Girlsday 2010

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Physik auf dem Computer?

Einstieg leichtgemacht am Institut für Computerphysik

Beim Girls' Day 2010 am Institut für Computerphysik konnten 15 Mädchen zwischen 13 und 15 Jahren einen Einblick bekommen, wie Computer heutzutage in der physikalischen Forschung eingesetzt werden. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom ICP hatten einige Beispiele vorbereitet, bei denen die Mädchen selbst Hand anlegen konnten. Sie konnten Simulationen durchführen und sogar einige Zeilen programmieren. Es scheint überraschend, aber die Kombination aus Physik und Computern kam gut an. "Man merkt sehr deutlich, dass der Computer heute für Teenager ganz selbstverständlich zum Leben dazugehört", sagt Axel Arnold, Juniorprofessor am ICP. "Das war noch ganz anders, als ich in dem Alter war." Das Ziel des Girls' Day war vor allem, den Teilnehmerinnen anhand recht einfacher Beispiele Berührungsängste mit Physik und Computern zu nehmen.

Zunächst sollten Modellatome, so genannten Lennard-Jones-Teilchen, untersucht werden. Sie treten mit einem Kraftgesetz, benannt nach dem britischen Wissenschaftler John Lennard-Jones, in Wechselwirkung. Eine "Molekulardynamik"-Simulation macht nun nichts anders, als für dieses Kraftgesetz die Bewegung vieler Teilchen im Raum anhand der Newton'schen Gesetze berechnen. Die Bewegung kann man dann, genau wie in einem Film, durch viele aneinandergereihte Standbilder sichtbar machen, und den Atomen dieses "Stoffs" bei ihrem Tanz zusehen. Man findet so mit dem Computer die Übergänge zwischen den Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig genau wie bei realen Substanzen. Besonders erstaunlich ist, dass auch dieses einfache Modellsystem einen "kritischen Punkt" besitzt, also einen bestimmten Druck und eine bestimmte Temperatur, bei der flüssige und der gasförmige Aggregatzustand nicht mehr unterscheidbar sind. Bei Wasser liegt der kritische Punkt bei 373 Grad Celsius und 217 Atmosphären Druck. Deshalb ist es kein Wunder, dass dieses Verhalten in der Natur so gut wie nie beobachtet werden kann, obwohl es in der chemischen Industrie häufig benutzt wird.

In einem zweiten Beispiel sollten die Mädchen die Simulation eines "Random Walkers", also eines Zufallsgängers, selbst in der Programmiersprache Python programmieren. Dieser Zufallsgänger bewegt sich in jedem Schritt zufällig nach rechts, links oben oder unten. Die entstehenden Zufallsbewegungen sind ein einfaches Modell, das Anwendungen in vielen Bereichen zwischen Polymeren und Finanzmathematik hat. "Wir wollten den Mädchen zeigen, dass es im Grunde nicht schwierig ist, ein Computerprogramm zu schreiben", erklärt Nadezhda Gribova. Für viele der Mädchen war es der erste Kontakt mit einer Programmiersprache, und dennoch konnten alle das Programm komplettieren. Professor Holm war zufrieden, nachdem der die Evaluierungsbögen durchgeschaut hatte: "Ich glaube wir konnten wirklich zeigen, dass Computerphysik auch anschaulich und faszinierend sein kann, ohne die Mädchen zu überfordern. Wir freuen uns, auch im nächsten Jahr wieder teilzunehmen."

Reaktionen der Teilnehmerinnen:

"Ich fand es interessant zu sehen, wie man Versuche mit Hilfe des Computers einfach nachstellen kann."

"Manchmal ein wenig zu kompliziert (praktischer Teil)."

"Es war einfach toll."

Die Teilnehmerinnen machen ihre ersten Schritte mit dem Lennard-Jones-Simulator. Die Veranstaltung fand im CIP-Pool des ICP statt, so dass für jede Teilnehmerin ein eigener Computer zur Verfügung stand.