Kategorie: Physik studieren


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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Buxfix-Release: Findpeak!

6. April 2010 - 18:06 Uhr

Pünktlich zum A-Praktikum 2010 gibt es von uns einen Bugfix-Release von Findpeak, dem schönsten aller Programme, welches dir außerdem bei Versuch Nr. 1 so manche Arbeit mit dem Maximum-suchenden Textmarker ersparen kann. So sieht das etwa aus:

Zu erhalten ist das großartige Werk nur bei mir oder Alexander. Schreibt einfach einen entsprechenden Kommentar zu diesem Artikel, oder sprecht uns an und das am besten schnell, bevor es vergriffen ist!

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Meine EMail an die NASA

4. April 2010 - 09:48 Uhr

Wie so viele andere haben auch wir unser Projektpraktikum ein wenig vorgezogen und sind jetzt schon fleißig dabei. Unser Thema ist Lucky Imaging, eine Aufnahmetechnik in der Astrophysik, bei der man grob gesagt ganz ganz viele Aufnahmen vom selben Objekt macht und nur die allerbesten Schnappschüsse nachher zu einem Bild zusammenrechnet. So kann man die störenden Effekte der Atmosphäre weitestgehend minimieren und von der Erde aus sogar Bildqualitäten wie vom Hubble erreichen (natürlich nicht in Göttingen..). Wir sind eine sechs Leute starke Gruppe, die sich in zwei Dreiergruppen aufteilt und Lucky Imaging von zwei verschiedenen Seiten beleuchtet um am Schluss wieder zusammen zu kommen:

  • Gruppe A kümmert sich darum, wie man überhaupt Sterne beobachtet, wir haben sowas ja noch nie gemacht. Dabei wird eine etwas bessere Webcam benutzt und die gewonnenen Daten werden anschließend mit »Software vom Band« ausgewertet.
  • Gruppe B kümmert sich darum, eine bessere Kamera unter Linux zum laufen zu bekommen, um anschließend die volle Freiheit in der Bedienung dieser zu haben. Ziel ist es, schon während der Aufnahme der Bilder entscheiden zu können, ob die Bedingungen gerade gut oder schlecht sind, das Bild also gespeichert werden kann oder weggeworfen wird.

Sobald alle soweit sind, kommen beide Gruppen dann zusammen. Die eine hat Sterne-Beobachter-Expertise, die andere ist für die Datennahme zuständig und wir machen als Gruppe dann hoffendlich ein paar schöne Bilderchen. Erstes Ziel ist es, einen Doppelstern auflösen zu können.

Ich bin in der Gruppe B und da alle mitsamt Quellcode vorhandene Software für Linux entweder nicht richtig funktionierte oder gleich eine komplizierte graphische Oberfläche hatte, mit der man interagieren musste, haben wir uns für den harten Weg entschieden: Wir machen etwas selbst!

Da standen wir nun also und mussten eine Software kreieren, die Bilder von der Kamera holen, anzeigen, speichern, bearbeiten und evtl. auch öffnen kann. Praktisch für die Justierung des Teleskops wäre auch ein Livebild. Ok das ist ein ziemlicher Berg…wo fangen wir an?? Zum Glück gab es vom Kamerahersteller Bibliotheken, die die Kameraansteuerung wesentlich erleichterten. Entsprechend gab es Biliotheken von der NASA (cfitsio mit Namen), die das speichern und öffnen im gewünschten Dateiformat übernahmen. Aber wie das alles immer so ist, funktioniert erst einmal gar nichts und wir haben ganze drei Tage mit der NASA Biliothek gekämpft, bis endlich alles so lief, wie wir es uns vorstellten. Um eines klar zu stellen: An der NASA lag es natürlich nicht, wir haben bei der Installation ein bisschen was vergurkt. Da wir zwischendurch aber wirklich nicht mehr weiter wussten und es auch keine Foren gab, in denen ähnliche Probleme beschrieben wurden haben wir eine Email an den Software-Pfleger bei der NASA geschreiben. Antwort kam wie immer schnell (Physiker!), ein ganz netter Mensch war das, aber geholfen hat es eher nicht.

Naja, nach Tag 5 sind wir mittlerweile auf dem Stand, dass wir öffnen, speichern, aufnehmen und anzeigen können. Außerdem haben wir einen gnuplot-ähnlichen Interpreter gebaut, der aber noch ziemlich blöd ist, nur richtige Eingaben versteht und natürlich weder eine Auto-Vervollständigung noch andere Späße hat. An ein paar Dingen der Anzeige für die Live-Bilder müssen wir noch etwas schrauben, aber das grundlegende funktioniert. Nun kommt die Bildbearbeitung und mit ihr erst einmal ein Haufen Bücher, denn auch davon haben wir noch nicht allzu viel Ahnung.

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Faradayeffekt

24. März 2010 - 14:37 Uhr

Inzwischen bin ich mit dem unten angesprochenen Roman durch und kann es jedem, der sich gerne mit Naturwissenschaftsgeschichte beschäftigt, nur wärmstens empfehlen! Auch eine Lösung für mein Problem habe ich gefunden: Der Faraday’sche Effekt

Man schickt linear polarisiertes Licht durch ein Glas und hinterher durch einen 90° verdrehten Polarisator, sodass auf einem dahinterstehenden Schirm nichts mehr ankommt. Dann durchsetzt man das Glas mit einem zur Ausbreitungsrichtung parallelen Magnetfeld (z.B. durch eine Spule, die um das Glas gewickelt ist) und sollte so die Polarisationsrichtung drehen können und einen hellen Fleck am Schirm beobachten.

Das Experiment ist noch recht einfach und zeigt, dass Licht und Magnetismus irgendwie zusammenhängen, obwohl mir eine wackelnde Kompassnadel in einem mit Laserlicht gefütterten Resonator noch lieber wäre..

Soweit die Thoerie, nun fehlt nur noch die Durchführung. Sobald ich zurück in Göttingen bin, werde ich mich darum kümmern und versuchen, es mit eigenen Augen zu sehen. Ich werde davon berichten!

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Offene Fragen nach 3 Semestern

21. März 2010 - 14:30 Uhr

Ja, soetwas gibt es. Nach drei Semestern Studium der Physik, was vor allem ein Studium am Schreibtisch und in Vorlesungssälen ist, bleibt so einiges seltsam. Man hat evtl. die Theorie verstanden, hinterfragt sie aber auch nach 100 oder mehr Jahren kritisch. Häufig, so geht es mir, liegt das an fehlenden Experimenten in den Vorlesungen, da die Experimentalphysiker kaum mit ihrem Programm durchkommen und zu viel an der Tafel stehen. Ich würde mir daher eine Experimentalvorlesung wünschen, die wie eine große Show mit spannenden und dampfenden Experimenten ist! Dozenten mit Entertainerqualitäten!

Mit einer dieser offenen Fragen versuche ich hier aufzuräumen:

Im 3. Semester hört man bekanntlich eine Vorlesung über Optik. Man beschäftigt sich Brechung, Reflexion, Transmission, Beugung von Licht und noch sehr viel mehr. Aber eine Frage wurde meines Wissens nach nicht behandelt: Was ist das eigentlich, womit wir da hantieren? Was ist Licht?

Geschichtlich sieht die Sache mit dem Licht in etwa so aus: Am Anfang war Newton. Newton war der Meinung, Licht sei in irgendeiner Art ein Teilchen. Er entwickelt das, was heute Korpuskeltheorie heißt und konnte so z.B. die Reflexion von Licht und auch dessen gradlinige Ausbreitung erklären. Alles schön und gut. Irgendwann kam dann Huygens, der fest entschlossen gegen die Newtonsche Theorie war. Das Totschlag-Argument der Huygens-Anhänger war die Tatsache, dass man mit Licht, analog zu Wellen auf Wasseroberflächen Interferenzbilder erzeugen konnte. Das  Newtonsche Lager geriet in Erklärungsnot und Licht war von nun an entweder Welle oder Teilchen, je nachdem wen man fragte. Maxwell setzte noch einen oben drauf und behauptete sogar, Licht sei elektromagnetische Welle.

An die Welleneigenschaften des Lichtes glaube ich, eben aufgrund der Interferenzbilder. Aber wie steht es mit der Verbindung zur Elektrodynamik? Warum soll das Licht eine elektromagnetische Welle sein? Man kann eine Theorie dazu machen, soweit habe ich damit keine Probleme. Aber bisher habe ich kein Experiment gesehen, welches mich von dieser Tatsache überzeugt hat. Und schließlich zählen nur die Fakten, der Natur ist es egal, wie viele oder welche Theorien wir zu ihr haben. Ohne experimentelle Überprüfbarkeit ist eine Theorie nutzlos!

Nun bekommt dieser Artikel, analog zum Licht, eine zweite Seite. Hinzu kommt eine Buchempfehlung:

Zur Zeit lese ich ein sehr interessantes Buch, das sich genau mit diesem Thema beschäftigt. Ralf Bönt hat einen  Roman über die »Die Entdeckung des Lichts« geschrieben, der sich den Hauptfiguren Faraday und Einstein sowie deren Leben, Ideen und Experimenten zum Licht annimmt, den ich nur empfehlen kann. Ein großartiges Buch! Darin lässt er Faraday von einem Experiment berichten, bei dem »Licht eine Eisennadel magnetisiert«(S. 98).  Das würde mich doch überzeugen! Es ist ein einfaches Experiment und weist die elektromagnetischen Eigenschaften des Lichts explizit und ohne Umwege nach. Allerdings kann ich schlecht einschätzen, in wie weit das Ganze Fiktion oder Wirklichkeit ist. Hat einer der werten Leser ein solches Experiment mit eigenen Augen gesehen oder weiß von einem, welches mich überzeugen könnte? Ich würde dankbar dafür sein! [1]

[1] Bitte nur ernst gemeinte Zuschriften inklusive frankiertem Rückumschlag.
Am meisten würde ich mich über ein einfaches Experiment ohne Quantenmechanik
o.ä. freuen - so einfach wie nötig, aber nicht einfacher!

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