Physik Journal 11 / 2011

Wasser bedeckt etwa 70 Prozent der Erdoberfläche. Schon die enorme Größe der Ozeane macht deutlich, dass sie ein wichtiger Teil des Klimasystems sind. So absorbiert Wasser den größten Teil der Sonneneinstrahlung und speichert die Wärme. Strömungen verteilen die Wärme, bevor sie wieder an die Atmosphäre abgegeben wird. Die Weltmeere sind ständig in Bewegung: Die variierende Sonneneinstrahlung, die vom Äquator zu den Polen abfällt, sowie die Gravitationskräfte von Sonne und Mond treiben eine Fülle von kleinen und großen, schnellen und langsamen Strömungen von der Oberfläche her an. Die Erdrotation beeinflusst die Richtung der Strömungen.
Der Golfstrom im Nordatlantik ist wohl die bekannteste oberflächennahe Meeresströmung. Bei 38° nördlicher Breite transportiert er rund 90 Millionen Kubikmeter pro Sekunde nordwärts (das sind 90 Sv; 1 Sverdrup = 106 m3/s), während er nur etwa 100 km breit und 800 m tief ist. In allen großen Ozeanbecken und auf beiden Halbkugeln existieren Ströme mit ähnlichen Strukturen (Abb. 1). Auffallend sind starke polwärts gerichtete Ströme, die in den mittleren Breiten am westlichen Ozeanrand auftreten. Diese westlichen Randströme sind hauptsächlich für den Wärmetransport der Ozeane von den Tropen in die höheren Breiten verantwortlich. Strömungen dieser Art entstehen vor allem durch den Wind und beschränken sich auf die oberen 500 bis 1000 Meter des Ozeans. ....

Unsere alltägliche Erfahrung lehrt uns, dass der uns umgebende Raum dreidimensional ist. Dies belegen auch die Gültigkeit der Newtonschen Mechanik und Gravitationstheorie. Doch leicht lässt sich klar machen, dass die so beobachtete Dimensions­zahl eine Illusion sein könnte: Während drei Raumdimensionen unendlich ausgedehnt sind, könnte eine weitere Dimension auf einem kleinen Kreis „aufgerollt“ existieren (Abb. 1). An jedem Punkt unserer Welt gäbe es eine vierte Richtung, in die wir jedoch nicht eindringen können. Wie groß dürfte eine solche versteckte Dimension sein? Um dies zu beantworten, konzentrieren wir uns zunächst auf reine Gravitationsexperimente. Dies ist vernünftig, da die Gravitationskraft durch Vibrationen des „Raumes an sich“ übertragen wird. Sie ist damit die einzige Kraft, welche die Form des Raumes ganz unverfälscht „sieht“. Die Gravitation lässt sich bei kleinen Abständen durch hochpräzise mechanische Labor-Experimente testen, die nach Abweichungen vom Newtonschen 1/r2-Verhalten der Kraft suchen. Die bes­ten so erzielten Ausschlussgrenzen entsprechen einer maximalen Größe der versteckten Dimensionen von rund 0,04 mm und stammen von Experimenten mit Torsionswaagen der Gruppe von Eric Adelberger an der Universität von Washington [1]. ...

''Wenn in einer Sintflut alle wissenschaftlichen Erkenntnisse zerstört würden und nur ein Satz an die nächste Generation von Lebewesen weitergereicht werden könnte, welche Aussage würde die größte Information in den wenigsten Worten erhalten? Ich bin davon überzeugt, dass dies die Atomhypothese wäre“, meinte Richard Feynman. Das Atomkonzept der Materie und die Atom­modelle gehören unbestritten zu den großen Meilensteinen des naturwissenschaftlichen Weltbilds. Allerdings ist es schwierig, Schülerinnen und Schüler an die modernen physikalischen Atomvorstellungen heranzuführen.
Außerhalb des Physikunterrichts – z. B. im Fernsehen oder in populärwissenschaftlichen Artikeln – sind Atome relativ einheitlich dargestellt: Kleine farbige Kügelchen bewegen sich um einen Kern und kreisen oft planetengleich auf festen Bahnen. Dieses Modell ist zwar sehr einprägsam (Abb. 1), gibt aber 100 Jahre alte physikalische Vorstellungen wieder. Ein zeitgemäßer Physik­unterricht darf bei diesem Modell nicht aufhören. Lehrerinnen und Lehrern, die in der Sekundar­stufe I Physik unterrichten, stellt sich daher die Frage: Was ist ein zeitgemäßes Atommodell, das sich als Einstieg in der Sekundarstufe I eignet und dennoch den Weg zu den Modellen der Sekundarstufe II und der Hochschule bereitet?
In dieser Hinsicht haben sich auch die curricularen Vorgaben gewandelt: In den Physik-Bildungsplänen der 70er-Jahre galt das Bohrsche Atommodell als Quasi-Standard für die Sekundarstufe II. Inzwischen verlangen die Bildungspläne jedoch ein aktuelles, quantenphysikalisches Atommodell. Frühere Modelle spielen höchs­tens im historischen Kontext und unter Betonung ihrer Grenzen eine Rolle. In Baden-Württemberg z. B. sind sie vollständig aus dem Physik-Bildungsplan verschwunden – zugunsten einer „zeitgemäßen Atomvorstellung“ (Sek I) bzw. einer „quantenphysikalischen Modellvorstellung“ (Sek II). Mit diesen Veränderungen geht eine Diskussion geeigneter didaktischer Reduktionen für Atommodelle einher, die für die Sekundarstufe II noch nicht abgeschlossen ist und für die Sekundarstufe I gerade erst begonnen hat. ...