Wieviele Scrollradumdrehungen liegen zwischen der Planck-Skala und dem Hubble-Deep-Field? Go!

1. Aha.

NASA / pB

HIV, Neutrinos zum Quadrat, Quantenkrams und luftige Gitterstrukturen – diese Themen stehen oben in den Listen wichtiger Wissenschaftlicher Dinge im letzten Jahr.

2011. Vielleicht erinnert ihr euch noch. Das letzte Jahr. Startete mit Feuerwerk, endete mit Feuerwerk. Aber dazwischen ist einiges passiert. Junge, junge. Nachbarin Erika von Kleinreith bekam einen neuen Hund, die Hecke von Herrn Preischer wurde so kurz geschnitten, wie seit Jahren nicht mehr (Wirtschaftskrise), und vier Sechstel sind jetzt zwei Drittel.

Zwischen den Feuerwerken ist aber noch mehr passiert, viel mehr. Wissenschaftliches zum Beispiel. Euer Lieblingsblog möchte hier zusammenfassen, was ein paar Magazine als ihre top wissenschaftlichen Durchbrüche und Ereignisse 2011 gewählt haben. Das Science Magazine ist vermutlich das bekannteste und macht daher den Anfang. Es folgen Discover Magazine und Science News. Am Ende noch das Blog io9, das ganz nach seiner Tagline einige futuristische Dinge von 2011 zu berichten hat.
Insgesamt geht es um Higgs, Neutrinos, die Kepler-Mission, HIV, Malaria, alte Zellen und das Space Shuttle. Nicht nur Physik also.

Science Magazine

Science Magazine

Das Titelthema der letzten Science 2011: Die Wissenschaftsdurchbrüche im letzten Jahr

Neben dem Breakthrough veröffentlicht Science auch die »Runner Ups«, die neun Plätze die in der Top 10 folgen.

• Hayabusa: Diese japanische Raumsonde kam 2010 spektakulär vom Asteroiden Itokawa zurück zur Erde und brachte Oberflächenstaub mit – das erste Mal überhaupt. Es gab eine Reihe von ernsthaften Problemen auf dem Flug, dennoch schlug die Rückkehrkapsel im Juni 2010 auf australischem Boden auf. Und brachte sogar auswertbares Material zurück, dessen Analysen 2011 veröffentlich wurden¹. Ein Raumfahrtthriller mit Happy End, sozusagen. Und mit Sequel, 2014 startet Hayabusa 2. [→]
• DNA-Mischung: 2011 hat sich viel bewegt, im Verständnis, wie unsere Vorfahren sich verbreitet haben. Die (für Science) wichtigsten Erkenntnisse drehen sich um DNA-Mischungen. Forscher fanden 2% – 6% Neanderthal-DNA in unserer DNA, was auf ein interbreeding² des afrikanischen Homo sapiens mit dem europäischen Homo neanderthalensis hindeutet. Etwas, was man vorher eigentlich ausgeschlossen hatte. [→] Aber das war’s noch nicht – in Asien und Ozeanien fand man noch mehr, noch andere Homo-sapiens-Vorgänger-DNA in aktuellen Erbstrukturen. [→]


Nature

Eine Feuerwerkssimulation in bunt. Oder PSII. Wir sind uns da nicht mehr so sicher.

• PSII: Sonys alte Spielekonsole ist auch bei Science angekommen. Erstmalig gelang japanischen Forschern eine Abbildung des Photosystem-2-Proteinkonplexes (PSII). Der wird in der Photosynthese benötigt, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. [→]
• Rückstände des frühen Universums: Im aktuellen Universum gibt es noch Ecken, die so sind, wie im frühen Universums. Galaktische Galápagos-Inseln, sozusagen. Hier werden zwei Studien vereint: Zum Einen beobachtete man Nebel, die aus Wasserstoff bestehen und nicht etwa aus Sauerstoff oder anderen, schwereren Elementen. Zum Anderen wurde ein Stern entdeckt, der eine stark geringere Metallkonzentration aufwies, als bisherige, bekannte Sterne. Beide Studien deuten darauf hin, dass es weiterhin Früh-Universums-Gaswolken gibt, die Früh-Universums-Sterne entstehen lassen können. [→]
• Magenbakterien: Über Magenbakterien fand man einiges neues heraus im letzten Jahr. Das wichtigste: Es gibt eine internationale Gesellschaft der Magenbakterien (IGM³). Quasi. Man stieß auf ähnliche Bakterien in Mägen, egal von welchem Fleck auf der Erde der Probehumanoid stammt. Die Magenmikroben sind abhängig von den Essensgewohnheiten, aber nicht sensitiv auf kurze Änderungen. [→]
• Malariaimpfung: GlaxoSmithKline veröffentlichte im letzten Jahr Ergebnisse einer Malariaimpfstoffstudie an 15 000 Kindern. Demnach konnten beim Einsatz des »RTS,S« genannten Mittels die Malariafälle um die Hälfte reduziert werden. Eigentlich ein ziemlich beschissenes Ergebnis für eine Impfstudie, aber es ist der erste Hinweis, dass man gegen Malaria überhaupt irgendwas impfen kann⁴. Wieviel der Impfstoff ein mal kosten wird, wenn er auf den Markt kommt, verrät GlaxoSmithKline nicht⁵. [→]


NASA / JPL

NASAs Raumsonde FUTURE sendete das erste Bild aus dem Orbit um Kepler 16b zurück. Zu sehen sind die beiden Zentralgestirne.

• Keplerismus: Wer nicht hinter dem (Erd-)Mond lebt, wird mitbekommen haben, dass es im letzten Jahr ein regelrechtes Planetengewitter gegeben hat. Alles Dank der großartigen Daten des Kepler-Weltraumteleskops. Science hebt da ein paar Spezialfälle heraus: Ein Planet mit rückläufigem Orbit (dreht sich andersrum als sein Zentralgestirn); ein Planet, der ein Doppelsternsystem umkreist; ein freitreibender Planet außerhalb eines Planetensystems⁶. [→]
• Zeolith: Diese poröse Mineralien vom Planeten Krypton aus Aluminium, Silizium und Sauerstoff konnten im letzten Jahr feiner denn je hergestellt werden. Wichtig sind sie beim Raffinieren von Öl (Katalysatoren beim Auseinanderbrechen langkettiger Moleküle) und als extrem feine Filter (Raumschiffluft, Fukushimawasser). [→]
• Seniorenzellen: Am Ende des Lebenslauf einer Zelle geht diese in Teilruhestand: Sie hört sich auf zu teilen, funktioniert aber weiterhin. Solche Altzellen sondern Chemikalien ab, die mitunter Tumore wachsen lassen können. Eine Studie an Mäusen fand heraus, dass ein Entfernen dieser Altzellen zu einem Mäuseleben führt, was zwar nicht länger, aber länger gesund ist. [→]

Über diese zehn besten wissenschaftlichen Durchbrüche 2011 hinaus hat Science auch noch ein paar »Noteworthy Scientific Developments« gewählt. Darin ist dann die Physikdichte etwas höher, geht es doch auch (endlich) um überlichtschnelle Neutrinos und Vorzeichen des Higgs-Bosons – außerdem um den EHEC-Ausbruch in Deutschland.

Discover Magazine

In verschiedenen Kategorien hat das Discover Magazine auch die »Top Stories of 2011« gewählt. Hier die Wissenschafts-Top-10⁷.

1. Überlichtschnelle Neutrinos: Ganz oben stehen hier die Neutrinos, die sich im letzten Jahr entschieden, irgendwo zwischen CERN und Gran Sasso durch Null zu teilen. Ganz egal, ob es sie nun wirklich gibt oder nicht – eine gute Story haben sie im letzten Jahr allemal hergegeben. Haben wir natürlich auch drüber geschrieben. [→]
2. Immunzellen gegen HIV: Wissenschaftlern gelang es, das Gen eines Rezeptors auf Immunzellen derartig zu verändern, dass das HI-Virus nicht mehr in sie eindringen kann. [→]
3. Kepler & NASA-Budget: Die Kepler-Mission findet viele und viele interessante extrasolare Planeten – trotzdem wird das Budget der NASA stark gekürzt. [→]


Trey Ratcliff

Auf, auf, zu letzten Weiten!

4. Goodbye, Space Shuttle: Nach dreißig Jahren und 135 Flügen ging mit dem letzten Flug der Atlantis das Space-Shuttle-Programm der NASA zu Ende. Discover verabschiedet sich. [→]
5. Ambivalenz und Fukushima: Die Atomkatastrophe von Fukushima ruft in der Welt unterschiedliche Reaktionen hervor. Manche Länder, allen voran Deutschland, verabschieden sich von der Atomkraft, manche lassen ein paar Stresstests laufen und investieren weiterhin in neue Kraftwerke. [→]
6. Naturkatastrophen: Mindestens zehn starke Unwetter gab es im letzten Jahr in den USA, die zu einem gesamten Schaden von 45 Milliarden US-Dollar führten. Auch im Rest der Welt blickt man auf einige Naturkatastrophen zurück. [→]
7. Superzellen gegen Leukämie: Innerhalb einer Immuntherapie injizierten Onkologen der Universität von Pennsylvania Leukämiepatienten ihre eigenen Immunzellen, die sie allerdings vorher zu »Superzellen« genetisch modifiziert hatten. Das Resultat: Bei vier von fünf Kranken ging der Krebs in Remission. [→]
8. Chinas Weltraumstation: Im September startete Tiangong-1, der erste Teil einer chinesischen Raumstation. Bis 2020 will man sie fertig gebaut haben – dann, wenn die ISS Ruhestand gehen soll.⁸ [→]
9. Magenmalaria: Ein Mikrobiologe der Johns-Hopkins-Universität fand im Magen sambischer Mosquitos ein Bakterium, welches die Mücke immun gegen Malaria machte. Auch in der Petrischale schlägt das Bakterium die Malaria-verantwortlichen Parasiten K.O. [→]


NASA, ESA, Z. Levay

Interessante Zeiten erfordern interessante Maßnahmen. Als der interessante GRB entdeckt wurde, hat sich die Weltraumteleskopartillerie der Galaxie zugewandt und mal ordentlich auf den Auslöser gedrückt. Hubble, Chandra und Swift. Romantisch.

10. Beim Fressen zugucken: Die NASA-Sonde Swift zeichnete einen längeren GRB, den Gammastrahlen-Ausbruch GRB 110328A auf, der aus der Mitte einer Galaxie stammte. Vermutlich hat dort gerade das schwarze Loch des galaktischen Zentrums einen Stern gefressen. Mahlzeit. [→]

Science News

Das Magazin Science News hat auch seine »Science News of the Year« gewählt. Die für physikBlog-Leser interessante Kategorien sind »Atom & Cosmos« und »Matter & Energy«.

Atom & Cosmos

1. Neutrinos: Vorneweg, wie sich das gehört, unsere tempolimitbrechenden Neutrinos. [→]
2. Urzeitsterne: Deutsche Forscher simulierten, dass das frühe Universum etwas anders ausgesehen haben könnte, als man bisher dachte. Sterne kamen nicht als einsame Einsiedler vor, sondern vielleicht in komplexen Systemen in Sterngruppen. [→]
3. Just-in-Time-Supernova: Amerikanische Astronomen der kalifornischen Palomar Sternwarte schaffen es, einen 21 Millionen Lichtjahre entfernten, Supernova-gewordenen weißen Zwerg ca. zwölf Stunden nach dessen Explosion abzulichten. [→]
4. Außerirdisches Leben: Auf Meteoriten fanden Wissenschaftler des NASA Goddard Space Flight Centers Chemikalien, die gebraucht werden, um Leben auf der Erde entstehen zu lassen. Da sie auf der Erde aber selten vorkommen, schließen die Forscher, dass sie vermutlich aus dem All stammen. Vielleicht sind wir also doch alle Aliens?⁹ [→]
5. Sonnenjets: Die 2010 gestartete NASA-Sonde »Solar Dynamics Observatory« beobachtete heiße Jets, die in die äußere Schicht der Sonne strömen. [→]
6. Goodbye, Shuttle: Auch Science News sagt Ciao zum Shuttle. [→]
7. Sonnenzyklus: Der aktuelle Sonnenzyklus ist der schwächste seit zweihundert Jahren – und vermutlich gut für unser Klima. [→]
8. Keplerismus: Die Planeten des Keplers. [→]


Die Wilson Hall des Fermilabs. Auch schön ohne TeVatron.

9. Goodbye, TeVatron: Nach 26 Jahren wurde am Fermilab in der Nähe Chicagos der größte Teilchenbeschleuniger Amerikas abgeschaltet. In Zeiten des LHCs macht es keinen Sinn, das Vorgängermodell teuer weiterzubetreiben. Die Daten aus dem Beschleuniger werden die Analyseteams der Experimente aber noch ein paar Jahre beschäftigen – sie fanden jüngst z.B. das 5,7 GeV schwere Ξ_b⁰-Baryon. [→]
10. Europas Oberfläche: Die chaotisch scheinende Oberfläche des Jupitermonds Europa könnte auf Wasservorkommen unter der Oberfläche hindeuten. [→]
11. Mars Oberfläche: Analyse von Daten von Mars Express und des Mars Reconnaissance Orbiter könnten darauf hindeuten, dass die Oberfläche des roten Planeten früher kalt und trocken war. Flüssigkeiten – und damit einhergehend die Möglichkeit für Leben – gab’s nur unterhalb der Oberfläche. [→]
12. MESSENGER: Als erste Sonde überhaupt lieferte NASAs MESSENGER Bilder aus dem Orbit um Merkur zurück. Nord- und Südpol sind gesäumt von Kratern. [→]
13. Dunkle Mikrowellen: Beobachtungen mit dem chilenischem Atacama Cosmology Telescope zeigten Fluktuationen im kosmischen Mikrowellenhintergrund, die auf dunkle Energie schließen lassen. [→]
14. Krebsnebel: Aus dem Krebsnebel stammende und vom Fermi Gamma-ray Space Telescope aufgezeichnete Gammastrahlen sind energiereicher als erwartet. Braucht man dafür eine neue Theorie? [→]


NASA

Genesis crashed.

15. Sonnen-Chemie: 2004 öffnete sich der Fallschirm der NASA-Sonde Genesis nicht, als sie zur Erde zurück kam. Sie crashte und der Probencontainer mit gesammelten Sonnenwind brach auf. Man konnte den Inhalt dennoch auswerten und 2011 endlich veröffentlichen: Die Verhältnisse von Stickstoff- und Sauerstoff-Isotopen auf der Erde unterscheiden sich zu den jeweiligen Verhältnissen auf der Sonne. [→]
16. Neue Supernova: Am Caltech konnte man sechs Supernovae beobachten, die vermutlich zu einer neuen Klasse von Supernovae führt. Sie strahlen insbesondere im Ultravioletten und scheinen kein Wasserstoff zu besitzen. [→]
17. Inspector Spacetime: Die bewegte und dramatische Geschichte um die Raumsonde Gravity Probe B führte endlich zu einem Ergebnis: Das Gravitationsfeld der Erde verdrillt die Raumzeit in Erdnähe. Allerdings konnte man das Ergebnis nicht mit der gewünschten Präzision erreichen. Zeit und Geld fehlten. [→]
18. Higgs: Am LHC fand man Anzeichen des Higgs-Bosons, die sich 2012 entweder in heiße Luft oder ein heißes Teilchen verwandeln werden. [→]

Matter & Energy

1. Quantenmechanik via Informationsansatz: Kanadische und italienische Wissenschaftler leiteten die Regeln der Quantenmechanik über neue Informationsansätze ab. Lösungen für Probleme der klassischen Quantenmechanik ergaben sich, vielleicht sogar einmal die Vereinigung von Quantenmechanik und Gravitation.¹⁰ [→]
2. Metazeitreise: Zeitreise in Metamaterialien ist nicht möglich. Sorry. Vermutlich sind ein paar Metamaterialien von Zeitreise-Early-Adopters bald bei eBay zu finden. [→]
3. Mannigfaltige Unsichtbarkeit: Harry Potter ist neidisch. Wissenschaftler versteckten Objekte optisch [→] und zeitlich [→] und vor der Detektion durch Licht [→] und Schall [→].
4. 

   Bernard Aufray, Hamid Oughaddou

   Ein einlagiger Bienenstock.

   Einlagiges Silizium: Ähnlich wie bei Graphen, gelang es Wissenschaftler zweidimensionales Silizium, sogenanntes Silizen¹¹, wachsen zu lassen. Zwar von der Produktion her nicht so cool wie Graphen (Klebeband!), dafür ist Silizium ein industrieerprobtes Material und vergleichsweise günstig. [→]
5. Zinksex: Man stellte fest, dass eine Mauseizelle kurz nach der Befruchtung mit der Ausschüttung von Zink die embryonale Entwicklung startet. [→]
6. Wellenfunktion: Erstmals konnten kanadische Wissenschaftler eine Wellenfunktion eines Photons im Labor direkt messen. Take this, Heisenberg. [→]
7. Atomtronik: Wissenschaftler kontrollierten den Fluss einzelner Atome in einem ultrakalten Gas – ein Schritt Richtung Atomtronik anstelle Elektronik. Das gibt dem gebuzzworteten, neuen Feld erstmals praktische Bedeutung, existieren die Pläne für atomtronische Analogons zu elektronischen Komponenten doch bisher nur auf dem Papier. [→]
8. Wasserstoffbild: Erstmals fotografierte man ein einzelnes Wasserstoffatom. Es war gerade beim Einkaufen. [→]
9. Magnetischer Strom: Englische Physiker konnten Nord- und Südpol eines Magneten trennen und als eine Art Strom durch einen Kristall fließen lassen. Hallo Magnetrizität. [→]
10. Rotations-Umkehr-Symmetrie: Eine neue Art von Symmetrie wurde entdeckt – »rotational-reversal«. [→]

io9

HRL Laboratories

Forscher züchten eine neue Pusteblumenart, die im oberen Drittel aus ultraleichten Metallgittern besteht.

• Ultraleichte metallische Mikrogitter: Kalifornische Forscher formten ein metallisches Stück, das mit einer Dichte von weniger als einem Milligram pro Kubikzentimeter noch leichter ist als Aerogele. Beste Lagermöglichkeit: Auf Pusteblumen. [→]
• Bidirektionale Prothesen: Man entwickelte ein Gehirnimplantat, was nicht nur Informationen senden kann (z.B. an eine mechanische Prothese), sondern auch Informationen empfangen und ans Gehirn weiterleiten kann. WoW 2022 wurde soeben wesentlich spannender. [→]
• Vesta: Die NASA-Sonde Dawn erreichte Vesta, mit 500 Kilometer Durchmesser der zweitgrößte Körper des Asteroidenhauptgürtels, und machte Fotos. [→]
• Keplerismus: Gab’s letztes Jahr auch bei io9. Insbesondere: der NASA-gehypte Tatooine-Planet mit zwei Sonnen [→]; zwei erdgroße Planeten [→]; Vervierfachung des bekannten Planetenbestands; Kepler-22b, der bisher erdähnlichste Planet out there [→].
• Nanogeneratoren: Wissenschaftler des Georgia Institute of Technology¹³ bauten Halbleiterfilmchen, die Körperbewegungen in Elektrizität umwandeln. Das iPhone 8N kommt mit stylischem Ganzkörpernanogeneratoranzug, hörten wir aus gut unterrichteten Kreisen. [→]
• Gehirnbilder: Berkeley-Forschern gelang es, durch Analyse von Gehirnaktivität die vorgestellten Bilder digital darzustellen. Noch etwas unscharf, aber man kann durchaus die den Probanden vorgelegten Bilder erkennen. Crazy. [→]
• Historische Malerei: In Afrika fanden Archäologen aus Johannesburg 100 000 Jahre altes Equipment zum Malen. Bisher vermutete man, Menschen hätten erst vor 40 000 Jahren begonnen, komplexere Dinge zu malen. [→]
• Gamer against HIV: Computerspieler von »Foldit« entfalteten innerhalb von drei Wochen die Struktur eines HIV-Enzyms, an dem sich Forscher seit zehn Jahren die Zähne ausbissen. »Mom, stop bugging me, I’m curing AIDS!« [→]


Like_The_Grand_Canyon

Man fand historisches Werkzeug. Dieses ist Keines.

• Historische Landflucht: Bei Ausgrabungen in den Arabischen Emiraten fand man Werkzeug was darauf hindeutet, dass unsere Vorfahren bereits vor 125 000 Jahren begannen, von Afrika in die weite Welt hinauszuziehen – und nicht erst vor 65 000 Jahren. [→]
• Neanderthalüberreste: Hatten wir ja schon – Leipziger Genetinker fanden Neanderthal-DNA im Homo sapiens. Insgesamt also einige neue Erkenntnisse, die die Evolution des Menschen vom bisherig vermuteten Schema abgelenkt haben. [→]
• Gehirnchip: IBM stellt einen Chip vor, der wie ein Gehirn aufgebaut ist. [→]
• Mars Science Laboratory: Mit dem Mars Science Laboratory startete im November ein wissenschaftliches Ungetüm ins All Richtung Mars. Die Landung des Rovers dieses Jahr auf dem Mars wird so crazy; wenn das mal gut geht… [→]
• Durch die Wand: MIT-Menschen erfanden ein Gerät, das ein Echtzeit-durch-die-Wand-gucken ermöglicht. [→]
• Tattoo-Sensoren: Amerikanische Ingenieure bauten flexible Sensoren, die wie Tattoos auf der Haut auflegen und Krams messen. [→]
• Mausverjüngung: Hatten wir schon – das Entfernen von alten Zellen aus Mäusen lässt diese länger gesund bleiben. [→]
• Kunst-H5N1: Im Labor wurde verschiedene, hochansteckende H5N1-Versionen entwickelt, die zu einer Kontroverse über die Veröffentlichung von wissenschaftlichen Ergebnissen führten. [→]
• Higgs: Endlich, auch bei io9, die Vorzeichen für eine mögliche Higgs-Entdeckung dieses Jahr. [→]
• Neutrinos: Ein Blog, was sich dauernd mit Zeitreise beschäftigt, hatte natürlich auch die überlichtschnellen Neutrinos im 2011-Programm. [→]

Et Cetera

Bei LiveScience hat man auch »11 Biggest Science Stories 2011«, eine kommentierte Bilderstrecke. Dort geht’s um sozialwissenschaftlich untersuchten Einfluss der Wirtschaftskrise in den USA, um eine Bakterium auf Melonen, was dreißig Amerikaner umgebracht hat, um das Space-Shuttle-Programm, H5N1-Mutationen, Fukushima, Neutrinos, Kepler, Neanderthal-DNA, Higgs, amerikanische Unwetter – und um das erste Ozonloch über der Arktis sowie den (zweit)eisärmsten Sommer seit Messungsbeginn.
Bei TheWeek gibt’s noch was, bei Ranker und bei PopSci, wobei letzteres entgegen des Namens keine wissenschaftlichen Sachen enthält.

2011 ist wissenschaftlich gesehen einiges passiert. Puh.

1. U.a. fand man heraus, dass der Asteroid aus dem gleichen Material besteht, wie übliche Meteoriten.
2. »Kreuzung« klingt in dem Zusammenhang so doof.
3. Nicht zu verwechseln mit dieser Gewerkschaft da.
4. Nicht zu verwechseln mit der Malariaprophylaxe, die zwar auch gegen Malaria schützt, aber nur sehr kurzfristig wirkt und ständig aufgefrischt werden muss.
5. Die Forschung wurde übrigens von der Bill and Melinda Gates Foundation mit 200 Millionen US-Dollar bezuschusst. Wow.
6. Dessen Entdeckung übrigens zu einer radikalen Neueinschätzung der Anzahl der Planeten im Universum führte.
7. Zusammengestellt von mir: Über alle interessanten Wissenschaftskategorien hinweg, ohne Stories aus den anderen, blöden Nichtwissenschaftskategorien.
8. In diesem Zusammenhang: Man vermutet die chinesische Raumstation als Spionage-Missionsziel für das Air-Force-Mini-Space-Shuttle X-37B.
9. Ob die Mayas das auch wussten?
10. Keepin’ Quantum Physics the craziest shit since 2011.
11. Das deutsche Wort fand ich nirgends, Englisch ist »Silicene«.
12. Was ja auch die Tagline von io9 ist. Trotzdem.
13. GIT. Hihi.

Mit Kreide und hundert Jahren Riesenrohdiamanten kriegt man schon einiges hin…

Eine Stunde lang einmal quer durch das (Grund-)Lehrbuch. »Einführung in die Physik« mit bunten Experimenten und britischen Comedy-Stars¹.
Lohnt sich. Allein schon wegen dieses Anti-Eso-Satzes am Anfang: »And physics is usually done by people without star-signs tattooed on their bottom.«

http://www.youtube.com/watch?v=4f9wcSLs8ZQ

YouTube-Direktstarnightexpress

via Misterhonk

1. Von denen man in Deutschland wohl keinen kennt, außer Simon Pegg. Ich jetzt zumindest.

NASA

Ein Käsesystem, in dem sich die Welt um einen großen Klotz Käse dreht. Klingt komisch, Käse geht aber immer.

Es muss wieder mehr Beiträge geben. Und wieder mehr Quatsch! Und natürlich mehr physikBlog. In diesem Sinne: Projekt Quantitätsoffensive im physikBlog ist initialisiert!

Starten wollen wir mit einem Gedanken, den vermutlich alle von euch schonmal beim Käsefondue an Silvester gehabt haben: Was wäre, wenn wir die ganzen vielen kleinen Kalorien mal für etwas sinnvolles nutzen würden und unser Sonnensystem mit einem Kubiklichtjahr¹ Käse betreiben? Also nach dem Motto »Käse statt Sonne!«²
Mike Hoye hat sich das auch gefragt und in seinem Blog mal ein bisschen rumgerechnet. Und weil das so schön passt, hier das Vollzitat:

According to Wolfram Alpha, there are 2.9 x 10^6 dietary calories in a cubic meter of cheese, 142829% of your recommended daily caloric intake.

Furthermore, there are 8.468×10^47 cubic meters in a cubic light year. From this, we can conclude that there are 2.455 x 10^54 dietary calories in a cubic light year of cheese.

According to NASA the sun produces 3.8 x 10^33 ergs/sec or roughly 3.8 x 10^26 joules/sec. Over the course of a year that adds up to approximately 6.065 x 10^37 joules of energy.

One dietary calorie or “kilocalorie” equals about 4180 joules. Doing the math we conclude it will take 1.7 x 10^20 years for our sun to generate the same amount of energy as a cubic light year of cheese.

Be warned, however, that at 977 kilograms per cubic meter, or 8.27 × 10^50 kilograms per cubic light year, the Schwarzchild Radius of a cubic light year of cheese would be 1.23 × 10^24 meters, significantly greater than the 9.46 x 10^15 meters in a light year. From this we can conclude that a cubic light year of cheese, should that somehow manifest itself, will immediately collapse into a black hole.

So while you would think a cubic light year of cheese would be the obvious choice over the sun, if you are presented with a choice between them, the numbers suggest you would be far better off choosing the sun.

These numbers assume cheese of approximately constant density. Swiss cheeses require much more sophisticated modelling.

(via nerdcore)

Solltet ihr bei der Silvesterknallerei dann auf den Gedanken kommen, dass man das ganze ja auch mit Sprengstoff machen könnte: klar. Ihr braucht nur 2,4 · 10⁴⁴ Tonnen TNT, um die gleiche Energiemenge produzieren zu können wie ein Kubiklichtjahr Käse. Das entspricht dann einer Kugel mit einem Durchmesser von 0,07 Lichtjahren. Immerhin etwas kompakter als der Käse.

1. Das ist zwar etwas größer als die Ausdehnung des Sonnensystems, aber die Zahl ist so schön rund…
2. Oder auch: »Sag JA zur Käsesonne!«

Der Start eines Space Shuttles (wer errät, welche Mission?). Feynman war Teil der Gruppe, die das Challenger-Unglück untersuchte.

Seine »Fun to Imagine«-Reihe hatten wir letztes Jahr.

Jetzt hat jemand Auszüge aus der Sammelreihe »The Pleasure of Finding Things Out« von Arbeiten von ihm genommen und sein Audio mit passendem, hübschem Video unterlegt. Jemand ist in dem Fall das Projekt, was sich normalerweise um einen anderen großen Wissenschaftler kümmert: Bei der Sagan Series unterlegen sie die klugen Gedanken Carl Sagans mit hübschen Bildern.

»The Feynman Series« ist im Moment in drei Teilen erschienen. Beauty, Honours, Curiosity¹.

http://www.youtube.com/watch?v=cRmbwczTC6E

http://www.youtube.com/watch?v=Dkv0KCR3Yiw

via misterhonk.de

1. Das musiklizenzlich in Deutschland nicht verfügbar ist. Aber ihr könnt ja euren Hintern verstecken.

Immer mehr Katzen werden durch ihre außerirdischen Pendants ersetzt. Positiv oder negativ für die Menschheit?

Der Titel des Papers, um das es geht, ist »Would contact with extraterrestrials benefit or harm humanity? A scenario analysis«, geschrieben von drei US-amerikanischen Autoren in ihrer Freizeit, die sonst für Universitäten und die NASA arbeiten. Im Paper analysieren sie verschiedene Kontaktszenarien mit außerirdischen Intelligenzen, häufig mit Bezug auf Science-Fiction-Literatur und -Filme¹. Dabei, so sagen die Autoren, schrieben sie die erste Arbeit, die sich um eine breitflächige Herangehensweise kümmert und die Spezialszenarien einzelner Werke bündelt. Außer, dass sie einem Drittelautor seine täglichen Brötchen Toastbrote bezahlt, hat die NASA nichts mit dem Kram zu tun.

Es folgt eine Erläuterung der wichtigsten Punkte des Papers. Ich habe für diesen Artikel eine ausführlichere, deutsche Zusammenfassung gemacht, die ihr hier finden könnt.

Die Wissenschaftler unterteilen Kontaktmöglichkeiten in drei prinzipielle Kategorien: Solche, die für die Menschheit gutartig, neutral oder bösartig sind.

Kontakt mit Konfetti

Die meisten Menschen wünschen sich Außerirdischen-Kontakt, bei dem etwas Nützliches² für die Menschheit rum kommt. Innerhalb dieser Positiv-Kategorie wird im Paper in drei Möglichkeiten unterteilt.

Jeremy Zilar

Mit dem Very Large Array konnte man 1974 erstmalig die Mondbewohner detektieren.

Möglichkeit 1: Detektion

Die Menschheit detektiert eine außerirdische Zivilisation. Aber über diese Entdeckung hinaus gibt es keinen Austausch. Implikationen hat das für Physik, Mathematik – und Philosophie und Religion. Letztere müssten vermutlich ihre Weltbilder anpassen³ und fleißig in ihren Schriften redigieren. Das gibt vermutlich ordentlich Stress in der Welt – also warum setzen die Autoren diese Möglichkeit in den pro-Bereich? Sie schreiben dazu, dass das ein falsches Argument sei: Nicht die Detektion des außerirdischen Signals würde einer Religion Stress machen, sondern das eigentliche Vorhandensein der Außerirdischen. Don’t shoot the messenger.

Möglichkeit 2: Kooperation

Die Katzenüberwesen sind der Menschheit kooperativ gesinnt. Und tauschen fröhlich Wissen, Technologie und Antworten auf tagtägliche Problemstellungen⁴ mit uns aus. Die Autoren sprechen an der Stelle eine Vermutung aus: Vielleicht sind alle Außerirdischen, die mit uns Kontakt aufnehmen, zwangsläufig kooperativ? In der Menschheit gäbe es die Tendenz, dass mit erhöhter Evolution auch die Kooperationsbereitschaft ansteigt⁵. Vielleicht lässt sich das ja auf eine Universumsskala erweitern.

Ein wichtiges Standardargument, was sich durch das gesamte Paper zieht: Wenn uns eine außerirdische Zivilisation kontaktiert, ist sie mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlich wesentlich weiter entwickelt als wir. Es wäre einfach ein zu großer Zufall, dass wir eine Zivilisation erwischten, die genau auf unserem Technologiestand ist. Im Vergleich zur gesamten Menschheitsgeschichte sprechen wir einfach noch nicht so lange mit dem Universum.

Alles, außer irdische Planeten.

Möglichkeit 3: Unkooperation⁶

Unkooperative Außerirdische als positiv für die Menschheit? Eine unwahrscheinliche Möglichkeit. Denn eine unkooperative außerirdische Zivilisation ist vermutlich trotzdem technologisch fortschrittlich und das riecht nach keinem guten Ende für die Menschheit. Trotzdem kann man sich ein paar Szenarien für die aktuelle Kategorie ausdenken. Nach bestem Science-Fiction könnten Außerirdische uns angreifen, wir aber dank unseres großartigen Verstands⁷ gewinnen. Wir kämen moralisch gestärkt aus der Sache raus. Positiv.

Egale Extraterresten

Unter welchen Umständen ist das Resultat eines Kontakts mit Außerirdischen neutral für die Menschheit? Entweder, weil sie unsichtbar für uns sind oder sich positive und negative Umstände aufheben.

Möglichkeit 1: Geisteraußerirdische

Außerirdische Intelligenzen könnten für uns unter gewissen Umständen unsichtbar sein. Entweder zufällig, weil wir in einem anderen Bereich des Universums suchen, als sie hineinsenden⁸ – oder aber völlig absichtlich.
Sie beobachten die Erde von weit weg oder sogar ganz nah und verhandeln noch, ob sie mit uns den Fressnapf teilen wollen. Vielleicht sind es ihre Werte⁹, vielleicht warten sie auf einen gewissen Punkt in der Menschheitsgeschichte¹⁰, bevor sie Kontaktaufnehmen.
Beim Beobachten aus dem Nahen könnten sie es sich entweder innerhalb eines Asteroidenhaufens mit ihrem Raumschiff gemütlich machen, oder sie ziehen einfach ihren Unsichtbarkeitsumhang Level 15 an (ihre Technologie ist schließlich hoch entwickelt).
So ganz passt diese Möglichkeit allerdings nicht zum Mission Statement des Papers.

IMDb

In einem Slum von Johannesburg bittet ein Regierungsangestellter einen gestrandeten Außerirdischen um Unterschrift. Eine Szene, wie aus einem Film.

Möglichkeit 2: Mittelwertegalheit

Diese Möglichkeit deckt ab, dass sich die positiven und die negativen Effekte eines Außerirdischenkontakts gegenseitig aufheben.
Zuerst ist da die Detektion von außerirdischer Intelligenz, die dadurch Ernüchterung erfährt, dass sie uns keinen Nutzen bringt: Die außerirdischen Wesen leben etwa in der Atmosphäre eines Gasplaneten oder, noch simpler, versenden durch den interstellaren Äther Kram, der furchtbar langweilig ist.
Dann wiederum könnten wir Kontakt mit einer Zivilisation hergestellt haben, nur um festzustellen, dass es uns jede Menge Anstrengung erfordert, diesen Kontakt zu beiderseitigem Wohlgefallen aufrecht zu erhalten. Die Autoren denken da an District 9, in dem die Gestrandeten in einem Slum-artigen Camp leben und geschützt werden müssen.

Bewusst böswillige Bösewichtaliens

Außerirdische wollen uns vernichten. Weil ihnen danach ist, sie mit einem falschen Tentakel aufgestanden sind, unser Regenwald wunderbar in ihr Sommerhaus passt oder unsere Nasenform darauf hindeuten, dass wir in 1205 Jahren alle Sterne der Galaxie vernichten werden.

57718392

Dieses vieräugige Plastikalien wurde 1254 in einer Höhle bei New York City erlegt. Es plante, wegen ihrer Plastiklosigkeit die Menschheit zu vernichten, konnte aber mit dem im Hintergrund abgebildeten Stein Dingfest gemacht werden.

Möglichkeit 1: Extraterrestrischer Egoismus

Auch Außerirdische haben (intrinsische) Werte. Leben, Wohlstand, die Anerkennung des fliegenden Flauschmonsters. Diese Werte wollen sie uns aufzwingen. Beispiel dafür ist die eigene Menschheitsgeschichte, bei der sich expandierende Zivilisationen missionierend verhalten haben.
Egoistische Außerirdische, die das Ganze etwas materialistischer betrachten, könnten uns versklaven oder gar essen wollen. Die Versklavung hat dabei ein großes Spektrum: Wir könnten Zwangsarbeit verrichten müssen, oder würden in das Wirtschaftssystem der Außerirdischen eingegliedert¹¹. Menschen als Sklaven oder Nahrung — klingt erstmal plausibel. Nicht mehr allerdings, wenn man sich wieder das Standard-Argument einer hochtechnisierten außerirdischen Zivilisation vor Augen führt: Sollten intergalaktische Fluoreszenzsgorillas Arbeits- und Nahrungsprobleme nicht längst durch ihre Technologie gelöst haben?

Die Autoren führen ein Bewertungskriterium an, wie man bereits vor Kontakt mit Außerirdischen ein Indiz auf deren Gesinnung feststellen kann: Schnell expandierende Zivilisationen brauchen dafür Ressourcen, die sie vermutlich nicht selbst aufbringen können. Da käme unsere Erde gelegen. Die kann schließlich wunderbar ausgebeutet werden. Außerirdische, die das tun, sind uns vermutlich böswillig gesinnt. Eine langsam, »nachhaltig« expandierende Zivilisation ist da vermutlich netter — und uns gegenüber kooperativer gesinnt.

Möglichkeit 2: Universalistische Universumsbewohner

Universalisten setzen das Gesamte vor das Einzelne.
Universalistische Außerirdische könnten sich die Erde anschauen und sehen, dass wir furchtbar dumm mit unseren Ressourcen und sogar miteinander umgehen. Vielleicht würden sie intervenieren, weil sie finden: Das geht besser.
Eine Ausfahrt weiter auf der Universalistenautobahn steht das Nutzen gegenüber einer größeren Entität im Universum. Die Erde wird zerstört, weil es dem Gesamtwohl des Universums zuträglich ist. Ein bekanntes Beispiel ist aus Douglas Adams »Per Anhalter durch die Galaxis«, in der die Erde einer hypergalaktischen Expressroute weichen muss.
Gleiches Argument mit kleinem Spin: Außerirdische würden uns vernichten, weil wir zu einer Bedrohung gegenüber anderen Zivilisationen heranwachsen könnten.

»Ups!«-Außerdische: Unbewusste schadhaft

Im letzten untersuchten Fall ist es relativ egal, nach welcher Ideologie die Aliens leben. Sie fügen Mensch und Erde unbewusst Schaden durch ihre Handlung zu.

dotsi

Ein typisches Sandaußerirdischesjunges, kurz nach dem Aufstehen.

Möglichkeit 1: Physische Probleme

Außerirdische sind außer-irdisch und daher Objekte, mit denen noch kein Immunsystem der Welt Kontakt gehabt hat. Entweder ist uns das völlig egal, weil wir in keiner Weise kompatibel mit den Staubsauger-ähnlichen Kreaturen sind, oder es ist völlig verheerend: Keine Antikörper können sich gegen den Beschuss der extraterrestrischen Biologie wehren. Schlimmer noch, könnte unsere ganze Medizin überhaupt nicht in der Lage sein, in einem zeitlich angemessenen Maß die Extraviren zu untersuchen.
Neben eingeschleppten Krankheiten könnten auch ganze Spezies unbewusst von den Außerirdischen mitgebracht werden. Riesenheuschrecken mit 360°-Blick und armgroßen Schwingen, die fröhlich unsere Erde plündern.

Eine etwas andere Kategorie physischer Probleme sind Maschinen, die von außerirdischen geschaffen wurden. Dies setzt wieder voraus, dass die Außerirdischen, mit denen wir Kontakt haben, vermutlich weiter entwickelt sind. Haben sie kleine (oder große) Maschinen gebaut, die autark den Weltraum nach Interessantem (Rohstoffe, Diamanten, Trockenfutter) durchforsten, könnte dort im Design schlichtweg vergessen worden sein, dass andere intelligente Zivilisationen im Universum existieren. Und, zack, wird unser Planet Brutstätte für den großen, allesverschlingenden Sandwurm.

Möglichkeit 2: Informationsinvasion

Nicht nur Menschen können in Invasionsraumschiffe eindringen und kurz vor der Siegeszigarre den Computer des Schiffs abrauchen, auch Aliens könnten uns einen Computervirus zuschicken, der mal eben alles lahm legt.
Die weiteren, etwas esoterischeren Szenarien dieser Kategorie lest ihr besser selber im Paper nach.

Zusammenfassung

Alle besprochenen Szenarien sind durch eines beschränkt: Unsere Vorstellungskraft. Meist sind die Begegnungen immer inspiriert durch einen vergleichbaren Vorgang irgendwann in der Menschheitsgeschichte — oder er setzt Technik voraus, die wir bereits kennen oder uns ausgedacht haben.
Die Wahrscheinlichkeit ist groß, dass es alles völlig anders kommt, wenn so ein Außerirdischenkontakt denn zustande kommt.

Die Autoren sehen ihre Diskussion der Kontaktszenarien eher als Training der Denkweise bei einer Begegnung der dritten Art an.

So geben sie auch Empfehlungen für momentanes Kommunizieren mit dem Weltall: Möglichst wenig Informationen über die menschliche Biologie¹² und nicht selbst wie eine stark-expansive Zivilisation aussehen¹³.

1. Allerdings nicht immer. Meistens sind es Ausführungen von Wissenschaftlern, die sie besprechen.
2. Gutes.
3. Oder aber einfach nicht.
4. Wie bekämpfen wir den Hunger der Welt? Wie kann es überall Frieden geben? Und wie räume ich die Spülmaschine richtig ein?
5. Unterbauung des Arguments: Eine stark exponentielle Evolution auf Universumsskala deute auf eine egoistische außerirdische Zivilisation hin. Exponentielle Evolution funktioniert nicht und kollabiert zwangsläufig. Kollaps = keine Außerirdischen = kein Kontakt mit uns.
6. Das ist kein Wort. Na und?
7. Und mit Virus. Computervirus.
8. Das Äquivalent zu einer trivialen Lösung eines mathematischen Problems. Langweilig also.
9. Sie mögen keine Lebewesen mit längeren Haaren als sie selbst.
10. Weltenruhm und Anerkennung für lila Physik-Blogs.
11. Eine etwas weitere Fassung von »Versklavung«.
12. Damit die bösen Aliens da draußen keine Anti-Rote-Blutkörperchen-Waffe bauen können.
13. Denn die könnte auch von anderen Zivilisationen früher oder später als Gefahr gedeutet werden.

Die Übungen der Khan Academy lassen sich in einer Universumskarte durchforsten.

Nun, nicht jeder Profimathematiker ist so egoistisch. Salman Khan z.B. nicht, als ihn sein Cousin anrief. Er nahm sich die Zeit, das ihm gestellte Problem in Videoform zu gießen¹ und für seinen Cousin kurzerhand auf YouTube zu laden. Sein Cousin glücklich, Sal glücklich.
Wie das mit Dingen auf YouTube aber so ist: die werden meist von mehr als einer Person gesehen. Sals Cousin schickte das Video an seine Klassenkameraden weiter, die schickten es … ihr wisst wie der Hase läuft.

Nicht viel später und das Video hatte eine beträchtliche Anzahl von Views. Sal machte mehr Erklärbärvideos, die allesamt weiterhin fleißig angeschaut wurden.

Standardlernvideo von Khan zur Hubble-Konstante.

Das war 2006.
Jetzt, 2011, fünf Jahre später, hat Sal seinen Job als Hedgefonds-Manager dran gegeben und macht mit einem Team seine »Khan Academy« Vollzeit. Mehr als 2500 Mikrolernvideos hat Sal bereits aufgenommen — allesamt persönlich. Von Grundlagen der Mathematik, über lineare Algebra, Statistik, Kosmologie, verschiedenen Physikstufen, bis zu Biologie und organischer Chemie.
Bill Gates unterstützt das Projekt, Google gab zwei Millionen, der Rest der Akademie finanziert sich aus Spenden. Man wolle mit einem freizugänglichen Projekt das Lernen revolutionieren.

Passend zu den Erklärbärvideos kann man mittlerweile Onlinekurse belegen. Der Stoff eines Videos wird dabei in Aufgaben abgefragt. Erst bei zehn richtigen Antworten darf man einen Kurs aufsteigen und sich komplizierterem Stoff widmen.
Es gibt erste Projekte, bei denen die Khan Academy im Klassenraum eingesetzt wird. Der Lehrer erklärt, die Schüler lösen die Aufgaben am Computer. Dank bunten Statistiken kann der Lehrer persönlich auf die Schüler mit Lösungsproblemen zugehen und ihnen helfen – oder aber, er kann die schnellerlernenden Schüler eben mal vorbeischicken.

Sal erklärt das alles in diesem lohnenden 20-Minuten-TED-Talk, den er auf Einladung Bill Gates gehalten hat.

http://www.youtube.com/watch?v=gM95HHI4gLk

Eine coole Sache, wie wir finden.

Wenn ihr also demnächst wieder nicht versteht, was der Professor da vorne erklärt, und ihr das empfohlene Lehrbuch in der Google-Büchersuche partout nicht finden könnt: Versucht’s doch mal in der Khan Academy. Ihr werdet nicht dümmer.
Und falls ihr selbstlos euer Wissen teilen wollt, werdet doch Coach für euren kleinen Bruder!

→ Khan Academy

Die Onlinelehrportal-Postings bei uns haben irgendwie an Frequenz verloren, was? Die Khan Academy sollte dafür aber wettmachen.

via Gregors Twitter

1. Das ist das erste Video des YouTube-Kanals. Da es relativ aus dem Zusammenhang ist, zweifele ich daran, dass es das erste Video von Sal ist. Aber egal.

Ein NASA-Rap. Easy as 1-2-3. Oder?

Drei Jahre später, woanders auf der Welt, filmen junge Wissenschaftler folgendes Video zum Ende des Space-Shuttle-Programms.

http://www.youtube.com/watch?v=4EVCDiQTfYA

Es bleibt festzustellen: CERN >> NASA. Endlich ist’s raus¹.

1. Vielleicht sollten wir als nächstes einzelne Kollaborationen in Knetfigurenform gegeneinander antreten lassen?

Neil Dacosta

Eine Möglichkeit, sich als Standardastronaut umzubringen: Pulsadern aufschneiden.

Gut. Das stimmt natürlich so nicht alles.
Das amerikanische Raumfahrtprogramm ist natürlich nicht am Ende und jedes Kind weiß, dass es nur 150.142 Profiaustronauten gibt¹. Trotzdem könnte es sich mit dem Ende des Space-Shuttle-Programms so anfühlen, als sei die Fahrt ins All vorbei.

Als Kritik daran — und weil es Kunst ist! — hat Neil Dacosta eine Fotoserie gemacht. Oben seht ihr ein Bild aus »Astronaut Suicides«, in der der Protagonistenastronaut sich auf verschiedene Art und weise umbringt.

→ Astronaut Suicides

via Fubiz

1. Die Dunkelziffer durch Amateurastronauten ist natürlich höher.

Da fällt die Stadt zusammen, wenn man beim Batmanrufen wieder durch Null teilt. (Adaption vom ersten Teaser-Poster zu Christopher Nolans letztem Teil seiner Batman-Trilogie »The Dark Knight Rises«.)

Die awesomeste Gleichung hat reddit-User »i_luv_ur_mom« vor zwei Wochen als Bild gepostet. So awesome, es wurde direkt quer durch’s Internet gereicht. Sein Mathelehrer, ein Mathew Rirgendwas, hat sich die Batman Equation, also die Batman-Gleichung ausgedacht. ACHTUNG! Leser mit akuter Formelschwäche sollten von zu langem Betrachten der folgenden Zeichenkette absehen.

Wer sich trotzdem traut, sieht die Formel hier in voller Pracht³:

i_luv_ur_mom

Batman-Gleichung und Plot.

Gut, ein Bildchen malen und wirre Bruchketten darüber schreiben, das kann jeder. Stimmt das denn auch wirklich, oder ist das nur Fermats letzter Satz in Langform?
Euer mathematikinvestigativstes Blog (wir!) ermittelte.

In Stackexchanges Mathe-Board gibt es einen Thread, der sich um das Zeichnen der Funktion kümmert. Wegen der impliziten Formulierung und der ganzen, durch Beträge und Wurzeln umgesetzten, abschnittsweisen Definitionen ist das gar nicht so leicht.
Wie die einzelnen Faktoren der Gleichung zum Batman-Bild beitragen, das hat User ShreevatsaR Stück für Stück erklärt.

Meine Versuche, das Ding in Teilchenphysikers Lieblingsframework, ROOT, zu malen, habe ich nach drei Tagen aufgegeben. Wer sich für fähig hält und etwas viel Zeit zuviel hat, findet in folgender Fußnote meinen Stand⁵.
Einen zweiten Versuch machte ich in Python. Dort gibt es mit Matplotlib eine Biblitothek, mit der man Plots zeichnen kann. Das passende Skript zur Batman-Gleichung hat auch schon jemand geschrieben (Download). Allerdings sind die Lücken bei den Verbindungsstellen doch arg groß.

Da ich weder Matlab, noch Mathematica zur Hand habe⁶, bleibt unter den großen CAS⁷ nur noch Maple⁸. Die richtigen Plotparameter hat zum Glück auch schon jemand rausgesucht, so dass das Eintippen⁹ von

batcurve := ( (x/7)^2*sqrt(abs(abs(x)-3)/(abs(x)-3))+(y/3)^2*sqrt(abs(y+3/7*sqrt(33))/(y+3/7*sqrt(33)))-1) * (abs(x/2)-((3*sqrt(33)-7)/112)*x^2-3+sqrt(1-(abs(abs(x)-2)-1)^2)-y) * (9*sqrt(abs((abs(x)-1)*(abs(x)-.75))/((1-abs(x))*(abs(x)-.75)))-8*abs(x)-y) * (3*abs(x)+.75*sqrt(abs((abs(x)-.75)*(abs(x)-.5))/((.75-abs(x))*(abs(x)-.5)))-y) * (2.25*sqrt(abs((x-.5)*(x+.5))/((.5-x)*(.5+x)))-y) * (6*sqrt(10)/7+(1.5-.5*abs(x))*sqrt(abs(abs(x)-1)/(abs(x)-1))-(6*sqrt(10)/14)*sqrt(4-(abs(x)-1)^2)-y);
plots:-implicitplot(batcurve, x=-7..7,y=-3..3,factor=true,scaling=constrained,grid=[100,100],gridrefine=4);

eine hervorragende Batman-Kurve, nennen wir sie Batcurve, malt¹⁰.

Kennt ihr noch weitere Gleichungen, die geplottet zu coolen Dingern¹¹ werden? → Kommentare!
Habt ihr Skripte für andere Algebraprogramme? Auch!

Nachtrag, 31.8.2011: Wolfram|Alpha hat jetzt die Batman-Gleichung im System drin. Toll!

1. Leider ist »physikBlog« ein wenig schwierig – aber ist ja auch nicht bescheuert.
2. Nerds? Wo?
3. Adaptiert aus diesem Pastebin-Code.
4. Dieses Batman müsst ihr wie aus dem Lied vorlesen. BATMAAAN.
5. Der Trick, auf den mich @FlorianReimann brachte, ist, das ganze als 2-dimensionale Funktion anzulegen und von einem Konturenplot nur die z=0-Version zu nehmen. Klingt in der Theorie gar nicht so wild, aber ihr kennt ja ROOT. Das habe ich schließlich dank dieses Beispiels hingekriegt. Scheitern tut ROOT dann allerdings an der Komplexität der Funktion, so denke ich. Und das Kurven-Smoothing sieht doof aus. Ich habe nach den ersten zwei, krude ins ROOT-Makro gehauenen Funktionsteilen nicht weiter gemacht. Wer sich davon überzeugen und evtl. weitermachen möchte, findet das Makro hier.
6. Für Wolfram Alpha ist die Gleichung leider zu groß.
7. Computeralgebrasystemen.
8. OS X eigenes Grapher.app kommt laut Stackexchange nicht mit der Komplexität der Funktion zurecht. R stoppt bei den imaginären Lösungen der Wurzeln und ich kenne mich zu wenig aus. Nachtrag: Florian hat die Gleichung in R umgesetzt. Sieht dann so aus.
9. Und wer das Abtippen ohne auf die Tastatur zu gucken fehlerlos hinbekommt, bekommt von uns eine Lakritzfledermaus.
10. Das Maple Worksheet zum Download findet ihr hier.
11. Zombies? Katzen? Zombie-Katzen-Invasion?

http://www.youtube.com/watch?v=8mSed9Du0kU

La physique quantique directement sur youtube

Die Protagonisten unserer heutigen Episode »Mathematik, die aussieht wie Blindenschrift.«

Wäret ihr nicht ihr, sondern Stan Ulam¹; säßet ihr nicht irgendwo zur Paperbesprechung, sondern am US-Atombombenentwicklungsstandort Los Alamos; wäre es nicht 2011 sondern 1963: Ihr hättet vermutlich eine interessante Entdeckung gemacht.

Ulam fing bei seinem Rumkritzeln an, Zahlen in spiralenform aufzuschreiben. Die 1 in der Mitte, 2 rechts daneben, 3 darüber, 4 links davon, 5 links davon, 6 darunter… — langsam hinaus-spiralisieren. Für die ersten 110 Zahlen² sieht das ungefähr so aus:

Beginnend mit einer beliebigen Zahl (z.B. 1, siehe Abbildung) wird nach außen spiralisiert.

Primzahlen wurden in Ulams Spirale durch sog. Katzenmarker verdeutlicht.

Ulam — und euch sicherlich auch — fiel schnell auf, dass sich durch das Markieren ein Haufen Diagonalen in der Spirale ergeben haben.

Ulam entdeckte seine Spirale. Die Ulam-Spirale.

Backissues.com

Ulam-Spirale auf dem Titel des Scientific American 1963.

Die Spirale kann zu großen Zahlen³ fortgesetzt werden und auch dort findet man Diagonalen. Das Prinzip ist unabhängig der Drehrichtung und funktioniert sogar, wenn man im Inneren nicht mit 1, sondern mit einer beliebigen anderen Zahl beginnt. Und auch wenn man anstelle der eckigen Spirale von Ulam eine klassische Spirale⁴ zum Auftragen benutzt, erkennt man die Primzahlbesonderheiten — man hat dann die Spirale von Sacks⁵.

Richtig abgespacet wird es, wenn wir Euler dazunehmen.

His Eulerness entdeckte zweihundert Jahre zuvor folgende lustige Formel zur Generierung von Primzahlen: .
Für positive, ganzzahlige Werte von werden bis 41 nur Primzahlen generiert. Aber auch darüber hinaus geht’s primzahlmäßig ab: Setzt man für Werte kleiner 10.000.000 ein, sind die dadurch entstandenen Zahlen zu 47,5% Primzahlen.
Soweit, sogut.
Und Ulam? Beschränkt man auf gerade Zahlen, z.B. indirekt durch Modifikation der Formel auf und schaut sich die dadurch erhaltenen Primzahlen in der Ulam-Spirale an, so ergibt sich eine lange Diagonale im 45°-Winkel. Crazy! Die Diagonale werdet ihr jetzt in jeder Darstellung einer Ulam-Spirale wiedersehen — you’re welcome.

Die Formel lässt sich auch verallgemeinern: Über werden für viele ganze Zahlen , und beim Durchlaufen von überdurchschnittlich viele Primzahlen generiert⁶.

Ulam Spirals Unleashed

Auch Marilyn Monroe mag Ulam-Spiralen. Bestimmt.

Mehr zur Spirale gibt’s auf der deutschen und der englischen Wikipedia, bei »Abarim Publications«, im ScienceBlog »Good Math, Bad Math« und vielen, vielen mehr.

Die Katze aus den Katzenmarkern kommt von diesem flickr-Bild von a f.

1. Der besitzt, genauso wie Feynman, ein cooles Los-Alamos-Bild.
2. Ulam war schließlich sehr langweilig.
3. Also größere als 110. 112 z.B.
4. Eine archimedische Spirale.
5. Sacksspirale. Mit zwei s in der Mitte.
6. Liebe Mathematiker, wenn ihr eine bessere Formulierung in ähnlicher Knappe habt: nur zu!
7. Der benutzt Ulam-Spiral-Algorithmen als Grafikkarten-Benchmarks. Spacey!

NASA

Möchte jeder in seinem Garten haben: Ein Space Shuttle in Frontalaufnahme.

Nächste Woche Freitag startet mit der Raumfähre Atlantis das letzte Mal ein Space Shuttle in den Weltraum.

In euren Lieblingsblogs und den analogen Blogvorgängern¹ werdet ihr dazu sicherlich noch einiges zu lesen bekommen.

Wir geben euch zum shuttligen Start der Berichterstattung die Big-Picture-Strecke von »The Atlantic« zur Hand. Große Bilder über die letzten 30 Jahre wiederverwertbare Raumfahrt.

→ »The History of the Space Shuttle« von The Atlantic

Viele Shuttle-Start-Bilder gibt’s auch in unserem Raketenstartblog fuckyeahrocketlaunches.tumblr.com

via Eay

1. Sowie den blogähnlichen Internetfortsetzungen analoger Blogvorgänger. Ihr wisst schon.

Journale mit physikalischen Themenschwerpunkten sind grün mit vielen anderen Journalen verbunden.

Wenn es nach uns ginge, dann würden wissenschaftliche Veröffentlichungen anhand ihrer Wortneuschöpfungen, der Referenz von Doctor-Who-Folgen und, natürlich, den Vergleichen mit Katzenbabies bewertet.
Leider geht’s nicht nach uns. Außerdem hat das System ein paar Schwächen¹.

Ähnlich geht es einigen anderen, üblichen Bewertungsversuchen von wissenschaftlichen Magazinen. Da wird der Einfluss eines Journals anhand von direkten Verweisen gemessen, oder so.

Einen Versuch, das zu verfeinern, haben sich vor ein paar Jahren² amerikanische Wissenschaftler unter dem Begriff »Eigenfactor« überlegt³. Eigenfactors und Article-Influence-Werte eines Journals werden über Graphen berechnet, so dass auch indirekte Bezüge eine Rolle spielen. Mehr Vorteile ihrer Methode zeigen die Autoren auf einer eigenen Seite.

Viel interessanter als die eigentlichen Eigenfaktoren sind aber die Visualisierungen dazu. Bergstrom et al. haben sich mit Visualisierungschamp Moritz Stefaner zusammengetan und ihn aus dem Datensalat ein paar hübsche, bunte Bildchen generieren lassen.

Und hier gibt’s sie:
→ well-formed.eigenfactor.org

1. Alle Doctor-Who-Folgen, oder nur die nach dem Reboot? Sind Germanismen Wortneuschöpfungen? Und was ist mit Vergleichen mit dicken Katzen?
2. Die letzten Werte sind leider von 2009.
3. Ein Lehnwort!!1 Ja, auch Teillehnwörter zählen.

G. Slava Turyshev

Ein Standardbauplan aus dem Bausatz zu einer handelsüblichen Pioneer-Sonde von IKEA.

Nicht schlecht, was? Zwei Monate, nachdem wir uns des Themas angenommen haben, ist die Pioneer-Anomalie keine Anomalie mehr. Man hat von zwei unabhängigen Seiten gleiche Erklärungen für die anomalischen Beschleunigungen gefunden. Wir sollten häufiger über die großen Probleme unserer Zeit schreiben.

Was des Rätsels Lösung ist, erklären euch auf unser Bitten hin drei angehende Physiker im unten stehenden Gastbeitrag¹.
Judith Selig, Michael F. Schönitzer und Florian Schlagintweit untersuchten die Anomalie im Rahmen einer Vorlesung bei Prof. Lesch² und schrieben eine Arbeit dazu. Diese haben sie nun für uns auf physikBlog-Niveau runtergebrochen, blondiert und mit der frischen Anomalieerklärung garniert.

Bühne frei!

Die Pioneer-Anomalie — eine Zusammenfassung

Im Februar 1969 genehmigte die NASA zwei Sonden mit dem Ziel, den Asteroidengürtel, das interplanetare Medium zwischen Mars und Jupiter, die äußeren Planeten sowie die für die heutige Raumfahrt wichtigen Flyby-Manöver zu erforschen: Pioneer 10 (Start am 2. März 1972) und Pioneer 11 (Start am 6. April 1973).

Flussdiagramm zum Ausgleich unberücksichtigter Effekte bei Raumsonden. Im Fall der Pioneer Missionen konnten diese Modellkorrekturen bisher nicht erklärt werden. Bei den Analysen der Pioneer-Anomalie verwendet man den rechten Teil, um die Größe der Anomalie zu bestimmen.

Die Navigation der Sonden erfolgte durch 2-Wege-Radio-Dopplermessung durch Messstationen des Deep Space Network (DSN). Diese Messungen lieferten eine Frequenzverschiebung, welche nach Berücksichtigung zahlreicher beeinflussender Faktoren in die Geschwindigkeit der Sonden umgerechnet werden kann. Da die Messungen äußerst präzise waren und man alle nennenswert beeinflussenden Faktoren genau berücksichtigte (bishin zu der Auswirkung der Plattentektonik auf die Relativgeschwindigkeit) ist die Messung der Geschwindigkeit äußerst präzise.
Auf der anderen Seite, konnte man aus den genau bekannten Massen von Sonne, Planeten, Mond und größeren Asteroiden, sowie einem Modell des Sonnenwindes die Bahn theoretisch berechnen. Wie bei solchen Missionen üblich, hat man nun die Messwerte laufend an die Berechnungen gefittet (es gibt einige freie Parameter wie die Manöver der Sonden) und Abweichungen, wenn sie zu groß waren durch zusätzliche frei bestimmte Parameter korrigiert. So konnte man mit Hilfe der so bestimmten Parameter die zukünftige Bahn berechnen und ggf. navigierend eingreifen. Im „Nachhinein” überlegte man sich dann worauf diese Parameter zurückzuführen sein könnten. Nun stellt man seit Anfang der 80-er Jahre fest, dass es eine bis dato unerklärliche konstante Beschleunigung von (8,74 ± 1,33) · 10^-8 cm/s² in Richtung Sonne gab.

Zunächst dachte man, man hätte es nur mit einem Rechen- oder Computerfehler oder einem nicht berücksichtigten Einfluss zu tun, doch die Analysen wurden verfeinert, und vielfach – auch von unterschiedlichen Personen und unterschiedlichen Programmpaketen – überprüft. Die Anomalie und ihr Wert wurden immer wieder bestätigt. Sie wurde zur „Pioneer-Anomalie“ und zählt(e) bis heute zu einem der wichtigsten ungelösten Probleme der Astrophysik. Später erkannte man, dass es auch zeitlich periodische Unstimmigkeiten gibt, die ebenfalls bis heute nicht erklärt wurden.

Mögliche Gründe der Anomalie

Als die Anomalie als real existierendes physikalisches Problem anerkannt wurde, bekamen auch die Überlegungen, was wohl die Ursache der Anomalie seien könnte, neuen Antrieb.
Als erstes stellt sich hier natürlich die Frage, ob es sich um einen sondeninternen oder einen externen Effekt handelt. Nach einigen Berechnungen konnten interne Gründe, wie z.B. ein Rückstoß durch Radiowellen, thermische Emission der RTGs (Radioisotope Thermoelectric Generator, zu deutsch: Radionuklidbatterie) und Ausstoß von Helium in der RTGs ausgeschlossen werden. Auch die sondenexternen Effekte wurden gründlich untersucht. Man stellte jedoch auch hier fest, dass die Größe, oder das Vorzeichen nicht stimmten. So waren der Strahlungsdruck, der Sonnenwind, die Sonnencorona, Lorentzkräfte durch eine elektrische Ladung der Sonde und die Gravitation des Kuipergürtels nicht in der Lage, die anormale Beschleunigung zu erklären. Da die Anomalie eine Kraft in Richtung Sonne darstellt, ist die erste Idee natürlich ein gravitativer Effekt. Wie oben erwähnt, sind jedoch die Massen der Objekte im Sonnensystem, die hier eine Rolle spielen, gut bekannt. So konnte schnell gezeigt werden, dass das newtonsche Gravitationsgesetz, sowie die relativistischen Korrekturen, nicht die Ursache sein kann. Für sehr große Entfernungen und sehr kleine Beschleunigungen sind diese Gesetze allerdings nur schlecht bis gar nicht überprüft bzw. überprüfbar. Deshalb kam die Idee auf das Graviationsgesetz bzw. das 2. newtonsche Gesetz zu modifizieren. Aus F=m·a wird dann in der modifizierten Newtoschen Dynamik (MOND) F=m·a·y, y ist ein unspezifizierter Faktor, der bei großen Beschleunigungen 1 und bei kleinen Beschleunigungen a/a₀ ist, wobei a₀ die Grenzbeschleunigung ist, ab welcher MOND greift. Bei der Pioneer-Anomalie handelt es sich um eine Beschleunigung, die klein genug ist, dass man mit MOND rechnen müsste und es lässt sich ein y konstruieren, so dass man sogar auf den richtigen Wert käme. MOND ist als Ursache für die Pioneer-Anomalie allerdings leicht zu widerlegen, denn wenn die Anomalie tatsächlich gravitativen Ursprungs wäre, hätte man schon seit längerem unerklärliche Abweichungen in den Bahnen der äußeren Planeten beobachten müssen.

Teil eines größeren Effekts?

Verlauf der anomalen Beschleunigung in Abhängigkeit von der Entfernung der Sonden von der Sonne in Astronomischen Einheiten.

Schnell fiel auf, dass der Wert der Anomalie ungefähr gleich H₀·c ist (H₀ ist die Hubblekonstante und c ist die Lichtgeschwindigkeit). So kamen Spekulationen auf, dass die Ausdehnung des Universums und damit die Dunkle Energie die Ursache für die Pioneer-Anomalie sein könnte. Die Idee dahinter ist, dass die Anomalie keine wirkliche Beschleunigung ist, sondern nur eine Veränderung des Dopplersignals, welche durch die Ausdehnung des Universums hervorgerufen wird. Diese Theorie lässt sich aber leicht entkräften: Die Anomalie zeigt in Richtung der Sonne und nicht, wie es diese Theorie fordert, von der Sonne weg. Hätte die Dunkle Energie tatsächlich einen Effekt auf das Signal, so würde sich das in einer Rotverschiebung und nicht in der gemessenen Blauverschiebung der Frequenz äußern.

Nicht nur die Theorie der Dunklen Energie und MOND wurden als Erklärungsversuche in Betracht gezogen, auch die Dunkle Materie kam für kurze Zeit in Betracht, die Anomalie zu lösen. Dies scheiterte jedoch an zwei Gründen:

1. Wenn es in unserem Sonnensystem eine derart große Menge an Dunkler Materie (in 50 AU müssten sich 5,9 · 10²⁶ kg befinden) angesammelt hätte, dann wären auch die Planetenbahnen davon betroffen. Dies ist jedoch laut den genauen Vermessungen der Planetenbahnen nicht der Fall.
2. Das Sonnensystem hat, nach unserem Verständnis, in seiner Lebensdauer von 4,5 · 10⁹ Jahren nur etwa 10²⁰ kg an Dunkler Materie ansammeln können. Diese Masse kann in keiner Weise den Betrag der Pioneer-Anomalie erklären.

Da es nicht nur um die Ursache, sondern auch um das Wesen der Anomalie zahlreiche offene Fragen gibt, wurde mehrfach vorgeschlagen eine eigene Mission zu starten um die Anomalie genauer zuvermesen. Erstes Ziel der Mission sollte sein die Anomalie zubestätigen. Desweiteren sollte die Größe der Beschleunigung genau bestimmt werden, sowie ihre genaue Richtung (in Richtung Sonne, Erde, Geschwindigkeitsvektor oder Spinachse). Außerdem sollte das Verhalten der Anomalie über lange Zeiträume hinweg überprüft werden und ob der Effekt auch außerhalb der Ekliptik auftritt.

Unabhängige Erklärungen

Als vielversprechende Erklärung hat sich die unterschätzte thermische Emission und Reflexion der Sonden herauskristallisiert. Der Hintergrund ist der, dass die Photonen der Wärmestrahlung bekannterweiße auch einen Impuls haben. Strahlt die Sonde nun in eine Richtung mehr Wärme als in die entgegengesetzte ab, so wirkt auf die Sonde dadurch eine Beschleunigung.
Da alle anderen internen Fehlerquellen relativ genau modelliert wurden und externe Fehlerquellen als Ursache ausgeschlossen wurden, nehmen wir an, dass die Beschleunigung durch die thermische Abstrahlung zustande kommt. Dies würde allerdings zur Folge haben, dass die Anomalie nicht konstant ist, sondern, wie die Halbwertszeit von Pu-238 in den RTGs, abnimmt. Da im Jahr 2002, als die erste umfangreiche Arbeit über die Pioneer-Anomalie veröffentlicht wurde, noch kein vollständiger Telemetrie Datensatz vorlag, konnte dies damals noch nicht überprüft werden. Die momentan laufenden Analysen der gesamten Daten könnten darüber Aufschluss geben.
Die Untersuchung der thermischen Emission ist zur Zeit Bestandteil einiger Studien. Ende März 2011 wurde auf dem Preprint-Server arXiv.org eine Arbeit von portugisischen Wissenschaftlern veröffentlicht, die eine Erklärung für die Anomalie aufgrund der thermischen Abstrahlung gefunden haben wollen – eine Veröffentlichung in in Physical Review D wird angestrebt. Die zentrale Annahme in dieser Arbeit ist die, dass nicht nur die RTGs als Lambertstrahler³ angenommen werden, sondern auch das Fach für die technischen Geräte als Lambertstrahler modelliert werden muss. Außerdem wird die Reflexion von thermischer Emission an der Sonde mit in die Berechnungen mit einbezogen. Am 20. April 2011 veröffentlichen Benny Rievers und Claus Lämmerzahl vom ZARM in Bremen ebenfalls auf arXiv.org eine Arbeit welche die Anomalie ebenfalls durch thermische Abstrahlung erklärt. Sie simulieren die thermische Abstrahlung jedoch mit der Methode der finiten Elemente. Somit gibt es eine unabhängige Überprüfung. Die enge zeitliche Abfolge der beiden Veröffentlichungen lässt uns vermuten, dass es hier offensichtlich ein Wettrennen zwischen den beiden Gruppe gab.

Diese Erklärungsmodelle werden zur Zeit vom JPL, namentlich von J.D. Anderson, M.M. Nieto und S.G. Turyshev⁴ überprüft. Es ist sehr wahrscheinlich, dass damit die Pioneer-Anomalie gelöst ist.

Langweilige, verschwendete Zeit für ein bisschen Wärmestrahlung?

Mit der Lösung der Pioneer-Anomalie, 40 Jahre nach dem Start der Sonden und 30 Jahre nach Entdeckung der Anomalie, geht ein wichtiges Kapitel der Astrophysik zu Ende. Die Ergebnisse werden für zukünftige Deep Space Raumfahrtmissionen wichtige Erkenntnisse sein.
Auch die wissenschaftliche Bedeutung ist groß: Die Pioneer-Sonden stellten einen der größten Tests unserer Gravitationsgesetze dar, und während es anfangs so aussah, als ob die Daten unserem Weltbild widersprechen würden, so scheinen die Daten nun unsere Gesetze zu bestätigen. Die bereits seit längerer Zeit laufende Neuanalyse der kompletten Daten der Sonden, könnte dies abschließend klären. Auch wenn die gefundene Erklärung eine im Vergleich zu andern Vorschlägen (Dunkle Energie, Dunkle Materie, MOND) vergleichsweise konservativ und fast schon “langweilig” ist, so ist die wissenschaftliche Bedeutung der Anomalie dadurch nicht geschmälert, sind es doch gerade auch Negativ-Resultate und Überprüfungen existierender Theorien, die die Wissenschaft zu dem macht was sie ist.

1. Der Gastbeitrag beginnt mit einer Einführung ins Thema. Das kennen die fleißigsten Blogleser Deutschlands zwar im Groben schon, aber man erfährt trotzdem noch ein paar interessante Details. Lohnt sich also!
2. Michael kontaktierte mich kurz nach dem Beitrag von damals und hielt mich seitdem auf dem Laufenden. Wenn ihr genau hinseht, dann findet ihr am unteren Rand des Artikels auch einen Nachtrag dazu.
3. Ein Lambertstrahler ist ein Objekt, welches in alle Raumrichtungen gleichmäßig Strahlung abgibt.
4. Diese drei können auch als die Entdecker und führenden Experten der Anomalie angesehen werden.