maximal sein kann, also wieviel Energie ihr reinstecken müsst, um wie viel Wärme vom kalten in den warmen Bereich zu bekommen. (Wenn ihr einen Kühlschrank bauen könnt, der einen höheren Wirkungsgrad hat, dann könnt ihr euch doch für den Nobelpreis anmelden.) Ein typischer Haushaltskühlschrank ist ein Kompressorkühlschrank, der der zu kühlenden Seite Wärme entzieht, indem eine Flüssigkeit verdampft wird. Ein Kompressor drückt das entstehende Gas zusammen (dabei heizt es sich auf) und auf der warmen Seite bei hohem Druck kondensiert das Gas wieder zur Flüssigkeit, die dann - nach einem Druckminderer - wieder mit dem kühlen Bereich in Kontakt kommt. Dieses Bild von Wikipedia veranschaulicht das, Details könnt ihr finden, wenn ihr dem Link folgt: Die Energie aus der Steckdose wird dabei verwendet, um das Gas zu komprimieren, und das bestimmt den Wirkungsgrad. Da man es hier mit dem Hin- und Herpumpen eines Gases zu tun hat, könnte man annehmen, dass so eine Kältemaschine nur funktioniert, wenn man es mit einem thermodynamischen System zu tun hat , also einem Gas oder etwas ähnlichem, das aus sehr vielen Atomen besteht. Eine neue Arbeit zeigt nun aber, dass das nicht der Fall ist - ein Kühlschrankaggregat kann aus drei Quanten (also beispielsweise drei Atomen) bestehen, die jeweils im Kontakt mit unterschiedlichen Wärmebädern stehen. Die Arbeit ist im Journal of Physics erschienen, aber es gibt eine sehr nette Zusammenfassung bei nature, aus der auch das folgende Bild stammt (zum Vergößern anklicken): Wir haben zunächst ein Atom, das im Kontakt mit dem zu kühlenden Innenraum steht, der eine bestimmte - niedrige - Temperatur hat. Dieses Atom kann zwei Zustände einnehmen, den energetisch niedrigen Grundzustand (g) und den energetisch höheren angeregten Zustand (e=excited). Nehmen wir an, dass das Atom anfänglich im Grundzustand ist - durch den Kontakt mit dem Innenraum, der ja eine endliche Temperatur hat, gibt es eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass das Atom energetisch angeregt wird. Man kann sich beispielsweise vorstellen, dass die Atome im Innenraum mit unserem Atom zusammenstoßen und dabei Energie übertragen. Die Wahrscheinlichkeit, dass das passiert, folgt der berühmten Boltzmann-Formel. Wenn unser System abgeschlossen ist, dann wird unser Atom manchmal durch die Gasatome im Kühlraum angeregt, aber natürlich fällt es dann nach einiger Zeit auch ganz von selbst wieder in den Grundzustand und gibt die Energie wieder ab. Damit das Atom als Kühlaggregat funktionieren kann, muss es eine Verbindung nach außen bekommen. Dazu führen wir zunächst ein zweites Atom (im Bild oben mit "outside" markiert) ein. Dieses "wohnt" in einem etwas wärmeren Wärmebad - quasi der wärmeren Küche. Auch dieses Atom hat einen angeregten Zustand, aber die Energie dieses Zustands ist deutlich höher. Wenn es angeregt wird und dann in den Grundzustand zurückfällt, dann heizt es die Umgebung auf. Um jetzt den Kühlschrank betreiben zu können, brauchen wir noch die Energiequelle. Statt einer Steckdose nehmen wir ein drittes Wärmebad, das eine noch höhere Temperatur hat. Dort wohnt Atom Nummer drei ("power supply"). Auch das hat einen angeregten Zustand, und dessen Energie wird gerade so gewählt, dass die Energie dieses angeregten Zustands plus der Energie des angeregten Zustands von Atom 1 genau gleich der Anregungsenergie von Atom 2 ist. Wenn jetzt (Mitte des Bildes) Atom 1 und 3 thermisch angeregt werden, aber Atom 2 gerade im Grundzustand sitzt, dann können die drei ihre Energie austauschen: 1 und 3 schmeißen ihre Energie zusammen und heben damit 2 in den angeregten Zustand. Das erreichen wir über eine Kopplung der drei Atome, im Bild "fridge gate" genannt. (Zum Namen später mehr.) Damit haben wir Energie aus dem Kühlschrankinneren auf das äußere Wärmereservoir übertragen - den 2. Hauptsatz haben wir nicht verletzt, weil auch zusätzlich Energie vom ganz heißen Wärmebad mit Atom 3 übertragen wurde. Jetzt sind wir ganz rechts im Bild - dort bleiben wir aber nicht. Weil der Übergang in ein angeregtes Niveau um so wahrscheinlicher wird, je höher die Temperatur und je kleiner die Anregungsenergie ist, wird Atom 3 mit relativ hoher Wahrscheinlichkeit wieder angeregt werden, während Atom 2 in den Grundzustand zurückfällt. In diesem Zustand (1 im Grundzustand, 2 im Grundzustand, 3 im angeregten) kann keine Energie übertragen werden, weil die Energiedifferenzen nicht passen, aber sobald - per Zufall - Atom 1 angeregt wird, kann der Prozess wieder von Vorn anfangen. Natürlich können wir auch mal Pech haben und per Zufall fällt Atom 3 in den Grundzustand, während Atom 2 angeregt wird und 1 auch gerade im Grundzustand ist. Dann würde der Kühlschrank rückwärts laufen (im Bild vom rechten Zustand zum mittleren), Atom 1 würde angeregt und würde dann seine Energie nach Innen abgeben. Aber durch geeignete Wahl der Temperaturen der drei Reservoirs und der Werte der Energieniveaus kann man erreichen, dass diese Situation unwahrscheinlicher ist als die, bei der Wärme aus dem Kühlschrankinneren herausgepumpt wird. (Im paper ist das Gleichung (13).) Man kann also ein Kühlaggregat aus nur drei Quanten (gekoppelt an die entsprechenden Wärmereservoire) bauen - weniger geht nicht, wenn ich es richtig sehe, denn ein Quant muss die Energie aus dem Innern des Kühlschranks ja aufnehmen, ein zweites muss sie in der Küche wieder abgeben, und irgendwie muss man auch noch Energie zuführen. Mit diesem Modell lässt sich auch vergleichsweise einfach die Effizienz des Quantenkühlschranks berechnen. Sie ist gegeben durch das Verhältnis der Energien von Atom 1 und 3: η=E1/E3. Dieses Verhältnis kann man aber nicht beliebig wählen, denn hier kommt die oben erwähnte geeignete Wahl der Energieniveaus ins Spiel: Macht man E1/E3 zu groß, dann läuft der Kühlschrank "rückwärts" - es ist wahrscheinlicher, dass Wärme ins Innere hineingepumpt wird als heraus. Der maximale Wert für das Verhältnis der Energieniveaus hängt von der Temperat...

Skrzypczyk, P., Brunner, N., Linden, N., & Popescu, S. (2011) The smallest refrigerators can reach maximal efficiency. Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical, 44(49), 492002. DOI: 10.1088/1751-8113/44/49/492002

Das Versteck in der Zeit

2012-01-29T10:00:00Z

Unsichtbarkeit ist ja schon eine feine Sache. Genauso praktisch wäre es natürlich, wenn euer Erzrivale und Fernschachgegner glaubt, er würde euch lückenlos überwachen, während ihr in Wahrheit ganz woanders seid. Ein solches Phänomen wurde vor kurzem technisch realisiert - jedenfalls in sehr kleinem Maßstab.Das ganze verwendet ziemlich raffinierte Tricks aus der modernen Optik (von denen ich bisher auch noch nie gehört hatte). Ich erkläre es erst einmal mit einer Analogie, die aus dem Begleitartikel in nature stammt: Stellt euch vor, ihr wolltet herausfinden, ob auf einer Straße irgendwo eine Baustelle ist. Ihr könnt den Ort der Baustelle (wenn denn eine da ist) selbst nicht sehen, wohl aber den Bereich davor und dahinter. Vor der Baustelle fahren die Autos alle in gleichmäßigem und konstantem Tempo. An der Baustelle gibt es - na klar - einen Stau und die Autos werden langsamer. Entsprechend beobachtet ihr - wenn eine Baustelle da ist - dass der Autostrom unterwegs irgendwo verzögert wird. Wenn jemand die Baustelle vor euch verbergen will, dann könnte er den Autostrom einfach umleiten - beispielsweise auf eine Umgehungsstraße. Das entspricht der "Unsichtbarkeit". Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Autos hinter der Baustelle hinreichend zu beschleunigen - vor der Baustelle bremsen sie etwas ab, hinterher beschleunigen sie und fahren kurzzeitig schneller als mit ihrer normalen Geschwindigkeit und holen so die Verzögerung wieder auf. Das ist so etwa das Prinzip des Zeitverstecks (im Englischen "time cloak" genannt).1 1Fans von Perry fühlen sich vielleicht beim Begriff "Zeitversteck" an das Antitemporale Gezeitenfeld erinnert, aber das funktioniert ganz anders. Wie gesagt, beim "time cloak" arbeitet man natürlich nicht mit Autos, sondern mit Licht. Der zu beobachtende Bereich wird kontinuierlich mit Licht bestrahlt und am anderen Ende kommt auch ein kontinuierlicher Lichtstrahl an. Trotzdem wird das Licht unterwegs "unterbrochen" und es entsteht eine "Lücke" im Lichtstrahl, die wieder geschlossen wird. Damit das klappt, muss man drei Dinge tun: Man muss den kontinuierlichen Lichtstrahl irgendwie an einer Stelle "unterbrechen". Dann muss man den vorderen Teil des Strahls beschleunigen, den hinteren abbremsen. So entsteht eine "Lücke" im Strahl, in der wir unsere raffinierten Pläne vor dem beobachtenden Erzrivalen (und Fernschachgegner) verbergen können. Hinterher muss man den hinteren Teil des Strahls wieder beschleunigen und den vorderen abbremsen, so dass wieder ein lückenloser Gesamtstrahl entsteht. Aber hat Licht nicht immer dieselbe Geschwindigkeit? Heißt es nicht ständig und allerorten, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist? Stimmt schon, aber das gilt nur für die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit. In einem optischen Medium (Physikersprech für "durchsichtiges Zeugs") ist die Lichtgeschwindigkeit kleiner als im Vakuum. Dass das zur Lichtbrechung führt, habe ich vor ein paar Monaten im Zusammenhang mit der Unsichtbarkeit am Beispiel des Rettungsschwimmers David H. schon erklärt. Für uns hier ist wichtig, dass die Lichtgeschwindigkeit in einem optischen Medium nicht nur kleiner ist als im Vakuum, sondern vor allem, dass ihre Geschwindigkeit von der Wellenlänge abhängt. Meistens ist sie um so kleiner, je kleiner die Wellenlänge der Welle ist, aber das ist nicht zwingend so und es gibt auch Medien, in denen es genau umgekehrt ist. Wenn die Lichtgeschwindigkeit von der Wellenlänge abhängt, spricht man übrigens auch von Dispersion. Licht unterschiedlicher Wellenlängen bewegt sich also durch Glas unterschiedlich schnell. Fangen wir mit Licht einer bestimmten Wellenlänge an, dann können wir eine Lücke im Wellenzug erzeugen, wenn wir lokal an einer Stelle die Wellenlänge ändern, nämlich so, dass sie vorn im Lichtstrahl kürzer wird und hinten länger. (Wie man das macht, diskutieren wir gleich.) Den Übergang zwischen den Wellenlängen machen wir dabei hübsch graduell. Dieses Bild hier (aus dem Nature-Begleitartikel) zeigt das Prinzip: Dann schicken wir das Licht durch ein optisches Medium (eine Glasfaser), in dem die vordere (kurzwellige) Hälfte schneller läuft als die hintere (langwellige). So entsteht eine Lücke im Lichtstrahl (die Pfeile veranschaulichen, wie die Trennlinie zwischen langer und kurzer Wellenlänge auseinanderläuft): In dieser Lücke plazieren wir jetzt unser zu versteckendes Ereignis. Anschließend durchläuft der Lichtstrahl wieder eine Glasfaser, die aber diesmal das umgekehrte Geschwindigkeitsverhältnis hat, so dass jetzt der vordere Teil gebremst und der hintere beschleunigt wird. Ist die Lücke wieder geschlossen, verschieben wir die Wellenlängen wieder passend so, dass eine ungestörte Welle entsteht: Soweit das Prinzip. Die echte Kniffligkeit besteht natürlich vor allem darin, ein Lichtsignal passend aufzuspalten. Dazu nutzt man ein Gerät, das als "Zeitlinse" bezeichnet wird (genauer gesagt verwendet man halbierte Zeitlinsen, aber bevor ich das erkläre, kommt erst mal die ganze Zeitlinse). Da ich nicht so den Durchblick in Sachen Optik habe, sind die folgenden Erklärungen vermutlich etwas ungenau - wenn jemand von euch mehr Ahnung von Optik hat, tobt euch in den Kommentaren aus und ich korrigiere das hier entsprechend. So wie normale Linsen Licht im Raum bündeln, bündeln Zeitlinsen Licht in der Zeit. Eine Linse fokussiert ja Lichtstrahlen auf einen Punkt im Raum (Bild von Wikipedia): Damit kann man dann - das habt ihr sicher mal in der Schule gelernt - Lupen, Teleskope und Mikroskope bauen. Eine Zeitlinse tut etwas Ähnliches. Sie "bündelt" einen Impuls in der Zeit - ein Lichtimpuls kann mit ihr zu einem kürzeren Impuls zusammengestaucht werden. Schematisch kann man das so zeichnen: Dabei habe ich den Lichtimpuls als einfachen "Berg" gezeichnet. In Wahrheit besteht Licht aber ja aus Wellen - oder, anders gesagt, man kann jeden Lichtimpuls als Überlagerung von vielen Wellen darstellen. Das ist der Trick mit der Fourier-Transformation, den ich neulich in ganz anderem Zusammenhang schon mal erklärt habe. Im Wellenbild bedeutet ein Zusammenstauchen des Impulses, dass wir mehr unterschiedliche Wellenlängen in das Lichtsignal einbauen müssen. Eine Zeitlinse modifiziert also einen Lichtimpuls, indem Anteile von Lichtwellen mit unterschiedlicher Wellenlänge hinzugefügt werden. Wie ganz genau so eine "Zeitlinse" technisch funktioniert, habe ich nicht herausbekommen können - anscheinend schickt man das Lichtsignal in einen Wellenleiter (also einen leitenden Kanal), der aus Silizium gefertigt ist und einen Querschnitt von ein paar Hundert Nanometern hat (siehe z.B. hier). Die Mathematik dahinter ist auch...

Fridman, M., Farsi, A., Okawachi, Y., & Gaeta, A. (2012) Demonstration of temporal cloaking. Nature, 481(7379), 62-65. DOI: 10.1038/nature10695

Seltsame Quantenphysik als Seelenheil?

2012-01-21T10:16:38Z

Ist die Quantenphysik tatsächlich so seltsam? Kann sie als Grundlage moderner esoterischer Trends wie Quantenheilung angesehen werden? In diesem Post probiere ich den Ursprung solcher Trends zu erklären und nehme Stellung....

Einstein, A., Podolsky, B., & Rosen, N. (1935) Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?. Physical Review, 47(10), 777-780. DOI: 10.1103/PhysRev.47.777

Der Mini-Roboter und der Vogelflug

2011-12-27T13:30:00Z

Über die Entstehung des Vogelflugs gibt es ja viele Theorien. Ein niedlicher Krabbel-Roboter leistet jetzt einen Beitrag, eine davon experimentell zu überprüfen.Die berühmte Frage, mit der ja auch Kreationisten gern hausieren gehen, lautet "Wozu ist ein halber Flügel gut"? Wie soll eine schrittweise Entwicklung zu einem fliegenden Tier funktionieren, wenn das Tier vom halben Flügel eben noch nichts hat, weil es damit ja nicht fliegen kann? Wenn ihr nicht gerade Kreationisten seid, dann ist euch vermutlich klar, dass man davon ausgehen sollte, dass die "halben Flügel" sich eben nicht zum Fliegen, sondern für eine andere Funktion entwickelt haben. Eine Möglichkeit hierfür ist das so genannte WAIR=wing-assisted inclined running (übersetzt sich so etwa als "Flügelunterstütztes Steigungslaufen"), das seit 10 Jahren diskutiert wird. Junge Vögel sind nämlich in der Lage, durch heftiges Flügelflattern Steigungen raufzulaufen, die sie ohne Flügel nicht schaffen könnten - und das können sie auch dann schon, wenn sie noch zu jung zum Fliegen sind, also sozusagen mit einem "halben Flügel". Hier ein nettes Video, wie das aussieht: Der Trick dabei ist, dass die Vögel durch das Flattern zum einen zusätzlichen Schub nach vorn/oben erzeugen, zum anderen, dass sie sich mit dem Flügelschlagen gegen den Boden drücken und so die Andruckkraft erhöhen, ähnlich wie das ein Spoiler an einem Auto tut. Dadurch können sie größere Steigungen überwinden und vielleicht auch beim Laufen in ebenem Gelände ihre Laufgeschwindigkeit steigern. (Modellrechnungen für einen Archaeopteryx ergaben eine Geschwindigkeitssteigerung um einen Faktor 4, die waren aber wohl überoptimistisch, weil sie den Einfluss des zusätzlichen Luftwiderstands ignorierten.) (Es gibt auch andere Ideen zur Entwicklung des Flügelschlages - eine ganz neue werde ich sicher auch demnächst mal erzählen.) Ein kleines Problem bei dieser Theorie besteht darin, dass die Vögel, bei denen man dieses Verhalten beobachtet, zwar als Jungvögel noch nicht fliegen können, als erwachsene Vögel aber schon. Sie haben also zwar zu kleine Flügel, aber den gesamten Muskelapparat, die Nervenkoordination usw. aber schon. Können Flügel aber auch helfen, wenn man mit ihnen gar nicht fliegen kann? Und hier kommt jetzt der kleine Roboter ins Spiel. Er basiert auf dem Dynamic Autonomous Sprawled Hexapod (kurz "DASH" - ein nettes Wortspiel, weil "dash" auch "sausen" bedeutet), einem kleinen sechsbeinigen Robot, der laufen kann wie ein Käfer. DASH bekommt nun zusätzlich noch Flügel und heißt dann DASH+Wings. Um den Einfluss der Flügel zu studieren, betrachtet man drei Varianten von DASH: Zum einen DASH mit angebauten Flügeln (die entweder starr sind oder auf- und abschlagen), dann DASH ohne Flügel und schließlich DASH mit Trägheits-Stangen, die den Einfluss der Flügelmasse verdeutlichen sollen. Anschließend wurde untersucht, welche Geschwindigkeiten DASH in den unterschiedlichen Konfigurationen erreichen und welche Steigungen er überwinden kann. Die Ergebnisse könnt ihr euch auch hier als Video ansehen: Mit Flügeln steigt die Maximalgeschwindigkeit also immerhin um etwa 90%, und die maximale Steigung von knapp 6 auf mehr als 16°. Auch die Stabilität beim Laufen erhöhte sich durch die Flügel. Flügel können also tatsächlich beim Laufen unterstützen, auch wenn man mit ihnen nicht fliegen kann. Qualitativ sind die Ergebnisse also durchaus spannend - quantitativ kann man aus ihnen nicht besonders viel folgern, dazu ist ein sechsbeiniger Laufroboter dann doch zu weit von einem zweibeinigen Dinosaurier entfernt. Für den Bau von Minirobotern sind Flügel aber vielleicht durch diese Ergebnisse auch attraktiver geworden. Peterson, K., Birkmeyer, P., Dudley, R., & Fearing, R. (2011). A wing-assisted running robot and implications for avian flight evolution Bioinspiration & Biomimetics, 6 (4) DOI: 10.1088/1748-3182/6/4/046008...

Peterson, K., Birkmeyer, P., Dudley, R., & Fearing, R. (2011) A wing-assisted running robot and implications for avian flight evolution. Bioinspiration , 6(4), 46008. DOI: 10.1088/1748-3182/6/4/046008

Sauerstoff als Zeitmaschine: Die Wanderung der Saurier

2011-11-02T15:01:51Z

Einer der faszinierendsten Aspekte der Erforschung von Dinosauriern ist, dass es oft sehr interdisziplinär zugeht. Kombiniert man Kernphysik, Thermodynamik, Klimatologie, Geologie, Chemie, Physiologie, Entwicklungsbiologie und Paläontologie, kann man sogar etwas über das Verhalten der Dinos herausfinden.Wer groß ist, muss auch viel essen. Elefanten futtern etwa 150kg oder mehr am Tag (je nach Kaloriengehalt). Die großen Dinosaurier des Erdmittelalters, die noch deutlich schwerer waren, hatten sicherlich einen wesentlich höheren Bedarf - wie hoch genau hängt von ihrem Stoffwechsel ab, aber man geht heutzutage schon davon aus, dass der Nahrungsbedarf eher dem von Säugetieren als von Reptilien nahekommt. Hier mal als Beispiel ein Camarasaurus, ein typischer Vertreter der Sauropoden und im oberen Jura von Nordamerika ein ziemlich häufiger Geselle: Vermutlich lebten diese Saurier in Herden, was den Nahrungsbedarf entsprechend steigert. Man kann sich also vorstellen, wie Herden von Camarasauriern so wie die heutigen Gnus durch die Flussauen (floodplains) zogen und alles futterten, was halbwegs grün war. Da gibt es nur ein klitzekleines Problem: Das Klima in den Flussauen der Morrison-Formation im nordamerikanischen Oberjura hatte jahreszeitliche Trockenphasen. Während der Trockenheit dürfte es für große Sauropoden ziemlich schwierig gewesen sein, genügend Wasser und Nahrung zu finden, vor allem, wenn sie auch noch in Herden lebten. Die Vermutung liegt natürlich nahe, dass sie das Problem auf die gleiche Weise gelöst haben wie viele heutige Tiere: Durch Wanderungen. Schön, spekulieren kann man viel, aber ohne eine Zeitmaschine wird man das kaum belegen können, oder? Eine solche Zeitmaschine haben amerikanische PaläontologInnen jetzt erfunden, oder besser gesagt, gefunden. Nein, nicht so eine: sondern so eine: Was ihr hier seht ist ein Wassermolekül. Wasser besteht bekanntlich aus zwei Wasserstoffatomen (deswegen heißt es ja auch "Wasser"...) und einem Sauerstoffatom (was eigentlich komisch ist, weil Wasser ja gar nicht sauer ist), die chemische Formel ist bekanntlich H2O. Nicht alle Sauerstoffatome sind aber gleich, einige sind gleicher schwerer als andere. Sauerstoff gibt es in verschiedenen Varianten, so genannten Isotopen. Die unterscheiden sich chemisch nicht, sondern nur in der Zahl der Neutronen im Atomkern. Im handelsüblichen Sauerstoff kommt auf jedes der 8 Protonen im Atomkern ein Neutron, macht insgesamt 16 Kernbausteine. Deswegen nennt man dieses Isotop auch Sauerstoff-16, oder kurz 16O. Es gibt aber auch eine Variante mit zwei "überzähligen" Neutronen, Sauerstoff-18 oder 18O. (Die dritte Variante 17O interessiert uns hier nicht.) Diese ist, wie gesagt, chemisch identisch, nur wegen der beiden Extra-Neutronen etwas schwerer. Einem Wassermolekül ist es ziemlich egal, ob es ein 16O oder ein 18O enthält - solange die beiden Wasserstoffatome einen Sauerstoffpartner haben, sind sie zufrieden. Physikalisch allerdings unterscheidet sich ein Wassermolekül mit 16O von einem mit 18O, weil das mit dem 18O so etwa 10% schwerer ist. Und das macht sich manchmal bemerkbar, beispielsweise, wenn Wasser verdunstet. Die "leichtere" Wasservariante verdunstet etwas schneller. Misst man das Verhältnis der beiden Sauerstoffisotope im Wasser, kann man deshalb Rückschlüsse auf die Temperatur ziehen. Das macht man beispielsweise mit Eisbohrkernen aus arktischen Regionen, um das Klima in der Vergangenheit zu erforschen. Eis aus dem Jura haben wir aber nicht - was sollen uns also die Isotope im Wasser nützen? Nun, wir haben zwar kein Eis, aber wir haben etwas, das fast so gut ist: Kalziumkarbonat. Kohlendioxid (CO2) kann in Wasser gelöst werden und Kalziumkarbonat CaCO3 bilden - eins der drei Sauerstoffmoleküle im Kalziumkarbonat kommt dabei aus dem Wasser. Anhand von Kalziumkarbonat in Sedimentgesteinen aus der Morrisonformation kann man also etwas über das damalige Verhältnis der Sauerstoffisotope und damit über die dortige Temperatur herausfinden. Aber wie hilft uns das nun bei der Saurierwanderung? Saurier müssen - wie die meisten Tiere - auch Wasser trinken. Und die Sauerstoffatome des Wassers werden dabei in ihren Körper eingebaut, beispielsweise in die Zähne. Schaut man sich also das Verhältnis von 16O und 18O in den Saurierzähnen an, so kann man auch daraus etwas über das Klima lernen, in dem sie gelebt haben. Und wenn die Saurier in der Morrison-Formation gelebt haben, dann sollte das Verhältnis dem Verhältnis entsprechen, das wir in den Sedimenten finden. Raffiniert, oder? Die Raffinesse geht aber noch weiter. Zähne wachsen ja recht langsam. Der Sauerstoff im Zahnschmelz spiegelt deshalb sozusagen die Geschichte des Dinosauriers wieder - in den "neueren" Bereichen des Zahns findet sich das Verhältnis, das kurz vorm Tod des Dinos aktuell war, in den älteren Bereichen des Zahns dagegen das Verhältnis, dem er einige Monate vor seinem Tod ausgesetzt war. (Anders als bei uns wachsen Saurierzähne ja immer wieder nach - jahrzehntealte Zähne wird man deshalb in einem Sauriermaul nicht finden.) Hier eine Skizze (aus dem paper) eines Sauropodenzahns: Links seht ihr die Krone, rechts die Wurzel. Falls ihr euch wundert, dass die Zahnkrone den ältesten Zahnschmelz enthalten soll und die Wurzel den jüngsten: Das ist bei Zähnen so. Die wachsen ausgehend von der Stelle, die später mal die Spitze des Zahns werden soll. Diese Grafik hier zeigt das sehr schön für einen menschlichen Zahn Ihr seht, dass die Stelle, die später die Krone wird, als erste da ist, die Wurzel wird als letztes angebaut. Die weiteren Details erspare ich uns hier - wenn ihr dem Link oben folgt, könnt ihr euch über Zahnentwicklung schlaulesen. Man muss sich also das Verhältnis der Sauerstoffisotope an unterschiedlichen Stellen des Saurierzahns angucken und kann daraus Rückschlüsse darauf ziehen, welche Wassertemperatur im Trinkwasser so etwa geherrscht hat, als er diesen Teil des Zahns aufgebaut hat. Und das hier kommt dabei raus (für unterschiedliche Zähne desselben Dinos): Der älteste Teil (die Krone) des Zahns ist links im Bild, jüngere Teile rechts. Man erkennt deutlich, dass das Isotopenverhältnis sich ändert - 4-5 Monate vor seinem Tod wohnte der Camarasaurus noch in der Niederung, aber in den letzten Monaten hat sich das Verhältnis deutlich verschoben, was darauf hindeutet, dass er im einige Hundert Kilometer entfernten Hochland gelebt hat. (Die entsprechenden Gesteine aus den umliegenden Gegenden wurden auch untersucht und das gemessene Verhältnis passt gut zu den Hochlandregionen.) Auf den ersten Blick überraschend ist, dass der untersuchte Zahn in der Morrison-Formation selbst gefunden wurde. Sollte dann nicht der gerade abgelagerte Teil des Zahns das hierzu passende Isotopenverhältnis haben, die Kurve also ganz rechts wieder nach oben gehen? Nicht notwendigerweise. Zähne wachsen ja, wie gesagt, langsam. Es gibt eine Zeitverzögerung zwischen einer Änderung des Isotopenverhältnisses in der Nahrung und deren Entsprechung im Zahn. Die kennt man für Sauropoden natürlich nicht (dafür bräuchte man dann wohl doch den Delor...

Fricke, H., Hencecroth, J., & Hoerner, M. (2011) Lowland–upland migration of sauropod dinosaurs during the Late Jurassic epoch. Nature. DOI: 10.1038/nature10570

Die Unterwasser-Tarnkappe

2011-10-19T15:15:00Z

Harry Potter kann es, Bilbo Beutlin kann es, und Siegfried kann es schon lange - na klar, hier geht's um Unsichtbarkeit. Wer hat sich das nicht schon mal - aus mehr oder weniger lauteren Motiven - gewünscht? Unsichtbarkeit auch technisch umzusetzen, ist natürlich ziemlich knifflig.Vor einigen Jahren machten sogenannte "Metamaterialien" von sich reden, mit denen elektromagnetische Wellen um ein Objekt "herumgebogen" werden können. Metamaterialien sind aber ziemlich aufwändig (man muss komplexe Mikrostrukturen auf der Längenskala der Wellenlänge aufbauen). Vor kurzem wurde jetzt ein anderer, zumindest vom Prinzip her wesentlich einfacherer "Unsichtbarkeitsschirm" hergestellt - allerdings funktioniert er nur in Flüssigkeiten wirklich gut. Der Trick dahinter ist ziemlich einfach: Es ist das Fata-Morgana-Prinzip. Eine Fata Morgana ist ja die Illusion einer Wasserfläche, die durch eine Luftspiegelung zu Stande kommt (in der Wüste "das Ende der Welt" werden auch alle möglichen anderen Dinge von überall auf der Welt gespiegelt, aber das ist eine physikalische Ausnahmeerscheinung): Direkt über dem Boden ist die Luft heißer als weiter vom Boden entfernt. Dadurch werden Lichtstrahlen "gebogen", so wie in diesem schönen Bild von Wikipedia: Man kann das auf zwei Arten erklären: Die eine ist der veränderte Brechungsindex, der das Licht umlenkt. Viel eleganter ist allerdings die Erklärung über das sogenannte Fermatsche Prinzip, das besagt: Licht nimmt immer den Weg mit der kürzesten Laufzeit.1 Dass man damit die Lichtbrechung erklären kann, illustriere ich mit einem berühmten Beispiel. 1Für alle PedantInnen und solche, die es werden wollen: Ja, ganz korrekt müsste es "Weg der extremalen Laufzeit" heißen, aber ist dieser Blog wirklich der richtige Tummelplatz für sowas? Stellt euch vor, ihr seid der berühmte Rettungsschwimmer David H. (oder alternativ die berühmte Rettungsschwimmerin Pamela A). Während ihr euren sonnengebräunten Körper am Strand von M unter den bewundernden Blicken anderer Badegäste zur Schau stellt, hört ihr plötzlich die Schreie eines/r Ertrinkenden. So etwa stellt sich die Situation für euch dar: Wenn ihr euch auf direkter Sichtline bewegt, ist zwar die Strecke am kürzesten, aber trotz eurer beeindruckenden Armmuskulatur seid ihr im Wasser natürlich langsamer als an Land. Lauft ihr dagegen erst ein Stück den Strand entlang, bis ihr den kürzesten Schwimmweg habt, so müsst ihr dafür ein längeres Stück laufen. Der optimale Weg liegt irgendwo dazwischen. Statt einfach loszulaufen, hockt ihr euch also in den Sand und beginnt, eine kleine Rechnung anzustellen. Badegäste, die euch auf das arme Badeunfallopfer aufmerksam machen wollen, jagt ihr mit einem ärgerlichen "Störe meine Kreise nicht" davon (das macht man so, wenn man im Sand schreibt). Nach einiger Überlegung zur Geschwindigkeit im Wasser und an Land habt ihr den optimalen Weg heraus gefunden, um leider zu bemerken, dass... Nun ja, lassen wir das, ich bin ja Blogger, kein Geschichtenerzähler. Kommen wir lieber wieder zurück zum Licht: Licht läuft in einem Medium wie Wasser oder Glas langsamer als im Vakuum. Genau wie beim Schwimmerbeispiel ergibt sich der schnellste Weg für einen schräg auf einen Glasklotz fallenden Lichtstrahl als ein Kompromiss aus der direkten Sichtlinie und dem Weg mit kürzester Strecke im Glas. Wenn ihr das vorgerechnet haben wollt, könnt ihr bei Wikipedia nachgucken. Hier kümmern wir uns lieber um unsere Fata Morgana: In der heißeren Luft direkt über dem Boden läuft das Licht schneller - sie hat, vornehm ausgedrückt, einen niedrigeren Brechungsindex. Deswegen kann das Licht vom Himmel zu eurem Auge Zeit sparen, wenn es ein Stück durch diesen Bereich läuft, wo es einfach schneller ist. Stellt euch nun vor, dort wo ihr die Fata Morgana seht, läge ein Geldstück auf der Straße. Das könntet ihr nicht sehen, weil es ja von der Fata Morgana überdeckt wird. Und das ist auch schon der Trick hinter der Unterwasser-Tarnkappe. Vom Prinzip her also einfach - die technische Umsetzung ist allerdings durchaus knifflig. Damit sich das Prinzip umsetzen lässt, muss man das Medium, in dem man den Effekt ausnutzen will, an der richtigen Stelle hinreichend stark aufheizen. In dem hier beschriebenen Versuch wurde dies mit einer Anordnung aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen gemacht, die zu einer Art Folie gezogen wurden: Kohlenstoff-Nanoröhrchen haben den Vorteil, eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit zu besitzen - gleichzeitig sind sie sehr leicht und nehmen deswegen selbst wenig Wärme auf. Ich klaue mal wieder ein Bild von Wikipedia: Die Kohlenstoffatome in den Nanoröhrchen sind in Wabenform angeordnet - dabei hat jedes von ihnen drei nächste Nachbarn. Wenn ihr im Chemieunterricht gut aufgepasst habt, dann fällt euch auf, dass das insofern komisch ist, als Kohlenstoff doch vierwertig ist und deswegen eigentlich jedes Atom an vier andere gebunden sein sollte. Das gibt es auch (nennt man Diamant), aber in den Nanoröhrchen (und auch im Graphit einer Bleistiftmine) ist das nicht so. Die "überzähligen" Elektronen bilden eine Art Elektronengas, ganz ähnlich wie in einem Metall, und sorgen so für die elektrische und die Wärmeleitfähigkeit. Eine Folie aus solchen Nanoröhrchen ist also hervorragend geeignet, um Wärme in ein Medium einzubringen, und weil sie selbst nur wenig Wärme speichert, kann man die Temperatur auch sehr schnell schalten. Tatsächlich ist es für eine gute Tarnkapenwirkung erforderlich, dass man die Temperatur der Nanoröhrchen oszillieren lässt - das sorgt für einen eng begrenzten Bereich innerhalb der Flüssigkeit oder des Gases mit erhöhter Temperatur; ich gebe aber gern zu, dass ich die Details hier nicht verstanden habe und das paper hier ein wenig schwer verständlich fand. Alles was man jetzt tun muss ist, diese Nanoröhrchen in Wasser zu tunken und entsprechend zu verdrahten. Auch das ist gar nicht so einfach - gerade Wasser eignet sich nicht so gut, weil es die Röhrchen nicht so gern benetzt. Deswegen wurden die meisten Untersuchungen in der hier vorgestellten Arbeit auch mit anderen Flüssigkeiten wie Ethanol und Methanol oder mit Gasen gemacht. Für die Tarnkappe hat man es aber tatsächlich auch mit Wasser hinbekommen. Und so sieht das Ergebnis aus: Die Schrift, die zusammen mit der Folie verschwindet, befindet sich hinter der Folie an der Behälterwand. Heizt man die Folie auf, so wird das Licht in ihrer Umgebung "gebogen" - so wie bei einer Fata Morgana - und die Folie verschwindet. Als Tarnkappe lässt das Ganze trotzdem etwas zu wünschen übrig: Das Licht wird ja nicht wirklich um das zu tarnende Objekt herumgebogen, so dass man das sieht, was sich dahinter befindet, sondern es kommt ja quasi "von der Seite", so wie es bei der echten Fata Morgana vom Himmel kommt. Dass das hier im Experiment so schick aussieht, liegt einfach daran, dass der Glasbehälter entsprechend gleichförmig aussieht. Ist das alles dann nur eine nette Spielerei? Mitnichten, Tanten und Kusinen. (Kalauer-Alarm!!) Der Großteil der Arbeit konzentriert sich auf die Ablenkung von Laserlicht in Gasen und verschiedenen Flüssigkeiten. Und Laserlicht ohne bewegliche Teile wie zum Beispiel Spiegel ablenken zu können, ist technisch extrem praktisch - denkt beispielsweise an einen Laser-Scanner. Heutzutage bedient man sich dazu gern akusto-optischer Modulatoren, die mittels Ultraschall Dichteschwankungen in Luft...

Aliev, A., Gartstein, Y., & Baughman, R. (2011) Mirage effect from thermally modulated transparent carbon nanotube sheets. Nanotechnology, 22(43), 435704. DOI: 10.1088/0957-4484/22/43/435704

Radioaktiver Zerfall liefert Hälfte der Wärme im Erdmantel - Neutrinos erzählen es uns

2011-09-07T03:00:00Z

Der Aufbau der Erde im Inneren ist nicht besonders einfach herauszufinden. Einfach mal eben 3000 km tief bohren geht natürlich nicht, nachschauen können wir also höchstens in Tiefen die einem Kratzen an der Haut gleichen. Durch genaue Beobachtung aber können wir trotzdem etwas über das Innere erfahren - wie Wegener z.B., der durch Beobachtung der Kanten der Kontinente auf die Kontinentaldrift schloss; eine Theorie die sich erst in den 60ern durchsetzte, nachdem man die Geologie des Meeresbodens besser verstanden hatte. Vor allem aber auch seismische Wellen lassen Rückschlüsse auf den Aufbau des Erdinneren zu - also die Vermessung von Erdbeben rund um den Globus. Was da so an Wellen vom gleichen Ausgangspunkt durch unterschiedliche Teile der Erde gewandert ist um an einem der Seismographen irgendwo anzukommen, bringt Informationen über das Material entlang des Weges mit sich.Und so haben wir ein ganz gutes Bild vom generellen Aufbau der Erde: Kruste, Oberer und Unterer Mantel, Äußerer und Innerer Erdkern. Wir wissen etwas über die mechanischen Eigenschaften und welche Elemente sich so generell dort finden lassen. Aber die genauere Zusammensetzung der Schichten ist nicht sehr gut bekannt - z.B. der Anteil an radioaktiven Elementen und ihren Zerfallsprodukten. Warm ists in der Erde Und so existieren natürlich auch verschiedene Modelle über die genaue Zusammensetzung - die sich irgendwie experimentell oder an Messdaten unterscheiden lassen sollten. Bekannt ist das Bulk Silicate Earth (BSE)-Modell, das annimmt das die Erde sich wie der Rest des Sonnensystems aus der gleichen Urgaswolke geformt hat, und daher auch Kruste und Mantel in der Zusammensetzung hinsichtlich der radioaktiven Elemente derer aus Chondriten, der häufigsten Art an Steinmeteoriten, und an Peridotiten aus dem Erdmantel gleicht. Diese Zusammensetzung wird wichtig, wenn man danach fragt wo die Wärme im Erdmantel herkommt. Grundsätzlich gibt es zwei mögliche Quellen: Übrig gebliebene Urhitze aus der Formung des Planeten und Energie die von radioaktiven Zerfallsketten freigesetzt wird (radiogene Wärme). Im BSE-Modell stammt etwa die Hälfte der Wärme aus radiogenen Quellen. Das heißt, das wir besser verstehen, wo die Wärme der Erde herkommt, wenn wir den Anteil an radioaktiven Elementen vermessen könnten. Aber die Strahlung kommt niemals so weit heraus - wie sollte das also gehen? Ein 1000 Tonnen Neutrinodetektor Neutrinos sind extrem leichte Teilchen, die in Zerfällen entstehen. Der bekannteste Zerfall ist der des Neutrons in Proton, Elektron - und Antineutrino. Neutrinos werden auch in den Fusionsprozessen im Inneren von Sternen frei. Und da sie quasi ungehindert durch alle Materie durchkommen, bieten sie die Möglichkeit, ferne Prozesse zu untersuchen - und auch nähere aus dem Erdinneren. Dafür muss man sie erst einmal fangen. Wer wissen will, wie das geht, kann auch mal in ältere Artikel hineinsehen. Die ersten Experimente machten sich auf die Suche nach Sonnenneutrinos, wie Homestake oder Kamiokande. die Detektoren waren große Tanks mit einer Flüssigkeit, umgeben von Photodetektoren. Wenn ein Neutrino dann dort drin selten einmal doch eingefangen wird, passiert der umgedrehte Neutronenzerfall, bei dem sich Proton, Elektron und das (Anti)neutrino zu einem Neutron kombinieren; außerdem wird ein Lichtblitz freigesetzt. Neuere Experimente wagen sich auch an Neutrinos mit deutlich höheren Energien, die uns einen Einblick in das ganz frühe Universum bieten könnten; oder auch niedrigere Energien, die Neutrinos im Zerfall radioaktiver Elemente im Erdkern mitbekommen. Diese nennt man Geoneutrinos. Ein Detektor der diese Geoneutrinos finden kann, ist KamLAND, ein 1000 Tonnen Tank mit Erdöl und Benzen. Er steht wie der Klassiker SuperKamiokande in der Kamioka-Mine unter dem Berg Ikenoyama in Japan. Er war der erste, der Geoneutrinos fand, gefolgt von Borexino in der Gran Sasso-Mine in Italien. Neutrinos sortieren Das ist also unser Fenster in den Erdmantel - Neutrinos aus radioaktiven Zerfällen. Seit den ersten Messungen in 2002 hatte man erkannt, dass eine noch bessere Kontrolle des Untergrundes und Verbesserungen am Detektor notwendig waren - wie man es immer weiß und plant. Daher konnte man nach 2007 den etwa 20 gezählten Geoneutrinos etliche hinzufügen - und mit 106 erstmals eine Zahl präsentieren, die stattlich genug war um Modelle des Erdmantels zu testen. 106 ist eine verdammt kleine Zahl für so viele Jahre. Vor allem, wenn man bedenkt, dass sekündlich etwa 60 Milliarden Sonnenneutrinos jeden Quadratzentimeter treffen (ich weiß nicht genau, wie hoch der Geoneutrino-Fluss ist, vermutlich deutlich kleiner aber mmer gewaltig höher als 106 in 7 Jahren). Da muss man aber erstmal hinkommen. Die gesuchten, mit KamLAND auffindbaren Antineutrinos, stammen aus Uran238 und Thorium-Zerfällen im Energiebereich zwischen 0.9 und 2.6 MeV. In diesem Bereich hat der Detektor 841 Antineutrinos gefunden. Da muss man alle heraussortieren, die aus anderen Zerfällen stammen und aus dem Hintergrund - alles Ereignisse, die die Geoneutrinos maskieren. Dazu gehörte neben "üblicher" Aufklärarbeit, also alle anderen Quellen abschätzen, auch die Einbeziehung aller japanischen Kernreaktoren mit den unterschiedlichen Arbeitenm die daran geschahen. Und da blieben eben 106 übrig. BSE Und, nein es ist nicht Rinderwahn, es ist immer noch das Bulk Silicate Earth-Modell BSE, das sich bewährte. Angesichts der kleinen Ausbeute an Neutrinos (trotz Zusatz der Borexino-Daten) konnte man natürlich nur eine sehr einfache Variante testen, mit Annahme gleicher Verteilung an Uran und Thorium überall im Mantel z.B. Dann konnte aber mit sehr hoher Sicherheit gezeigt werden, dass z.B. dass die Neutrinos wirklich aus dem Erdmantel stammen, dass das BSE wohl stimmt, dass das angenommene Verhältnis von Thorium und Uran von 3.9:1 mit den Messungen vereinbar ist; und letztlich auch dass wie angenommen etwa die Hälfte der Wärme des Erdmantels aus radioaktiven Zerfällen stammt. Mit zwei Detektoren hat man allerdings nur lokale Messungen. Daten weitere, genauerer Detektoren werden helfen, die Modelle des Erdmantels zu verfeinern....

Gando, A., Gando, Y., Ichimura, K., Ikeda, H., Inoue, K., Kibe, Y., Kishimoto, Y., Koga, M., Minekawa, Y., Mitsui, T.... (2011) Partial radiogenic heat model for Earth revealed by geoneutrino measurements. Nature Geoscience, 4(9), 647-651. DOI: 10.1038/NGEO1205