Physik studieren in Wuppertal. BERGISCHE UNIVERSITÄT WUPPERTAL Fachbereich Physik

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1 BERGISCHE UNIVERSITÄT WUPPERTAL Fachbereich Physik Physik studieren in Wuppertal Was ist das Besondere an Wuppertal, Herr Prof. Paul? Ein Interview /// S. 8 Vielfalt auf dem Plan Der Studiengang im Überblick /// S. 12 Runter von der Uni Was Wuppertaler Physiker danach machen /// S Forschung in Wuppertal ganz nah dran Experimentalphysik und Theoretische Physik stellen sich vor /// S

2 Raum und Zeit

3 Die ersten Schritte Raum und Zeit bilden den Rahmen aller physikalischen Erscheinungen und Vorgänge, die der Mensch jahrtausendelang nur mit seinen Sinnesorganen erfassen konnte. Das Staubkorn war der Inbegriff des Kleinsten und das Himmelszelt mit Sonne, Mond und Sternen galt als das größte Objekt. Kleinere Strukturen bis hinab zum Unteilbaren atomos gab es nur in den Überlegungen der Naturphilosophie. Außerhalb des Himmels aber begann das Nichts. Zwischen dem kleinsten erkennbaren Objekt (10-5 m) und der Erde (10 +7 m) lagen 12 Größenordnungen. Die Folgen des Fortschritts Die modernen Naturwissenschaften begannen mit der Erfindung des Mikroskops und des Teleskops. Seit dem 16. Jahrhundert konnten mit Experiment und Messung die materiellen Strukturen, die Raum und Zeit aufspannen, über immer mehr Größenordnungen verfolgt werden. Heute beträgt das Verhältnis der Ausdehnung des größten zum kleinsten physikalischen Objekt unserer Welt Größenordnungen. Die Ergründung und Beschreibung der Weite des Weltalls und der mikroskopischen Welt waren und sind aktuelle Themen der Wissenschaft.» 3

4 Galaxie Sonne Erde

5 Die Sicht der Dinge Die Faszination am besonders Großen und am besonders Kleinen ist wahrscheinlich deswegen so stark ausgeprägt, weil es sich dabei um Systeme handelt, die sich der unmittelbaren Beobachtung mit Hilfe unserer natürlichen Wahrnehmungsmöglichkeiten entziehen. Dabei geht es nicht nur um die Dimension Länge, sondern auch um die Zeiten, die notwendig sind, diese Dimensionen zu begreifen. Das Vordringen in die Weite des Weltalls ist, selbst bei Höchstgeschwindigkeitsreisen, in der Theorie mit Zeiträumen verbunden, die mehrere Größenordnungen über der unserer eigenen Lebenserwartung liegen. In der mikroskopischen Welt der Atome und Moleküle hingegen gibt es Prozesse, die innerhalb unvorstellbar kleiner Zeiten ablaufen. In der Zeit, die wir benötigen, um auch nur einen ganz winzigen Gedanken zu fassen, sind bereits mehrere Milliarden solcher Prozesse, die sich auf molekularer Ebene abspielen, erfolgreich zu Ende geführt worden. Das Interesse der Menschen am besonders Großen und besonders Kleinen ist also vielleicht etwas ganz Natürliches. Möglicherweise hängt es letztlich mit dem Bewusstsein unserer räumlichen und zeitlichen Endlichkeit zusammen. Die Erfassung der Strukturen Größenordnungen bilden eine logarithmische Skala, mit der wir die Länge der Strukturen unseres Universums schätzen. Ein Atom ist mit m um fünf Größenordnungen größer als sein Kern (10-15 m), Zellen (10-5 m) sind um fünf Größenordnungen größer als Atome. Der Mensch ist um fünf Zehnerpotenzen größer als eine Zelle und die nächsten fünf Größenordnungen (10 +5 m = 100 km) bringen uns an den Rand der Atmosphäre m Durchmesser haben große Sterne und bis m ist ein Lichtjahr Lichtjahre ist die Größenordnung einer Galaxie und Lichtjahre bringen uns an den Rand des Universums. Der Mensch mit seinen menschlichen Maßen von 1 m Größenordnung, 1 s zwischen zwei Herzschlägen und 1 kg Nahrungsbedarf steht in der Mitte zwischen Mikrokosmos und Makrokosmos. Er lernte, diese Maße objektiv zu definieren durch allgemein gültige Einheiten wie die Masse eines Protons, die Wellenlänge eines bestimmten Elektrons und die Schwingungsdauer einer bestimmten Spektrallinie. Schätzen und Messen erbrachten das Wissen unserer Zeit. Die Kernphysiker messen in Femtometern, die Halbleiterphysiker Atomabstände in Nanometern, Medizinphysiker in Mikrometern und Metern, Astrophysiker in Lichtjahren. Jedes Teilgebiet arbeitet also mit seinen speziellen Messgeräten. Die Elementarteilchenphysik misst mit dem Elementarteilchenbeschleuniger, die Festkörperphysik mit dem Tunnel- und dem Elektronenmikroskop, die Medizinphysiker mit dem Lichtmikroskop, dem Laser und dem Spektralphotometer und die Astrophysiker erarbeiten ihre Ergebnisse in Observatorien und Raumstationen. (Quellen: ) Mensch Blutzelle Atome Atomkern

6 INTRO Physik studieren Auf der Suche nach Erklärungen für die Funktionsweise der Natur gibt es immer noch einen riesigen Berg unergründeter Phänomene und unbeantworteter Fragen. Zwar hat die Physik in den letzten Jahren beachtliche Fortschritte gemacht, doch noch immer fehlen wichtige Bausteine für ein umfassendes Weltbild. Auch in der Bergischen Universität Wuppertal beschäftigt man sich intensiv mit den Geheimnissen der Natur und versucht auf hohem wissenschaftlichen Niveau Antworten und Erklärungen zu finden. Ein Physikstudium an der Bergischen Universität lässt die Studierenden eintreten in die faszinierende Welt der Forschung. Der Standort Wuppertal Eine Region formiert sich Die Bergische Universität wurde im Jahr 1972 in Form einer Gesamthochschule gegründet. Ihre Entstehung beruht auf der Zusammenlegung der verschiedenen Fachhochschulen, Ingenieurschulen und pädagogischen Hochschulen des bergischen Raumes. Zu den daraus resultierenden Säulen der Ingenieur- und Geisteswissenschaften gesellten sich die Naturwissenschaften, bestehend aus Mathematik, Physik und Chemie. 6

7 Der Fachbereich Physik Aufbau und Spezialisierung Die ursprünglichen Schwerpunkte des Fachbereichs Physik stellten vorerst die Elementarteilchenphysik und die Weltraumforschung dar. Zu Beginn der 90er Jahre wurden diese Bereiche um die Materialwissenschaften ergänzt. Im Rahmen des Umwandlungsprozesses der Gesamthochschule in eine Universität sowie der personellen Erneuerung (insgesamt gibt es derzeit ca. 20 Professoren mit rund 70 wissenschaftlichen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern) wurde eine Neudefinition der physikalischen Forschungsschwerpunkte in Teilchen- und Astroteilchenphysik, Physik der kondensierten Materie und Atmosphärenphysik vorgenommen. Diese werden durch die Computational Physics erweitert, die sich mit Methoden der Simulation physikalischer Vorgänge und ihrer Berechnung beschäftigt. Das Studium Entmystifizierung durch fundierte wissenschaftliche Bewusstseinsbildung Das Physikstudium richtet sich in erster Linie an all diejenigen Studierenden, die schon immer ein Interesse am genaueren Verständnis der Naturvorgänge in sich verspürten. Der ungeheure Erfolg der Physik beruht auf dem Wechselspiel zwischen der Beobachtung (Experiment) und deren theoretischer Beschreibung (Modell), das schließlich in der physikalischen Gesetzmäßigkeit endet. Die im Rahmen des Physikstudiums erworbenen Kenntnisse bilden dabei die Grundlage für das Verstehen jener Vorgänge, die sowohl in der modernen Technik als auch im alltäglichen Leben von enormer Bedeutung sind. Um sich dieses Wissen anzueignen, wird dem Studenten neben einer Vorliebe für das praktische Experimentieren und die mathematische Modellbildung die Fähigkeit zum analytischen Denken abverlangt. Denn nur so können die umfangreichen und komplizierten Sachverhalte und deren Zusammenhänge angegangen und verstanden werden. Die Broschüre Ein Fachbereich stellt sich vor Begeben Sie sich auf Tuchfühlung mit dem vielfältigen Angebot des Fachbereichs Physik an der Bergischen Universität Wuppertal. Erfahren Sie im Interview mit dem derzeitigen Dekan Prof. Dr. Lorenz Paul die Besonderheiten der Physik in Wuppertal (S. 8). Informationen über das Studium (S. 12) und Berichte von Ehemaligen (S. 14) zeigen, wie Zukunft gestaltet werden kann, während Sie im Hauptteil (S. 18) die faszinierende Welt der Forschung kennen lernen können. in Wuppertal 7

8 INTERVIEW Was ist das Besondere an Wuppertal, Herr Prof. Paul? Was soll ich denn nun studieren und vor allem wo? Wäre denn Physik das Richtige für mich? Diese oder ähnliche Fragen beschäftigen junge Menschen, wenn sie vor der großen Entscheidung der Gestaltung ihres nächsten Lebensabschnittes stehen und ihre beruflichen Ziele noch nicht konkret vor Augen haben. Unsicherheit, Leerlaufphasen und die Angst, sich falsch zu entscheiden, sind oft die Folge. Dass aber auch im Werdegang eines Dekans nicht immer alles geradlinig verlaufen ist, beruhigt zu hören. Und weil der Blick über den Tellerrand wichtig ist, kann man in Wuppertal interdisziplinär lernen. Im Interview spricht Lorenz Paul über Studieninhalte und Zukunftsperspektiven seiner Physikerinnen und Physiker. TEXT Steve Krauße FOTOS Silke Kammann Herr Paul, wodurch hebt sich Ihrer Meinung nach der Studiengang Physik an der Bergischen Universität Wuppertal im Vergleich zu den anderen Universitäten ab? Paul: Das Profil der Physik mit ihren Schwerpunkten in Teilchenphysik/ Astroteilchenphysik, Physik der kondensierten Materie und Atmosphärenphysik unterscheidet sich deutlich von dem der Nachbaruniversitäten. Die Nähe zu den anderen Fachbereichen erleichtert die fachliche und curriculare Zusammenarbeit. So sind über den Diplomstudiengang Physik hinaus eine Reihe interdisziplinärer Studiengänge mit der Mathematik, Chemie und Elektrotechnik in Planung. Die Mathematikausbildung Prüfstein für jeden Studienanfänger in Physik erfolgt in enger Zusammenarbeit zwischen Physikern und Mathematikern. Aus der Tradition des erfolgreichen Studiengangs zum Diplomphysikingenieur, der dem Übergang zur Universität zum Opfer gefallen ist, bietet das Physikstudium auch einen Studienschwerpunkt in angewandter Physik. Gestützt auf die langjährige Erfahrung im Bereich der Brückenkurse für Fachoberschulabsolventen werden vom Fachbereich auch spezielle Vorkurse in Mathematik angeboten, um den Erstsemestern den Übergang von der Schule zur Universität zu erleichtern. Dies ist insbesondere dann eine große Hilfe, wenn das Abitur schon mehrere Jahre zurückliegt. Eine Hilfestellung seitens der Universität sowohl für Studienfrischlinge als auch für Fortgeschrittene ist also gewährleistet? Paul: Auf jeden Fall. Wegen der überschaubaren Anzahl von rund 350 Physikstudenten kann die Bergische Universität Wuppertal auf ein sehr gutes Betreuungsverhältnis verweisen. Die Professoren und Assistenten sind leicht erreichbar, es gibt genügend Plätze in den Praktika und bei der Betreuung in kleinen Übungsgruppen kann auf die individuellen Probleme und Bedürfnisse der Studierenden eingegangen werden. Außerdem liegen die wissenschaftlichen Labore alle dicht beieinander und die Zentralbibliothek befindet sich auch in der unmittelbaren Nachbarschaft des Fachbereichs. 8

9 Als Schüler eines neusprachlichen Gymnasiums in Bonn galt das eigentliche Interesse von Lorenz Paul zunächst den Sprachen, besonders der französischen. Erst eine Arbeitsgemeinschaft Chemie mit einer Reihe praktischer Versuche in der Oberstufe weckte bei ihm die naturwissenschaftliche Experimentierfreudigkeit. Bei Studiumsantritt an der Universität in Freiburg war es dann das physikalische Praktikum, welches Paul den letztendlichen Anstoß gab, sich für ein Physikstudium zu entscheiden. Mit einem Auslandsstudium gelang es ihm schließlich, das sprachliche und physikalische Interesse unter einen Hut zu bringen. Er studierte in Genf und Paris, wo er auch sein Diplom in Elementarteilchenphysik ablegte. Seine Doktorarbeit, die er am Deutschen Elektronensynchrotron DESY in Hamburg erstellte, führte ihn später zurück nach Genf (CERN) und Paris (SACLAY). Nach einer anschließenden Assistententätigkeit an der RWTH Aachen wurde Paul als Professor nach Wuppertal berufen. Das klingt nach heiler Welt und beschaulichem Studieren. Wann trauen sich die Studenten denn raus aus ihrem Elfenbeinturm? Paul: Die Zeiten des Elfenbeinturms sind längst vorbei. Sie müssen sich die Arbeitsweise des Physikers vielmehr so vorstellen: Die physikalischen Fragestellungen sind im Allgemeinen so komplex geworden, dass die zu ihrer Beantwortung notwendigen Experimente oft nur noch im Rahmen von Großprojekten an einer der internationalen Großforschungseinrichtungen durchgeführt werden können. Die dabei beteiligten Wissenschaftler schließen sich auf nationaler und internationaler Ebene zu großen Forschungsteams zusammen. Dies gilt vor allem für die Teilchen- und Astroteilchenphysik, aber auch in der Festkörperphysik hält diese Arbeitsweise immer mehr Einzug. Entsprechend ist das klassische Physiklabor vielerorts von Entwicklungsund Analyselaboren abgelöst worden, in denen neue Technologien für ihren Einsatz im Großexperiment untersucht werden. Hier erwirbt der Physiker dann auch so ganz nebenbei das, was man heutzutage soziale Kompetenz nennt. Dazu zählt das Zusammenarbeiten in interdisziplinären Gruppen, sprich Teamfähigkeit, vernetztes Denken, das Darstellen seiner Ergebnisse, also Präsentationstechniken und vor allem Fremdsprachen, und natürlich Führungsqualitäten beim Anleiten von Doktoranden, Diplomanden und Technikern. Es existieren also Kooperationen mit anderen deutschen und ausländischen Universitäten und Institutionen? Paul: Ja, wir sind weltweit bei verschiedenen führenden Experimenten und Projekten dabei. Die Wuppertaler Teilchenphysiker z.b. sind an Experimenten an den Teilchenbeschleunigern CERN (ATLAS) sowie am FERMILAB in den USA (Experiment D0) beteiligt, wo sie mit mehreren hundert Wissenschaftlern zusammenarbeiten. Die Arbeitstreffen finden vielfach im virtuellen Raum über das Internet statt. Unsere Astroteilchenphysiker mit ihren großflächigen Detektoren lieben hingegen exotischere Orte wie La Palma (HEGRA), die argentinische» 9

10 INTERVIEW»Pampa (AUGER) oder den Südpol (AMANDA). Die Atmosphärenphysiker zieht es zu den Startplätzen von Ballons und Raketen (Schweden, Norwegen, Kennedy Space Center USA). Die Physiker im Bereich der Physik der Kondensierten Materie wiederum reisen zu den europäischen Synchrotronstrahlquellen (HASYLAB, ESRF, Grenoble) und den Neutronenreaktoren (ILL, Grenoble). Wird da die eigene Ausstattung des Fachbereichs mit wissenschaftlichen Großgeräten unwichtig? Paul: Nein, viele Messungen müssen wir natürlich schon in der Universität durchführen können. Der Fachbereich ist dazu gut ausgerüstet. Neben umfangreichen Laboren im Bereich der Oberflächenanalytik und der Supraleitung gibt es am Fachbereich ein Detektorlabor zur Entwicklung von Pixeldetektoren und ihrer optoelektronischen Auslese sowie ein zentrales Röntgenlabor zur Entwicklung spezieller Röntgenoptiken, welches natürlich auch anderen Fachbereichen zur materialwissenschaftlichen Analyse zur Verfügung steht. Darüber hinaus gibt es um den Parallelrechner ALiCE herum das fachübergreifende Computerlabor COMPASS, welches sich spezialisiert hat auf die Entwicklung neuartiger Algorithmen für paralleles Rechnen. Welche grundsätzlichen Aussichten haben Ihrer Meinung nach Physikstudentinnen und Studenten nach erfolgreichem Abschluss ihres Studiums auf dem Arbeitsmarkt? Paul: Es ist mittlerweile zu einer Binsenwahrheit geworden, dass die Berufsaussichten für angehende Physiker derzeit sehr gut bis hervorragend sind. Dies wird auch noch für einen langen Zeitraum so bleiben, da wegen der anstehenden Pensionierungswelle in den Forschungseinrichtungen sowie in der Industrie und Schule eine verstärkte Nachfrage zusammenfällt mit einem starken Rückgang der Studierendenzahl in den Natur- und Ingenieurwissenschaften. Die günstige Situation auf dem Arbeitsmarkt scheint sich so allmählich herumzusprechen, da bereits ein deutlicher Anstieg der Erstsemesterzahlen zu verzeichnen ist. Die äußerst günstigen Berufsaussichten gelten im Übrigen gleichermaßen für die Physikerinnen. Die Zurückhaltung der Frauen gegenüber der Physik ist aus fachlicher Sicht völlig unbegründet und eher in ihrem soziokulturellen Verhalten zu suchen. So wählen die Schülerinnen vielfach im naturwissenschaftlichen Bereich das Fach Biologie, was zu einer Biologenschwemme auf dem Arbeitsmarkt geführt hat. Ich möchte an dieser Stelle die Schülerinnen ausdrücklich ermutigen, sich für ein Physikstudium zu entscheiden, und ihnen raten, im Zweifelsfall von dem sich speziell an Schülerinnen richtenden Veranstaltungsangebot wie der Sommeruniversität oder dem girls day Gebrauch zu machen. Wie sehen Sie in diesem Zusammenhang den Stellenwert von zusätzlich erworbenen Qualifikationen? Paul: Hier ist an erster Stelle die Promotion zu nennen, die im wissenschaftlichen Bereich sowie für die Führungspositionen in den Unternehmen immer noch unverzichtbar ist. Die Habilitation ist derzeit für die Professorenlaufbahn an den Universitäten noch die Regel, doch mit dem neuen Rahmenhochschulgesetz wird sie an Bedeutung verlieren. Derzeit ist es rund Bei der Zusammenarbeit in interdisziplinären Gruppen lernt der Physiker so ganz nebenbei das, was man heute»soziale Kompetenz«nennt. 10

11 die Hälfte aller Diplomabsolventen, die sich für ein weiterführendes Promotionsstudium entscheidet. Die andere Hälfte geht als Diplomphysiker direkt in die Wirtschaft oder Industrie. In welchen typischen, aber vielleicht auch atypischen Berufsfeldern der Industrie, Hochschulen und Forschungseinrichtungen sehen Sie die Einsatzgebiete Ihrer Absolventen? Paul: Der Bedarf an Physikern ist vielfältig. Dies macht die Ausbildung nicht leicht. Zum einen wird er gesucht in seiner Tätigkeit als Spezialist auf seinem Arbeitsgebiet. In diesem Falle muss er promoviert sein. Andererseits wird er geschätzt als Generalist wegen seiner allgemeinen analytischen Fähigkeiten. Dann reicht ein Diplom oft aus, wobei das Spezialgebiet der Diplomarbeit als Übungsfeld eher von untergeordneter Rolle ist. Es ist kennzeichnend für die Physikausbildung, dass es ein einheitliches Berufsbild nicht gibt. Das mag auf den ersten Blick überraschend und nachteilig erscheinen, doch bei der Bewerbung erweist es sich als großer Vorteil. Inwiefern? Paul: Na ja, der Physiker wird allgemein geschätzt wegen seiner spezifischen Fähigkeit, komplizierte Verhalte auf einfache Modelle abzubilden und einer analytischen Behandlung zugängig zu machen. Die Rolle des systematischen Problemlösers wird bei der Bearbeitung der Diplom- und später Doktorarbeit eingeübt. Abgesehen von den klassischen Arbeitsbereichen in der Industrie als Laborphysiker oder Abteilungsleiter und in den Führungsebenen als Manager findet man den Physiker in allen möglichen Berufsfeldern. Das beginnt beim IT-Fachmann und Netzwerkspezialisten und geht über die Analysetätigkeit an Banken und Börsen bis hin zur Unternehmensberatung. Und auch in der Politik ist der eine oder andere Physiker zu finden. Sehen Sie in Ihrem Gebiet gerade im Hinblick auf den sich ständig wandelnden Arbeitsmarkt neue Schnittstellen zwischen Wissenschaft und Wirtschaft? Paul: Die bedeutendste Schnittstelle zwischen Hochschule und Wirtschaft sind die Absolventen. Über ihre Ausbildung in den Diplom- und Promotionsstudiengängen findet der Wissens- und Technologietransfer statt. Zunehmend wird jedoch mehr von der Politik als von der Industrie selbst ein neuartiger Abschluss gefordert, der an den Bedürfnissen von Wirtschaft und Gesellschaft nach einer möglichst breit und allgemein angelegten Ausbildung ausgerichtet sein soll: der Bachelor. Ziel ist nicht die wissenschaftliche Tiefe, sondern vielmehr die Vernetzung von Wissen, auf der man gegebenenfalls ein spezielleres Masterstudium aufbauen kann. Wie konkret sind diese Pläne? Paul: Das ist alles noch im Fluss. In Wuppertal planen wir zurzeit als Fachbereich Physik zusammen mit den Fachbereichen Mathematik und Chemie einen Bachelor mit zwei Fächern in beliebiger Kombination der Fächer Physik, Chemie, Informatik und Mathematik. Herr Paul, wir danken Ihnen für das Gespräch. Es ist kennzeichnend für die Physikausbildung, dass es ein eigentliches Berufsbild nicht gibt. 11

12 STUDIUM Vielfalt auf dem Plan Ab dem ersten Semester wechseln sich Theorie und Praxis immer wieder ab. Was bietet das Physikstudium? Von keiner Wissenschaft ist das vergangene Jahrhundert stärker geprägt worden als von der Physik. Auch wenn physikalische Fragen gegenwärtig ein wenig aus dem Fokus der öffentlichen Diskussion gerückt sind, so ist doch unbestritten: Die Physik bleibt die naturwissenschaftlich-technische Grundlagenwissenschaft schlechthin, gleichgültig, ob es sich beispielsweise um Biophysik, Materialwissenschaften oder Nanotechnologie handelt. Entsprechend ist das Physikstudium breit angelegt auf die Erarbeitung physikalischer Methoden und ihrer Anwendung in der wissenschaftlichen Praxis. Der physikalische Erkenntnisprozess verläuft vom gezielten Experiment über die theoretische Modellbildung bis hin zur mathematisch formulierten Gesetzmäßigkeit. Entsprechend sieht das Physikstudium neben den Kernbereichen der Experimentalphysik und der theoretischen Physik ein Basisstudium in Mathematik und in speziellen Experimentiertechniken vor. Darüber hinaus sind vertiefte Kenntnisse in den modernen Informationstechnologien unerlässlich, denn die modernen Großexperimente erfordern komplexe Rechnernetzwerke zur Auslese der Datenflut und ihrer nachfolgenden Analyse. Auch gehören die Zeiten der Vergangenheit an, wo theoretische Physiker als Ausrüstung lediglich Papier und Bleistift benötigten. Oft lassen sich nämlich die komplexen Fragestellungen nur durch sehr aufwändige Simulationsrechnungen lösen. Logisches Denken und Abstraktionsvermögen sowie die Fähigkeit, komplizierte Probleme zu analysieren und praktisch zu lösen, eröffnen dem Physiker ein breites Berufsfeld von der Forschung an Universitäten bis zur industriellen Tätigkeit, von den Großrechenzentren der Banken bis zur Unternehmungsberatung. Der Diplomstudiengang Physik Der Diplomstudiengang ist wie folgt aufgebaut: In einem viersemestrigen Grundstudium erfolgt die Ausbildung in Mathematik und in den Grundlagen der Experimental- und Theoretischen Physik. Ab dem zweiten Semester führen experimentelle Praktika in die Methodik des physikalischen Experimentierens ein und vermitteln den Umgang mit moderner Laborausrüstung. Hierzu gehört auch der Computer. Das Wahlpflichtfach gibt dem Studenten die Möglichkeit, alternativ zur Chemie systematische Kenntnisse im Programmieren und in der Informationstechnologie zu gewinnen. Das Grundstudium schließt ab mit der Vordiplomprüfung, welche vier mündliche Prüfungen in den genannten Fächern umfasst. Inhalte des sich anschließenden Hauptstudiums sind Atom-, Kern-, Elementarteilchen- und Festkörperphysik sowie Quantentheorie und Statistische Physik. Neben diesem Pflichtbereich gibt es ein weiterführendes ➊ ➋ ➊ Hören und Staunen: Szene einer Vorlesung ➋ Learning by Doing: Studentin im Praktikum ➌ Voneinander Lernen: Studierende im Computertheoretikum 12

13 Vorlesungsangebot, aus dem der Student seinen Neigungen und Interessen gemäß wählen kann. Hierzu gehören unter anderem Veranstaltungen aus dem Bereich der Computational Physics. Zur Vorbereitung der Diplomarbeit dient ein Projektpraktikum in drei verschiedenen Arbeitsgruppen, welches den Studenten mit den jeweiligen Forschungsthemen und den dazugehörigen Arbeitsmethoden vertraut macht. Der erste Teil des Hauptstudiums schließt ab mit je einer mündlichen Prüfung in Experimentalphysik und Theoretischer Physik. Mit der Wahl des Themas für die Diplomarbeit beginnt die Phase der Spezialisierung. Das Arbeitsgebiet der Diplomarbeit bestimmt auch das Schwerpunktfach, das durch zusätzliche Vorlesungen vertieft wird. Das Studium endet schließlich mit der Abgabe der Diplomarbeit und der mündlichen Prüfung im Schwerpunktfach. Da die experimentellen Forschungsprogramme zu einem erheblichen Teil auch an den erwähnten großen Forschungszentren durchgeführt werden, besteht für die Studierenden schon früh die Möglichkeit, die wissenschaftliche Praxis in großen Laboratorien kennen zu lernen. Die Promotion Für Diplomphysiker und Lehramtsanwärter der Sekundarstufe II besteht die Möglichkeit zur Promotion. Die Doktorarbeit wird wie die Diplomarbeit in der Regel innerhalb der bestehenden Forschungsgruppen durchgeführt. Sie dauert in der Regel zwischen drei und fünf Jahre. Die Forschungsgebiete sind: Teilchenphysik Astroteilchenphysik Röntgen- und Synchrotronstrahlung Hochtemperatursupraleitung Atmosphärenphysik Physik komplexer Systeme Computational Physics Chemische Physik Angewandte Physik. Das Lehramtsstudium Im täglichen Leben sind wir von einer Vielfalt unterschiedlichster technischer Geräte umgeben. Um davon sinnvollen Gebrauch zu machen und die damit verbundenen Risiken besser einschätzen zu können, bedarf es eines besseren physikalischen Verständnisses und damit verknüpft einer höheren Akzeptanz der Physik in der Gesellschaft. Der Fachbereich bemüht sich durch ein spezielles Schülerangebot, das Interesse an der Physik in der Schule zu wecken. Doch kommt die eigentliche Vermittlerrolle dem Physiklehrer zu. Leider ist es vielerorts aufgrund des mangelnden Schülerinteresses auch zu einem dramatischen Rückgang der Lehramtsstudenten im Fach Physik gekommen. Dies verschärft den bereits vorhandenen Lehrermangel dramatisch, so dass für die Zukunft ein erheblicher Bedarf an Physiklehrern zu erwarten ist. Der Fachbereich Physik bietet das ganze Spektrum der Lehrerausbildung an, von der Sek II-Stufe bis zur Primarstufe. Das Studium umfasst eine der jeweiligen Schulform adäquate Fachausbildung sowie ein auf die Vermittlung des schulischen Lehrstoffs ausgerichtetes Vorlesungsangebot. Hinzu kommt ein vom Fachbereich organisiertes Schulpraktikum, bei dem erste Einblicke in die Praxis des Unterrichtens und erste eigene Erfahrungen im Umgang mit Schülern gesammelt werden können. Das fachwissenschaftliche Lehramtsstudium für die Sekundarstufe l (7 Semester) und die Sekundarstufe II (9 Semester) ist in seinem Aufbau ähnlich strukturiert wie das Diplomstudium. Auf das viersemestrige Grundstudium, welches mit der Zwischenprüfung abschließt, folgt das Hauptstudium mit dem Examenssemester. Die fachliche Ausbildung für die Primarstufe (6 Semester) erfolgt in einem eigenen Studiengang.» Neue Studiengänge ➌ Neben den oben aufgezählten Einsatzbereichen des klassischen Diplomphysikers werden in Zukunft interdisziplinäre Berufe an Bedeutung gewinnen, wo weniger die fachliche Tiefe als die fachlich übergreifende Breite der physikalischen Kenntnisse gefragt ist. Dies führt dazu, dass neben den bewährten Diplomstudiengängen zunehmend modular aufgebaute Bachelor- und Masterstudiengänge angeboten werden, die auch den internationalen Bildungsaustausch erleichtern sollen. Zurzeit werden von den Fachbereichen Physik, Mathematik und Chemie gemeinsam die beiden englischsprachigen, interdisziplinären Masterstudiengänge Computer Simulation in Science sowie Materials Science vorbereitet, die auch deutschen Studierenden offen stehen sollen. Als weiteres Studienangebot ist ein zweifächriger Bachelor-Studiengang in Planung, bei dem die Fächer Physik, Chemie, Mathematik und Angewandte Informatik paarweise kombiniert werden können. Weitere Informationen zum Stand der Planung sind in den jeweiligen Dekanaten zu erfragen. 13

14 DANACH Federführend Als Wissenschaftsjournalistin vermittelt Olivia Meyer-Streng die Faszination Physik. Mit der Berufung die Welt in ihrem Innersten zu ergründen begann sie ihr Studium heute erklärt sie anderen, wie die Welt funktioniert: die in Wuppertal promovierte Diplom-Physikerin Dr. Olivia Meyer-Streng nutzt ihr physikalisches Know-how für die schreibende Zunft. Als Wissenschaftsjournalistin schlägt sie so die Brücke zwischen Wissenschaftlern und Laien. Die Begeisterung an der naturwissenschaftlichen Materie ist geblieben, und Erforschen wird durch Nachforschen ersetzt. Die Faszination an der Physik weckten bei Olivia Meyer-Streng populärwissenschaftliche Bücher, die die damals 16- jährige beim Durchstöbern der elterlichen Hausbibliothek fand. Nach langem Zaudern entschloss sie sich nach dem Abitur (1971) zum Studium der Physik (als Alternative kam Volkswirtschaft in Frage). Das Schöne an der Physik ist, dass es sich um eine exakte Naturwissenschaft handelt. Im Unterschied zur Mathematik befasst sie sich nicht mit gedanklichen Konstruktionen, sondern mit real existierenden Dingen, die man anfassen kann oder sich zumindest vorstellen kann anzufassen. Als Absolventin einer altsprachlichen Mädchenschule hatte die junge Physikstudentin in den ersten Semestern Defizite in technischen und mathematischen Kenntnissen sowie angesichts der überwiegend männlichen Kommilitonen im Skatspielen aufzuholen. Nachdem sie mit dem Vordiplom an der Technischen Universität Berlin die erste Hürde genommen hatte, setzte sie ihr Studium an der Universität Hamburg fort machte sie dort ihr Diplom auf dem Gebiet der Integrierten Optik. Noch im gleichen Jahr wechselte sie zur Bergischen Universität Wuppertal und arbeitete als Mitglied der PLUTO-Gruppe am Forschungszentrum DESY in Hamburg verfasste Olivia Meyer-Streng als Doktorandin von Professor Hinrich Meyer auf dem Gebiet der Elementarteilchenphysik ihre Doktorarbeit über Die Produktion Schwerer Leptonen. Im Anschluss an ihre Promotion arbeitete sie zwei Jahre als post-doc der Northeastern University in Boston (USA) am Forschungszentrum SLAC in Stanford. Weitere zwei Jahre forschte sie anschließend am europäischen Zentrum für Hochenergiephysik CERN in Genf (Schweiz) als Mitglied der UA1-Gruppe. Die Hochenergiephysik war von Anfang an global. Es war schon vor 20 Jahren nichts Ungewöhnliches, wenn in einer Gruppe Wissenschaftler aus mehreren Kontinenten forschten. Olivia Meyer-Streng Weil ihr auf die Dauer die Beschränkung auf ein enges Spezialgebiet nicht lag, beschloss die Doktorin Mitte der 80er Jahre, das Metier zu wechseln. Nach einem kurzen Zwischenstopp in der Wirtschaft wandte sie sich dem Wissenschaftsjournalismus zu. Den Weg dahin ebneten Praktika in den Wissenschaftsredaktionen von Deutsche Presseagentur, DIE ZEIT und Frankfurter Allgemeine Zeitung. Im Unterschied zu Absolventen anderer Fächer wie Medizin oder Jura ist es für den Physiker eher typisch, dass sein Beruf nur noch wenig mit seinem Studium zu tun hat. 14 Als Wissenschafts- und Fachjournalistin veröffentlicht sie seither in verschiedenen Tageszeitungen, Zeitschriften und Fachblättern Artikel, Interviews und Reportagen zu verschiedensten Themen des Sektors Wissenschaft und Politik. Erweitert wird das Spektrum ihrer Arbeiten durch Hörfunkbeiträge und Buchpublikationen wie Der Schlüssel zur Physik (gemeinsam mit Pedro Waloschek), die 1989 im ECON-Verlag und unter dem Titel Stichwort Physik 1991 im Knaur Verlag erschien.

15 Raumgreifend Cryo System Manager Rüdiger Hohn arbeitet international und interdisziplinär in der Raumfahrttechnik. Die Zusammenarbeit mit Industriefirmen und der amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA eröffnete Rüdiger Hohn (geb. 1960) eine berufliche Laufbahn im Bereich der Raumfahrttechnik. Seine Tätigkeiten sind hierbei überwiegend auf die Gewährleistung eines einwandfreien Einsatzes von Weltraumtechnik wie z.b. Satelliten ausgerichtet. Für Rüdiger Hohn stand schon in jungen Jahren fest, dass er Physik studieren wird. Als Studienneuling an der Bergischen Universität Wuppertal verschaffte er sich durch intensiven Austausch mit den älteren Semestern einen genauen Überblick vom Aufbau des Physikstudiums und über Details vom Anfängerpraktikum bis zur Diplomvorprüfung. Ein wenig unterschätzt hatte er nur den Anteil der zu besuchenden Mathematik-Vorlesungen, die ihn den direkten Zugang zur Physik nur schwer erkennen ließen. Ich habe mein Studium nicht mit einem konkreten beruflichen Ziel im Kopf begonnen. Im weiteren Verlauf seines Studiums entwickelte Rüdiger Hohn, beeinflusst durch sein persönliches Umfeld, eine gewisse Affinität zur Hochenergiephysik, die er somit zu einem Schwerpunkt seines Studiums machte. Im Rahmen der Diplomarbeit, für die er am Projekt CRISTA (beachten Sie hierzu die Seiten 20 und 21) in der Arbeitsgruppe Atmosphärenphysik mitarbeitete, setzte er dann den ersten Schritt in Richtung Raumfahrt. Da sich die Arbeit mit dem Thema der Messgenauigkeit von weltraumtauglichen Infrarot-Spektrometern befasste, ergaben sich hierbei einige Gelegenheiten für längere Aufenthalte in den USA (Cape Canaveral). Darüber hinaus arbeitete er zu dieser Zeit sehr eng mit amerikanischen Industriefirmen und der Raumfahrtbehörde NASA zusammen. Nach erfolgreichem Abschluss des Studiums entschied er sich dazu, weiterhin im Bereich der Atmosphärenphysik zu arbeiten. Ein konkretes Tätigkeitsfeld lässt sich hierbei nur schwer definieren, da sich je nach anfallendem Projekt oder Projektstatus immer wieder neue Anforderungen ergeben.» Ich glaube nicht, dass mein Job ein untypisches Berufsbild aufweist. Zumal ich auch gar nicht weiß, was nun das typische Berufsbild ist. Ich denke, man sollte wertfrei zwischen Physikern unterscheiden, die sich für Wissenschaft, Lehre und Forschung oder für eine Laufbahn in technischen Bereichen oder im Management entschieden haben. 15

16 DANACH» Raumgreifend Postwendend Gero Ritzenhöfer tauschte wissenschaftliche» Zurzeit arbeitet Rüdiger Hohn am Projekt Herschel (Infrarot Astronomie Satellit) als Cryo System Manager. Bei dieser Tätigkeit trägt er die Verantwortung für das suprafluide Helium-System des Satelliten. Vor diesem Projekt arbeitete er an verschiedenen Tests, den Startvorbereitungen und der In-Orbit-Inbetriebnahme der Nutzlast des XMM- Newton-Satelliten (Röntgensatellit) mit, der 1998 mit der europäischen Trägerrakete Ariane 5 von Kourou gestartet wurde. Von der klassischen Physik mit einem Fokus auf Computational Elementarteilchenphysik ausgehend wagte der 1996 in Wuppertal promovierte Dr. Gero Ritzenhöfer (geb. 1968) den Sprung in die Wirtschaft. Als Bereichs- und Großprojektleiter bei der Postbank Systems AG weiß er sein physikalisches Wissen effektiv für die Ökonomie des Unternehmens zu nutzen. Der typische Physiker existiert nur in den Köpfen derer, denen Physik eher fremd ist. In seinem Arbeitsumfeld gibt es neben ihm noch einige weitere Physiker, die in sehr unterschiedlichen Bereichen beschäftigt sind, in denen überall ein allgemeines technisches Verständnis und interdisziplinäre Zusammenarbeit gefragt sind. Bereits in der Schule äußerte sich bei Gero Ritzenhöfer durch die Wahl der Leistungskurse Mathematik und Physik ein starkes naturwissenschaftliches Interesse. Dieses sollte dann durch das Studium der Mathematik und der Physik mit dem Schwerpunkt auf Computational Elementarteilchenphysik an der Bergischen Universität Wuppertal vertieft und ausgebaut werden. Durch das sehr breit gefächerte Wissensspektrum, welches im Studium vermittelt wird, sowie die Methodik, Probleme anzugehen, finden sich für Physiker in den verschiedensten Bereichen der Industrie und vielen weiteren Branchen Einsatzmöglichkeiten. Zu Beginn meines Studiums war ich nicht zielgetrieben, sondern neugierig. Im Rahmen der Erstellung seiner Doktorarbeit stellten sich die Forschungsaufenthalte am Edinburgh Parallel Computing Center und der Universität Meiner Meinung nach gibt es keinen typischen Physiker. 16

17 Fragen gegen Managementthemen. Und landete bei einer Bank. La Sapiencia in Rom nicht nur als wissenschaftliche, sondern auch als soziokulturelle Bereicherung dar. Im Anschluss an seine Promotion 1994 arbeitete Gero Ritzenhöfer im Bereich EU-Projektmanagement in einem kleinen Start-up Unternehmen. Anschließend qualifizierte er sich bei der New Yorker Max Kade Stiftung als Max Kade Fellow (Stipendiat). Das Stipendium, welches nur an herausragende promovierte Wissenschaftler vergeben wird, ermöglichte ihm die einjährige Mitarbeit an Forschungsprojekten am Massachusetts Institute of Technology in Boston. Bei mir hat der Zufall funktioniert und die Offenheit, etwas Neues zu probieren. Von dort aus wagte er den Sprung in die Wirtschaft und arbeitete als Unternehmensberater bei McKinsey & Company bei Banken, Konsumgüterund Touristikunternehmen. notwendigen sozialen und strategischen Kompetenzen, die ihn durch learning by doing ins Management führten. Seither ist er nun als Bereichsund Großprojektleiter bei der Postbank Systems AG beschäftigt und verantwortet im IT-Sektor die Entwicklung des gesamten Middleware-Bereichs der Postbank. Als Linienmanager führt Gero Ritzenhöfer somit einen Teilbereich mit ca. 40 internen und ebenso viel externen Mitarbeitern, die für den Betrieb und die Weiterentwicklung der Postbank-Middleware-Systeme zuständig sind. Weiterhin ist er für drei Jahre als Großprojektleiter eines Gesamterneuerungsprogramms tätig, welches alle Vertriebskanäle der Postbank integrieren wird. Physik studiert man hoffentlich nicht, um später Management zu machen! Zwar schien für ihn als Physiker der Einstieg in die Strategieberatung schwer vorstellbar, aber unter den neuen Mitarbeitern fanden sich auch einige ihm bekannte Naturwissenschaftler, die ihm das nötige Vertrauen gaben, offen für neue, abwechslungsreiche und interessante Aufgabenbereiche zu sein. All diese Tätigkeiten im Wirtschaftsumfeld vermittelten dem Physiker die Die Bearbeitung der komplexen Inhalte dieser Arbeit, die Vielfalt der Aufgabenstellungen und die Flexibilität seines Arbeitsfeldes sind es, die dem gewachsenen Naturwissenschaftler das wirtschaftliche Berufsumfeld zur Herausforderung machen und dazu beitragen, dass er sich dort gut aufgehoben fühlt. Optionen zu haben ist mein berufliches Ziel, um meine nach wie vor große Neugier zu befriedigen. Die berufliche Position ist am Ende nur ein Hilfsmittel. 17

18 EXPERIMENTALPHYSIK ASTROTEILCHENPHYSIK Kosmische Strahlung aus den Tiefen Hochenergetische Teilchen aus dem Weltall treffen auf die Erde. Die in dieser kosmischen Strahlung vorkommenden Energien übertreffen die von Menschenhand herstellbaren Energien um viele Größenordnungen. An der Bergischen Universität werden gleichzeitig der Ursprung dieser Strahlung und die physikalischen Gesetze bei den höchsten Energien erforscht. Das Weltall ist durchdrungen von Strahlung: dem Licht der Sterne und der Mikrowellenstrahlung aus dem Urknall. In großer Entfernung erhellen gigantische Galaxien (AGN) den Raum. Manche haben in ihrer Mitte ein schwarzes Loch von 100 Millionen Sonnenmassen. Wie die Ringe um den Saturn kreist Materie um solch ein schwarzes Loch, erwärmt sich und stürzt herab. Ein Teil der Materie wird aber so sehr beschleunigt, dass er in zwei Strahlen senkrecht zu der Scheibe mit sehr hoher Energie die Galaxie verlassen kann. Protonen, Photonen und Neutrinos begeben sich so mit ultrahoher Energie auf den Weg zur Erde. Weist man die Teilchen nach, lernt man etwas über den Aufbau der Galaxien, die Geschichte des Universums und Physik bei großen Energien. Etwa einmal pro Quadratkilometer und Jahrhundert wird die Atmosphäre von solch einem Proton getroffen. Ein Schauer von sekundären Teilchen geht dann auf der Erdoberfläche nieder ➊

19 des Universums SkyView heißt ein von Wuppertal vorangetriebenes Großprojekt, das auf einem Gebiet von mehreren tausend Quadratkilometern nach hochenergetischen Protonen suchen soll. Diese Protonen lösen hoch oben in der Atmosphäre Elektronen-Lawinen aus, die dann über mehrere Quadratkilometer verteilt auf dem Erdboden auftreffen. Zum Nachweis sollen in Schulen Teilchenzähler aufgebaut werden. Sieht man in mehreren Schulen gleichzeitig ein Elektronensignal, wurden die Elektronen von einem solchen Proton ausgelöst. Schüler und Lehrer könnten hier mit geringem Aufwand an der Grundlagenforschung teilnehmen und Einblicke in das Universitätsleben gewinnen. AMANDA ist ein Teleskop, mit dem wir im klaren Eis des Südpols nach hochenergetischen Neutrinos suchen. Die Neutrinos wechselwirken nur sehr selten. Sie erreichen uns deshalb auch aus solchen Regionen der Galaxien, die kein anderes Teilchen verlassen kann. Will man sie nachweisen, braucht man aber aus diesem Grund auch sehr große Detektoren. Das Neutrino-Teleskop AMANDA besteht aus 680 empfindlichen Lichtverstärkern, die an langen Kabeln in das Eis in eine Tiefe zwischen 1,5 km und 2 km herabgelassen und eingefroren werden. Mit den Lichtverstärkern weist man das schwache bläuliche Licht nach, das nach Neutrino-Wechselwirkungen ausgesandt wird. Das Teleskop ist 0,1 Kubikkilometer groß. ➋ ➌ ➍ ➎ ➊ Die AGN 3C219. Überlagerung von einer optischen (blau) und einer Radioaufnahme (rot). Man sieht die Scheibe von der Seite (blau) und die Strahlen (rot). ➋ Die SkyView-Teilchenzähler werden in Fässern installiert und auf Schuldächern aufgebaut. ➌ Im Innern der Fässer befindet sich ein Lichtverstärker (unten), der Lichtblitze nachweist, die durch Elektronen in der Plastikscheibe (oben) ausgelöst werden. ➍ Mit heißem Wasser werden über 2 km tiefe Löcher in das Eis geschmolzen. Das Bild zeigt den schweren Bohrkopf, der den Wasserschlauch nach sich zieht. ➎ Einer der Lichtverstärker wird an einem Kabel in das noch offene Bohrloch herabgelassen und dann eingefroren. 19

20 EXPERIMENTALPHYSIK ATMOSPHÄRENPHYSIK Die Erdatmosphäre Garant für Lebensräume Zur Erforschung der Dynamik in der Erdatmosphäre entwickelte die Bergische Universität Wuppertal das Weltraumteleskop CRISTA. Die Erdatmosphäre ist immer noch unzureichend verstanden. Beispiele wie das Ozonloch oder das Klimaproblem zeigen, dass sowohl Grundlagenforschung als auch angewandte Forschung dringend erforderlich sind. So wurde CRISTA (CRyogene Infrarot Spektrometer und Teleskope für die Atmosphäre) geboren, ein Messgerät zur Untersuchung der Erdatmosphäre im Höhenbereich von 10 bis 150 km. CRISTA wurde im November 1994 und im August 1997 mit dem Space Shuttle der NASA in eine Erdumlaufbahn gebracht (Abb. 1) und hat von dort aus jeweils für eine Woche die Spurengasverteilung der mittleren und oberen Atmosphäre dreidimensional vermessen. Eingebaut in den Satelliten ASTRO-SPAS misst CRISTA mittels so genannter Fernerkundung die Infrarotstrahlung von mehr als 15 verschiedenen Spurengasen wie Ozon, CO 2, FCKWs, Stickoxiden und Methan. Durch das Verfahren der Horizontsondierung und durch die gleichzeitige Messung mit drei Teleskopen (Abb. 2) wird eine hohe räumliche Auflösung erreicht. Mit Hilfe von vier Spektrometern wird das Infrarotlicht zur Identifikation der Spurengase spektral zerlegt und von 26 infrarot- ➋ ➌ ➍ ➊ CRISTA am 12. November 1994 in 300 km Höhe über Brasilien ➋ Die Messgeometrie von CRISTA ➌ Das CRISTA-Instrument vor dem Einbau in den Satelliten ➍ Die globale Freon-Verteilung am 11. August 1997 in 24 km ➎ Ozonverteilung zwischen 40 und 90 km im August ➊

21 empfindlichen Halbleiter-Detektoren nachgewiesen. Die drei Teleskope und vier Spektrometer werden mit flüssigem Helium auf eine Temperatur von ca. minus 260 C gekühlt. Die gesamte Optik befindet sich in einem Kryostaten (vakuumdichter Kältemittelbehälter), der für die notwendige Betriebstemperatur sorgt (Abb. 3). Der Kryostat besitzt einen Haupttank mit einem Fassungsvermögen für 725 Liter überkritisches Helium sowie einen zweiten Tank mit 55 Litern Volumen für unterkühltes Helium zur Kühlung der Detektoren. Eine umfangreiche Elektronik überwacht und steuert das Messgerät, funkt Daten zum Erdboden und nimmt die Kommandos der Bodenkontrollstation auf. Am Beispiel von Freon 11, das aus Kältemitteln u.ä. stammt, lassen sich gut die Strömungen in der unteren Stratosphäre (d. h. von etwa 15 bis 25 km) verfolgen. Die Karte (Abb. 4) zeigt die CRISTA-Messungen am 11. August 1997 in 24 km Höhe. Aufgrund des Aufwärtstransportes gibt es am Äquator die höchsten Werte mit ca. 90 ppt (= 0, %). Von dort aus verteilt sich die tropische Luft langsam zu höheren Breiten, wo das enthaltene Freon durch die Sonneneinstrahlung in Chlor umgewandelt wird. (Chlor ist in den Polargebieten hauptsächlich für den Ozonabbau verantwortlich.) Der Lufttransport aus den Tropen heraus wird durch die so genannten tropischen Transportbarrieren behindert (entspricht etwa dem Rot-Gelb- Übergang in der Karte). Auswölbungen und Zungen (so genannte Streamer) können allerdings das Freon und auch das in den Tropen natürlich gebildete Ozon schnell zu höheren Breiten transportieren (siehe Pfeile). Wie dicht diese Transportbarrieren sind, ist Gegenstand aktueller Forschung. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt von CRISTA ist die so genannte Mesosphäre zwischen 50 und 100 km. Dieser Höhenbereich der Atmosphäre ist insbesondere interessant im Zusammenhang mit der weltweiten Klimaänderung, da vermutet wird, dass anthropogene Einflüsse auf das Klima bereits sehr früh in dieser Region sichtbar werden. Die CRISTA- Ozondaten bilden den bisher größten Datensatz von Ozon-Tag-und-Nachtmessungen in diesem Höhenbereich. Abb. 5 zeigt die Höhen-Breitenverteilung des Ozons im August Neben dem stratosphärischen Ozonmaximum bei 35 km, das die schädliche UV- Strahlung der Sonne absorbiert, und dem zweiten Ozonmaximum bei 95 km ist in den CRISTA-Daten erstmals die Existenz eines dritten Ozonmaximums bei 72 km (s. Pfeil) nachgewiesen worden. ➎ 21

22 EXPERIMENTALPHYSIK ANGEWANDTE PHYSIK Bildgebung und Bildverarbeitung Ein Blick hinter die Kulissen Physikalische Experimente sind nicht nur für die Grundlagenforschung wichtig. Auch angewandte und technische Fragestellungen werden von Physikerinnen und Physikern bearbeitet. Der Arbeitsbereich Angewandte Physik beschäftigt sich u.a. mit der Entwicklung neuartiger Verfahren der Bilderzeugung und -verarbeitung nicht nur für die Wissenschaft, sondern auch für Medizin, Industrie und Sicherheitstechnik. Die Projekte sind dabei häufig industrienah und interdisziplinär. Materialanalyse durch Röntgenstreuung Mit Hilfe von Röntgenstrahlung lässt sich der innere Aufbau von Gegenständen bildlich darstellen. Allerdings zeigt ein Röntgenbild nur die Form von Details innerhalb des Objektes und liefert kaum Information über das Material, aus dem diese bestehen. Bei vielen wissenschaftlichen und industriellen Fragestellungen sowie in der medizinischen Diagnose ist jedoch die Bestimmung des Materials, d.h. der chemischen Verbindung, im Untersuchungsgebiet von großem Interesse. Für die Anwendung ist dabei oft entscheidend, dass die Analyse zerstörungsfrei, d.h. ohne die Entnahme einer Probe, erfolgen kann. Die Lösung dieser Aufgabe ist Gegenstand eines der Projekte der Angewandten Physik in Wuppertal. Wie aus der Untersuchung von Kristallstrukturen an kleinen Proben seit langem bekannt ist, können Methoden der Röntgenstreuung zur Materialanalyse eingesetzt werden. Man verwendet dabei die Röntgenstrahlung, die nicht auf geradem Wege das Objekt passiert, sondern in diesem abgelenkt (gestreut) wird und schließt aus der Winkel- oder Energieverteilung dieser Strahlung auf das Material. Wendet man das Prinzip auf große Objekte an, so lassen sich Methoden zur zerstörungsfreien Materialanalyse entwickeln. Die enthaltenen chemischen Verbindungen werden dabei ohne Entnahme einer Probe durch Messung eines Streumusters wie durch einen Fingerabdruck identifiziert. Dies erlaubt z.b. die Erkennung von Sprengstoffen und Drogen in Reisegepäck, die Analyse von Kunstgegenständen oder den Einsatz in der industriellen Produktionskontrolle. Streuintensität Energie ➊ ➋ ➊ Röntgenstreumuster von Kokain. Durch Aufnahme solcher Muster lassen sich z.b. Sprengstoffe oder Drogen im Innern von Gepäckstücken nachweisen. ➋ Verteilung eines Korrosionsproduktes innerhalb eines archäologischen Fundstückes (Messerspitze). Auf diese Weise können wertvolle Gegenstände zerstörungsfrei analysiert und das Ergebnis als Bild dargestellt werden. 22

23 Automatisierter Vergleich medizinischer Bilder Im Rahmen medizinischer Untersuchungen an Patienten kommt es häufig vor, dass unterschiedliche tomographische Verfahren (solche, die Schnittbilder des menschlichen Körpers anfertigen können) angewandt werden. Dies rührt daher, dass man einerseits die Morphologie wie Knochen, Gewebe und Organe darstellen möchte, um einen möglichen Krankheitsherd aufzuspüren. Andererseits gilt auch den Funktionen wie Stoffwechsel oder Durchblutung im menschlichen Körper ein besonderes Interesse, da sich Krankheiten schon in einer fehlgeleiteten Funktion, aber noch nicht unbedingt in morphologischen Veränderungen äußern. Mit besonderen computergestützten Algorithmen wird versucht, die Bilder aus den unterschiedlichen Untersuchungen in ein direkt vergleichbares Format umzuwandeln, damit der Arzt die Möglichkeit erhält, viele Informationen gleichzeitig zu nutzen. Im Rahmen der gegenwärtigen Untersuchungen wird versucht, Qualitätskriterien für diese Bildvergleiche aufzustellen. Da die Aussagekraft der kombinierten Bilder wesentlich von der Güte des Bildabgleichs abhängt, gilt das Hauptinteresse der Erzeugung von Standardbildern, anhand derer man die verschiedenen Algorithmen bewerten kann. Optische Scanner für medizinische Anwendungen Viele phlebologische und lymphologische Erkrankungen des Menschen gehen mit Schwellungszuständen der Extremitäten einher. Einige der Krankheitsbilder, z.b. solche infolge insuffizienter Venenfunktion, treten sehr häufig auf und sind Volkskrankheiten. Zur Quantifizierung dieser Krankheiten und zur Überwachung der Therapie müssen geometrische Veränderungen der Extremität bis herab in den Prozentbereich nachgewiesen werden. Besonders bei großen Patientenkreisen sucht man dabei stets nach Verfahren, die nicht invasiv, also z.b. auch ohne Strahlenbelastung, arbeiten. Für diese Anwendungen wurden optisch arbeitende Scanner entwickelt, die zwei- und dreidimensional die Oberfläche der Extremität aufnehmen und die Daten rechnergestützt auswerten können. Die Bilder zeigen einerseits den Messrahmen des Systems mit den optischen Sensoren, die zur Abtastung über die Extremität geführt werden, und andererseits ein typisches Analyseergebnis. Im Beispiel sind die Oberflächenunterschiede bei unterschiedlich gespannten Oberschenkelmuskeln anstelle von krankhaften Schwellungen dargestellt. Das Bild erhält man, wenn man eine Aufnahme vor und nach der Muskelanspannung herstellt und die Veränderungen geeignet farbcodiert. ➌ ➍ ➎ ➌ Durch ausgewählte Bildverarbeitungsschritte lassen sich Bilder, die mit unterschiedlichen Methoden gewonnen wurden, ineinander umrechnen und vergleichen. ➍ Optischer Scanner zur Quantifizierung von Schwellungszuständen einer Extremität ➎ Darstellung der Oberflächenveränderungen bei Entspannung und Anspannung der Oberschenkelmuskeln Niederfeld-MR-Tomograph 23