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ÖSTERREICH JOURNAL NR. 121 / 02. 08. 2013 Wissenschaft & Technik Kleine Objekte strahlen anders Objekte, die kleiner sind als die Wellenlänge der Wärmestrahlung, können Wärme nicht effizient abstrahlen. Eine verallgemeinerte Strahlungstheorie wurde an der TU Wien experimentell bestätigt. Foto: TU WIen Eine ultradünne Glasfaser sendet Licht unterschiedlicher Wellenlängen aus. Mit Theorien, die über Plancks Strahlungsgesetz hinausgehen, läßt sich das präzise beschreiben. »Österreich Journal« – http://www.oesterreichjournal.at 88 Jedes Objekt um uns herum sendet Wärmestrahlung aus. Normalerweise läßt sich diese Strahlung sehr präzise mit dem Planck’schen Strahlungsgesetz beschreiben. Wenn allerdings das strahlende Objekt kleiner ist als die Wellenlänge der Wärmestrahlung, dann verhält es sich nach anderen Regeln und strahlt Energie nicht mehr effizient ab, wie ein Forschungsteam der TU Wien nun nachweisen konnte. Wichtig sind diese Erkenntnisse für das Wärmemanagement winziger Bauteile in der Nanotechnologie, aber auch für die Beschreibung von Mikropartikeln in der Luft, die unser Klima beeinflussen. Im Jahr 1900 gelang es dem Physiker Max Planck, eine Formel für die Wärmeabstrahlung von Körpern anzugeben. Er legte damit den Grundstein für die Quantenphysik. Seine Theorie beschreibt die Wärmestrahlung ganz unterschiedlicher Objekte – das Licht von Sternen, die Farbe glühender Schürhaken oder auch die unsichtbare Infrarotstrahlung, die man mit Wärmebildkameras aufnehmen kann. Doch schon Planck wußte: So vielseitig sein Gesetz auch ist, bei sehr kleinen Objekten scheitert es und eine allgemeinere Theorie muß verwendet werden. An der TU Wien wurde dieser Fall nun von Christian Wuttke und Prof. Arno Rauschenbeutel (Vienna Center for Quantum Science and Technology / Atominstitut) anhand von ultradünnen Glasfasern untersucht. Max Planck ging von Körpern aus, die jede Strahlung absorbieren. Wegen der Energieerhaltung sendet die Oberfläche des Körpers dann auch Strahlung aus – und zwar je nach Temperatur mit einer ganz bestimmten Wellenlängenverteilung, die sich nach Planck genau vorhersagen läßt. „Wenn das Objekt aber kleiner ist, als die typische Weglänge, auf der es zur Absorption der Strahlung kommt, dann sieht die Sache anders aus“, sagt Arno Rauschenbeutel. „Der Körper absorbiert dann die einfallende Strahlung nicht mehr vollständig, ein Teil kann durch ihn hindurchgehen.“ Dementsprechend gehorcht dann auch das Abstrahlungsverhalten nicht mehr Plancks Gesetz. Christian Wuttke und Arno Rauschenbeutel schickten Licht durch ultradünne Glasfasern mit einer Dicke von nur 500 Nanometern. Dabei wurde gemessen, wie viel Lichtenergie in Wärme umgewandelt und dann an die Umgebung abgestrahlt wurde. „Wir konnten zeigen, daß die Fasern viel länger brauchen, um ihre Gleichgewichtstemperatur zu erreichen, als man aufgrund einer unbedarften Anwendung der Planck’schen Strahlungsformel erwarten würde“, sagt Arno Rauschenbeutel. „Allerdings zeigt sich eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit der allgemeineren Theorie der Fluktuations-Elektrodynamik, in der man Geometrie und Größe des Körpers genau berücksichtigen kann.“ Die Forschungsgruppe von Arno Rauschenbeutel verwendet ultradünne Glasfasern auch zur Übertragung von Quanteninformation. In diesem Zusammenhang ist es sehr wichtig, genau über das Wärmeverhalten der Glasfasern Bescheid zu wissen: Ein langsameres Abkühlen bzw. ein geringerer Wärmetransport bedeutet auch eine größere Gefahr des Durchbrennens, wenn man Daten durch die Faser senden will. Verallgemeinerungen des Abstrahlverhaltens jenseits von Max Plancks Formeln spielen aber auch in der Aerosolphysik eine wichtige Rolle, die sich mit winzigen Partikeln in der Luft beschäftigt: „Die Abstrahlung eines Stücks Kohle kann man perfekt mit Plancks Gesetz beschreiben, doch für feine Rußpartikel in der Atmosphäre läßt sie sich nur durch allgemeinere Theorien erklären, die wir in unserem Experiment nun weiter bestätigen konnten“, erklärt Arno Rauschenbeutel. •
ÖSTERREICH JOURNAL NR. 121 / 02. 08. 2013 Wissenschaft & Technik Kakadus wissen, was im Verborgenen geschieht Wie wissen Menschen, daß Kekse immer noch existieren, obwohl sie im Küchenkasten vorübergehend nicht sichtbar sind? Und warum wissen wir, wann und wo ein Auto, das in einem Tunnel verschwunden ist, wieder erscheinen wird? Die Fähigkeit, die Bewegung von Objekten zu verfolgen, die vorübergehend außer Sicht sind, ist geistig anspruchsvoll. Ein internationales Team um Alice Auersperg vom Department für Kognitionsbiologie der Universität Wien zeigt, daß die „Objekt-Permanenz“ von Goffini-Kakadus ähnliche Ausmaße erreicht wie die von Menschenaffen oder vierjährigen Kindern. Diese Ergebnisse sind aktuell im renommierten wissenschaftlichen Fachjournal „Journal of Comparative Psychology“ erschienen. Der französische Psychologe Jean Piaget entwickelte in den 50er Jahren verschiedene Tests, um das räumliche Gedächtnis und die Verfolgungsfähigkeiten von Kindern und Tieren zu messen: In ursprünglich unsichtbaren Verschiebungsaufgaben wird die Belohnung unter einem kleinen Hütchen hinter einer oder mehreren größeren Verdeckungen vorbeibewegt. Zwischen den Besuchen der Verdeckungen wird das Hütchen kurz hochgehoben: Wenn es leer ist bedeutet das, daß die Belohnung hinter der letzten Verdeckung versteckt sein muß. Kinder lösen diese Aufgabe mit etwa zwei Jahren, während bei Primaten bisher nur die großen Menschenaffen überzeugende Ergebnisse lieferten. oben: Woher wissen wir, daß etwas noch da ist, obwohl wir es gerade nicht sehen können? Volle Objekt-Permanenz, eingeschlossen unsichtbarer Verschiebungen durch Raum und Zeit, braucht bei Kindern Jahre um sich zu entwickeln. rechts: Schematische Präsentation der unsichtbaren Verschiebungsaufgaben: In regulären, unsichtbaren Verschiebungen nach Piaget wird die Belohnung unter einem Hütchen hinter größere Verdeckungen bewegt. In Transpositionen werden mehrere Hütchen miteinander ausgetauscht, unter einem der Hütchen findet sich die Belohnung. In Rotationen werden die Hütchen auf einer Plattform in verschiedenen Winkeln (90°, 180°, 270° und 360°) rotiert und in Translokationen wird das Versuchstier um die Hütchen herumgetragen und in verschiedenen Winkeln dazu entlassen. Grafik: Alice Auersperg Foto: Alice Auersperg 89 »Österreich Journal« – http://www.oesterreichjournal.at
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Ausg. Nr. 121 • 2. August 2013 Un
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