Kategorie: Physik

Quantenfeldtheorie

Auf diesem Gebiet bin ich kein Experte. Als Doktorand saß ich viel im Zug zwischen Hamburg und Freiburg im Breisgau. So nutzte ich die Zeit dort, in Büchern über die Quantenfeldtheorie zu lesen. Elementarteilchen sind sehr klein und sehr schnell. Als Konsequenz braucht man sowohl die Quantenmechanik als auch die Spezielle Relativitätstheorie. Aus einer solchen Zusammenführung ist die Quantenfeldtheorie entstanden. Es ist keine vollkommene Theorie, weil einige Integrale divergieren, die man zu regularisieren und renormieren hat. Sehr unschön! Man glaubt deshalb, dass die Quantenfeldtheorie noch nicht das letzte Wort sein wird. Ein Buch, das ich besonders gut fand, ist:

ME Peskin and DV Schroeder: An Introduction to Quantum Field Theory

 

Der Griffiths

Als Student fand ich ein Buch über die Teilchenphysik so toll:

David Griffiths: Introduction to Elementary Particles

Damals war es in der ersten Auflage erhältlich. Was ist so gut an diesem Werk? Es ist geeignet für Masterstudenten, weil so vieles erklärt wird, was andere Bücher stillschweigend voraussetzen. Man bekommt eine Einführung in die spezielle Relativitätstheorie und die Tensornotation. Man versteht, was mit ko- und kontravariant gemeint ist. Die Diracgleichung wird gelöst und das Rechnen mit Gammamatrizen geübt. Die Feynmanregeln für QED, QCD und die elektroschwache Wechselwirkung werden postuliert und Wirkungsquerschnitte und Zerfallsraten berechnet. Schleifen (loops) wurden weitgehend ausgespart, aber das sind mathematisch sehr tiefe Gewässer. Es wird gezeigt, wie color factors zu bestimmen sind. Und endlich verstand ich, wozu die Luminosität gebraucht wird: Ereignisrate gleich Wirkungsquerschnitt mal Luminosität.

Feynman

In meiner Zeit als Teilchenphysiker war Richard Feynman mein Held. Nicht nur dass er die Feynman-Diagramme eingeführt hatte, die die Hochenergiephysik so viel begreiflicher machten. Er hatte auch viel Humor. In einer Zeit, in der mir wenig zum Lachen zumute war, las ich sein Buch „Sie belieben wohl zu scherzen, Mr. Feynman!“ und ich fand es wunderbar, was ein neugieriger, intelligenter Charakter alles erleben kann. Später las ich die Biographie von Jagdish Mehra „The Beat of a Different Drum“. Der Titel spielt auf Feynmans Originalität und Trommelbegeisterung an. In einem Nachruf wurde er bezeichnet als „a physicist’s physicist“, als ein Physiker durch und durch. Manche mögen ihn für arrogant gehalten haben, aber seien wir ehrlich: Die allermeisten Menschen überschätzen ihre Intelligenz 😉

 

Tontechnik

Audacity ist ein wirklich nützliches Programm. Man kann es als Audioeditor verwenden, aber auch zum Aufnehmen mit einem Digitalrekorder, der als Mikrofon an den Computer angeschlossen ist. Um sich etwas Wissen zu den Effekten anzueignen, fand ich ein dünnes Buch sehr informativ:

Metin Bektas: „Audio Effects, Mixing and Mastering“

Es handelt von Kompressoren, Equalizern, Limiters und Gates. Es führt ein in das Mischen und das Mastering. Man solle viel mehr Zeit für das Mischen aufwenden als für das abschließende Mastering. Das Buch umfasst gerade mal 109 Seiten, es kann also längst nicht alles zu diesen Themen darinstehen. Es enthält auch etwas Mathematik, was ich gut finde.

Akustik für Musiker

Die Akustik ist ein sehr großes und wichtiges Gebiet der Physik. Musikern möchte ich ein sehr schmales Buch empfehlen, der Autor nennt es eine Broschüre:

René Brüderlin: Akustik für Musiker, Gustav Bosse Verlag, Kassel, 7. Auflage 2003

Es ist erstmals 1978 erschienen. Der Leser erfährt etwas von der Wellennatur des Schalls. Die Amplitude ist entscheidend für die Lautstärke, die Frequenz für die Tonhöhe. Der Unterschied zwischen den Einheiten Decibel und Phon wird erklärt. Auf das menschliche Gehör wird eingegangen, das Lautstärke und Intervalle unterschiedlich in Abhängigkeit von der Tonhöhe wahrnimmt. Trübung wird als notwendig angesehen, um Töne als angenehm zu empfinden. Auch auf Raumakustik wird eingegangen und welche Nachhallzeit für welche Musik am besten ist.

Die digitale Technik war damals erst im Entstehen. Man möge es deshalb verzeihen, dass sie nur ganz wenig Raum bekommt.

 

Klimawandel

Ich habe gerade ein Buch zweier Potsdamer Klimatologen zu diesem Thema gelesen: Rahmstorf/Schellnhuber, Der Klimawandel, C.H. Beck Wissen, 8. Auflage, 2018. Die Autoren berichten über einen großen Konsens in der Wissenschaft über einen vom Menschen verursachten Klimawandel. Wenn die Konzentration des Kohlendioxids in der Atmosphäre verdoppelt werde, führe das zu einem Temperaturanstieg von 3 °C (plus/minus 1 °C bei einem confidence level von 95%). Wer sich näher informieren wolle, dem empfehlen sie die Berichte des IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change). Ich meine, dass man sich ihren wissenschaftlichen Argumenten nicht verschließen sollte, ebenso wenig ihrem Anliegen, mit dem heutigen Wissen verantwortungsvoll umzugehen.

Schwarzes Loch

Vor kurzem ist erstmals ein Foto eines schwarzen Loches gelungen. Deshalb aus aktuellem Anlass auch von mir ein paar Zeilen.

In einem schwarzen Loch ist Materie so stark komprimiert, dass in seiner Umgebung noch nicht einmal Licht entweichen kann. In der Allgemeinen Relativitätstheorie wird ein schwarzes Loch als ein Punkt aufgefasst, hat also überhaupt keine Ausdehnung. Dies kann man sich nur schwer vorstellen. Aber nehmen Sie zum Beispiel das Elektron, das als Punktteilchen angesehen wird, obwohl es eine Ruhemasse besitzt.

Ein schwarzes Loch ist umgeben von einem Ereignishorizont. Alles, was ihn überquert, wird unsichtbar für die Außenwelt. Wenn nun Teilchen-Antiteilchenpaare in unmittelbarer Nähe des Ereignishorizontes aus dem Vakuum entstehen, kann ein Teilchen den Horizont überqueren, das andere gibt den Eindruck, als würde es aus dem schwarzen Loch kommen. Das ist die sogenannte Hawking-Strahlung.

In einem Teilchenphysikexperiment werden Teilchen zur Kollision gebracht und es werden hohe Materiedichten erzeugt. Können dadurch schwarze Löcher entstehen? Diese Frage hat schon zu gerichtlichen Auseinandersetzungen geführt. Die Argumentation der Physiker ist die: Aus dem Weltraum kommen Teilchen mit viel höherer Energie und unsere Welt gibt es noch.

Supraleitung

Es gibt Materialien, deren elektrischer Widerstand gleich Null ist bei hinreichend niedriger Temperatur. Auch die elektrische Stromdichte und das Magnetfeld dürfen nicht zu groß sein. Im Jahre 1908 gelang Heike Kamerlingh-Onnes (und seinem Labor) die Verflüssigung von Helium, dessen Siedetemperatur bei 4,2 K unter Atmosphärendruck liegt. Dadurch war es ihm möglich, 1911 die Supraleitung in Quecksilber zu entdecken.

Es folgten die Entdeckung von vielen weiteren Supraleitern, später auch Hochtemperatursupraleitern. Letztere haben den Vorteil, dass zu ihrer Kühlung flüssiger Stickstoff (77 K) ausreicht.

Für supraleitende Magnete wird häufig die Legierung NbTi (Niob-Titan) verwendet, deren kritische Temperatur bei etwa 10 K liegt.

Der kältere Teil von Stromzuführungen ist oft aus Hochtemperatursupraleitern (HTS).

Jets in der QCD

Was sind Jets? Was ist die QCD?

Das anschauliche Bild eines Jets ist ein Teilchenbündel, das bei der Kollision zweier Teilchen in einem Beschleunigerexperiment entsteht. (Es können mehrere Jets entstehen.) Die Quantenchromodynamik (QCD) wiederum ist die physikalische Theorie dazu. Sie postuliert, dass eine bestimmte Klasse von Teilchen, die Hadronen, aus Quarks und Gluonen bestehen. Wenn ein Quark oder Gluon aus einem Hadron gestreut wird, kann ein Jet erzeugt werden. Es ist noch nie ein Quark oder Gluon als freies Elementarteilchen beobachtet worden und die QCD behauptet, dass dies nicht möglich sei. Wenn nun ein Quark oder Gluon gestreut wird, so entstehen sehr schnell neue Teilchen, die beobachtbar sind und als Bündel/Jet betrachtet den Impuls des gestreuten Elementarteilchens haben. Die genaue Definition eines Jets ist nicht trivial und es werden ausgefeilte Algorithmen zu seiner konkreten Bestimmung verwendet.

Warum sind Jets interessant für Physiker?

Mit ihrer Hilfe lassen sich Rückschlüsse auf den fundamentalen Prozess machen, ohne dass man ein Quark oder Gluon als freies Teilchen gemessen haben muss.

Stromzuführungen

Stromzuführungen sind eine kryo-elektrische Komponente des Stromkreises eines supraleitenden Magneten. Sie treten immer paarweise auf. Das eine Ende wird warmer Terminal genannt und hat die Temperatur der Umgebung, etwa 300 K (Kelvin). Das andere Ende, der kalte Terminal, hat die Temperatur von flüssigem Helium, rund 4 K.

Wenn die Querschnittsfläche des elektrischen Leiters zu groß gewählt wird, wird zu viel Wärme vom warmen zum kalten Ende geleitet. Ist sie dagegen zu klein, so wird die Stromzuführung durch die Joulesche Wärme des elektrischen Stroms sehr heiß und kann durchbrennen. Bei der Konstruktion muss daher ein Kompromiss gefunden werden.

Ist gibt einmal Stromzuführungen, die nur am kalten Terminal gekühlt werden. Hier spricht man von Kontaktkühlung. Andere Stromzuführungen führen den Heliumdampf über die gesamte Länge vom kalten zum warmen Terminal. Dies sind gasgekühlte Stromzuführungen. Man kann auch einen Zwischenpunkt auf der Temperatur von flüssigem Stickstoff, 77 K, halten durch einen sogenannten thermischen Anker.