CCC11 — Computer Crash Course 2011

4. März 2011 - 15:42 Uhr

Diese Woche war wieder der Computer Crash Course der Fachschaft Physik, in dem Erstsemester in angenehmer Atmosphäre alles nötige lernen, um in ihrem zweiten Semester Praktikumsprotokolle (vernünftig) mit dem Computer schreiben zu können. Der Kurs läuft über vier Tage jeweils von 9.00 bis 16.00 Uhr, ist komplett freiwillig und lockt trotzdem in jedem Jahr eine Menge Teilnehmer an.

Vormittags gibt es zwei Stunden lang Vorträge von Studenten für Studenten, nach einer Mittagspause jeweils eine Rechnerübung zu den Themen des Tages und anschließend einen weiteren Vortrag. Wie schon im letzten Jahr habe ich den Vortrag über das Plot-Programm gnuplot gehalten und die dazugehörige Übung ausgearbeitet. Diesen Vortrag möchte ich hier auch einer breiteren Öffentlichkeit zugänglich machen. Viel Spaß dabei!

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Nordlichter über Norddeutschland

17. Februar 2011 - 11:25 Uhr

Wir sind zwar nicht so richtig im Norden in Göttingen, aber trotzdem gibt es heute Abend evtl. Nordlichter am Stadthimmel [1]. Wieso das? Nordlichter sieht man doch nur in Schweden/Norwegen/etc.?!

Ja das ist richtig, allerdings gab es Montag den größten »Solar Blast« der letzten vier Jahre! Bilder davon gibt es hier, zwei Videos kann man sich hier und hier ansehen. Video 1 zeigt meist den Verlauf vor dem Blast, auf dem zweiten sieht man dann schon jede Menge Störungen, die der Blast (≡geladener Teilchenschauer) auf dem CCD hinterlässt [2]. Noch mehr – inklusive zeitlichem Verlauf – gibt es auf der Seite des entsprechenden Programms der NASA im STEREO Science Center.

Und: Es gibt einen »Wetterbericht« fürs Weltall, auch wenn es der höchst selten bis in die Tagesthemen schafft. Das Space-Weather-Prediction-Center gibt sogar eine Karte heraus, mit der man etwa abschätzen kann, ob man in den Genuss von Nordlichtern kommt. Die aktuelle Voraussage gibt es hier und die macht doch ein wenig Hoffnung, dass man selbst in Göttingen mal Nordlichter sehen könnte! Falls es heute Abend nicht klappen sollte, wird man morgen sicherlich hier jede Menge schöne Fotos finden.

[1] Vorausgesetzt es regnet nicht und man kann die Sterne sehen..
[2] Am besten man lädt die Videos runter und schaut sie sich »langsamer« an, dann sieht man mehr.

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Fortgeschrittenenpraktikum

1. Februar 2011 - 18:00 Uhr

Mittlerweile habe auch ich mein Fortgeschrittenenpraktikum fast abgeschlossen und möchte es hier kurz und kompakt zusammenfassen. Im Bachelorstudiengang Physik muss man in Göttingen üblicherweise im Semester 5 ein weiteres Praktikum absolvieren. Nach den 30 Versuchen des Grundpraktikums, hat man nun lediglich 5 zu absolvieren, die man sich zu Beginn des Semesters selbst aussucht [1]. Wie schon im Grundpraktikum, muss man natürlich auch hier Protokolle anfertigen, die nach Vorgabe etwa 8 Seiten reinen Text + Abbildungen und Tabellen enthalten sollten. Jedes Protokoll wird benotet und die Endnote errechnet sich aus den Einzelnoten per Mittlung. Für den ganzen Spaß gibt es dann 3 lächerliche Credit Points, was der Sache nicht im Ansatz gerecht wird [2]!

Ich habe mir die folgenden 5 Versuche ausgesucht:

  1. A4 Dunkle Materie in Spiralgalaxien :
    Warum braucht man Dunkle Materie? Was gibt es für Modelle und wie würden die entsprechenden Rotationskurven aussehen? Eines der Modelle an vorgegebene Daten anpassen und das Ergebnis interpretieren.
  2. H2 Helium-Neon-und Halbleiterdiodenlaser:
    Einen Helium-Neon-Laser aufbauen, kalibrieren und den Strahl hinsichtlich Spektrum, Polarisation, Leistung und Stabilität untersuchen. Anschließend das Spektrum eines Halbleiterdiodenlasers als Funktion der Temperatur aufnehmen, indem der Laser mit flüssigem Stickstoff abgekühlt wird.
  3. G2 Angewandte Magnetik und Gravimetrie über einer Basaltintrusion:
    Im »Gelände« ein Messprofil über die Basaltintrusion legen und daran entlang die Variation der magnetischen und gravitativen Feldstärke messen. Aus den Daten mit entsprechenden Modellen auf die Form der unterliegenden Gesteinsschicht, deren Abstand zur Oberfläche und die Dichte von Basalt schließen. [3]
  4. A2 Kosmische Entfernungsbestimmung:
    Die Entfernung zur Großen Magellanschen Wolke über die Variation in der Helligkeit bestimmter veränderlicher Sterne (Cepheiden → Periode-Leuchtkraft-Beziehung) bestimmen. Ergebnis: Zwischen der LMC und uns liegen etwa 59 kpc ≈ 190.000 Lichtjahre (Literaturwert: 51 kpc)!
  5. H1 Rastertunnelmikroskopie:
    Im Wesentlichen: Kennenlernen des Rastertunnelmikroskops und wie man damit arbeitet Die Messspitze selber anfertigen, eine Graphitprobe präparieren und darauf dann die Gitterkonstante und eine atomare Stufe auf der Oberfläche vermessen. (Klingt einfach, ist aber gar nicht so einfach!)

Eigentlich haben alle Versuche Spaß gemacht, wobei natürlich einige in der Auswertung und Diskussion der Ergebnisse »umständlicher« und aufwendiger waren als andere. Dem entsprechend war auch der Umfang der Protokolle verschieden und es schien mir doch stark von den eigenen Interessengebieten abzuhängen, ob man nun ständig 15 oder 20seitige Protokolle abzugeben hatte. So gesehen könnte man die einzelnen Versuche sicher ein bisschen besser auf einander abstimmen, wobei meine Kritik sich stärker gegen die Terminvergabe und die geringe Gewichtung in der Endnote richtet.

[1] Es sei denn die Vergabe findet online während der Semesterferien statt, man selbst befindet sich im Urlaub und kann nach der Rückkehr nur noch aus einem recht begrenztem Angebot wählen…
[2] 3 CreditPoints = 90 Stunden Arbeit d.h. es bleiben abzüglich 5 Stunden Versuchsdurchführung noch etwa 13 Stunden pro Protokoll übrig. Jetzt gibt es im Wesentlichen zwei Strategien: 1) Minimaler Aufwand und schlampiges Protokoll (3 Credits zählen ja so gut wie nicht in der Endnote), dafür aber auch wenig Wissensgewinn oder 2) Gewissenhaftes Arbeiten und vernünftiges Protokoll, dafür zwar großen Wissensgewinn aber auch überdurchschnittlich hoher Zeitaufwand (umsonst gibt es schließlich nichts…). Verfolgt man die zweite Strategie (und genau die damit verbundene Arbeitsweise sollte man doch im Praktikum lernen!), so ist man sehr schnell oberhalb dieser 13 Stunden! Das passt nicht wirklich zusammen, zumal es zu Beginn des Studiums meiner Meinung nach wesentlich zu hoch gewichtete Veranstaltungen gibt, die nicht viel über den Wissensstand zum Zeitpunkt des Bachelorzeugnisses aussagen.
[3] Dieser Versuch fand am 01.12 statt: Außentemperatur  10-12° unter Null und eisiger Wind. Um 8 Uhr morgens ging es an der Physik los, gegen 2 waren wir dann völlig durchgefroren wieder da. Mit im Gepäck: Jede Menge Messwerte, die man unter hohem körperlichen Einsatz erlangte und zu denen man ein völlig anderes Verhältnis entwickelte, als zu solchen, die im warmen Labor vom Computer aufgezeichnet wurden. Trotz allem war das eigentlich mein Lieblingsversuch, was nicht nur am Grillen in der Mittagspause lag 😉

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Scribes 0.4

29. Dezember 2010 - 13:30 Uhr

Es gibt eine neue, tolle, praktische und unglaublich angenehme Version des schlanken, schicken Texteditors Scribes! Jetzt denkt man natürlich erstmal: „Ein Texteditor? Was soll ich denn damit? Es gibt doch Word…“ Aber sobald man anfängt, am Computer wissenschaftliche Texte (mit LaTeX) oder Progrämmchen für den Hausgebrauch (beispielsweise in C/C++ oder Python) zu schreiben, muss man natürlich weg von Word und hin zu reinen Texteditoren. In dieser Umgebung hält man sich dann entsprechend länger auf und freut sich dementsprechend, wenn der Editor einem eine angenehme Arbeitsatmosphäre bietet.

Ich empfehle die Videos mal anzusehen, man sieht Scribes seine Fähigkeiten nämlich nicht unbedingt an! Der Entwickler versteht sich als „Digital Artist“, Code sei seine Ausdrucksform. Sehr zutreffend, wie ich finde, denn er gibt einem sogar ein Tool an die Hand, mit dem man schnell und einfach Plugins für Scribes schreiben kann (in Python). Auf Basis der vorhandenen Plugins hat man so schnell Funktionen geschrieben, mit denen man ein- oder mehrzeilige Kommentare in Latex und C/C++ zusätzlich zu den bereits vorhandenen Plugins für Python, Perl, etc. per Zeilenauswahl und Knopfdruck erledigt.

Wer da noch Emacs benutzt, ist selber schuld! Scribes hat alles, was man sich von einem Texteditor wünscht und sieht auch noch gut aus! Was will man mehr?

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Praktikum in der medizinischen Physik

28. Oktober 2010 - 19:07 Uhr

Ich habe die letzte Woche lang ein Praktikum in der medizinischen Physik auf der Strahlentherapie des Uniklinikums hier in Göttingen absolviert. Warum? Nun ja, ich hatte mal überlegt irgendetwas mit Medizintechnik zu machen, viel mehr als ein Gedanke war das bisher aber nicht. Deshalb wollte ich mir das Ganze mal LIVE ansehen, um in etwa abschätzen zu können, ob das etwas für mich ist. Zuerst fragen sich die meisten ja: Was macht ein Physiker im Krankenhaus?! Das weiß ich jetzt:

Als erstes bekommt der Patient auf der Strahlentherapie ein CT. Auf diesem Datensatz markieren dann die behandelnden Ärzte die sogenannten Zielvolumina für die Physiker, also die Bereiche in denen der zu bestrahlende Tumor sitzt. Jetzt macht sich der med. Physiker (MP) an die Arbeit, aus den CT-Daten ein 3D-Modell des Patienten und der zu bestrahlenden Strukturen zu berechnen und das Bestrahlungsgerät entsprechend zu kalibrieren. Da müssen Blenden für die grobe Begrenzung des Strahlungsfeldes gefahren werden. Das sogenannte MLC, ein System aus kleinen Lamellen, die ebenfalls als Blenden dienen, erlaubt eine noch feinere Abstimmung des Feldes. Hier gibt es natürlich allerhand gängige Methoden, auf die ich nicht alle eingehen kann, nachzulesen sind sie aber hier. Sind alle Einstellungen gemacht, wird auf Basis gewisser Beschleuigerdaten und dem CT-Datensatz eine Dosisverteilung berechnet, um auszuschließen, dass Risikoorgane wie beispielsweise die Lunge nicht zu viel Dosis abbekommen. Ist der Arzt einverstanden, muss der erstellte Bestrahlungsplan evtl. noch einmal mit einem Phantom (eine Messkammer, die die reale Dosisverteilung in der Ebene misst) verifiziert werden und anschließend kann der Plan zur Bestrahlung freigegeben werden (durch einen Physiker).

Im Rahmen der klinischen Routine besteht die Aufgabe des MP also in der Bestrahlungsplanung und der Verifikation der Bestrahlungspläne. Hinzu kommt die Betreuung der Gerätschaften: Fällt einmal eine Anlage aus, so ist der Physiker gefragt, diese schnellstmöglich und evtl. mit Telefonsupport des Herstellers wieder zum Laufen zu bringen. Da ist analytisches Denken gefragt! Außerdem gibt es Qualitätskontrollen, die in verschiedenen Abständen durchzuführen sind: Schließlich muss sichergestellt sein, dass ein Teilchenbeschleuniger, der auf Menschen gerichtet wird, jeden Tag so funktioniert, wie der Computer und der planende Physiker sich das vorstellen.

Gearbeitet wird im Schichtdienst und je nach Auslastung hat jeder MP auch noch eigene Projekte, die er an den Beschleuigeranlagen durchführt. Dabei kann es sich z.B. um Softwareentwicklung oder die Einführung neuer Messtechniken handeln.

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Fast Fourier Transform (FFT)

23. Oktober 2010 - 15:18 Uhr

Wie angekündigt, habe ich immer mal wieder an meinem Fouriertrafo-Projekt gearbeitet und bin am Anfang des zweiten Levels, der schnellen Fouriertransformation, angekommen. Und mit schnell meine ich hier richtig, richtig schnell! Ich habe wieder das Testsignal vom letzten Mal ausgepackt, an das Programm verfüttert und die Rechenzeit gemessen: 2,426 Sekunden!! Um das nochmal klarer zu machen: Ich erhalte jetzt in 0,1% der Zeit, die ich vor zwei Wochen benötigt habe, das selbe Ergebnis:

Das ist doch mal ziemlich praktisch! Jetzt kann man endlich alle Vorteile der Fouriertransformation auch auf großen Datensätzen nutzen.

Demnächst erkläre ich nochmal genauer, wie die FFT so funktioniert. Im Moment nur soviel: Die Anzahl Datenpunkte N muss eine Zweierpotzen sein, weshalb ich das Eingangssignal von 58014 Punkten auf 65536 = 2^16 Punkte mit Nullen gefüllt habe. Dann kann man nämlich die zu berechnenden Summen so geschickt zerteilen, dass man anstelle von etwa N*N Multiplikationen bloß N*log2(N) Stück benötigt. Setzt man mal große N ein und vergleicht die beiden Werte, so sieht man schnell ein, weshalb sich das Verfahren »Schnelle Fouriertransformation« nennen darf.

Implementiert habe ich das Ganze zur Zeit auch nur rekursiv, da die Programmstruktur da einfacher zu verstehen ist. Deshalb sind die nächsten Level:
– Iterative Implementierung der FFT
– Zweidimensionale FFTs
– evtl. Radix4 oder Radix8 (N ist 4er oder 8er Potenz –> noch mehr Multiplikationen sparen)

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Programmhinweis

19. Oktober 2010 - 19:14 Uhr

Ich möchte hier nur kurz auf einen Termin der besonderen Art hinweisen. Am kommenden Donnerstag (21.10.2010) wird es um 01:05 Uhr ein filmisches Wunderwerk auf Arte zu sehen geben. Dabei handelt es sich um den ersten Film mit Helge Schneider in der Hauptrolle: Johnny Flash

Dieses 1986 produzierte Meisterwerk der Filmgeschichte hat mittlerweile einen solchen Kultstatus erlangt, dass es nur noch auf VHS zu erwerben ist und auch das lediglich gebraucht. Der anschließend stolze Besitzer eines solchen Magnetbandes sollte sich allerdings im mentalen Zustand befinden, einen Wert von 50 Euro oder mehr dafür zu investieren.

Diesen Termin möchte man nicht verpassen!

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Diskrete Fouriertrafo

4. Oktober 2010 - 18:05 Uhr

Ich habe neulich aus Neugierde und ein wenig Langeweile mal eine Fouriertransformation in C++ implementiert. Erstmal natürlich eine ganz normal diskrete Fouriertransformation (DFT), die naiv alle auch nur möglichen Rechenoperationen ausführt. Ja ich weiß, das dauert je nach Menge der Datenpunkte auch schon mal länger, aber irgendwo muss man ja mal anfangen.

Vorhin habe ich das Progrämmchen dann mal auf den Extremprüfstand gestellt, d.h. ich habe es mit einem Audiosignal von ca. 1,3 sec Länge (58014 Datenpunkte bei einer üblichen Samplingrate von 44.100) gefüttert. Dann sollte es das Ganze einmal fouriertransformieren und anschließend aus den Transformationsdaten das Originalsignal wieder zusammen basteln. Eigentlich eine einfachere Aufgabe, wenn man die Signallänge von einer Sekunde bedenkt, gerechnet hat es aber original 35 Minuten! Aber jede davon hat sich gelohnt:

Next Level: Fast Fourier Transformation!

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Einsichten eines Paukenden

11. Juli 2010 - 19:08 Uhr

Ich lerne gerade Physik 4 Stoff für die Klausur am nächsten Montag und mir ist gewissermaßen eine Art Einsicht gekommen die ich hier anhand der Geschichte der Atomphysik kurz erläutern möchte. Dazu kopiere ich einfach (ich hab gerade nicht viel Zeit) meinen per ICQ geposteten Abriss des Ganzen:

(19:11:34) jul.icq: Boh! Atomphysik is doch echt mal ne riesengroße Zwiebel!
(19:11:55)
jul.icq: Willste das Wasserstoffatom beschreiben, machstes erstmal wie Bohr, dann merkste: vll sollte der Kern sich auch mal bewegen können..nagut machste halt ne Korrektur soweit, sogut!
(19:12:14)
jul.icq: Dann kommt Sommerfeld daher und macht so komische Ellipsen, ist ja im Sonnensystem auch so, muss also auch hier so sein!
(19:13:05)
jul.icq: Dann gehts aber los: H-Atom über Schrödingergleichung is ja mal sowas von oberhässlich! Ich sag nur: Kugelflächenfunktionen und Laguerre-Polynome! Aber mit dem gesammelten Abstraktionsvermögen steckt man das auch noch mit in die Tasche….“is halt so“
(19:14:00)
jul.icq: Merkste dann aber: Irgendwas hab ich noch vergessen….Miste–> l-Entartung aufheben und dabei mit Sommerfeld’schen Tauchbahnen argumentieren. Nagut…is ja ganz plausibel. Richtig herleiten will man das aber auch nicht..
(19:14:25)
jul.icq: Aber nee: Es fehlt immer noch was! Die doofen Elektronenheinis (bei uns in der Schule immer Blau gezeichnet) haben auch selber nen magn. Moment….das koppelt auch zu allem Überfluß noch an den Bahndrehimpuls!!
(19:14:50)
jul.icq: Kommt ne Feinstruktur bei rum, meinetwegen. Die kann man vll ja auch noch so messen mitm Spektrograph
(19:15:44)
jul.icq: Kommt son Dirac dahergelaufen und sagt: „Ja…das wusste ich auch alles und der Spin, der is ja wohl sowas von logisch, dass es den gibt, der steht schließlich hier in meinem Buch!“
(19:15:56)
jul.icq: Rechnet der das ganze sogar relativistisch durch!!
(19:16:20)
jul.icq: Beachte: wir sind immer noch beim Wasserstoff und den kannste noch nichtmal trinken!
(19:17:23)
jul.icq: Kommen dann um 1950 nochmal so zwei Leute angelaufen die denken: Lass doch mal den Schiet hier durch nen GHz-Magnetfeld jagen, das bestimmt total geil!
(19:17:46)
jul.icq: Die machen dann zusammen mit anderen so QED und sagen: „Ihr vorher, ihr seid ja alle sooo doof, hier guck mal, das habt ihr übersehen! Die Hα-Linie, das sind eigentlich 7! Sag mal braucht ihr ne Brille? Wusstet ihr nicht, dass nur die QED das Wasserstoffatom vollständig beschreibt?“
(19:18:06)
jul.icq: So jetzt haste vll die vertrocknete, labberige haut der zwiebel abgeschält.
(19:18:22)
jul.icq: und: Fängste direkt an zu weinen, is ja bei der Küchenzwiebel auch so…
(19:18:53) jul.icq: Wie gesagt…bloß einfacher Wasserstoff: ein Knubbel in der Mitte, ein Blaumann drum herum. Das noch lange kein BigMac oder nen Eichhörnchen!

[no offense!]

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Vortrag – Das anthropische Prinzip

1. Juli 2010 - 21:06 Uhr

Heute gab es um 17.15 im Hörsaal 2 einen Vortrag von Christoph Behrens zum Thema seiner Bachelorarbeit an der philosophischen Fakultät. Das Thema war, wie der Titel dieses Beitrages schon vermuten lässt, das anthropische Prinzip und damit für Physiker allgemein und Kosmologen im Speziellen interessant.

Es geht dabei um die Tatsache, dass physikalische Beobachtungen durch die Existenz des Beobachtenden und die dafür notwendigen Bedingungen eingeschränkt werden. Einer, der sich damit beschäftigte, war Brandon Carter und er formulierte das sogenannte schwache anthropisches Prinzip (WAP) folgendermaßen:

„We must be prepared to take account of the fact that our location in the universe is necessarily privileged to the extent of being compatible with our existence as observers.“

Diese »schwache« Version gilt also, ganz wie man es auch aus der Mathematik kennt, lokal. Es gibt auch noch die »starke« Version (SAP):

„The Universe (and hence the fundamental parameters on which it depends) must be such as to admit the creation of observers within it at some stage. To paraphrase Descartes, cogito ergo mundus talis est.“

Nach einer kurzen Einführung und der Arbeitsdefinition des Prinzips ging Christoph dann fast 1.5 Stunden lang — immer wieder erweitert durch schöne Analogien und kurze Diskussionen — etwas näher auf die physikalischen Bedeutungen und die begrifflichen Probleme ein. Ohne hier weiter darauf einzugehen[1], ging es um die Fragen

  1. Kann das anthropische Prinzip Vorhersagen machen?
  2. Kann es Erklärungen[2] liefern?
  3. Hilft es uns eventuell bei der Formulierung von Theorien?

Um etwa 18.30 ging es dann auf die Terasse der Cafeteria, wo genügend Sitzgelegenheiten und Erfrischungsgetränke für die sich anschließende Diskussionsrunde bereit standen. Neben Christoph war auch Prof. Dr. J. Niemeyer für die Göttinger Kosmologie anwesend und es wurde lebhaft und sehr interessant mit untergehender Sonne bis um etwa 20.15 diskutiert.

Nach dem ganzen Gerechne der Quantenmechanik-Vorlesungen des vierten Semesters[3] ging es endlich mal wieder um grundlegende Prinzipien in der Physik, die mich interessierten. Ein lohnender Abschluss eines sonst recht normalen Unitages — mehr davon!

[1] Leider habe ich keine Notizen gemacht, sonst könnte ich detaillierter Auskunft geben.
[2] In der Diskussion wurde unter anderem über diesen Begriff lange gestritten, ein Konsens bzgl.
seiner Bedeutung wurde aber meiner Einschätzung nach nicht erreicht;)
[3] Es geht irgendwie mehr um pures Rechnen, als um das Verstehen von »Wahrheit« hinter den
gemalten Zeichen. Dazu vll. später mehr.

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