Sandburgen, Staus und Seifenblasen E-Book

Oliver Morsch

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: Erlebnis Wissenschaft
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2012

Seitenzahl: 280

Beschreibung

Warum bilden sich Staus aus dem Nichts und lösen sich genauso unverhofft wieder auf? Warum fließt Sand und kann dennoch hart wie Beton sein? Die physikalischen Gesetzmäßigkeiten hinter diesen und anderen Ereignissen sind spannend zu entdecken.

Leseprobe

Erlebnis Wissenschaft bei WILEY-VCH

Audretsch, Jürgen (ed.) Verschränkte WeltFaszination der Quanten2002, ISBN 3-527-40318-3

Bartels, Cornelia / Göllner, Heike / Koolman, Jan / Maser, Edmund / Röhm, Klaus-Heinrich Tabletten, Tropfen und Tinkturen2005, ISBN 3-527-30263-8

Emsley, John Sonne, Sex und SchokoladeMehr Chemie im Alltag2003, ISBN 3-527-30790-7

Emsley, John Parfum, Portwein, PVC …Chemie im Alltag2003, ISBN 3-527-30789-3

Emsley, John Fritten, Fett und FaltencremeNoch mehr Chemie im Alltag2004, ISBN 3-527-31147-5

Froböse, Gabriele / Froböse, Rolf Lust und Liebe – alles nur Chemie?2004, ISBN 3-527-30823-7

Froböse, Rolf Mein Auto repariert sich selbstUnd andere Technologien von übermorgen2004, ISBN 3-527-31168-8

Genz, Henning Nichts als das NichtsDie Physik des Vakuums2004, ISBN 3-527-40319-1

Häußler, Peter Donnerwetter – Physik!2001, ISBN 3-527-40327-2

Koolman, Jan / Moeller, Hans / Röhm, Klaus-Heinrich (eds.) Kaffee, Käse, Karies …Biochemie im Alltag1998, ISBN 3-527-29530-5

Morsch, Oliver Licht und MaterieEine physikalische Beziehungsgeschichte2003, ISBN 3-527-30627-7

Morsch, Oliver Sandburgen, Staus und Seifenblasen2005, ISBN 3-527-31093-2

Quadbeck-Seeger, Hans-Jürgen / Fischer, Axel (eds.) Die Babywindel und 34 andereChemiegeschichten2000, ISBN 3-527-30262-X

Reitz, Manfred Auf der Fährte der ZeitMit naturwissenschaftlichen Methodenvergangene Rätsel entschlüsseln2003, ISBN 3-527-30711-7

Renneberg, Reinhard / Reich, Jens Liebling, Du hast die Katze geklont!Biotechnologie im Alltag2004, ISBN 3-527-31075-4

Schneider, Martin Teflon, Post-it und ViagraGroße Entdeckungen durch kleine Zufälle2002, ISBN 3-527-29873-8

Unger, Ekkehard Auweia Chemie!2004, ISBN 3-527-31238-2

Voss – de Haan, Patrick Physik auf der SpurKriminaltechnik heute2005, ISBN 3-527-40516-X

Zankl, Heinrich Fälscher, Schwindler, ScharlataneBetrug in Forschung und Wissenschaft2003, ISBN 3-527-30710-9

Zankl, Heinrich NobelpreiseBrisante Affairen, umstritteneEntscheidungen2005, ISBN 3-527-31182-3

Autor Oliver Morsch Università di Pisa Via Buonarroti 2 56127 Pisa Italien

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© 2005 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

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ISBN: 978-3-527-31093-7 ePDF ISBN: 978-3-527-64108-6 ePub ISBN: 978-3-527-64107-9 mobi ISBN: 978-3-527-64109-3

Inhaltsverzeichnis

titelseiteErlebnis Wissenschaft bei WILEY-VCHTitelImpressumDanksagungGeleitwortEinleitung1 - Das Geheimnis der ParanussVon flüssigem Sand und Schokolinsen2 - Kelvins BettfederDie komplexe Welt der Blasen und Schäume3 - Die StauprofessorenWarum Verkehr manchmal fließt und manchmal nicht4 - Die Macht der MengeVon Massenpanik und Trampelpfaden5 - Die unsichtbare HandVon Stadionwellen und Pendeluhren6 - Ising, Internet und IndianerDer Einfluss des Nachbarn und andere Mechanismen der Gesellschaft7 - Physik und BriefmarkensammelnEin EpilogLiteraturempfehlungenWeb-TippsLiteraturverzeichnisGlossarNamensregisterSachregister

Danksagung

Bücher haben die unangenehme Eigenschaft, nie wirklich fertig zu werden. Dass dieses Buch am Ende eines langen Prozesses doch noch das Licht der Welt erblickte, liegt nicht zuletzt an der geduldigen und verständnisvollen Betreuung durch meine Lektorinnen bei WILEY-VCH, Frau Gudrun Walter und Frau Waltraud Wüst.

Ein populärwissenschaftliches Buch über Themen zu verfassen, für die man nicht selbst Fachmann ist, macht das Schreiben gleichzeitig interessant und herausfordernd. Mein besonderer Dank gilt daher den Experten, die sich Zeit nahmen, um mit mir über ihre Arbeit zu sprechen: Heinrich Jaeger, Boris Kerner, Michael Schreckenberg, Stephen Morris, Troy Shinbrot, Robert Behringer, Tamás Vicsek, Stefan Hutzler, Walter Willinger und Kai Nagel.

Ebenso wichtig wie die Experten waren die »interessierten Laien«, die Teile des Manuskripts probegelesen und viele wertvolle Verbesserungsvorschläge gemacht haben. Insbesondere André Morsch, Armin von Ungern-Sternberg, Thomas P. Weber und Sandro Wimberger gebührt dafür Dank. Die Verantwortung für inhaltliche Fehler oder stilistische Ausrutscher in der endgültigen Fassung dieses Buches liegt selbstverständlich allein bei mir.

Lara Androvandi fotografierte die Experimente, Nicole Naumann half mir bei einigen Recherchen und brachte mir Studentenfutter nach Italien. Meinen Eltern und meinem Bruder danke ich für die Liebe und Unterstützung über all die Jahre.

Ein ganz besonderer Dank von Herzen geht schließlich an Matilde Colatosti, die mich ermutigt und ertragen hat, während ich dieses Buch schrieb. Grazie di cuore, Mati.

Geleitwort

Die Welt um uns herum besteht aus zahllosen atomaren Bausteinen, die als Festkörper, Flüssigkeiten oder Gase entweder in einem geordneten Zustand auftreten oder ungeordnet den Raum ausfüllen. Dass sich solche Vielteilchensysteme“ im Vergleich zu den einzelnen Bausteinen völlig anders und oft unerwartet verhalten können, hat vor allem die Physik gezeigt. Selbst in Systemen aus identischen Bausteinen ergibt sich aus der Wechselwirkung von vielen Teilchen ein besonderes kollektives Verhalten. So bestimmen kleine Unterschiede in der Anordnung derselben kugelförmigen Kohlenstoffatome, ob wir es mit weichem Graphit oder hartem Diamant zu tun haben. Und natürlich besteht ein Wassertropfen aus einzelnen H2O Molekülen, bekommt aber seine besonderen Materialeigenschaften aus der Koexistenz zig-tausender dieser Moleküle im selben Tropfenvolumen. Das wird schon im Sprachgebrauch klar: mit Wasser“ verbinden wir nicht die Eigenschaften einzelner Moleküle, sondern deren kollektiven Aggregatzustand. Ohne dass sich die Wechselwirkungen zwischen benachbarten Molekülen ändern, verhält sich Wasser wie eine Flüssigkeit bei Zimmertemperatur, verdampft aber durch Erhitzen oder gefriert in einen Festkörper, wenn die Temperatur tief genug sinkt.

Was passiert aber, wenn die Bausteine nicht mikroskopisch klein, sondern selbst aus vielen Atomen zusammengesetzt sind? Oder wenn die Bausteine gar nicht reale Teilchen sind, sondern virtuelle Knotenpunkte in einem Computernetzwerk? Gibt es in diesen Fällen immer noch Aggregatzustände, die sich wie Festkörper, Flüssigkeiten oder Gase verhalten? Oder passiert etwas völlig Neues? Diese Fragen sind genau einer der Ansatzpunkte dieses Buches.

Die meisten der Massenphänomene, die Oliver Morsch beschreibt, basieren auf solchen grobkörnigen“ Ansammlungen vieler Teilchen. Systeme dieser Art sind übrigens nicht selten. Ganz im Gegenteil, sie sind überall zu finden. Vor allem in den Grenzgebieten zwischen der traditionellen Festkörperphysik und neueren Richtungen, wie zum Beispiel der nichtlinearen Dynamik, granularen Physik oder Biophysik, sind sie eher die Regel als die Ausnahme. Und sie begegnen uns auf Schritt und Tritt im täglichen Leben. Morsch zeigt das mit Systemen wie Sand, Verkehr oder Schaum.

Es mag überraschen, dass Systeme, die sich aus vielen – oft mit dem bloßen Auge sichtbaren – makroskopischen Bausteinen zusammensetzen, Neuland für die Physik sind, während sich ihre mikroskopischen Verwandten oft mit Standardmethoden beschreiben lassen. Das liegt nicht zuletzt daran, dass in makroskopischen Systemen ein weites Spektrum neuen Verhaltens auftritt, mit dem sich die Physik erst in den letzten zehn, fünfzehn Jahren ernsthaft beschäftigt hat. Es ist ein Hauptanliegen dieses Buchs, einige dieser neuen Ansätze zu zeigen. Wie ein roter Faden ziehen sich deshalb auch zwei dazugehörende Stichworte, Komplexität und Selbstorganisation, durch die Kapitel.

Als wir Ende der 80-er Jahre in Chicago unsere ersten Experimente mit Sandlawinen begannen, hatten wir keine Ahnung, das wir zusammen mit weltweit vielleicht einer Handvoll Kollegen damit den Anstoß zu einem neuen Gebiet, der granularen Physik, geben würden. Aber Granulat wie Sand oder Saatgut ist nicht nur in der Industrie und Landwirschaft allgegenwärtig, es hat sich mittlerweile auch zum Paradebeispiel eines komplexen, nicht-thermodynamischen Systems gemausert. Sand, zusammengesetzt aus zig-tausenden Körnern, ist gewissermaßen eine makroskopisch vergrößerte Version atomarer Systeme (denken wir nur an die Kugelpackungen, mit denen wir in der Chemie und der Physik Moleküle beschreiben). Trotzdem aber verhält sich Sand weder wie ein ordentlicher Festkörper noch wie eine normale Flüssigkeit noch wie ein typisches Gas. Dabei ist es gar nicht nötig, eine komplizierte Wechselwirkung zwischen benachbarten Bausteinen anzunehmen. Schon aus kugelförmigen Bausteinen mit allereinfachsten Wechselwirkungen ergibt sich für das Gesamtsystem eine erstaunliche Bandbreite differenzierten Verhaltens. So entwickelt Sand Eigenschaften, die zwar manchmal festkörper- und manchmal flüssigkeitsähnlich sind, die man oft aber weder dem einen noch dem anderen Zustand zuordnen kann.

Für Physiker macht diese Kombination aus einfachen Bausteinen, simplen Regeln und komplexem Verhalten den Sand zu einer Metapher für eine ganze Reihe anderer Systeme. Diese können auch aus noch größeren Bausteinen bestehen, wie das zum Beispiel bei Verkehr der Fall ist. Umgekehrt hat sich in letzter Zeit herausgestellt, dass Erkenntnisse, die im Großen gesammelt wurden, neue Anstöße zum Verstehen des Kleinen geben können. Ein Beispiel dafür ist das Konzept des Jamming“, das ursprünglich entwickelt wurde, um das spontane Verkeilen von Granulat bei hoher Dichte zu erklären. Wahrscheinlich ist es aber auch auf eines der großen ungelösten Probleme der mikroskopischen Physik anwendbar, nämlich die Frage, warum sich sogenannte unterkühlte Flüssigkeiten wie Fensterglas, Polymere, Gummi oder auch viele magnetische Systeme so zähflüssig verhalten, dass man sie fast als Festkörper betrachten kann.

Oliver Morsch lädt mit diesem Buch zu einem Rundgang durch die Welt komplexer Systeme ein. Er schlägt dabei einen großen Bogen, der oft überraschende Einblicke zeigt und durch die Nebeneinanderstellung verschiedenster Systeme faszinierende Zusammenhänge sichtbar macht.

Chicago, März 2005

Heinrich JaegerProfessor für Physik, James Franck Institute,Universität Chicago undDirektor des Materials Research Center,Chicago

Einleitung

Als am 23. Januar 1998 das Space Shuttle Endeavour vom Kennedy Space Center in Cape Canaveral abhob, hatte es eine ungewöhnliche Last an Bord: eine Dose mit Sand. Diese war nicht etwa ein Andenken an den heimischen Badestrand, das ein Astronaut mitgenommen hatte, sondern Teil eines wissenschaftlichen Experiments. Eine Gruppe von Physikern wollte herausfinden, was mit Sand passiert, wenn man ihn langsam zusammendrückt. Vielleicht hätte man von einem mehrere Millionen Dollar teuren Experiment, das mit viel Aufwand in eine Erdumlaufbahn geschossen wird, etwas anderes erwartet: Versuche zur Zellteilung unter Schwerelosigkeit etwa, aus denen man neue Erkenntnisse über die Entstehung von Lebewesen gewinnen kann, oder Beobachtungen des Weltalls, die Aufschluss über seine Vergangenheit und Zukunft geben. Aber eine Dose mit Sand? Was gibt es da wohl zu untersuchen?

Mehr, als man denkt. Sand und andere Körner gehören zu einer Sorte von Stoffen, über deren Verhalten die Wissenschaft noch erstaunlich wenig weiß. Erstaunlich deshalb, weil körnige Materie so allgegenwärtig und uns wohl vertraut ist. Die meisten Menschen  – ob Wissenschaftler oder Laien – sind sicher überrascht, wenn man ihnen erzählt, dass sich auf der ganzen Welt Forscher sehr ernsthaft und intensiv damit befassen, wie sich Sand und Körner in den verschiedensten Situationen verhalten, als Füllung einer Sanduhr beispielsweise oder zu einer Sandburg geformt. Doch die Wahrheit ist: Es gibt da noch jede Menge zu entdecken und zu erklären.

Nicht nur bei Körnern & Co. haben die Forscher Wissenslücken. Seit einigen Jahren beschäftigen sich Physiker und Mathematiker mit Phänomenen, von denen man auf den ersten Blick gar nicht vermuten würde, dass diese Disziplinen für sie zuständig sind. Wer heute schon ein Bier getrunken oder Geschirr gewaschen hat, der ist bereits einem dieser Phänomene – dem Schaum – hautnah begegnet. Wenn es im Auto auf dem Weg zur Arbeit mal wieder nur im Schritttempo voranging, ist es vielleicht tröstlich zu wissen, dass Fachleute auf der ganzen Welt eifrig daran arbeiten, den Stau und seine Ursachen zu verstehen, um ihn so vorhersagen und, vielleicht, eines Tages vermeiden zu können.

Was all diese verschiedenen Dinge miteinander zu tun haben, wird deutlich, wenn man sich ansieht, woraus sie sich zusammensetzen. Sandhügel bestehen aus lauter kleinen Sandkörnern, Schäume aus vielen Bläschen, und in einem Stau versammelt sich eine ganze Menge Autos. So einfach es ist, die Flugbahn eines in die Luft geworfenen Sandkorns oder die Fahrtstrecke eines einzelnen Autos vorherzusagen, so schwer – und in vielen Fällen nahezu unmöglich  – ist es zu wissen, wie sich eine große Zahl dieser »Teilchen« verhalten wird, wenn sie sich gemeinsam auf engem Raum bewegen und dabei miteinander zusammenstoßen (oder, im Falle der Autos, einander ausweichen). Kurzum: Sobald man anstelle einer Seifenblase einen Schaum oder anstatt eines einzelnen Menschen eine Menschmenge im Fußballstadion betrachtet, hat man es auf einmal mit höchst komplexen Systemen zu tun. Für Wissenschaftler bedeutet komplex gleichzeitig interessant, und so sind aus der wissenschaftlichen Beschäftigung mit Sandhaufen und Verkehrsstaus gleich mehrere Forschungsdisziplinen entstanden, die in den vergangenen Jahren zu vielen spannenden Entdeckungen geführt haben. In diesem Buch werden wir uns einige davon ansehen.

Auf den folgenden Seiten geht also um Massenphänomene in den verschiedensten Spielarten. Zwei Ideen, denen wir bei all diesen auf den ersten Blick sehr verschiedenen Themen immer wieder begegnen werden, sind Selbstorganisation und Komplexität. Im Gegensatz zu Systemen, die »nur« kompliziert sind, zeichnen sich komplexe Systeme dadurch aus, dass in ihnen qualitativ Neues entsteht: Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile. Selbstorganisation schließlich ist eine Folge dieses komplexen Verhaltens, die zum Beispiel dazu führt, dass sich Sanddünen aus einzelnen Sandkörnern bilden oder in Bahnen organisierte Menschenströme aus einer ungeordneten Menschenmenge.

Komplexe Systeme sind in den letzten Jahren zu einem wichtigen Forschungsthema geworden. Der Physiker Stephen Hawking meint sogar, das 21. Jahrhundert werde das »Jahrhundert der Komplexität« sein. Dieses Buch will nicht nur eine (sehr vereinfachte) Einführung in einige komplexe Systeme geben, sondern vor allem neugierig machen. Die Systeme, um die es hier geht, sind uns allesamt aus dem Alltag vertraut und geben der Wissenschaft dennoch weiterhin Rätsel auf. Im Falle von Sand und Schäumen kann man sogar einige der Experimente, mit denen Physiker diese Stoffe untersuchen, zu Hause selbst nachstellen; mit Verkehr, Menschenmassen und dem World Wide Web haben wir sowieso tagtäglich zu tun. In diesem Sinne will dieses Buch Neugier wecken auf alltägliche Dinge, die oftmals seltsamer und weniger gut erforscht sind, als man glaubt.

Wer am Ende der Lektüre neugierig genug geworden ist, findet im Anhang eine Liste mit weiterführender Literatur zu allen besprochenen Themen. Beginnen wir nun aber endlich mit unserem Streifzug durch die faszinierende Welt der Massenphänomene. Am Anfang steht dabei wieder eine Dose – diesmal gefüllt mit Nüssen.

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Das Geheimnis der ParanussVon flüssigem Sand und Schokolinsen

Die letzten ungelösten Rätsel der Physik verbergen sich manchmal an den unscheinbarsten Orten – zum Beispiel in einer Dose mit Studentenfutter. Dort geschieht etwas, an dessen Erklärung sich Wissenschaftler seit Jahren die Zähne ausbeißen. Das Ganze hört sich harmlos an: Schüttelt man die Dose, so wandern mit der Zeit die dicksten Nüsse der Mischung nach oben, und die kleineren Nüsse und Rosinen sammeln sich am Boden. Ein simpler Effekt, wie es scheint. Können ein paar Cashewnüsse und Rosinen so schwer zu verstehen sein?

Abb. 1: Studentenfutter aus Rosinen, kleinen und großen Nüssen.

Dass die dicksten Brocken, in den meisten Fällen Paranüsse, nach kräftigem Schütteln aus einer gleichmäßigen Mischung an die Oberfläche steigen, wissen Lastwagenfahrer, die Nussmischungen über die holprigen Straßen Brasiliens (die Heimat der Paranuss) fahren, schon lange. Es scheint also ein recht alltägliches Phänomen zu sein. Wenn man aber ein wenig darüber nachdenkt (oder es selbst ausprobiert, wie in Experiment 1 beschrieben), beginnt man sich zu wundern: Warum sollte sich die Nussmischung durch Schütteln verändern? Wären die Paranüsse vorher obenauf gewesen und hätten sich durch das Schütteln mit den restlichen Nüssen vermischt, so wäre das einleuchtend gewesen. Aber andersherum? Und überhaupt, müssten die größten Nüsse nicht nach sinken, da sie doch schwerer sind als alle anderen? Damit sind wir auch schon mittendrin im Geheimnis der Paranuss.