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So viel Physik steckt wirklich hinter der
Fernsehserie „The Big Bang Theory“
Vorwissenschaftliche Arbeit von Valerie Wittchen
8A
Unter der Betreuung von Prof. Mag. Elisabeth Abart
Abgegeben am 25. Februar 2016
BG/BRG Gmunden
4810 Gmunden
Keramikstraße 28
1
Abstract
Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem physikalischen Inhalt der Comedy -Serie „The Big Bang
Theory“, da mich diese schon lange begeistert. Die Sitcom handelt vom Alltag der
überdurchschnittlich intelligenten Physiker Leonard und Sheldon, die in einer
Wohngemeinschaft leben, ihren Freunden Raj und Howard, die ebenfalls Physiker sind, und
ihrer hübschen Nachbarin Penny. Wie die Hauptcharaktere der Sendung auf der Suche nach
der Vereinheitlichung der Naturgesetze sind, suche ich nach der Antwort auf die Frage „Wie
viel Physik steckt wirklich hinter ‚The Big Bang Theory‘?“.
Anfangs war ich der Meinung, wie wahrscheinlich viele der Zuschauer, einige der Begriffe
entsprängen nur der Phantasie des Drehbuchautors. Denn Aussagen über das
Holographische Prinzip der Stringtheorie, einen neuen Aggregatszustand namens Supersolid
oder Elektronen die sich in Graphen wie eine Welle verhalten, lassen derartige
Spekulationen leicht zu.
Nach intensiver Recherche, bei der ich fast ausschließlich das Internet verwendet habe,
wurde klar, dass alle angesprochenen Themen wirklich existieren und in der Serie korrekt
wiedergegeben wurden. Auch ein Versuch, den die Physiker in „The Big Bang Theory“
durchführten, lässt sich exakt nachstellen und liefert die gleichen Ergebnisse.
Des Weiteren führte ich eine Umfrage in jeweils einer Klasse der fünften, sechsten, siebten
und achten Schulstufe des BG/BRG Gmunden durch, um zu erfahren, wie sich durch die
Fernsehserie die Sichtweise der Schüler und Schülerinnen auf den Physikunterricht
verändert hat. Die meisten gaben an, ihr Interesse sei mittelmäßig gesteigert worden. Ich bin
jedoch anderer Meinung. Denn erst durch „The Big Bang Theory“ entdeckte ich die
spannende und komplexe Welt der modernen Physik.
2
Inhalt
Abstract ................................................................................................................................................... 1
1. Einleitung ............................................................................................................................................. 4
2. Dopplereffekt, Staffel 1, Disc 1, Episode 6, Minute 149...................................................................... 6
2.1. Aussage von Sheldon .................................................................................................................... 6
2.2. Rechercheergebnis ....................................................................................................................... 6
2.2.1. Ruhende Quelle, bewegter Beobachter ................................................................................ 6
2.2.2. Bewegte Quelle, ruhender Beobachter ................................................................................. 7
2.3. Schlussfolgerung ........................................................................................................................... 7
3. Schrödingers Katze, Staffel 1, Disc 3, Episode 17, Minute 135 ........................................................... 8
3.1. Aussage von Sheldon .................................................................................................................... 8
3.2. Rechercheergebnis ....................................................................................................................... 8
3.2.1. Historisches zu Erwin Schrödinger ........................................................................................ 8
3.2.2. Die Kopenhagener Deutung der Quantenphysik .................................................................. 8
3.2.3. Schrödingers Katze ................................................................................................................ 9
3.3. Schlussfolgerung ......................................................................................................................... 10
4. Doppelspaltexperiment, Staffel 1, Disc 1, Episode 1, Minute 0 ........................................................ 10
4.1. Aussage von Sheldon .................................................................................................................. 10
4.2. Rechercheergebnis ..................................................................................................................... 10
4.3. Schlussfolgerung ......................................................................................................................... 12
5. Anthropisches Prinzip, Staffel 6, Disc 1, Episode 1, Minute 4 ........................................................... 13
5.1. Aussage von Sheldon .................................................................................................................. 13
5.2. Rechercheergebnis ..................................................................................................................... 13
5.2.1. Das schwache anthropische Prinzip .................................................................................... 13
5.2.2. Das starke anthropische Prinzip .......................................................................................... 13
5.3. Schlussfolgerung ......................................................................................................................... 14
6. Higgs-Boson, Staffel 6, Disc 1, Episode 3, Minute 42 ........................................................................ 15
6.1. Aussage von Sheldon .................................................................................................................. 15
6.2. Rechercheergebnis ..................................................................................................................... 15
6.2.1. Historisches zu Peter Higgs.................................................................................................. 15
6.2.2. Das Higgs-Boson .................................................................................................................. 15
6.3. Schlussfolgerung ......................................................................................................................... 16
7. Supersolid, Staffel 1, Disc 2, Episode 9, Minute 52 ........................................................................... 17
7.1. Aussage von Leonard .................................................................................................................. 17
3
7.2. Rechercheergebnis ..................................................................................................................... 17
7.3. Schlussfolgerung ......................................................................................................................... 18
8. Holographisches Prinzip, Staffel 6, Disc 1, Episode 5, Minute 127 ................................................... 19
8.1. Aussage von Leonard .................................................................................................................. 19
8.2. Rechercheergebnis ..................................................................................................................... 19
8.2.1. Stringtheorie ........................................................................................................................ 19
8.2.2. Holographisches Prinzip ...................................................................................................... 19
8.3. Schlussfolgerung ......................................................................................................................... 20
9. Elektronen in Graphen, Staffel 3, Disc 2, Episode 14, Minute 141 und 152 ..................................... 21
9.1. Aussage von Sheldon .................................................................................................................. 21
9.2. Rechercheergebnis ..................................................................................................................... 21
9.2.1. Graphen ............................................................................................................................... 21
9.2.2. Elektronen in Graphen ........................................................................................................ 23
9.3. Schlussfolgerung ......................................................................................................................... 23
10. Experiment, Staffel 2, Disc 1, Episode 3, Minute 47 ....................................................................... 24
10.1. Eigene Nachstellung ................................................................................................................. 24
10.2. Erklärung nicht-newtonsches Fluid .......................................................................................... 27
11. Auswertung des Fragebogens ......................................................................................................... 28
12. Fazit ................................................................................................................................................. 30
Literaturverzeichnis ............................................................................................................................... 32
Abbildungsverzeichnis ........................................................................................................................... 34
Anhang .................................................................................................................................................. 35
4
1. Einleitung
Schon seit mittlerweile neun Staffeln begeistert die amerikanische Fernsehserie „The Big
Bang Theory“ Zuschauer aller Altersgruppen auf der ganzen Welt, darunter auch mich. Durch
die raffinierte Kombination von Humor und Physik entstand ein Meisterwerk der Comedy
und Publikumsliebling. Doch die Fernsehsendung reizte nicht nur mein Zwerchfell, sondern
weckte auch mein Interesse an der Physik. Erst dank „The Big Bang Theory“ wurde mir klar,
welche spannenden und komplexen Welten die moderne Physik beinhaltet. Wenn dann im
Fernsehen die Charaktere von Stringtheorie, Higgs-Bosonen, anthropischem Prinzip und
Supersolid redeten, fragte ich mich, was wohl hinter diesen mysteriös klingenden Begriffen
steckt, und vor allem, ob die physikalischen Inhalte der Wahrheit entsprechen. Als ich mich
dann für ein Thema meiner vorwissenschaftlichen Arbeit entscheiden musste, wusste ich,
dass ich endlich die Möglichkeit hatte, meine Fragen zu beantworten.
Außerdem bietet die Serie interessante Einblicke in verschiedenste Bereiche der Physik, wie
die Quantenphysik oder die Astrophysik, weshalb ich mir sicher war, dass dieses Thema
äußerst abwechslungsreich und vielseitig zu gestalten ist.
Aus diesem Grund war mir von Anfang an klar, dass ich für meine Recherche ausschließlich
das Internet verwenden werde, was sich auch beim Arbeiten als die beste Methode
herausstellte. Lediglich in zwei Teilbereichen verwendete ich den Inhalt aus zwei Büchern
von Stephen Hawking, da er eine große Inspiration für mich ist. Zusätzlich stellte ich selbst
ein Experiment nach, welches in der Serie zu sehen war, um die Ausführbarkeit in der
Realität zu überprüfen. Des Weiteren führte ich eine Umfrage unter den Schülern und
Schülerinnen der fünften, sechsten, siebten und achten Schulstufe durch, um
herauszufinden, ob die Sendung auch deren Interesse am Physikunterricht geweckt hat. Für
mich war vor allem dieser Aspekt spannend, weil ich denke, dass das Hauptanliegen der
Serie nicht die Weitergabe von physikalischem Wissen ist, sondern die Unterhaltung. Da
scheint es mir doch sehr erfreulich, wenn bei manchen Schülern und Schülerinnen dadurch
das Interesse an der Physik geweckt wird.
Ich möchte mit meiner Arbeit vor allem zeigen, ob der physikalische Inhalt der Serie „The Big
Bang Theory“ richtig ist und somit ihre Qualität überprüfen. Die meisten Zuschauer nehmen
die wissenschaftlichen Aspekte gar nicht wahr oder halten diese automatisch für korrekt, da
sie sich mit dem Thema nicht beschäftigen. Ich will denen, die daran interessiert sind, helfen,
5
die Physik hinter „The Big Bang Theory“ zu erkennen und zu verstehen. Deswegen habe ich
versucht die einzelnen Zitate so einfach wie möglich zu erklären. Ich hoffe, dem Leser wird
klar, dass unser Leben nicht nur aus den sichtbaren und überprüfbaren Dingen besteht,
sondern auch aus bislang unerklärlichen Phänomenen, die sich außerhalb unserer
vorstellbaren Realität befinden.
Ebenfalls wollte ich durch meine Umfrage erläutern, wie bekannt und beliebt die
Fernsehsendung beim jungen Publikum ist, und vor allem wie sie die Physik darin sehen und
ob sich dadurch ihre Blickweise auf den Physikunterricht geändert hat.
Der erste Schritt zur Verwirklichung meines Ziels war, die Serie anzuschauen und Zitate zu
exzerpieren, in denen ein physikalischer Aspekt angesprochen wird. Nach der Auswahl der
interessantesten Themen überprüfte ich jede Aussage auf ihren wissenschaftlichen Inhalt
und erklärte dies in einfachen Worten. Das vorliegende Werk ist also hauptsächlich
reproduktiv gestaltet, mit Ausnahme eines Experiments, das ich durchführte, um eine Szene
auf ihre Richtigkeit zu untersuchen, und eines oben schon angesprochenen Fragebogens.
Meine Arbeit ist in neun Kapitel eingeteilt, in denen jeweils ein Aspekt behandelt wird. Diese
sind wiederum in drei Unterpunkte unterteilt: Die Aussage, in der ich eine Äußerung einer
Person in der Serie zitiere, das Rechercheergebnis, welches sich mit dem physikalischen
Hintergrund der Aussage befasst, und die Schlussfolgerung, die zusammenfasst, ob die
Aussage mit dem Rechercheergebnis übereinstimmt.
Im zehnten Kapitel beschreibe ich die Durchführung des Experiments und das letzte, und
somit elfte Kapitel behandelt das Ergebnis der Umfrage.
Leider reicht der Umfang einer vorwissenschaftlichen Arbeit nicht aus, um jeden
physikalischen Aspekt, der in der Serie angesprochen wird, zu behandeln. Ich konzentriere
mich daher auf zehn verschiedene Szenen, von denen die meisten aus der modernen Physik
stammen, da sich die Protagonisten hauptsächlich mit dieser beschäftigen. Man könnte aus
der Serie „The Big Bang Theory“ noch weitaus mehr wissenschaftliche Bereiche analysieren
und untersuchen, jedoch lassen die von mir gewählten repräsentativ für die gesamte Serie
ein Fazit zu.
6
2. Dopplereffekt, Staffel 1, Disc 1, Episode 6, Minute 149
2.1. Aussage von Sheldon
„Der Dopplereffekt ist die wahrnehmbare Veränderung der Frequenz einer Welle, die sich
auf einen Beobachter zu- und wieder fortbewegt.“
2.2. Rechercheergebnis
Der österreichische Physiker Christian Doppler entdeckte im Jahr 1842 den nach ihm
benannten Dopplereffekt. Dieser Effekt tritt dann auf, wenn sich entweder der Beobachter
relativ zu oder sich die Schallquelle bewegt. Hierbei nimmt der Beobachter eine andere
Frequenz als die von der Quelle ausgesendete wahr. Dies tritt in zwei verschiedenen Arten
auf:
2.2.1. Ruhende Quelle, bewegter Beobachter
Die Wellenlänge des ausgesendeten Schalls verändert sich im ruhenden Zustand nicht,
jedoch bemerkt der bewegte Empfänger einen deutlichen Unterschied in der Tonhöhe.
Bewegt er sich auf die Schallquelle zu, so empfindet er einen höheren Ton, was auf eine
Erhöhung der Frequenz schließen lässt. Dies geschieht deshalb, weil der Beobachter die
Wellenberge schneller passiert und daher die Anzahl der Wellenfronten pro Zeiteinheit
erhöht. Wenn sich der Empfänger jedoch von der Quelle entfernt, erscheint ihm der Ton
tiefer, also muss die Frequenz geringer sein. Der Grund für diese Veränderung ist, dass
durch das Wegbewegen von der Schallquelle der Abstand der Wellenberge größer wird. Ein
Beispiel dazu: man sitzt im Auto, das Fenster ist offen, und fährt an einer Kirche vorbei,
deren Glocken gerade läuten. Bewegt man sich auf die Kirche zu, empfängt man einen
höheren Ton als wenn man sie passiert hätte und sich von ihr entfernte.
7
Abbildung 1: Dopplereffekt mit ruhender Quelle und bewegtem Beobachter1
2.2.2. Bewegte Quelle, ruhender Beobachter
Bewegt sich die Schallquelle auf den Empfänger zu, so werden vor ihr die Wellenfronten
quasi zusammengedrückt, also verringert sich die Wellenlänge. Dadurch vergrößert sich die
Frequenz und somit die Tonhöhe, denn Wellenlänge und Frequenz verhalten sich relativ
zueinander. Entfernt sich die Quelle, geschieht genau das Gegenteil, die Wellenlänge
vergrößert sich, die Frequenz wird kleiner. Man kann diesen Vorgang als „hinterher
schleifen“ betrachten. Ein Beispiel, das vermutlich jeder aus dem Alltag kennt,
veranschaulicht diese Variante des Dopplereffekts: Ein vorbeifahrender Krankenwagen mit
Sirene. Wenn er sich auf uns zubewegt, empfinden wir die Sirene als hohen Ton, hat uns das
Fahrzeug allerdings schon passiert, nehmen wir einen tieferen Ton wahr.
Abbildung 2: Dopplereffekt mit bewegter Quelle und ruhendem Beobachter2
2.3. Schlussfolgerung
Die Aussage Sheldons über den Dopplereffekt ist eine einwandfreie Zusammenfassung
dieses Phänomens. Er erklärt zwar nicht die zwei unterschiedlichen Arten, sondern nur die
oben genannte 2. Variante, diese aber korrekt.
1 http://www.ubz-stmk.at/fileadmin/ubz/upload/Materialien/publikationen/Unterrichtsmappe_Laerm.pdf
Abbildung 12 (zugegriffen 23.02.2016) 2 Bildschirmscreens aus http://www.walter-fendt.de/html5/phde/dopplereffect_de.htm (zugegriffen
23.02.2016)
8
3. Schrödingers Katze, Staffel 1, Disc 3, Episode 17, Minute 135
3.1. Aussage von Sheldon
"1935 hat Erwin Schrödinger bei dem Versuch die Kopenhagener Deutung der
Quantenphysik zu erklären, ein Experiment vorgeschlagen, bei dem eine Katze in eine Kiste
gesperrt wird, zusammen mit einer versiegelten Giftampulle, die irgendwann zerbrechen
würde. Da niemand weiß, wann oder ob das Gift freigesetzt wurde, bevor die Kiste geöffnet
wird, kann die Katze gleichzeitig als beides angesehen werden, lebendig oder tot."
3.2. Rechercheergebnis
3.2.1. Historisches zu Erwin Schrödinger
Der österreichische Physiker wurde am 12. August 1887 in Wien geboren. Am 20. Mai 1910
promovierte er an den physikalischen Instituten der Universität Wien. Er erhielt 1933 den
Nobelpreis für Physik, da er die Schrödingergleichung aufstellte, die beweist, dass Elektronen
"Eigenschaften von Wellen oder Teilchen haben können, aber weder das eine noch das
andere sind und sich ihr Zustand nur mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit berechnen
lässt."3 Somit löste er eines der größten Probleme der Quantenphysik.
3.2.2. Die Kopenhagener Deutung der Quantenphysik
Es existiert keine universelle Definition der Kopenhagener Deutung, auch Kopenhagener
Interpretation genannt, da sie eine Zusammenfassung von Thesen und Annahmen ist. Jedoch
gelten die Kapitel 22 und 23 im Buch „Quantum Theory“ von David Joseph Bohm, dem
Begründer der Kopenhagener Deutung, als eine grundlegende Definition. Weitere wichtige
Vertreter dieser Interpretation waren Niels Bohr, Werner Heisenberg, Max Born, Wolfgang
Pauli und Paul Dirac. Hingegen betrachteten andere hoch angesehene Physiker wie Albert
Einstein, Erwin Schrödinger und Louis De Broglie die Kopenhagener Deutung mit kritischer
Ablehnung.4
Diese Deutung besagt, dass in der Quantenmechanik keine genauen Vorhersagen gemacht
werden können solange nicht gemessen oder beobachtet wird. Vor dem Messen befindet
3 http://www.uzh.ch/about/portrait/nobelprize/schroedinger.html (zugegriffen 01.11.2015)
4 vgl. http://www.spektrum.de/lexikon/physik/kopenhagener-interpretation/8353 (zugegriffen 01.11.2015)
9
sich ein Objekt, zum Beispiel ein Teilchen, in der sogenannten Superposition. Es kann also an
jedem Ort sein, an dem die Wellengleichung ψ nicht null ist. Diese Wellengleichung
„beschreibt ein Objekt in der vollständigst möglichen Form und liefert nur
Wahrscheinlichkeitsaussagen über den möglichen Ausgang von Messungen.“5 Wenn aber
eine Messung durchgeführt wird, wird die Ortskoordinate des Teilchens definiert, wodurch
die Wellenfunktion kollabiert. Das heißt, ab dem Zeitpunkt der Beobachtung „entscheidet“
sich ein Teilchen für einen bestimmten Ort. Der grundlegende Unterschied zur klassischen
Physik ist also, dass durch die Messung der Ort nicht festgestellt, sondern erzeugt wird.
Diese Theorie bietet vor allem eine mögliche Erklärung für das Paradoxon der Messung beim
berühmten Doppelspaltexperiment.
Ein weiteres wichtiges Prinzip in der Kopenhagener Deutung stellt die Komplementarität dar.
Grundsätzlich ist diese eine Vereinfachung der Heisenbergschen Unschärferelation, und
beschreibt, dass sich zwei widersprüchliche Größen der Physik, zum Beispiel Energie und Zeit
oder Ort und Impuls, gegenseitig ergänzen und widersprechen, und nicht gleichzeitig
beliebig genau gemessen werden können. Bohr, der Begründer der Komplementarität,
formulierte dies so: „Die Begriffe Teilchen und Welle ergänzen sich, indem sie sich
widersprechen; sie sind komplementäre Bilder des Geschehens.“6 In der Kopenhagener
Deutung bedeutet dies, dass sich das Wellen- und Teilchenbild gegenseitig ausschließt, aber
dennoch eng zusammenhängt.
3.2.3. Schrödingers Katze
Erwin Schrödinger war von dem Kollaps der Wellenfunktion und der Rolle des Beobachters
als Erzeuger eines Zustandes nicht überzeugt. Die Idee, dass sich ein Teilchen erst bei
Beobachtung für einen Zustand entscheidet, schien ihm zu widersprüchlich. Deshalb schlug
er ein Gedankenexperiment vor, bei dem eine Katze in eine Kiste eingesperrt wird, in die
man nicht hineinsehen kann. In dieser Kiste befindet sich ebenfalls ein Fläschchen gefüllt mit
Giftgas, über dem ein kleiner Hammer hängt. Dieser wird durch einen Auslösemechanismus
die Giftampulle zerstören, wenn ein radioaktives Atom zerfällt. In einer Stunde zerfällt mit
genau 50 Prozent Wahrscheinlichkeit ein radioaktives Atom in der Kiste, das heißt es ist
5 http://www.spektrum.de/lexikon/physik/kopenhagener-interpretation/8353 (zugegriffen 27.12.2015)
6 https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik-abitur/artikel/komplementaritaet-und-
komplementaritaetsprinzip (zugegriffen 12.12.2015)
10
exakt gleich wahrscheinlich, dass die Ampulle zerstört wird oder nicht. Also kann die Katze
nach einer Stunde, wenn man die Kiste öffnet, entweder tot oder lebendig sein. Nach der
Kopenhagener Deutung jedoch entscheidet sich die Katze erst für ihren Zustand im Moment
der Beobachtung. Demnach befindet sie sich vor diesem Zeitpunkt in der Superposition. Da
die Katze aber schon vor dem Öffnen der Box einen der beiden Zustände, tot oder lebendig,
eingenommen hatte, zeigte Schrödinger so das Paradoxon der Kopenhagener Deutung auf.7
3.3. Schlussfolgerung
Sheldon erklärte den Ablauf dieses Gedankenexperiments sehr verständlich, wenn auch
etwas vereinfacht. Obwohl er die Intention von Erwin Schrödinger richtig formulierte, zeigte
er jedoch nicht auf, was mit der Kopenhagener Deutung gemeint sei, wodurch bei
manchen Zuschauern möglicherweise Verwirrung auftreten könnte. Doch grundsätzlich ist
seine Aussage korrekt.
4. Doppelspaltexperiment, Staffel 1, Disc 1, Episode 1, Minute 0
4.1. Aussage von Sheldon
„Wenn ein Elektron auf eine Platte mit zwei Spalten geschossen wird, und jeder Spalt
beobachtet wird, geht es nicht durch beide hindurch. Unbeobachtet jedoch schon. Jedenfalls
heißt das, wenn das Elektron vor Auftreffen auf der Platte beobachtet wird, geht es nur
durch eine der beiden Spalten.“
4.2. Rechercheergebnis
Das von Sheldon beschriebene Phänomen ist bekannt als das Doppelspaltexperiment.
Hierbei versuchte der Physiker Claus Jönsson 1960 den Wellencharakter von Teilchen, in
diesem Fall Elektronen, zu beweisen. Er stellte eine Platte mit zwei Spalten vor einen
Detektorschirm, und beschoss die besagte Platte mit Elektronen. Zu erwarten war, dass sich
die Elektronen wie Teilchen verhalten und auf dem Detektorschirm zwei parallele Striche zu
erkennen sind, weil sich die Elektronen jeweils durch einen Spalt bewegen.
7 vgl. http://www.wissenschaft.de/home/-/journal_content/56/12054/1122214/ (zugegriffen 12.12.2015)
Abbildung 3: Zu erwartendes Ergebnis des Doppelspaltexperiments nach der klassischen Physik
Jedoch bildete sich auf dem Detektorschirm ein Interferenzmuster, das heißt es waren
mehrere parallele Streifen zu sehen, die zum Rand des Schirmes hin an Intensität verloren.
Abbildung 4: Interferenzmuster als Ergebnis des Doppelspaltexperiment
Interferenz tritt ausschließlich bei Wellen auf, die, wenn mehrere Wellen
aufeinandertreffen, sich durch ihre unterschiedliche Wellenlänge gegenseitig entkräften
oder verstärken. Dies bezeichnet man als destruktive (
(verstärkende) Interferenz. Das Ü
Elektronen allgemein als Teilchen angesehen wurden, nun ein solches Interferenzmuster
bildete. Wie ist das möglich? Zuerst vermutete man, die Elektronen beeinflussten sich auf
irgendeine Weise gegenseitig. Deswegen wurde das Experiment wiederholt, wobei die
Elektronen nacheinander auf die Platte geschossen wurden. Doch auch hierbei bildete sich
wieder ein Interferenzmuster.
gleichzeitig hindurch gehen und mit sich selbst i
man durch die Heisenbergsche Unschärferelation nicht sicher davon ausgehen, durch
welchen Spalt das Elektron geht.
8 http://interactive.quantumnano.at/grundlagen/molekuele
9 http://interactive.quantumnano.at/grundlagen/molekuele
Ergebnis des Doppelspaltexperiments nach der klassischen Physik
Jedoch bildete sich auf dem Detektorschirm ein Interferenzmuster, das heißt es waren
mehrere parallele Streifen zu sehen, die zum Rand des Schirmes hin an Intensität verloren.
Abbildung 4: Interferenzmuster als Ergebnis des Doppelspaltexperiments9
Interferenz tritt ausschließlich bei Wellen auf, die, wenn mehrere Wellen
aufeinandertreffen, sich durch ihre unterschiedliche Wellenlänge gegenseitig entkräften
Dies bezeichnet man als destruktive (entkräftende) oder konstruktive
verstärkende) Interferenz. Das Überraschende an diesem Versuch war, dass sich, obwohl
Elektronen allgemein als Teilchen angesehen wurden, nun ein solches Interferenzmuster
st das möglich? Zuerst vermutete man, die Elektronen beeinflussten sich auf
irgendeine Weise gegenseitig. Deswegen wurde das Experiment wiederholt, wobei die
Elektronen nacheinander auf die Platte geschossen wurden. Doch auch hierbei bildete sich
n Interferenzmuster. Folglich müssen die Elektronen durch beide Spa
und mit sich selbst interferieren, wie eine Welle.
man durch die Heisenbergsche Unschärferelation nicht sicher davon ausgehen, durch
lt das Elektron geht.
http://interactive.quantumnano.at/grundlagen/molekuele-am-doppelspalt/ (zugegriffen 20.02.2016)
http://interactive.quantumnano.at/grundlagen/molekuele-am-doppelspalt/ (zugegriffen 20.02.2016)
11
Ergebnis des Doppelspaltexperiments nach der klassischen Physik8
Jedoch bildete sich auf dem Detektorschirm ein Interferenzmuster, das heißt es waren
mehrere parallele Streifen zu sehen, die zum Rand des Schirmes hin an Intensität verloren.
aufeinandertreffen, sich durch ihre unterschiedliche Wellenlänge gegenseitig entkräften
entkräftende) oder konstruktive
berraschende an diesem Versuch war, dass sich, obwohl
Elektronen allgemein als Teilchen angesehen wurden, nun ein solches Interferenzmuster
st das möglich? Zuerst vermutete man, die Elektronen beeinflussten sich auf
irgendeine Weise gegenseitig. Deswegen wurde das Experiment wiederholt, wobei die
Elektronen nacheinander auf die Platte geschossen wurden. Doch auch hierbei bildete sich
Folglich müssen die Elektronen durch beide Spalten
, wie eine Welle. Jedoch kann
man durch die Heisenbergsche Unschärferelation nicht sicher davon ausgehen, durch
(zugegriffen 20.02.2016)
(zugegriffen 20.02.2016)
12
Nun wollte man aber wissen, wie sich das Elektron an der Platte verhält, damit man mit
Sicherheit sagen konnte, durch welche der beiden Spalten es sich bewegt. Aus diesem Grund
brachte man ein Messgerät an der Platte an. Doch das Ergebnis war verblüffend, denn die
Elektronen bewegten sich nun nur noch durch einen Spalt und bildeten auf dem
Detektorschirm kein Interferenzmuster, sondern zwei parallele Linien, wie anfänglich
erwartet. Scheinbar wird dem Beobachter in der Quantenphysik eine tragende Rolle
zugeschrieben. Lediglich durch den Akt der Beobachtung wurden der Ausgang des
Experiments und der Charakter der Elektronen verändert.10
Doch wieso kann eine Messung derartig viel verändern? Die Kopenhagener Deutung erklärt
diesen Effekt so, dass durch das Beobachten erst die Eigenschaft festgelegt wird. Vor dem
Zeitpunkt des Messens hält sich das Elektron nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit an
einem Ort auf, doch wenn man es beobachtet, schreibt man ihm einen fixen Ort zu. Nur
durch dieses Beobachten wird die Eigenschaft des Elektrons festgelegt. Unbeobachtet
befindet sich das Elektron in einer Superposition, die von einer Wellengleichung beschrieben
wird, welche die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten angibt. Wenn eine Messung durchgeführt
wird, kollabiert diese Wellenfunktion jedoch, da die Ortskoordinate festgelegt wird. Erst zu
diesem Zeitpunkt wird der Ort des Elektrons bestimmt. Somit bewegt es sich erst, wenn es
beobachtet wird, durch nur einen der beiden Spalte hindurch.
4.3. Schlussfolgerung
Sheldons Aussage erklärt den Einfluss des Beobachters korrekt, jedoch etwas kurz und
unvollständig, was aber für eine Comedy - Serie ausreichend ist. Außerdem erläutert er die
Auswirkung dieses Effekts nicht, nämlich dass sich bei Beobachtung kein Interferenzmuster
bildet. Dennoch ist dieses Zitat durchaus physikalisch korrekt.
10
vgl. https://www.youtube.com/watch?v=h9X5OMTetqI (zugegriffen 14.12.2015)
13
5. Anthropisches Prinzip, Staffel 6, Disc 1, Episode 1, Minute 4
5.1. Aussage von Sheldon
„Das anthropische Prinzip besagt Folgendes: Wenn wir erklären möchten, wieso unser
Universum in der vorliegenden Weise existiert, lautet die Antwort, dass es alle Eigenschaften
hat, die für die Entstehung intelligenter Lebewesen geeignet sind, denen es möglich ist,
diese Frage zu stellen.“
5.2. Rechercheergebnis
Stephen Hawking beschreibt das anthropische Prinzip in seinem Buch „Die illustrierte kurze
Geschichte der Zeit – aktualisierte und erweiterte Ausgabe“ so: „Wir sehen unser Universum
so, wie es ist, weil es uns nicht gäbe, wir es also nicht beobachten könnten, wenn es anders
wäre.“11 Das bedeutet, dass das Universum nur genau so, wie es derzeit ist, unsere Existenz
ermöglicht.
Es gibt zwei Arten des anthropischen Prinzips:
5.2.1. Das schwache anthropische Prinzip
Dieses Prinzip besagt, in einem unbegrenzten Universum sei die Entwicklung intelligenter
Lebewesen nur in bestimmten, begrenzten Regionen möglich. Diese Regionen müssen
gewisse Eigenschaften vorweisen, die dieses intelligente Leben benötigt um zu existieren.
Bei dem schwachen anthropischen Prinzip stellt sich also die Frage, ob außerirdische Wesen
existieren, weil eventuell an einem anderen Ort im Universum Bedingungen herrschen, die
intelligentes Leben ermöglichen.
5.2.2. Das starke anthropische Prinzip
Im Gegensatz zum schwachen anthropischen Prinzip ist das starke anthropische Prinzip
weitaus umstrittener. Denn nach diesem Prinzip existieren entweder viele unterschiedliche
Regionen eines Universums oder viele unterschiedliche Universen, jeweils mit verschiedenen
Ausgangszuständen. Außerdem herrschen in jedem dieser Universen oder Regionen in
einem Universum andere Naturgesetze. So ist es möglich, dass an einem dieser Orte die
11
Hawking, Stephen: Die illustrierte kurze Geschichte der Zeit, aktualisierte und erweiterte Ausgabe -Deutsch
von Hainer Kober, Reinbeck bei Hamburg: Rowohlt Taschenbuch Verlag GmbH, Mai 2000, S. 240
14
Lichtgeschwindigkeit viel höher ist als in unserem Universum, und an einem anderen Ort sich
das Licht viel langsamer bewegt als bei uns. Die meisten dieser Universen sind für die
Entwicklung von Leben ungeeignet, doch in seltenen Fällen erfüllt ein Universum genau die
Bedingungen für ein intelligentes Lebewesen wie uns Menschen.12
Einige Kritikpunkte sind:
Falls andere Universen vorhanden sind, können sie dennoch keine beobachtbaren
Auswirkungen auf uns haben, und somit vernachlässigt werden.
Wenn es sich um verschiedene Regionen eines Universums handelt, müssen in jedem die
gleichen Naturgesetze gelten, weil wir uns sonst nicht von einer Region zur anderen
bewegen könnten. Somit wäre der einzige Unterschied zwischen diesen Orten ihr
Anfangszustand, wodurch aus dem starken wieder das schwache anthropische Prinzip
werden würde.13
Außerdem besagt das starke anthropische Prinzip, dass unser gesamtes Universum nur
existiert um uns Menschen zu ermöglichen. Natürlich könnten wir uns geehrt fühlen, wenn
dem wirklich so sei, man könnte sogar die Entstehung des Universums und die frühe
Sternengeneration mit einbeziehen, die die schweren Elemente erzeugten, die nun unser
Leben formen. Doch unser Leben ist wohl kaum an andere Galaxien und die Gleichmäßigkeit
des Universums geknüpft.14
5.3. Schlussfolgerung
Sheldon erklärte das anthropische Prinzip verständlich, jedoch in sehr verkürzter Variante. Er
erläuterte zum Beispiel nicht, dass es ein starkes und ein schwaches Prinzip gibt.
Grundsätzlich aber ist seine Aussage korrekt, denn er wollte wahrscheinlich nur die
Grundlage dieses Prinzips verständlich machen.
12
vgl. Hawking, Die illustrierte kurze Geschichte der Zeit, aktualisierte und erweiterte Ausgabe, S. 159ff 13
vgl. Hawking, Die illustrierte kurze Geschichte der Zeit, aktualisierte und erweiterte Ausgabe, S. 159ff 14
vgl. Hawking, Die illustrierte kurze Geschichte der Zeit, aktualisierte und erweiterte Ausgabe, S. 159ff
15
6. Higgs-Boson, Staffel 6, Disc 1, Episode 3, Minute 42
6.1. Aussage von Sheldon
Sheldon erzählt von Dr. Peter Higgs, der 1964 das Higgs-Boson, ein subatomares Partikel,
postulierte. Dies stieß zunächst auf große Skepsis, doch wurde vor kurzem als richtig
bewiesen.
6.2. Rechercheergebnis
6.2.1. Historisches zu Peter Higgs
Peter Ware Higgs wurde am 29. Mai 1929 in Newcastle upon Tyne in Großbritannien
geboren. Er studierte am King’s College London, wo er 1950 den Bachelor und 1951 den
Master in Physik erhielt. 1954 erlangte er den Doktortitel für seine Arbeit „some problems in
the theory of molecular vibrations“. 1964 veröffentlichte er seine Arbeit über den später
nach ihm benannten „Higgs-Mechanismus“, der erklärte, dass Elementarteilchen ihre Masse
durch Wechselwirkung mit einem „Higgs-Feld“ erhalten. Dieses Feld ist wie alle
Quantenfelder mit einem Austauschteilchen, dem berühmten „Higgs-Boson“, verbunden.
2012 wurde am CERN ein Partikel entdeckt, welches möglicherweise das gesuchte
Elementarteilchen sein könnte. Der endgültige Nachweis dieses Higgs-Bosons gelang dem
ATLAS und CMS Experiment am CERN im Jahr 2013, worauf Peter Higgs und sein Partner
Francois Englert für die Voraussagung des Teilchens im Oktober 2013 den Nobelpreis für
Physik erhielten.15
6.2.2. Das Higgs-Boson
Dieses spezielle Teilchen war der letzte fehlende Baustein im Standardteilchenmodell. Lange
fehlte eine Erklärung, wie Teilchen ihre Masse erhalten. Die Antwort ist der Higgs-
Mechanismus, der besagt, dass im gesamten Raum ein bestimmtes Feld herrscht, das Higgs-
Feld. Dieses Feld besitzt, wie alle anderen Quantenfelder, ein Austauschteilchen um seine
Wirkung zu übertragen, in diesem Fall das Higgs-Boson. Dieses Boson koppelt an Teilchen,
15
vgl. http://www.ph.ed.ac.uk/higgs/peter-higgs (zugegriffen 26.12.2015)
16
bremst diese somit und verleiht ihnen auf diese Weise ihre Masse. Die Masse des Teilchens
wird durch die Stärke der Koppelung mit dem Higgs-Boson bestimmt.16
Dieses Phänomen kann man, um es einfacher zu erklären, mit einer Cocktailparty
vergleichen. Kommt ein unbekannter Mensch zu dieser Party, kann er sich wie er will durch
das Zimmer (das Higgs-Feld) bewegen, ohne aufgehalten zu werden. Er stellt somit die
masselosen Teilchen, zum Beispiel Photonen dar. Betritt eine berühmte Person,
beispielsweise ein Fernsehstar, den Raum (das Higgs-Feld), bildet sich sofort eine
Menschentraube um ihn, die ihm das Bewegen erschwert. Je mehr Menschen sich um ihn
versammeln, umso massereicher wird er. Dieser Fernsehstar steht für alle massereichen
Teilchen, wie Elektronen oder Protonen. So kann der Higgs-Mechanismus anschaulich
beschrieben werden.17
Auch für das Higgs-Boson gibt es bei der Cocktailparty eine Erklärung. Wenn ein Gerücht
entsteht, tritt als erstes eine Gruppe von Personen zusammen, um diese Neuigkeiten
auszutauschen. Danach drehen sie sich zu ihrem Nachbar um, um diesen zu informieren. Mit
der Zeit bilden sich tuschelnde Personengruppen, die dieses Gerücht diskutieren. Das Higgs-
Boson ist mit diesen Gruppen zu vergleichen. Auch die tuschelnden Personen, also die Higgs-
Bosonen, haben eine Masse. Demnach entsteht ein Higgs-Boson bei einer lokalen
Verdichtung des Higgs-Feldes.18
6.3. Schlussfolgerung
Sheldons Aussage über Higgs und seine Forschung ist korrekt. Da die sechste Staffel dieser
Serie 2013 erschien, ist sogar die Zeitangabe „vor kurzem“ richtig, da das Higgs-Boson 2012
entdeckt und 2013 bestätigt wurde. Jedoch erklärt er nicht, dass dieses subatomare Partikel
ein Austauschteilchen ist, das den Elementarteilchen ihre Masse verleiht, und was das Higgs-
Feld und der Higgs-Mechanismus sind. Aber im Rahmen der Serie scheint die gegebene
Information ausreichend.
16
vgl. http://erlangen.physicsmasterclasses.org/sm_et/sm_et_07.html (zugegriffen 26.12.2015) 17
vgl. http://www.focus.de/wissen/technik/tid-23481/auf-der-suche-nach-dem-higgs-boson-higgs-
mechanismus-und-cocktailparty_aid_660653.html (zugegriffen 26.12.2015) 18
vgl. http://www.focus.de/wissen/technik/tid-23481/auf-der-suche-nach-dem-higgs-boson-higgs-
mechanismus-und-cocktailparty_aid_660653.html (zugegriffen 26.12.2015)
17
7. Supersolid, Staffel 1, Disc 2, Episode 9, Minute 52
7.1. Aussage von Leonard
Leonard hält einen Vortrag über Supersolid: „Bei Temperaturen nahe dem absoluten
Nullpunkt verändert sich das Trägheitsmoment und ein Festkörper wird zum Supersolid, was
eindeutig auf einen bisher unbekannten Aggregatszustand hinweist.“
7.2. Rechercheergebnis
Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt von -273,15 ° Celsius oder 0 Kelvin wurden
schon erstaunliche neue Eigenschaften entdeckt, wie etwa die Supraleitfähigkeit. Hierbei
kann Gleichstrom fast ohne jeglichen Widerstand transportiert werden.19
Ein weiteres Beispiel ist der Aggregatszustand, der Superfluid genannt wird. In diesem
Zustand weisen Elemente eine extrem hohe Wärmeleitfähigkeit sowie fast keine Viskosität
auf, das heißt, sie können sich beinahe ohne innere Reibung bewegen.20
Ein weiterer Zustand ist das Bose-Einstein-Kondensat. Bei diesem Phänomen werden
Bosonen (das sind Atome mit ganzzahligem Spin) bis zu einer kritischen Temperatur
abgekühlt, bei der sie sich im Grundzustand befinden, worauf sie sich nicht mehr
unterscheiden und sich deshalb wie ein einziges Atom verhalten.21
Der Aggregatszustand Supersolid soll ein Zustand sein in dem ein Körper gleichzeitig feste als
auch suprafluide Eigenschaften besitzt. Er lässt sich beschreiben als ein Kristall, den ein
Superfluid durchfließt.
2004 führten Eun-Seong Kim und Moses Chan an der Pennsylvania State University ein
Experiment mit Helium 4 durch, welches sie extrem niedriger Temperatur und hohem Druck
aussetzten. In einem Torsionspendel rotierten sie das abgekühlte Helium und entdeckten,
dass sich bei 200 mK (Millikelvin) die Schwingungsperiode plötzlich verringerte. Anscheinend
bewegte sich ein Teil des Heliums nicht mehr mit der Schwingung, sondern blieb in Ruhe.
Dieser Teil ist eine Superfluid, welches durch den rotierenden Heliumkristall strömte.
2006 konnten Ann Sophie Rittner und John D. Reppy bei ihrem Experiment ebenfalls
19
vgl. http://sciencev1.orf.at/science/news/101477 (zugegriffen 03.01.2016) 20
vgl. http://sciencev1.orf.at/science/news/101477 (zugegriffen 03.01.2016) 21
vgl. http://www.weltderphysik.de/gebiet/theorie/news/2010/erstmals-bose-einstein-kondensat-aus-licht-
erzeugt/ (zugegriffen 03.01.2016)
18
feststellen, dass sich bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt die
Schwingungsperiode plötzlich verringert. Jedoch erwärmten sie das Helium leicht, und
kühlten es danach langsam wieder ab, worauf das vorherige Ereignis nicht mehr auftrat. Es
schien, als wäre die Suprafluidität abhängig von der Beschaffenheit des Kristalls und keine
allgemeine Eigenschaft des Heliums. Denn bei langsamerem Abkühlen bleibt dem Helium 4
mehr Zeit um Risse auszubessern, durch die das superfluide Helium fließt.22
Weiters untersuchten Kim und Chan ebenfalls den Einfluss dieses langsameren Abkühlens
auf das Supersolid, wobei in ihrem Experiment keine der über 50 Proben auf eine
Verringerung der Suprafluidität hinwies. Der supersolide Anteil verringerte sich höchstens
um 15%, was im Widerspruch zu den Ergebnissen von Rittner und Reppy steht.23
Ein weiterer Widerspruch zeigte sich durch Messungen der Schmelzkurve von Helium 4,
welche an der Helsinki University of Technology ausgeführt wurden. Hier wies das Helium im
Bereich von 10 bis 400 mK keinen Übergang zum Supersolidenzustand auf.24
Folglich gibt es noch keinen eindeutigen Beweis für einen neuen Aggregatszustand, doch die
Experimente liefern vielversprechende Ergebnisse.
7.3. Schlussfolgerung
Leonard formuliert sehr passend, dass es auf einen neuen Aggregatszustand „hinweist“, da
noch keine eindeutigen Ergebnisse vorliegen. Auch die Aussage über die Veränderung des
Trägheitsmoments ist korrekt, da der superfluide Teil des Supersolid quasi träge wird und die
Schwingungsperiode verringert. Um eine tatsächliche Schlussfolgerung zu ziehen, müsste
man jedoch den gesamten Vortrag hören, denn die Veränderung des Trägheitsmoments
könnte Leonard auch anders gemeint haben, weil er in diesem Satz keine Details erklärt. Vor
allem erwähnt er keinen superfluiden und kristallinen Teil, sowie er den Stoff, mit dem er
arbeitete, nicht nennt.
22
vgl. http://www.pro-physik.de/details/news/1114629/Raetselhaftes_Helium.html (zugegriffen 03.01.2016) 23
vgl. http://www.pro-physik.de/details/news/1114629/Raetselhaftes_Helium.html (zugegriffen 03.01.2016) 24
vgl. http://www.pro-physik.de/details/news/1114629/Raetselhaftes_Helium.html (zugegriffen 03.01.2016)
19
8. Holographisches Prinzip, Staffel 6, Disc 1, Episode 5, Minute 127
8.1. Aussage von Leonard
„Eine grundlegende Idee in der Stringtheorie besagt, dass das ganze Universum ein
Hologramm sein könnte. Das Holographische Prinzip besagt, dass das, was wir alle täglich vor
uns sehen, und zwar 3-dimensional, in Wirklichkeit vielleicht bloß Informationen auf einer
Oberfläche in einer weit entfernten Gegend unseres Universums sind“.
8.2. Rechercheergebnis
8.2.1. Stringtheorie
Die Stringtheorie besagt, dass unser Universum nicht aus Teilchen, sondern aus winzigen
eindimensionalen Fäden, den Strings aufgebaut wird. Diese Strings können ein Ende haben
oder in sich zu einem Ring geschlossen sein, und sie schwingen mit einer bestimmten
Wellenlänge. Diese Schwingungen erzeugen verschiedene Massen und Kraftladungen, die
dann als Elementarteilchen wahrgenommen werden. Je kürzer die Wellenlänge eines
Strings, desto massereicher ist das Teilchen.25
8.2.2. Holographisches Prinzip
Dimensionen wie wir sie uns vorstellen, könnten laut der Stringtheorie möglicherweise nicht
so eindeutig definiert sein. Das beste Beispiel dafür ist das Paradoxon des vollkommenen
Informationsverlusts in Schwarzen Löchern. Solche Schwarzen Löcher entstehen durch das
Sterben von massereichen Sternen, und bilden einen Ereignishorizont, der deren Grenze
darstellt. Alles, was diesen Ereignishorizont überschreitet fällt in das Loch hinein, selbst Licht
kann nicht entkommen. Der Flächeninhalt des Ereignishorizonts ist direkt proportional zu
der Entropie, das heißt zu der Menge an enthaltener (in diesem Fall „verschluckter“)
Information. Die Stringtheorie kann für einige Arten von Schwarzen Löchern erklären, wie
Information am Ereignishorizont gespeichert ist. Verwundernd ist, dass der
25
vgl. Hawking, Stephen: Das Universum in der Nussschale – Deutsch von Hainer Kober, München, Deutscher
Taschenbuch Verlag GmbH & Co.KG, 6. Auflage 2012, S. 60
20
Informationsgehalt eines dreidimensionalen Objekts wie dem Schwarzen Loch durch eine
zweidimensionale Fläche wie dem Ereignishorizont beschrieben wird.26
Das Holographische Prinzip versucht diese Erkenntnis auf das ganze Universum anzuwenden.
Es könnte möglich sein, dass unsere dreidimensionale Realität von einer vierdimensionalen
Raumzeit gebildet wird. Demnach müsste es zwei äquivalente Beschreibungen unseres
Universums geben: ein Hologramm und das rekonstruierte höherdimensionale Abbild.
Dieses Holographische Prinzip wirft weitere Fragen auf, die wichtigste davon ist, ob es zu
unserer Quantenphysik eine äquivalente Variante gibt, wie zum Beispiel eine
höherdimensionale Stringtheorie. Wieso ist diese so wichtig? Ein Hologramm lässt sich auf
zwei Weisen nutzen, einerseits liefert eine höherdimensionale Stringtheorie möglicherweise
Informationen über das Hologramm, andererseits kann vom Hologramm ausgehend die
höherdimensionale Elementarteilchenphysik erforscht werden. So könnte die Stringtheorie
in Bezug auf die Elementarteilchenphysik neue Aspekte und Ergebnisse liefern. Jedoch ist
diese Theorie noch nicht bewiesen, denn ein Nachweis solcher winzig kleinen Strings ist
beinahe unmöglich.27
Zusammengefasst beschäftigt sich das Holographische Prinzip mit der Theorie, dass unser
Universum ein Hologramm von Informationen ist, die an dessen Randgebiet gespeichert
sind.
8.3. Schlussfolgerung
Leonards Aussage ist zwar wenig detailreich, aber dennoch korrekt. Richtig ist auch, dass das
Holographische Prinzip ein Teil der Stringtheorie ist. Etwas ungenau ist seine Bezeichnung,
die Information würde an einem weit entfernten Ort unseres Universums liegen, da sie
eigentlich, laut der Theorie, am Rand des Universums liegt. Grundsätzlich fasst Leonard das
Holographische Prinzip gut verständlich zusammen.
26
vgl. https://www.mpg.de/328977/forschungsSchwerpunkt?c=166434&force_lang=de (zugegriffen
04.01.2016) 27
vgl. https://www.mpg.de/328977/forschungsSchwerpunkt?c=166434&force_lang=de (zugegriffen
04.01.2016)
21
9. Elektronen in Graphen, Staffel 3, Disc 2, Episode 14, Minute 141 und 152
9.1. Aussage von Sheldon
Minute 141: „Ich will wissen, wieso sich Elektronen so verhalten, als hätten sie keine Masse,
wenn sie ein Graphen durchqueren.“
Minute 152: „Elektronen sind nicht das gleiche wie Partikel. Sie bewegen sich als Welle
durch das Graphen. Es ist eine Welle!“
9.2. Rechercheergebnis
9.2.1. Graphen
Graphen ist ein 2004 entdecktes Material, welches aus Kohlenstoff besteht. Für die
Entdeckung des weltweit ersten zweidimensionalen Kristalls erhielten Andre Geim und
Konstantin Novolelov 2010 den Nobelpreis für Physik. Sie hatten auf einen Graphitkristall
einen Klebestreifen geklebt und wieder abgezogen. Von diesem Klebestreifen zogen sie
wiederum mit einem anderen Klebestreifen eine Schicht Graphit ab. Dies wiederholten sie so
lange, bis sie schließlich das Klebeband auf eine Siliziumscheibe drückten. Unter dem
Mikroskop erkannten sie, dass auch Graphen vorhanden war.28 Dieses zeichnet sich durch
seinen gitterartigen Aufbau, ähnlich einer Honigwabe, der nur ein Atom dick ist, aus.
Dadurch ist es extrem dünn, leicht und transparent. Graphen leitet Wärme sowie Elektrizität
sehr gut, jedoch zeigt es sich gegenüber Gasen undurchlässig. Bemerkenswert ist außerdem,
dass es flexibel und fest gleichzeitig ist. Des Weiteren hält es nicht nur Druck, sondern auch
Zug wesentlich besser als Stahl aus. Aufgrund dieser vielen nützlichen Eigenschaften
bezeichnen Forscher es auch als „Wundermaterial“.29
28
vgl. http://www.zeit.de/2010/41/Nobelpreis-Physik/seite-2 (zugegriffen 05.01.2016) 29
vgl. http://www.welt.de/wissenschaft/article129579424/Graphen-wird-technologische-Welt-
revolutionieren.html (zugegriffen 05.01.2016)
22
Abbildung 5: Modell des Aufbaus von Graphen30
Jedoch ist Graphen äußerst teuer und nicht einfach zu produzieren. Es kann zum Beispiel
hergestellt werden, indem von einem Graphitkristall die oberste Schicht mit einem
Klebestreifen abgenommen wird. Dieses so genannte „Exfolieren“ kann auch durch
chemische Substanzen erfolgen. Außerdem besteht die Möglichkeit, Graphen wachsen zu
lassen, indem ein Siliziumcarbid-Kristall bei 1000° Celsius zersetzt wird, wobei auf der
Kristalloberfläche das zweidimensionale Material entsteht. Zersetzung eines
kohlenstoffhaltigen Gases auf einer Metalloberfläche stellt ebenfalls eine Art des
Wachstums von Graphen dar.31
Derzeit gibt es fünf verschiedene Arten von Kohlenstoffverbindungen. Lange Zeit vermutete
man, Graphit, also das Material im Bleistift, und Diamant seien die einzigen Möglichkeiten.
Doch dann wurden die fußballähnlichen Moleküle namens Fullerene entdeckt. Auf diese
folgten die Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die mit ihren vielseitigen Eigenschaften die Fullerene
verdrängten.32
30
AlexanderAlUS - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0
https://de.wikipedia.org/wiki/Graphen#/media/File:Graphen.jpg (zugegriffen 20.02.2016) 31
vgl. https://www.fkf.mpg.de/54379/kk634.pdf (zugegriffen 05.01.2016) 32
vgl. http://www.faz.net/aktuell/wissen/physik-chemie/graphen-forschung-die-groessten-wunder-sind-eine-
flache-sache-13733303.html (zugegriffen 05.01.2016)
23
9.2.2. Elektronen in Graphen
In Experimenten fand man heraus, dass sich Elektronen in Graphen viel schneller bewegen
als in jedem anderen Material. Sie verhalten sich beinahe wie masselose Teilchen und
erreichen 0,3 Prozent der Lichtgeschwindigkeit.33 Zur Berechnung der Bewegung von
Teilchen wird die Dirac-Gleichung herangezogen, woraus sich ergibt, dass die Elektronen sich
im Graphen mit konstanter Geschwindigkeit bewegen, was nicht üblich ist. Da Elektronen
aber eine Ruhemasse besitzen, stellt sich die Frage, wieso sie sich in Graphen fast wie ein
masseloses Teilchen bewegen.34 Grund dafür ist der Welle-Teilchen-Dualismus, der besagt,
dass Elektronen Teilchen- sowie Welleneigenschaften haben. Da in Graphen keine
„Hindernisse“ für die Elektronen vorhanden sind, können sie sich als Welle ungehindert
ausbreiten. Dies ist der besonderen zweidimensionalen Struktur des Kohlenstoffgitters zu
verdanken. Da Wellen keine Masse besitzen, bewegen sich Elektronen also masselos in
Graphen.
Aus diesem Grund ist das Material ein extrem guter elektrischer Leiter, weshalb sich viele
Forscher mit dem Einsatz von Graphen in der Elektronik beschäftigen. Jedoch ist der
Kohlenstoffkristall kein Halbleiter, und deswegen nicht optimal für die Verwendung im
Stromkreislauf. Könnte man aber eine Verbindung mit einem Halbleiter herstellen, die die
Leitfähigkeit des Graphen nicht beeinträchtigt, wäre das ein Durchbruch im Bereich der
modernen Elektrotechnik.35
9.3. Schlussfolgerung
Sheldons Aussage, dass sich Elektronen so verhalten, als hätten sie keine Masse, ist korrekt.
Jedoch erwähnt er, Elektronen seien nicht das gleiche wie Partikel, was nicht stimmt, da der
Welle-Teilchen Dualismus besagt, dass sie beides sind. Außerdem wird nicht erklärt, was ein
Graphen ist, was etwas verwirrend wirkt. Trotzdem behält er mit der Aussage, Elektronen
seien im Graphen eine Welle, recht.
33
vgl. http://www.spektrum.de/news/die-wieder-entdeckung-der-wunderfolie/1047847 (zugegriffen
05.01.2016) 34
vgl. http://www.spektrum.de/news/elektronen-tanzen-aus-der-reihe/1045349 (zugegriffen 05.01.2016) 35
vgl. http://www.spektrum.de/news/die-wieder-entdeckung-der-wunderfolie/1047847 (zugegriffen
05.01.2016)
24
10. Experiment, Staffel 2, Disc 1, Episode 3, Minute 47
In dieser Episode führten Leonard, Sheldon, Raj und Howard ein Experiment zu den nicht-
newtonschen Fluiden durch. Sie mischten Wasser und Maisstärke und füllten etwas von der
Flüssigkeit in eine Frischhaltefolie, die über einen Lautsprecher gelegt worden war. Als sie
dann eine basshaltige Musik einschalteten, begann sich die Flüssigkeit zu verfestigen und zu
„tanzen“. Sie hüpfte und bewegte sich auf dem Lautsprecher.
10.1. Eigene Nachstellung
Material:
85 ml Wasser, 100 g Maisstärke, Schüssel, Rührstab, Lautsprecherboxen, Frischhaltefolie,
Messbecher, Waage
Abbildung 6: Ausgangsmaterial36
Durchführung:
Man vermischt die Maisstärke mit dem Wasser, was sich anfangs als etwas schwierig
herausstellte, da die Stärke sofort einen festen Klumpen bildete. Doch mit etwas Geduld
entsteht eine dickflüssige, undurchsichtige Mischung.
36
Eigene Fotografie
25
Abbildungen 7 und 8: Maisstärke wird mit Wasser vermischt37
Abbildung 9: Fertiges nicht-newtonsches Fluid38
Nun umwickelt man die Lautsprecher mit der Frischhaltefolie und gibt einen Teil der
Flüssigkeit direkt über die Membran der Boxen.
Abbildung 10: Versuchsaufbau39
37
Eigene Fotografie 38
Eigene Fotografie 39
Eigene Fotografie
26
Abbildung 11 und 12: Fluid wird über die Membran der Boxen gefüllt40
Danach schaltet man stark basshaltige Musik an – je basshaltiger die Musik, desto besser das
Ergebnis.
Ergebnis:
Die Mischung beginnt sich zu bewegen.
Abbildung 13 und 14: Das Gemisch bewegt sich und „tanzt“41
40
Eigene Fotografie 41
Eigene Fotografie
27
Abbildung 15 und 16: Das Gemisch bewegt sich und „tanzt“42
Bemerke: Auf dem Foto links springt das nicht-newtonsche Fluid gerade und berührt an
keiner Stelle die Frischhaltefolie.
Die Intensität der Bewegung stieg mit Erhöhung der Lautstärke an, was auf die größere
Amplitude zurückzuführen ist. Aufgrund der größeren Amplitude kam es zu einer stärkeren
Erschütterung des Lautsprechers, wodurch sich die Mischung mehr bewegte.
10.2. Erklärung nicht-newtonsches Fluid
Ein nicht-newtonsches Fluid ist eine Substanz, die bei Einwirkung von Druck ihre Viskosität
verändert, wegen der „Abnahme bzw. Zunahme der Wechselwirkungen in dem Fluid auf
Grund der geänderten mikroskopischen Struktur.“43 Beispiele für nicht-newtonsche
Flüssigkeiten sind Blut, Ketchup, Treibsand, Stärke-Wasser-Gemische und Zementleime.
42
Eigene Fotografie 43
http://www.chemie.de/lexikon/Nichtnewtonsches_Fluid.html (zugegriffen 19.02.2016)
28
11. Auswertung des Fragebogens
In dieser Umfrage bat ich Schüler/innen den im Anhang beiliegenden Fragebogen
auszufüllen. Dadurch wollte ich herausfinden, wie beliebt die Serie „The Big Bang Theory“ in
unserer Schule ist und vor allem, wie die Schüler/innen die Physik darin sehen und ob sich
dadurch ihre Sichtweise auf den Physikunterricht veränderte. Ich führte die Umfrage in
jeweils einer Klasse der fünften, sechsten, siebten und achten Schulstufe des Gymnasiums
durch, um ein möglichst repräsentatives Ergebnis zu erlangen. Das heißt ich befragte in
Summe 90 Schüler/innen. Der genaue Wortlaut des Fragebogens findet sich im Anhang.
Bemerkenswert ist, dass allen Befragten auffiel, dass in der Serie oft physikalische Themen
vorkommen, und wie viele Schüler/innen der fünften, sechsten und siebten Klassen diese
sogar sehr bis mäßig verständlich finden. Lediglich die Schüler/innen der achten Klasse
verstehen den Inhalt, zu meiner Überraschung, nur mittelmäßig bis wenig. Möglicherweise
achten sie gar nicht mehr auf die Physik, da sie der vorgefestigten Meinung sind, dass sie
diese sowieso nicht verstehen. Vielleicht hängt dies auch mit dem Ergebnis der Frage nach
dem Unterhaltungswert der Sendung zusammen, da die achten Klassen „The Big Bang
Theory“ im Vergleich zu den anderen Schulstufen als nur mittelmäßig lustig ansehen. Alle
anderen Schüler/innen bewerteten die Fernsehserie als sehr bis ziemlich unterhaltsam.
Nun zum wichtigsten Punkt, ob die Serie einen Einfluss auf das Interesse am Physikunterricht
hatte. Den größten Eindruck machte sie anscheinend auf die sechste Klasse, in der die
meisten Schüler/innen auf einer Skala von 1 (sehr großer Einfluss) bis 5 (gar kein Einfluss)
eine 2 oder 3 angaben. Das heißt, dass das Interesse am Physikunterricht beim Großteil
durch „The Big Bang Theory“ gesteigert wurde. Ganz im Gegensatz dazu waren die meisten
Schüler/innen der siebten Klasse der Meinung, die Sendung hätte wenig bis gar keinen
Einfluss auf Physik in der Schule. Ähnlicher Ansicht war die achte Klasse, in der vier Personen
die Zahl 2, drei Personen die Zahl 3, fünf Personen die Zahl 4 und vier Personen die Zahl 5
wählten. Das heißt, dass die Serie durchschnittlich einen eher mittelmäßigen bis wenigen
Einfluss hat. Die fünfte Klasse wiederum bewertete den Einfluss auf den Physikunterricht
sehr mittelmäßig, die meisten von ihnen antworteten mit 3 (mittelmäßiger Einfluss), ein paar
mit 2 oder 4, zwei Schüler/innen mit 5 und einer mit 1.
Wenn man die Zahlen zusammenzählt fällt auf, dass 12 Schüler/innen angaben, die Serie
29
habe keinen Einfluss, und nur zwei meinten, sie hätte großen Einfluss auf das Interesse am
Physikunterricht.
Abschließend kann ich behaupten, dass ich verwundert war wie viele Schüler/innen die Serie
kennen und die Verwendung von physikalischen Inhalten bemerken. Außerdem überraschte
mich, dass die Schüler/innen der achten Klasse die Physik am wenigsten verständlich fanden,
sollten sie doch bereits über ein gewisses Maß an physikalischem Wissen verfügen. Das
Ergebnis der Frage nach dem Einfluss auf das Interesse am Physikunterricht enttäuschte
mich ein wenig, da ich erwartete, dass mehr Schüler/innen durch die Serie von der Physik
begeistert wurden, so wie ich.
30
12. Fazit
Zusammenfassend kann ich, basierend auf meinen Rechercheergebnissen, behaupten, dass
die von mir untersuchten physikalischen Inhalte in der Serie korrekt dargestellt werden. In
den meisten Fällen wird nur ein kleiner Aspekt des Phänomens angesprochen oder etwas
ungenau beschrieben. Jedoch ist dies meiner Meinung nach im Rahmen einer Comedy Serie
vollkommen ausreichend, und ich finde es sehr bemerkenswert, dass sich die Macher der
Sendung die Mühe gaben jede Aussage wissenschaftlich richtig zu formulieren.
Außerdem kann ich, laut dem Ergebnis der Umfrage, sagen, dass die meisten Schüler der
Oberstufe die Serie kennen und den physikalischen Inhalt wenigstens wahrnehmen. Viele
verstehen ihn zwar nicht, aber dennoch wurde durch „The Big Bang Theory“ das Interesse an
der Physik bei so manchem/r Schüler/in geweckt.
Mir wurde durch diese Arbeit noch deutlicher bewusst, wie unglaublich komplex und
erstaunlich die Welt der Physik eigentlich ist. Beispielsweise könnte das
Standardteilchenmodell, wie wir es kennen, jeden Moment durch Experimente am CERN
widerlegt werden. Die moderne Physik ist immer in Bewegung, was sie meiner Meinung
nach so interessant macht.
Aufgrund dieser raschen Entwicklung war es teilweise schwierig, die aktuellste Information
zu einem Thema zu finden. Bei manchen Bereichen, wie zum Beispiel der Kopenhagener
Deutung existiert ein regelrechter Informationsüberfluss, in dem es schwer ist, die
Kernaussage herauszufiltern. Bei anderen Aspekten wiederum, beispielsweise wie sich
Elektronen in Graphen verhalten, mangelte es leider an Information, weshalb die
Bearbeitung der Aussage sich als etwas kompliziert herausstellte. Intensivere Recherche und
natürlich das Heranziehen meiner Betreuungslehrerin als Expertin machten schließlich die
Verwirklichung dieser unübersichtlichen Themen möglich.
Eine große Herausforderung war auch das kurze Zusammenfassen solcher komplexen
Phänomene. Über die meisten der Aussagen könnte man ein ganzes Buch schreiben. Die
Kunst, die ich mit der Zeit immer besser beherrschte, lag darin, lediglich das Wesentliche zu
beschreiben und komplizierte Erklärungen zu vermeiden.
Besonders aufwendig gestaltete sich für mich die kurze Beschreibung der Grundelemente
der Stringtheorie. Die Stringtheorie fasziniert mich am meisten, jedoch ist diese so
31
mannigfaltig, dass ich nur einen kleinen Teil anschneiden konnte. Dadurch bleiben sicher
noch Fragen – auch meinerseits – offen. Beispielsweise würde ich gerne wissen, welche
andere Versuche zur Beschreibung unseres Universums es noch gibt, da auch in „The Big
Bang Theory“ die Charaktere darüber diskutieren, welche Theorie nun die richtige sei. Leider
reicht der Umfang einer vorwissenschaftlichen Arbeit nicht aus um diese Frage zu
beantworten, denn man könnte allein mit der Stringtheorie mehrere Bücher füllen.
Abschließend kann ich behaupten, dass ich sehr zufrieden mit der Wahl meines Themas bin,
da mich schon vorher die Welt der Physik fasziniert hat und ich auf diese Weise weitere
spannende Einblicke erlangte. Meine Arbeit inspirierte mich auf jeden Fall dazu, mich weiter
mit der Stringtheorie und anderen Gebieten der modernen Physik zu beschäftigen. Darüber
hinaus ziehe ich jetzt auch ein Studium der Physik in Erwägung, um mein Wissen zu
erweitern.
32
Literaturverzeichnis
Hawking, Stephen: Das Universum in der Nussschale – Deutsch von Hainer Kober, München,
Deutscher Taschenbuch Verlag GmbH & Co.KG, 6. Auflage 2012
Hawking, Stephen: Die illustrierte kurze Geschichte der Zeit, aktualisierte und erweiterte
Ausgabe - Deutsch von Hainer Kober, Reinbeck bei Hamburg: Rowohlt Taschenbuch Verlag
GmbH, Mai 2000, S. 240, 159ff
http://erlangen.physicsmasterclasses.org/sm_et/sm_et_07.html
http://sciencev1.orf.at/science/news/101477
http://www.darwin-jahr.de/evo-magazin/kein-wunder-dass-wir-existieren
http://www.faz.net/aktuell/wissen/physik-chemie/graphen-forschung-die-groessten-
wunder-sind-eine-flache-sache-13733303.html
http://www.focus.de/wissen/technik/tid-23481/auf-der-suche-nach-dem-higgs-boson-higgs-
mechanismus-und-cocktailparty_aid_660653.html
http://www.naklar.at/content/features/quantenkollaps/
http://www.ph.ed.ac.uk/higgs
http://www.ph.ed.ac.uk/higgs/peter-higgs
http://www.pro-physik.de/details/news/1114629/Raetselhaftes_Helium.html
http://www.quantenwelt.de/quantenmechanik/wellenfunktion/kopenhagen.html
http://www.spektrum.de/lexikon/physik/kopenhagener-interpretation/8353
http://www.spektrum.de/news/die-wieder-entdeckung-der-wunderfolie/1047847
http://www.spektrum.de/news/elektronen-tanzen-aus-der-reihe/1045349
http://www.welt.de/wissenschaft/article129579424/Graphen-wird-technologische-Welt-
revolutionieren.html
33
http://www.weltderphysik.de/gebiet/theorie/news/2010/erstmals-bose-einstein-
kondensat-aus-licht-erzeugt/
http://www.weltderphysik.de/gebiet/theorie/quanteneffekte/grundlagen/
http://www.whoswho.de/bio/peter-ware-higgs.html
http://www.wissenschaft.de/home/-/journal_content/56/12054/1122214/
http://www.zeit.de/2010/41/Nobelpreis-Physik/seite-2
https://www.fkf.mpg.de/54379/kk634.pdf
https://www.helmholtz-
berlin.de/pubbin/news_seite?nid=13643&sprache=de&typoid=49888
https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik-abitur/artikel/komplementaritaet-und-
komplementaritaetsprinzip
https://www.mpg.de/328977/forschungsSchwerpunkt?c=166434&force_lang=de
https://www.youtube.com/watch?v=6LX4HZ_p3DM
https://www.youtube.com/watch?v=h9X5OMTetqI
34
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: http://www.ubz-
stmk.at/fileadmin/ubz/upload/Materialien/publikationen/Unterrichtsmappe_Laerm.pdf
Abbildung 12 (zugegriffen 23.02.2016)
Abbildung 2: Bildschirmscreens aus http://www.walter-
fendt.de/html5/phde/dopplereffect_de.htm (zugegriffen 23.02.2016)
Abbildung 3: http://interactive.quantumnano.at/grundlagen/molekuele-am-doppelspalt/
(zugegriffen 20.02.2016)
Abbildung 4: http://interactive.quantumnano.at/grundlagen/molekuele-am-doppelspalt/
(zugegriffen 20.02.2016)
Abbildung 5: AlexanderAlUS - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0
https://de.wikipedia.org/wiki/Graphen#/media/File:Graphen.jpg (zugegriffen 20.02.2016)
Abbildung 6: Eigene Fotografie
Abbildung 7 und 8: Eigene Fotografie
Abbildung 9: Eigene Fotografie
Abbildung 10: Eigene Fotografie
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Anhang
Fragebogen zur VWA "So viel Physik steckt hinter der Fernsehserie 'The Big Bang Theory'"
Kreuze bitte Zutreffendes an!
1. Ist dir die Serie "The Big Bang Theory" bekannt?
� Ja
� Nein
Wenn Ja, beantworte bitte folgende Fragen:
2. Findest du die Serie lustig? (1 = sehr lustig, 5 = gar nicht lustig)
� 1
� 2
� 3
� 4
� 5
3. Ist dir aufgefallen, dass in der Serie oft physikalische Themen angesprochen werden?
� Ja
� Nein
� Weiß nicht
4. Findest du den physikalischen Inhalt verständlich? (1 = sehr verständlich, 5 = gar nicht
verständlich)
� 1
� 2
� 3
� 4
� 5
5. Wurde durch die Serie dein Interesse am Physikunterricht größer? (1 = sehr, 5 = gar nicht)
� 1
� 2
� 3
� 4
� 5
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