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News: Nochmal ganz von vorne

Hin und her, hin und her, hin und her... Pendeluhren können beruhigend oder nervig sein, je nach Gemütszustand des Betrachters. Der gerade von einer Krankheit genesende holländische Physiker Christiaan Huygens war anscheinend in der Stimmung, sich zu wundern: Ihm fiel auf, dass zwei seiner Uhren stets ein synchronisiertes Schwingungsmuster suchten. Rund 335 Jahre später setzen Wissenschaftler seine Untersuchungen mit einem modernen Nachbau im Labormaßstab fort. Sie hoffen, aus dem Verhalten der guten alten Zeitmesser mehr über Oszillationen in hochmodernen elektronischen Schaltkreisen zu lernen.
Es ist nicht ganz einfach zu entscheiden, wer vor dem größeren Problem stand: Christiaan Huygens oder seine modernen Nachfolger. Erst 1656 hatte der holländische Astronom und Physiker die Pendeluhr patentieren lassen und dachte daher eigentlich, er kenne sich mit dem Gerät aus. Doch die Beharrlichkeit, mit der zwei seiner Zeitmesser immer wieder zu einem synchronisierten Schwingungsmuster fanden, konnte er sich acht Jahre später nicht erklären. Immerhin gelang es ihm, einige Erklärungsmöglichkeiten auszuschließen, darunter die Annahme, dass Luftströmungen als koppelndes Glied wirken. Er gelangte schließlich zu der Ansicht, die Pendel verursachten eine nicht wahrnehmbare Bewegung der Holzdielen und stünden so miteinander in Kontakt. Eine beachtliche Geistesleistung, zumal die Wissenschaft noch rund 20 Jahre auf Newtons Gesetze der Mechanik warten musste.

Die Physik bereitete Kurt Wiesenfeld vom Georgia Institute of Technology und seinen Mitarbeitern deutlich weniger Probleme – sie kämpften vielmehr mit sprachlichen Schwierigkeiten. Huygens hatte seine Beobachtungen in einem Brief an seinen Vater aufgezeichnet. Damals war unter Forschern Latein in Mode, heute lesen und schreiben Wissenschaftler hingegen lieber in Englisch. Wiesenfeld bat also die Linguistin Heidi Rockwood um Hilfe. Doch da Huygens nicht die strengen Autorenrichtlinien heutiger Zeitschriften gewohnt war, klafften große Lücken in seinen Beschreibungen. In mühevoller synergetischer Zusammenarbeit und mit vielen "könnte es nicht folgendes bedeuten?" erkannten Wiesenfeld und Rockwood schließlich, dass der Brief nicht nur von einem, sondern von zwei verschiedenen Experimenten erzählt. Doch damit nicht genug: "Man kann ein paar Stücke davon zu fassen kriegen, aber dann weiß man nicht, was in die Lücken gehört", sagt Wiesenfeld. "Je mehr man darüber nachdenkt, umso mehr andere Möglichkeiten fallen einem ein."

Das Ergebnis der interdisziplinären Detektivarbeit ist eine Modellversion von Huygens Wohnzimmerversuch. Sie besteht aus zwei federgetriebenen Pendeluhren, die an einer Holzplattform mit zusätzlichen Metallgewichten befestigt sind. Das Ganze kann sich auf Rädern entlang einer Metallschiene in einer Dimension frei bewegen. Trotz des kleineren Maßstabs sind die Verhältnisse der Massen und Größen wie bei dem holländischen Vorbild. Und tatsächlich ticken sie auch mit einer annähernd gleichen Periodendauer.

Was Huygens mit Sicherheit nicht zur Verfügung stand, sind kleine Laser, mit deren Hilfe die amerikanischen Forscher peinlich genau jede Bewegung ihrer Pendel aufzeichneten, um sie anschließend am Computer zu analysieren. So konnten sie jede Einzelheit des Übergangs von einer unkoordinierten zur synchronisierten Schwingung verfolgen. Egal, von welchem Anfangszustand die Uhren starteten – sie spielten sich immer auf ein antiphasisches Ticken ein, die Pendel schwangen also in entgegengesetzte Richtungen. "Bewegungen in Phase können die kleine Plattform zum Wandern bringen", erklärt ein Mitarbeiter von Wiesenfeld. "Das entzieht dem System durch Reibung zwischen der Plattform und der Oberfläche, auf der sie sitzt, Energie." Bei antiphasischer Synchronisation heben sich die Wirkungen der Pendel dagegen auf, die Konstruktion bewegt sich nicht vom Fleck, und die Energie verbleibt im System.

Schon Huygens Pendel hatten sich entsprechend verhalten. Im modernen Labor konnten die Physiker aber ein bisschen mit den Parametern spielen. Sie veränderten die Masse der Plattform, indem sie Gewichte hinzufügten oder wegnahmen. "Je schwerer die Plattform ist, umso geringer fällt die Kopplung zwischen den beiden Uhren aus", erzählen sie. "Wenn die wirklich schwer ist, bewegt sich die Plattform gar nicht, es gibt keine Kopplung und keine Synchronisation. Ist sie auf der anderen Seite zu leicht, und es gibt zu viel Bewegung, dämpft dies die Energie der Uhren und führt zum 'Amplitudentod'." Gemeint ist damit der Stillstand eines oder beider Pendel. Vielleicht eine denkbare Ursache für widerspenstige Standuhren, die sich weigern, auf – im wahrsten Sinne des Wortes – schwankendem Parkett zu ticken.

Wiesenfelds Team richtet seine Aufmerksamkeit aber weniger auf Möbel als auf moderne elektronische Fragestellungen. Er hofft, neue Erkenntnisse zu gewinnen, die sich auf Oszillationen bei Josephson-Kontakten in Supraleitern übertragen lassen. "Die klassische Physik kann uns noch eine Menge beibringen", sagt er. Mal sehen, wann die Stunde seines Erfolges geschlagen hat.

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