So viel Physik steckt wirklich hinter der Fernsehserie ... · Supersolid redeten, fragte ich mich,...

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


5. Anthropisches Prinzip, Staffel 6, Disc 1, Episode 1, Minute 4 ........................................................... 13



5.2.1. Das schwache anthropische Prinzip .................................................................................... 13

5.2.2. Das starke anthropische Prinzip .......................................................................................... 13


6. Higgs-Boson, Staffel 6, Disc 1, Episode 3, Minute 42 ........................................................................ 15



6.2.1. Historisches zu Peter Higgs.................................................................................................. 15

6.2.2. Das Higgs-Boson .................................................................................................................. 15


7. Supersolid, Staffel 1, Disc 2, Episode 9, Minute 52 ........................................................................... 17

7.1. Aussage von Leonard .................................................................................................................. 17

3



8. Holographisches Prinzip, Staffel 6, Disc 1, Episode 5, Minute 127 ................................................... 19

8.1. Aussage von Leonard .................................................................................................................. 19


8.2.1. Stringtheorie ........................................................................................................................ 19

8.2.2. Holographisches Prinzip ...................................................................................................... 19


9. Elektronen in Graphen, Staffel 3, Disc 2, Episode 14, Minute 141 und 152 ..................................... 21



9.2.1. Graphen ............................................................................................................................... 21

9.2.2. Elektronen in Graphen ........................................................................................................ 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


"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."


3.2.1. 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


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


„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.“


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



Abbildung 4: Interferenzmuster als Ergebnis des Doppelspaltexperiments9

Interferenz tritt ausschließlich bei Wellen auf, die, wenn mehrere Wellen


Dies bezeichnet man als destruktive (entkräftende) oder konstruktive

verstärkende) Interferenz. Das Überraschende an diesem Versuch war, dass sich, obwohl


st das möglich? Zuerst vermutete man, die Elektronen beeinflussten sich auf



n Interferenzmuster. Folglich müssen die Elektronen durch beide Spa

und mit sich selbst interferieren, wie eine Welle.


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




entkräftende) oder konstruktive

berraschende an diesem Versuch war, dass sich, obwohl


st das möglich? Zuerst vermutete man, die Elektronen beeinflussten sich auf



Folglich müssen die Elektronen durch beide Spalten

, wie eine Welle. Jedoch kann


(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.


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


„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.“


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


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


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.


6.2.1. 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


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.“


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.


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“.


8.2.1. 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.


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


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!“


9.2.1. 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


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

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

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


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/


Abbildung 4: http://interactive.quantumnano.at/grundlagen/molekuele-am-doppelspalt/


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



35

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

So viel Physik steckt wirklich hinter der Fernsehserie ... · Supersolid redeten, fragte ich mich,...

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