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Seth Godin warnt: Das Internet läuft voll. Natürlich meint er damit, dass mittlerweile so viel drin steht, dass man chancenlos ist, auch nur noch grobe Übersicht zu halten.

Ten years ago, you had a shot of at least being aware of everything that mattered. Five years ago, you had to be really selective about what you took in, but at least it was possible to know what you didn’t know. Today, it’s impossible. Today, you can’t even read every article on a thin slice of a thin topic.

Nun, aber das gilt sicher nur für das englischsprachige Netz. Deutschland ist nach der zeitleiste also etwa 10 Jahre hintendran. Zumindest was wissenschaftliches Bloggen angeht, ist die Auswahl auf deutsch doch eher gering - im Vergleich zur Anzahl Wissenschaftler die etwas zu sagen hätten. Aber international gibt es durchaus Lücken. Man schaue, wie wenig Einträge zu Geosciences es bei ResearchBlogging gibt - da ist sogar in der Breite noch viel Platz. Und in den dünnen Scheiben dünner Topics - da existiert noch gar kein Bedarf, erst recht nicht auf deutsch. Schade, da hat ein Teil der Naturwissenschaften sich als ganz schön rückständig geoutet. Zumindest Biologie sticht positiv raus.

Übrigens: ResearchBlogging lässt sich auch über Twitter verfolgen: englische und deutsche Einträge. Mitmachen!

(via PolyMeme)

Es kommt schon nicht so oft vor, dass in den Physical Review Letters etwas zu Bodenphysik erscheint. Letzte Woche erschien aber ein Letter von Luis Cueto-Felgueroso und Ruben Juanes, das einen neuen Ansatz zur Modellierung von Fingering vorstellt. Fingering ist eines der Phänomene die zeigen, wie schwierig Bodenphysik ist. Man stelle sich eine große Kiste Sand vor, in die man gleichmäßig Wasser eindringen lässt, gleichmäßig über die ganze Oberfläche. Auf der großen Skala der Sandbox sieht das Medium zwar homogen aus, und man erwartet eine gleichmäßig eindringende Front. Da aber auf der Mikroskala der Sand nun mal nicht homogen ist, stimmt das nicht. Die Sandkörner sind nicht rund, sie liegen unterschiedlich und die Poren sind unterschiedlich groß. Das Phänomen das auftreten kann nennt man “fingering”, eine Ausprägung prefentieller Fließwege. Wie der Name es schon sagt, dringt dabei Wasser bevorzugt zuerst in fingerartigen Kanälen ein.
Die Autoren nennen das Phänomen eine winner-takes-all Situation, in der die am schnellsten entwickelten Finger das übrige Wasser abfließen lassen. Wasserfluss wird durch Gravitation und Gradienten im Porendruck angetrieben. Die Autoren ergänzen jetzt diese lokalen Antriebe durch einen nichtlokalen Term, der die Oberflächenspannung des Fingers repräsentieren soll. Natürlich hat der Finger keine echte Oberflächenspannung, aber der Term einer scheinbaren Spannung funktioniert im Modell.
Die Autoren zeigen Modellrechnungen für einen homogenen, gravitationsgetriebenen Sand auf Basis einer modifizierten Richards-Gleichung (die ungesättigten Wasserfluss beschreibt), die fingering beschreiben kann, auch die Breite und Anzahl der Finger in Übereinstimmung mit Experimentdaten. Die Autoren sehen die Stärke ihres Modells darin, dass keine zusätzlichen Parameter eingebracht werden mussten.

Luis Cueto-Felgueroso, Ruben Juanes (2008). Nonlocal Interface Dynamics and Pattern Formation in Gravity-Driven Unsaturated Flow through Porous Media Physical Review Letters, 101 (24) DOI: 10.1103/PhysRevLett.101.244504

Es gab einen interessanten Post auf Science-Based Medicine (dieser Satz ist eigentlich so sinnvoll wie “Am Morgen geht die Sonne auf.”). Mark Crislip hat Google Trends verwendet, um in den USA einen befriedigenden stagnierenden oder abnehmenden Trend in “alternativen” Medizinmethoden festzustellen.
Ich wollte das auch für Deutschland ausprobieren, aber ich musste feststellen, dass die Vergleichsbegriffe, die einen im Jahresmittel konstanten Trend aufweisen sollten (wie Diät, was es in den USA auch tut), in Deutschland einen fallenden Trend aufweisen.

Woran kann das liegen? Es soll ja der Anteil am Gesamt-Suchvolumen sein. Ist die Anzahl der verschiedenen Suchbegriffe in Deutschland hochgegangen, sodass das Volumen von Begriffen, die stetiges Interesse haben sollten, dadurch relativ abnimmt? Jedenfalls erschwert das die Auswertung.
Bis ich mir was überlegt habe, erstmal nur ein Graph. Der ist schon traurig genug, zeigt er doch dass mehr nach Astrologie gesucht wird als nach Astronomie. Aber: Der Gap wird kleiner, und vor allem in den Nachrichten (unterer Graph) liegt die Astronomie jetzt vorne. Schade auch dass die Astrologie-Spitze vorm Jahreswechsel nicht auch ein Gegenstück in der Astronomie hat. Vielleicht sollte man eine Aktion machen “Astronomie im Dezember” um das zu kontern Na, aber es ist ja bald ein ganzes Jahr lang Astronomie angesagt!

Wow, es gibt tatsächlich ein Suchprogramm für Dyson-Sphären. Das sind keine neuen Staubsauger-Modelle, eine Dyson-Sphäre kennen die Trekkies. Es ist eine Idee, die 1960 von Freeman Dyson vorgeschlagen wurde. Man nimmt einen großen Planeten wie Saturn, haut ihn in kleine Stücke und packt ihn als Hohlkugel um eine Sonne. So kann man optimal die Energie der Sonne ausnutzen. Die Ringwelt aus dem Buch von Larry Niven war ein Teil einer Dyson-Sphäre, eben nur ein Band um eine Sonne.
Da so eine Dyson-Sphäre das aufgenommene Licht in einem sehr viel höheren Wellenlängenbereich wieder emittieren würde, kann man am Himmel nach Kandidaten für Dyson-Sphären suchen - die ein starker Hinweis auf außerirdische Intelligenz wären. Allerdings hat die Suche noch keine Ergebnisse gebracht.
(via)

Eigentlich wollte ich ja noch was zu Gittereichtheorien nachlesen, aber irgendwie ist das nichts für Sonntage. Daher lieber mal ein wenig Dehnübungen fürs Hirn…mit dem Guten Alten Wunschbrunnen von Benny Hill

Die Ergebnisse zur QCD-Simulation nach dem Gittereichtheorie-Verfahren, von Stephan Dürr et al. in SCIENCE vom 21.11.2008 veröffentlicht wurden (siehe Zitat am Ende des Post), sind auch in Newsmeldungen, die z.B. auf Digg auch sehr hoch standen, besprochen worden. Leider aber auf eine sehr schlechte Art. Dieser Artikel bei Yahoo News ist ziemlich schlimm. Mal abgesehen davon, dass man E schreibt und nicht e, ist die Aussage “E=mc² ist endlich bewiesen worden” schlicht falsch. Einmal kann man solch eine Formel mathematisch gar nicht beweisen. Auf der anderen Seite gibt es kaum eine Formel, die sich im physikalischen Experiment besser und öfter bewiesen hat als eben diese. Atombombe, Kernkraft anyone?
Nun gut, worum geht es wirklich in der Studie? Ich habe gestern versucht, Quantenchromodynamik kurz anzutippen. Die grundlegende Frage ist: wie sind Hadronen, z.B. die Bausteine des Atomkern, Proton und Neutron, aufgebaut? Als wichtigster Bestandteil hat man drei Valenzquarks, die aber auch addiert bei weitem nicht die Masse des Proton ergeben. Außerdem hatte ich von der seltsamen Kopplung der starken Wechselwirkung erzählt, die größer wird mit geringerem Abstand. Will man also jetzt berechnen, wie das Hadron aufgebaut ist, muss man sich damit quälen dass Gluonen lieber untereinander koppeln und spontan auftauchende Quark-Antiquarkpaare so häufig werden. Hier kommt dann E=mc² ins Spiel: Die Bindungsenergie die in diesem See aus Gluonen-Knäueln und Seequarks steckt macht sich “von draußen” als Masse des Protons bemerkbar.

Zur Simulation des Aufbaus eines Hadron diskretisiert man die Raumzeit auf einem Gitter und führt Computer-Simulationen durch. Dieses Prinzip existiert seit 30 Jahren, und die Autoren konnten jetzt erstmals von einer Simulationsreihe berichten, die genügend wenig Vereinfachungen machen musste, um die tatsächlich messbaren Massen bestimmen zu können. Diese Berechnungen sind äußerst aufwändig, daher musste man bisher so viele Annahmen machen, dass der Massenwert nicht genau bestimmt werden konnte. Die vorgestellten Berechnungen wurden übrigens u.a. auf den Supercomputern des Forschungszentrum Jülich vorgestellt, vor allem deren Flagschiff JUGENE, im Moment der stärkste zivile Rechner Europas. Das Gebäude in dem die Rechner stehen ist übrigens gleich nebenan von meinem Arbeitsplatz

Die Autoren benennen fünf “Hauptzutaten”, die notwendig waren um die Berechnungen so genau durchzuführen und in dieser Studie erstmals so komplett berücksichtigt werden konnten.
Erst seit einiger Zeit ist es möglich, die Seequarks, also die sehr kurz auftauchenden Paare von virtuellen Quarks- und Antiquarks, zu berücksichtigen. Die Interaktion dieser Quarks mit den Valenzquarks ist schwierig zu berechnen, bedeutet aber auch einen entscheidenden Beitrag zur Masse. In der Studie wurden die leichten up- und down-Quarks in beliebiger Anzahl erlaubt, strange-Quarks durften einmal vorkommen, nur die noch schwereren Quarks mussten erstmal draußen bleiben.
Weiterhin berechnet man nach dieser Methode die Masse nicht in einer Größe mit Einheit, sondern nur als Verhältnis im Vergleich zu einem bekannteren schwereren Hadron. Hier wurde Vergleich mit zwei schweren Teilchen durchgeführt, deren Masse man genauer kennt. Für beide Teilchen wurden übereinstimmend gute Ergebnisse gefunden.
Außerdem wurden erfolgreich systematische Fehler durch die finite Größe des Gitters und diskreter Gitterabstände herausgerechnet. Für die Berechnung der Masse als Ergebnis muss man allerdings noch eine Extrapolation durchführen, denn noch reicht die Computer-Power nicht aus um auf der kleinen Massenskala zu rechnen, die man für die Massen der leichten Hadronen benötigt.

Zusammenfassend wurde erstmals eine Simulation des Innenlebens eines Protons durchgeführt, die den tatsächlich gemessenen Massenwert bestimmen konnte. Es wurden zahlreiche Simulationsläufe durchgeführt, um die Effekte durch die getroffenen Annahme kontrollieren und ihren Einfluss bestimmen zu können. Der Erfolg der Rechnungen zeigt, dass QCD die korrekte Theorie ist um die starke Wechselwirkung zu beschreiben.

Zitat:
S. Dürr, Z. Fodor, J. Frison, C. Hoelbling, R. Hoffmann, S. D. Katz, S. Krieg, T. Kurth, L. Lellouch, T. Lippert, K. K. Szabo, G. Vulvert (2008). Ab Initio Determination of Light Hadron Masses Science, 322 (5905), 1224-1227 DOI: 10.1126/science.1163233

Mit den Quanten zog Anfang des 20ten Jahrhunderts ein neues Paradigma in die Physik ein, das man durchaus als den Inhalt der modernen Physik bezeichnen könnte. Erste Ansätze wie die Quantelung der Energie halfen Einstein und Planck, noch unerklärte Effekte des Lichtes zu erklären. In der Quantenmechanik verwendet man in den Rechnungen Operatoren, z.B. für Impulse, und man findet gequantelte Energiezustände als Lösung.
Das Quant ist die kleinste mögliche Einheit von etwas, also z.B. ein Quantum Licht ist ein Photon, ein Quantum einer Gitterschwingung der Atome in einem Festkörper nennt man Phonon, auch wenn es nicht wirklich ein Teilchen ist sondern nur ein eleganter Trick. Wie man ein Quantum Trost bezeichnet, weiß ich allerdings nicht. Bondon wahrscheinlich.

Wenn man die Dichte an theoretischen Physikern noch erhöht, kann man Quantenfeldtheorien (QFT) aufstellen. Ich tauge dazu nicht mehr, bei Lagrange-Dichten kippt der Notaus-Schalter in meinem Hirn…aber das Prinzip besteht darin, die wechselwirkenden Felder aufzustellen und ebenfalls zu quantisieren.

Eine erste erfolgreiche QFT war die Quantenelektrodynamik (QED), für die Richard Feynman, Julian Schwinger und Shin-Ichiro Tomonaga 1965 den Nobelpreis erhielten. Die QED enthält die klassische Elektrodynamik, die durch die Maxwell-Gleichungen beschrieben wird, also Spezialfall für große Felder. Durch Quantisierung der Maxwell-Gleichungen kann man aber auf der Ebene der Elementarteilchen mit elektrischer Ladung und dem Photon aus Austauschteilchen die elektromagnetische Wechselwirkung beschreiben.

Eine besondere Eigenschaft einer Wechselwirkung ist die Kopplungsstärke. In der QED ist das eine berühmte Zahl, da sie fast genau 1/137 beträgt. Das ist auch eine Kopplung, die sich friedlich verhält. Man rechnet normalerweise störungstheoretisch, und geht einmal von Prozessen aus, die nur ein Austauschteilchen beinhalten. Zwei Elektronen z.B. interagieren, und tauschen über ein Photon eine Wechselwirkung aus. Höhere Ordnungen sind aber auch möglich: es könnte z.B. das Photon spontan unterwegs noch in einem Teilchen/Antiteilchen-Paar aufgehen das dann wieder zu einem Photon annihiliert. Das wäre ein Term höherer Ordnung, bei dem man die Kopplungsstärke quadrieren muss um zu wissen wie wahrscheinlich er ist: bei solch einer braven Kopplungsstärke deutlich unter 1 ist der Prozess natürlich sehr viel seltener.

Anders ist das aber in der Quantenchromodynamik (QCD, enwtickelt maßgeblich von Murray Gell-Mann, Harald Fritzsch und Heinrich Leutwyler), die versucht das Chaos in der starken Wechselwirkung zu beschreiben, z.B. wie ein Proton aufgebaut ist. Da gibt es nämlich nicht nur die drei Quarks up, up und down, sondern auch einen ganzen See virtueller Quarks und Gluonen die die Wechselwirkung übertragen. Woran liegt das? Die Kopplungskonstante ist nicht konstant, sondern variiert stark mit dem Abstand.
Da gibt es auf der einen Seite den Fall großer Abstände. Hier nimmt die Kopplungsstärke zu! Deswegen kann man auch nicht einzelne freie Quarks betrachten, denn nur bei kleinen Abständen wird die Kopplung klein und die Quarks verhalten sich wie freie Teilchen. Da die Kopplungsstärke größer 1 werden kann, funktioniert die Störungstheorie nicht mehr, die Gluonen selbst können interagieren und komplizierte Sachen veranstalten

Ansätze zur Lösung der QCD liegen z.B. in der Anwendung von Gittereichtheorien, bei denen die Raumzeit auf einem Gitter diskretisiert wird um dann Simulationen durchzuführen. Dazu braucht man riesige Rechnerpower - und dazu gibt es gerade ein spannendes, großes neues Ergebnis im aktuellen SCIENCE, das ich mir heute abend endlich mal reinziehen muss.