Physik

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It was so nice, we did it twice

Dieser Post wurde bereits 2023 auf feddit.de zu gleichem Anlass veröffentlicht. Unser neues Zuhause feddit.org erwartet hoffentlich ein besseres Schicksal!

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Physik und die Zahl 42?

Da gibt es doch eine passende Frage:

> Wie groß ist das Verhältnis der fundamentalen Wechselwirkungen Elektromagnetismus und Gravitation bezogen auf zwei Elektronen?

Die Antwort lautet:

> #### 4.2 · 10⁴²

Auf den ersten Blick perfekt und leider doch daneben. Wäre das Ergebnis 4.2 · 10⁴³ gewesen, dann hätten wir den ultimativen Douglas Adams Doppeltreffer, aber so hat sich die Natur letztlich um den Faktor 10 geirrt. Sorry.

Was uns bleibt, ist ein Unterschied von 42 Größenordnungen zwischen zwei Grundkräfte, die mit Elektronen spielen.

Wer mehr über den Popkult rund um die Zahl 42 erfahren möchte, dem empfehle ich den Heise-Artikel Zahlen, bitte! 42 - Douglas Adams' spektaktulär unspektakuläre Anhalter-Antwort.

Berechnung

Mit folgendem Code kann die Berechnung des Kräfte-Verhältnisses zum Beispiel in Mathematica auf dem Raspi oder in Mathics nachvollzogen werden:

``` (* Gravitationskonstante ) gamma = 6.6743 * 10^-11; ( m^3/(kg s^2) *)

(* Elektrische Feldkonstante ) eps0 = 8.8541878128 * 10^-12; ( (A s)/(V m) *)

(* Coloumb-Konstante ) kc = 1/(4 * Pi * eps0); ( N m^2 C^-2 *)

(* Elektron ) me = 9.1093837015 * 10^-31; ( kg ) qe = -1.602176634 * 10^-19; ( C *)

(* m1, m2, me: Massen ) ( q1, q2, qe: Elektrische Ladungen ) ( r1, r2: Räumliche Vektoren *) Clear[Fg, Fc, m1, m2, q1, q2, r1, r2];

(* Gravitation ) Fg[m1_, m2_, r1_, r2_] := -gamma * ((m1 * m2) / Abs[r1 - r2]^3) * (r1 - r2); ( Fg[m1, m2, r1, r2] *)

(* Coloumb-Kraft ) Fc[q1_, q2_, r1_, r2_] := kc * ((q1 * q2) / Abs[r1 - r2]^3) * (r1 - r2); ( Fc[q1, q2, r1, r2] *)

(* Verhältnis Coloumb-Kraft zu Gravitation zwischen zwei Elektronen ) V[q1_, q2_, m1_, m2_] := Fc[q1, q2, r1, r2] / Fg[m1, m2, r1, r2]; ( V[q1, q2, m1, m2] ) ( V[q1, q1, m1, m1] *) V[qe, qe, me, me] ```

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Physik - Software, Experimente, Wissen

Community-Posts mit Software:

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Community-Posts mit Vorlesungen:

• Thomas Klose: Mathematische Grundlagen der Physik - WS2016, Humboldt Universität zu Berlin
• Walter Lewin: Physics 8.01 - Classical Mechanics, MIT
• The Feynman Lectures on Physics - nur Online

Community-Posts mit Wissen:

• Clear Physics - "Perspectives That Have Been Helpful To Me" - englischsprachige Artikel (PDF) von Randy S.
• Physik in 9 Zeilen - Anregungen zur Physikdidaktik
• Motion Mountain - The Adventure of Physics - kostenloses Physik-Lehrbuch

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> Mehr als bloße Science-Fiction: Auch wenn der überlichtschnelle Flug mittels Warp-Antrieb bisher unmöglich ist – seine Signatur wäre detektierbar, wie Physiker ermittelt haben. Demnach setzt der Kollaps einer Raumzeit-verzerrenden Warp-Blase charakteristische Gravitationswellen-Signale frei. Diese Schwingungen der Raumzeit wären sogar stark genug für die aktuellen Gravitationswellen-Detektoren, ihre Frequenz liegt jedoch etwas zu hoch. Doch mit künftigen Detektoren wären solche Warp-Signaturen nachweisbar, wie das Team berichtet.

Paper: What no one has seen before: gravitational waveforms from warp drive collapse | PDF

> Reguläre Atome bestehen aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Daneben gibt es auch exotische Atome wie das sogenannte Positronium. Es besteht aus einem Elektron und seinem Gegenstück aus Antimaterie, einem Positron, die sich gegenseitig umkreisen. Um Positronium präzise erforschen zu können, darf es nicht zu schnell sein – was bei Teilchen bedeutet: nicht zu warm. Einer Forschungsgruppe ist es jetzt gelungen, Positronium mit Lasern zu kühlen.

Paper: Cooling positronium to ultralow velocities with a chirped laser pulse train | PDF

> Exotischer Zustand: Physiker haben Lichtteilchen so manipuliert, dass sie ein eindimensionales Gas bilden – einen Zustand, in dem die Photonen anders reagieren als normalerweise. Dieses eindimensionale Lichtgas ermöglichte erstmals die Überprüfung theoretischer Vorhersagen. So enthüllte das Experiment, dass die Photonen in diesem eindimensionalen Zustand keinen scharfen Phasenübergang zum optischen Bose-Einstein-Kondensat mehr zeigen [...]

Paper: unfrei, also kein Open Access | Was bedeutet Open Access?

Artikel vom 21.06.2024

> Scherbenloses Glück: Ein neuartiges Glas aus Peptiden, also kurzkettigen Aminosäuren, kann sich selbst reparieren und haftet außerdem extrem fest an hydrophilen Oberflächen, wie Forscher herausgefunden haben. Grund für diese beeindruckenden Eigenschaften: In Kontakt mit Wasser ordnen sich die Peptid-Moleküle zu einer glastypisch amorphen Struktur an. Doch wofür lässt sich das Superglas nutzen?

Video: A glass that builds and heals itself - Dauer: 4 min

Paper: unfrei, also kein Open Access | Was bedeutet Open Access?

> Lange nur vermutet, jetzt endlich nachgewiesen: Chemiker haben erstmals schweflige Säure (H2SO3) unter Atmosphärenbedingungen nachgewiesen – eine Säure, die als extrem instabil und quasi „nicht existent“ galt. Doch wie die Versuche enthüllen, kann diese kurzlebige Schwefelverbindung in der Erdatmosphäre entstehen. Dort werden den Berechnungen zufolge sogar acht Millionen Tonnen schweflige Säure jährlich gebildet, wie das Team berichtet. Damit spielt diese Säure eine wichtigere Rolle für die Atmosphärenchemie als lange gedacht.

Paper: Gas-Phase Formation of Sulfurous Acid (H2SO3) in the Atmosphere | PDF

> Atomuhren weichen nur eine Sekunde in Millionen Jahren ab. Trotzdem braucht man für Grundlagenforschung mitunter noch präzisere Zeitmesser. [...] ist hierfür ein wichtiger Fortschritt in der Präzisionszeitmessung gelungen: Das Team kombinierte eine hochpräzise optische Atomuhr mit einem Hochenergie-Lasersystem und koppelte diese erfolgreich mit einem Kristall, der Thorium-229-Atomkerne enthält. Damit konnten sie das Frequenzverhältnis zwischen dem Energieübergang innerhalb eines Atomkerns und der Atomuhr messen

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Artikel vom 28.06.2024

> Hohe Leistung, Bandbreite und Präzision trotz Miniaturisierung auf Millimeter-Maßstab

> Durchbruch in der Lasertechnik: Einem US-Team ist es erstmals gelungen, den für Forschung und Technik wichtigen Titan:Saphir-Laser zu miniaturisieren – und trotzdem seine hohe Leistung und Bandbreite zu erhalten. Das neue Laserbauteil ist nur wenige Millimeter groß und benötigt zur Anregung nur einen gängigen grünen Laserpointer, wie das Team in „Nature“ berichtet. Herkömmliche Titan:Saphir-Laser sind 10.000-mal größer und tausendfach teurer, was ihre Anwendung bisher stark eingeschränkt hat.

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> Gewisse Gefahren des Alltags kennt jeder. Dazu gehört ohne Zweifel das Risiko, sich mit Papier in die Finger zu schneiden. Drei Physiker aus Dänemark haben das Ganze nun wissenschaftlich untersucht und gefragt: Bei welcher Papierart ist das Risiko, sich zu schneiden, am größten?

Meine Meinung: Diese Forschung ist ein guter Kandidat für den Ig-Nobelpreis.

> Vom 23. bis zum 28. September 2024 veranstalten die Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) und die Leibniz Universität Hannover das große Wissenschaftsfestival „Highlights der Physik“ in Hannover. Auf dem Ernst-August-Platz vor dem Hauptbahnhof geben Wissenschaftler aus erster Hand und auf unterhaltsame Weise Einblicke in ihre zukunftsweisende Forschung. Das Programm beinhaltet Mitmach-Experimente und Bühnenshows sowie ein vielfältiges Vortragsprogramm.

Links:

• Highlights der Physik 2024 in Hannover - Webseite
• Das komplette Programm
• Flyer - PDF
• Video-Trailer - Dauer: 3 min

Alternativer Link @archive.org

Originalartikel im Quanta Magazine: Mathematicians Attempt to Glimpse Past the Big Bang

Artikel vom 05.06.2024

> Ultrakalter Durchbruch: Physiker haben erstmals polare Moleküle in ein Bose-Einstein-Kondensat überführt. In diesem Quantenzustand verhalten sich die einzelnen Moleküle wie ein gekoppeltes Ganzes. Möglich wurde dies durch ein spezielles Mikrowellen-Kühlsystem, das eine Wolke polarer Natrium-Cäsium-Moleküle bis auf fünf Nanokelvin herunterkühlte – und so den Übergang zum Quantenzustand des Kondensats ermöglichte, wie das Team in „Nature“ berichtet. Das neue Molekül-Kondensat eröffnet nun ganz neue Chancen der Forschung und Anwendung.

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Älterer Post zum Thema:

• Bose-Einstein-Kondensat: Theoretische »Quanten-Superchemie« erstmals beobachtet

> Trillionstel Sekunden für einen Schnappschuss: US-Forscher haben ein Transmissions-Elektronenmikroskop erstmals so umgebaut, dass es eine zeitliche Auflösung von wenigen Attosekunden erreicht. Das neuartige Atto-Mikroskop kann dadurch einige der schnellsten Prozesse in der Chemie, Physik oder Biologie einfangen – mit einem einzigen ultraschnellen Schnappschuss. Möglich wird dies durch eine geschickte Kombination von Laserpulsen, die als Elektronengeneratoren und Pulsfilter zugleich agieren.

Paper: Attosecond electron microscopy and diffraction | PDF

Sie ist bereits intensiv erforscht und zählt dennoch zu den größten ungelösten Rätseln der Physik: Antimaterie. Nun hat eine Forschungsgruppe einen neuen Atomkern aus Antimaterie entdeckt – sogenannten Antihyperwasserstoff-4. Wie sie im Fachmagazin „Nature“ berichten, handelt es sich dabei um den schwersten bisher beobachteten Kern aus Antimaterie.

Paper: unfrei

arXiv: Observation of the Antimatter Hypernucleus 4/Λ H | PDF

> Lightshow im Nanomaßstab: Physiker haben einen winzigen Diamanten in eine leuchtende, sich rasant drehende Diskokugel verwandelt. Mit 1,2 Milliarden Umdrehungen pro Minute kreist der Nanodiamant frei im Vakuum und fluoresziert, von Lasern angeregt, in farbigem Licht. Das Entscheidende jedoch: Diese „Diskokugel“ erlaubt das Auslesen von Qubit-Spinzuständen im Kristallgitter des Nanodiamanten – und macht ihn so zu einem hochsensiblen und nützlichen Quantensensor, wie das Team berichtet.

Paper: Quantum control and Berry phase of electron spins in rotating levitated diamonds in high vacuum | PDF

Alternativer Link @archive.org

> Mit der richtigen Pump-Bewegung können die Athleten eine höhere Geschwindigkeit erreichen. Wie genau, das haben Physiker mit einer Modellierungsstudie ermittelt.

> Quantenpost im Untergrund: In New York City hat die Quanten-Übertragung einen ersten Langzeittest bestanden. 15 Tage lang wurden verschränkte Photonen über eine 34 Kilometer lange Telekommunikationsleitung unter der Stadt verschickt – ohne zwischenzeitige Kalibrierung und andere menschliche Hilfen. Mit Erfolg: Trotz Vibrationen und weiteren stadttypischen Störeffekten erreichte der Quantentransfer eine Zuverlässigkeit von 99 Prozent, wie die Physiker berichten.

Paper: Automated Distribution of Polarization-Entangled Photons Using Deployed New York City Fibers | PDF

> Die Technik erreicht einen Wirkungsgrad von 27 Prozent bei der Produktion von Solarenergie. Dafür wurde eine mehrschichtige, lichtabsorbierende Solarzelle entwickelt.

University of Oxford Pressemitteilung: Solar energy breakthrough could reduce need for solar farms

> „Blaue Wunder“ im Miniformat: Auch in der Eifel gibt es Saphire – kleine Körnchen dieser blauen Edelsteine werden dort in vulkanischem Material und ausgewaschen in Flüssen gefunden. Wie und wann diese Variante des Minerals Korund dort entstanden ist, haben Geoforscher nun herausgefunden. Demnach gehen die Eifel-Saphire auf mindestens zwei verschiedene geologische Mechanismen zurück, einer davon passierte im Erdmantel, einer in der Erdkruste.

Paper: Petrologically controlled oxygen isotopic classification of cogenetic magmatic and metamorphic sapphire from Quaternary volcanic fields in the Eifel, Germany | PDF

> Falle für mysteriöse Teilchen: Ein Experiment mit drei starken Lasern soll helfen, die rätselhaften Teilchen der Dunklen Materie aufzuspüren. Dieser Aufbau – ähnlich drei gekreuzten Lichtschwertern – könnte „Axionen“ anzeigen, die wahrscheinlichsten Kandidaten für die Dunkle-Materie-Teilchen. Wenn es sie gibt, müssten sie sich durch winzige Verschiebungen in der Schwingungsrichtung des gestreuten Laserlichts verraten, wie Physiker berichten. Durchführbar wäre ein solches Experiment beispielsweise am European XFEL.

Paper: Searching for axion resonances in vacuum birefringence with three-beam collisions | PDF

> Über das Periodensystem hinaus: Kernphysikern ist ein wichtiger Schritt zur Herstellung des Elements 120 gelungen – einem noch unentdeckten Element jenseits des bisher schwersten bekannten Atoms. Erstmals erzeugten sie das superschwere Element Livermorium (116) durch einen energiereichen Strahl aus Titan-50-Isotopen. Wird der Titan-Strahl künftig auf Californium statt Plutonium geschossen, könnte das Element 120 entstehen. Dies soll schon innerhalb der nächsten Jahre passieren, wie das Team berichtet.

Paper: Towards the Discovery of New Elements: Production of Livermorium (Z=116) with 50Ti | PDF

> Technischer Durchbruch: Physikern ist es erstmals gelungen, einen Strahl aus Myonen zu fokussieren und zu verdichten – den kurzlebigen, schweren „Brüdern“ des Elektrons. Die nun demonstrierte Methode der „Ionenkühlung“ schafft damit eine wichtige Voraussetzung für Teilchenbeschleuniger der nächsten Generation. Denn Myonen können die gleiche Kollisionsenergie mit viel weniger Anlauf und Kosten erreichen als der Large Hadron Collider (LHC) oder große Elektronenbeschleuniger.

Paper: Transverse emittance reduction in muon beams by ionization cooling | PDF

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Spektrum-Leserfrage: > »In letzter Zeit lese ich viel von so genannten Gravitationslinsen. Ich verbinde mit dem Begriff »Linse« ein optisches Element, das extrem genau geschliffen sein muss, damit ein vernünftiges Bild entsteht. Bei den Gravitationslinsen, wo große, ­verteilte Massen das Licht ablenken, ist ja wohl eine solche exakte Abbildung nicht gegeben. Was kann man aber dann ­praktisch damit anfangen?« – Dietrich Kracht

> Robuster Transport: Physiker haben erstmals sichtbar gemacht, wie sich Elektronen durch die Kristallebenen des Perowskits bewegen – und Überraschendes entdeckt. Demnach ist der Ladungstransport in diesem Elektronikmaterial erstaunlich immun gegenüber lokalen Korngrenzen und anderen Unregelmäßigkeiten. Dafür zeigen sich im größeren Maßstab vielversprechende Hotspots besonders effizienter Elektronenbewegungen. Dies könnte dabei helfen, Perowskit-Solarzellen, aber auch andere Elektronikmaterialien zu optimieren, so das Team in „Nature Photonics“.

Paper: unfrei

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> Das Klima der Erde erwärmt sich immer weiter und damit steigt auch der Bedarf an Kühlsystemen. Bereits heute ist ein großer Anteil des weltweiten Energieverbrauchs auf Kühlung zurückzuführen. Deswegen versuchen Forscher, möglichst energiesparende Kühlsysteme zu entwickeln. Ein besonderes Phänomen – der sogenannte elektrokalorische Effekt – verspricht beispielsweise effiziente und kompakte Kühlsysteme aus dünnen Festkörpern. Anders als bei heutigen Kühlschränken würde die Kälte mit einem festen Material und nicht mit einer Kühlflüssigkeit oder einem Gas erzeugt. Im Interview mit Welt der Physik spricht Daniel Hägele von der Universität Bochum über den aktuellen Stand der Forschung und über die Möglichkeiten der neuen Technik.

> Wodurch erhält das Proton seinen Spin? Diese Frage ist noch immer nicht geklärt, denn Experimente liefern widersprüchliche Daten zum Beitrag der Gluonen. Jetzt haben Physiker diese mithilfe spezieller Simulationen noch einmal überprüft. Doch das Ergebnis bestätigt erneut, dass der Beitrag der Gluonen sowohl positiv als auch negativ sein könnte. Letzteres wirft die Frage auf, woher dann der Löwenanteil des Protonenspins kommt – denn auch die Quarks tragen nur wenig zu ihm bei.

Paper: Gluon helicity from global analysis of experimental data and lattice QCD Ioffe time distributions | PDF

> Die Rolle des Forschungsprojekts International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) für die Kernfusion hat sich nach Meinung eines beteiligten Experten auch nach dem neuen Zeitplan nicht entscheidend geändert. "ITER ist immer noch der 'Schneepflug', der den Weg bahnt, auf dem alle anderen dann mit besserer Traktion fahren können", erklärte Prof. Dr. Hartmut Zohm gegenüber heise online. Er leitet am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching den Bereich Tokamak-Szenario-Entwicklung.

Video: ITER 10 Jahre später? - Was der neue Fahrplan wirklich bedeutet | Hartmut Zohm - Dauer: 11 min

Älterer Post zum Thema:

• Kernfusion: ITER-Projekt verzögert sich um mehrere Jahre und wird teurer

> Tickender Halbleiter: Physiker haben erstmals einen mit Gigahertz-Frequenz „tickenden“ Zeitkristall auf einem Mikrochip erzeugt. Das regelmäßig oszillierende System entsteht, wenn eine Quantenfalle im gängigen Halbleiter Galliumarsenid mit kontinuierlichem Laserlicht angeregt wird. Das „Ticken“ im Gigahertz-Bereich und die Integration auf einem Mikrochip könnte neue Möglichkeiten der Anwendung für solche Zeitkristalle eröffnen, wie das Team in „Science“ berichtet.

Älterer Post zum Thema:

• Physiker erschaffen langlebigen Zeitkristall

> Keine bloße Science-Fiction: Tachyonen können schneller fliegen als das Licht – zumindest besagen dies einige physikalische Modelle. Doch ob diese hypothetischen Teilchen mit der Relativitätstheorie vereinbar sind und über Quantenfeldtheorien beschrieben werden können, ist strittig. Jetzt haben Physiker eine mögliche Lösung dieses Dilemmas veröffentlicht – und die Diskussion neu entfacht. Was aber ist das Problem mit den Tachyonen?

Paper: "Covariant quantum field theory of tachyons" nicht frei zugänglich

Paper: Comment on "Covariant quantum field theory of tachyons" | PDF

Video aus dem Artikel: This Particle Travels Faster Than Light | Tachyons - Dauer: 6 min

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Paper: Rotating curved spacetime signatures from a giant quantum vortex | PDF

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Paper: Searching for Decoherence from Quantum Gravity at the IceCube South Pole Neutrino Observatory | PDF

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Artikel ist vom 17.12.2023.

> Mit extrem kurzen Laserpulsen lassen sich schnelle Abläufe chemischer Reaktionen filmen oder digitale Berechnungen mit Lichtteilchen statt mit Elektronen durchführen. Jeder Puls dauert dabei nur millionstel Teile einer milliardstel Sekunde, kurz Femtosekunden genannt. Bisher füllen diese Laser ganze Laborräume. Doch amerikanischen Physikerinnen und Physikern gelang es nun, einen Kurzpuls-Laser bis auf die Größe eines Computerchips zu schrumpfen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, legten sie damit die Grundlage für extrem kompakte Detektoren für Bakterien und Viren. In Zukunft halten sie sogar optische Atomuhren für möglich, die man wie ein Smartphone mittragen kann.

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> Auch wenn die Lösung solcher Probleme viel abstrakte Mathematik erfordert, sind die dazugehörigen Anwendungen durchaus praktischer Natur.

> 2013 haben Forschende beispielsweise gezeigt, dass sie anhand des Widerhalls eines einzelnen Tons die Form eines Raums bestimmen können – sofern dieser einem konvexen Vieleck entspricht. Solche Methoden könnten sich also als Spionagetechnik nutzen lassen.

• Paper: Acoustic echoes reveal room shape | PDF

> Tatsächlich ist dabei aber das umgekehrte Problem noch hilfreicher: Inzwischen können Fachleute Töne aus den Videoaufnahmen einer vibrierenden Chipstüte wiederherstellen – und auf diese Weise optisch ein Gespräch belauschen, ohne die Personen selbst sehen zu müssen.

• Artikel mit Bezahlschranke: MIT researchers can listen to your conversation by watching your potato chip bag
• Artikel ohne Schranke

> [Der Physiker Achim Kempf] möchte mit Hilfe der Spektralgeometrie eine Theorie der Quantengravitation entwickeln, die alle vier Grundkräfte miteinander vereinigen soll. Die Idee ist dabei, die quantenphysikalischen Schwingungen innerhalb der Raumzeit zu nutzen, um daraus auf die Geometrie unseres Universums zu schließen.

• Paper nicht frei zugänglich