Spektrum der Wissenschaft Spezial 2020 Nr 3 - Grenzgänge der Physik.pdf

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SPEZIAL
Physik Mathematik Technik
SPEZIAL Physik Mathematik Technik
Grenzgänge
der Physik
Außergewöhnliche Theorien
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24525
ZEITKRISTALLE
Seltsame Ordnung in einer anderen Dimension
SUPRALEITUNG
Vorstoß zur Raumtemperatur
QUANTENGRAVITATION
Widersprüche am Rand Schwarzer Löcher
T H E M E N AU F D E N P U N K T G E B R AC HT
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EDITORIAL
JENSEITS VON HEUREKA
Von Mike Beckers, Redakteur dieses Hefts
beckers@spektrum.de
Im populären Bild wissenschaftlicher Genies erscheint manchmal ganz
plötzlich die Lösung eines Problems, über dem man lange schier verzweifelt
ist – wie es der Legende zufolge Archimedes in der Badewanne passiert sein
soll. Doch viele Heureka-Momente gelten lediglich in der erzählerischen Rück-
schau romantisiert als Erleuchtungen. Im Alltag des Labors erreichen sie kaum
die Intensität, in der man vor Glück nackt auf die Straße rennen möchte. Oft stellt
man bloß fest: »Das ist ja seltsam.«
Die Kunst besteht darin, in so einem Augenblick die beobachtete Abwei-
chung nicht als Ausreißer zu verwerfen, sondern sich neugierig zu fragen:
»Was wäre, wenn mehr dahintersteckt?« Damit beginnt erst die Arbeit, und
allzu oft führt sie nicht zu eigenem Ruhm, sondern in eine Sackgasse. Oder zu
einem Kollegen, für den die Begebenheit gerade jenen Fund darstellt, der ihn
auf die richtige Fährte bringt. Solche potenziellen Irrwege und zwanglosen
Wissenstransfers über Fachgebiete hinweg muss man sich im Alltagsbetrieb
einer Universität, der auf Forschungsgelder und Effizienz ausgerichtet ist und
damit Ergebnisdruck verknüpft, erst einmal leisten können.
Derlei Freiheiten genießen nicht viele, aber ein Nobelpreisträger wohl
schon – wie Frank Wilczek. Als er für eine Vorlesung die Grundlagen physika-
lischer Symmetrien zusammentrug, sinnierte er über der Frage, was wohl
passiert, wenn man die Ordnungsprinzipien über die drei Raumdimensionen
hinaus auf die Zeit ausdehnt. Wie er in diesem Heft erzählt, brachte ihn das
auf das Konzept der Zeitkristalle. Zunächst heftig umstritten, faszinieren sie
inzwischen Quantenforscher in aller Welt (S. 30).
Nun sollte man meinen, der Fortschritt dürfe sich nicht auf glückliche
Fügungen verlassen müssen. Doch das war bisher an vielen Stellen so. Zufäl-
le waren ein Innovationstreiber während der jahrzehntelangen, intensiven
Suche nach Supraleitern, Stoffen ohne elektrischen Widerstand. So entdeckte
ein Team um den Japaner Hideo Hosono 2006 eine unerwartete Klasse supra-
leitender Materialien, während es an magnetischen Halbleitern forschte.
Andere Forscher in Japan fanden 2011 – unter gewiss launigen Umständen –
heraus, dass sich solche Verbindungen eingelegt in ein Glas mit Rotwein,
Sake oder Whisky besser bilden. Die Geschichte der Supraleitung ist voller
derartiger Anekdoten. Festkörperphysiker hoffen nun allerdings auf eine
systematische Kombination von Theorie und Experiment (S. 6).
Hier stellen wir Fälle zusammen, in denen sich Forscher an den Grenzen
des bekannten Terrains bewegen. Dort ist beides nötig: Offenheit für Überra-
schungen und ein theoretisches Fundament, ohne dessen Basis man sie nicht
verstehen kann. Der Mikrobiologe Louis Pasteur hat den Gedanken einst
schön formuliert: »Der Zufall begünstigt einen vorbereiteten Geist.« Trotz
völlig anderer Fragestellungen gilt das heute nicht weniger als im 19. Jahr-
hundert.
Freuen Sie sich auf das Unerwartete, Ihr
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»Frühes Universum«
Die Anfangszeit unseres Kosmos stellt
Astronomen vor entscheidende Fragen:
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SPEZIAL Physik Mathematik Technik 3.20
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3
RYBINDMITRIY / STOCK.ADOBE.COM
INHALT
SELTSAME MATERIALIEN
6 SUPRALEITUNG
VORSTOSS ZUR RAUMTEMPERATUR
Theoretische Ansätze und bessere Computermo-
delle machen Hoffnung bei der Suche nach neuen
Werkstoffen ohne elektrischen Widerstand.
Von Bob Henderson
14 GRAPHEN
DER MAGISCHE WINKEL
SPENCER LOWELL (SPENCERLOWELL.COM)
Wenn man zwei Schichten der atomdünnen
Kohlenstoffvariante gegeneinander verdreht,
fließt Strom verlustfrei hindurch.
Von Robert Gast
6
SUPRALEITUNG
VORSTOSS ZUR
RAUMTEMPERATUR
20 PHOTONIK
SCHALTEN MIT LICHT
»Topologische« Effekte in Festkörpern sollen
Schaltungen ermöglichen, die Signale durch Licht
übertragen.
Von Olivier Bleu, Dmitry Solnyshkov, Guillaume Malpuech
14
GRAPHEN
DER MAGISCHE WINKEL
30 QUANTENSYSTEME
ZEITKRISTALLE
In herkömmlichen Kristallen wiederholen sich
räumliche Strukturen. Bei exotischer Materie gibt es
eine ganz andere Art von Symmetrie: in der Zeit!
Von Frank Wilczek
ERWEITERTE THEORIEN
38 INTERFERENZ
ZUWACHS FÜR DEN DOPPELSPALT
ICFO / FABIEN VIALLA
Experimente mit einem Dreifachspalt statt der
klassischen Variante mit zwei Schlitzen offenbaren
subtile physikalische Aspekte.
Von Urbasi Sinha
44 WÄRMELEHRE
DIE QUANTEN-DAMPFMASCHINE
Verbindet man moderne Erkenntnisse mit der
klassischen Thermodynamik, entstehen bemer-
kenswerte Konzepte für den Mikrokosmos.
Von Nicole Yunger Halpern
INSTITUTE FOR QUANTUM COMPUTING (IQC), UNIVERSITY OF WATERLOO
38
INTERFERENZ
ZUWACHS FÜR
DEN DOPPELSPALT
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Spektrum
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SCHWERKRAFT
FÜR IMMER UNVEREINBAR?
50 UNIVERSALITÄT
QUANTENWELT IM
NICHTGLEICHGEWICHT
Bein Verständnis zahlreicher Systeme, die aus der
Balance geraten sind, könnten neu entdeckte übergrei-
fende Prinzipien helfen.
Von Sebastian Erne
GEWAGTE KONZEPTE
60 SCHWERKRAFT
FÜR IMMER UNVEREINBAR?
SHULZ / GETTY IMAGES / ISTOCK
Bis heute scheiterten sämtliche Versuche, eine Quan-
tentheorie der Gravitation zu entwickeln. Vielleicht ist
das Vorhaben ja gar nicht realisierbar.
Von Antoine Tilloy
68 KOSMOLOGIE
ANTIMATERIE IN NEUEM LICHT
Unterscheiden sich Antiteilchen nur in ihrer Ladung
von normaler Materie oder fällt auch ihre Masse an-
ders aus?
Von Gabriel Chardin
76 INFORMATION
AUSWEG AUS DEM SCHWARZEN LOCH
Der Ereignishorizont gibt eigentlich nichts frei, doch
dem widersprechen quantenmechanische Grundsätze.
Modelle und Messungen sollen das Problem lösen.
Von Steven B. Giddings
3 EDITORIAL ∙ 49 IMPRESSUM ∙ 82 VORSCHAU
Titelbild: gremlin / Getty Images / iStock;
Bearbeitung: Spektrum der Wissenschaft
MONDOLITHIC STUDIOS / SCIENTIFIC AMERICAN DEZEMBER 2019
76
INFORMATION
AUSWEG AUS DEM
SCHWARZEN LOCH
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