Physikstudium
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Als Physikstudium wird die Ausbildung zum Diplom-Physiker oder Lehramtskandidaten an einer Universität oder Technischen Hochschule bezeichnet. Zudem gibt es neue Bachelor- und Masterstudiengänge in der Physik als weitere Ausbildungsmöglichkeit.
Zulassungsbeschränkungen gab es im laufenden Jahrzehnt für Physikstudiengänge nicht. Generelle Hürden von Hochschulen für die Zulassung zu weiterführenden Studiengängen (Promotion, Master) sind jedoch möglich.
Dieser Artikel kann nur eine Übersicht über generelle Strukturen und Abläufe geben, denn der exakte Ablauf und Inhalt des Physikstudiums ist von der jeweiligen Hochschule abhängig.
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[Bearbeiten] Der klassische Diplom-Studiengang
Das Physikstudium im Diplomstudiengang gliedert sich im deutschsprachigen Raum in ein zweijähriges Grundstudium, an das sich nach einer Vordiplom genannten Zwischenprüfung das Hauptstudium anschließt. Den Kern der Ausbildung bilden Experimentalphysik nebst physikalischen Praktika und theoretische Physik, dazu kommen Vorlesungen in Mathematik und Nebenfächern wie Chemie, Astronomie oder Informatik.
In der Experimentalphysik folgt auf einen Grundkurs bestehend aus den Gebieten Mechanik, Schwingungs- und Wellenlehre, Akustik, Strömungslehre, spezieller Relativitätstheorie, Elektrizitätslehre, Magnetismus, elektromagnetische Wellen, Optik und Wärmelehre eine Vorlesung über semiklassische Quantentheorie, Molekül- und Atomphysik. Danach schließen sich spezialisierte Vorlesungen über die modernen Forschungsgebiete der experimentellen Physik wie Plasmaphysik, Kernphysik, Teilchenphysik, Festkörper- und Halbleiterphysik an.
Die theoretische Physik wird im Rahmen des Studiums meistens in einen Zyklus aus vier Gebieten eingeteilt:
- Mechanik (newtonsche Mechanik, analytische Mechanik, spezielle Relativitätstheorie, hamiltonsche Mechanik)
- Elektrodynamik (Elektro- und Magnetostatik, Maxwellsche Elektrodynamik, elektromagnetische Wellen, spezielle Relativitätstheorie)
- Quantenmechanik (schrödingersche Wellenmechanik, heisenbergsche Matrizenmechanik, Dirac-Notation, Grundzüge der theoretischen Atomphysik, Einführung in die relativistische Quantenmechanik)
- Thermodynamik und statistische Physik (Wärmelehre, statistische Physik, Quantenstatistik, Vielteilchentheorie)
Viele Universitäten bieten als Ergänzung dieses klassischen Kanons eine Kursvorlesung über die Mechanik der Kontinua an, die im weitesten Sinne die Mechanik von Vielteilchensystemen beschreibt. Die allgemeine Relativitätstheorie, Quantenfeldtheorien, theoretische Festkörperphysik und weitere Gebiete sind an den meisten Universitäten als Spezialvorlesungen vertreten, gehören aber nicht zum Grundkanon.
Einige Universitäten haben einen kombinierten Kurs aus theoretischer und experimenteller Physik.
Daneben gibt es einen meistens 3- bis 4-semestrigen Mathematikkurs, der entweder aus den mathematischen Kursvorlesungen
- Lineare Algebra und analytische Geometrie I und II
- Analysis I, II und III - an manchen Universitäten auch Analysis IV
oder einem Kurs
- Höhere Mathematik I bis IV
besteht. Inhalte dieser Kurse sind Grundlagen der Mathematik (Logik, Mengenlehre), algebraische Strukturen, lineare Algebra, Matrizenrechnung, analytische und projektive Geometrie, ein- und mehrdimensionales Differentialkalkül, verallgemeinertes Differentialkalkül auf Mannigfaltigkeiten, Integrationstheorie in einer und mehreren Dimensionen, Einführung in Vektoranalysis und Differentialgeometrie, Einführung in Funktionentheorie und komplexe Analysis. Der Kurs Höhere Mathematik ist dabei meistens etwas kompakter gestaltet als die mathematischen Vorlesungen zur Linearen Algebra und Analysis, inhaltlich sind die Unterschiede jedoch gering.
Des Weiteren gibt es noch Nebenfächer, die je nach Universität variieren, etwa:
- Chemie: Analytische und anorganische Chemie I
- Informatik: Einführende Veranstaltungen
- Elektronik
- Astronomie
- Werkstoffkunde
- Betriebswirtschaftslehre (BWL)
Im Hauptstudium gibt es neben den fortlaufenden Vorlesungen in theoretischer Physik und den höheren Vorlesungen in experimenteller Physik (also etwa Festkörper-, Kern- und Plasmaphysik) noch das Physikalische Fortgeschritten-Praktikum, das Schwerpunktfach und das Nebenfach des Hauptstudiums oder Alternative zu den beiden Letztgenannten die Wahlpflichtfächer I und II.
Das Fortgeschritten-Praktikum hat das Ziel, die Studierenden näher an die modernen Methoden der Experimentalphysik heranzuführen, beinhaltet mitunter aber auch historisch bedeutsame Versuche aus der Zeit der Entwicklung der modernen Physik. Umfang und Inhalt variieren je nach Hochschule sehr stark. Zumeist können die Studierenden aus den vorhandenen Versuchen in einen gewissen Umfang Wunschversuche angeben, die sie in jedem Falle machen möchten. Die angebotenen Versuche werden oft von den experimentell orientierten Lehrstühlen betreut, das Angebot spiegelt dann auch das Forschungsprofil der Fakultät wider. Es wird meistens darauf geachtet, dass die Studierenden einen Überblick über die Breite der Forschung erhalten, also nicht etwa nur Versuche zur Kernphysik absolvieren. Der Umfang der Versuche ist naturgemäß weit größer als im Grundpraktikum. Typische Versuche im Fortgeschrittenenpraktikum sind etwa der Quanten-Hall-Effekt, der Magnetooptische Kerr-Effekt oder Raster-Tunnel-Mikroskopie.
Im Schwerpunktfach werden zusätzliche Vorlesungen, Übungen und Seminare belegt. An manchen Hochschulen besteht zudem das sog. Hauptpraktikum noch. Dieses ist eine halb- bis einjährige Mitarbeit an einem Lehrstuhl - zumeist halbtags - neben dem sonstigen Studienumfang. Viele Universitäten haben dieses im Sinne der Studienzeitverkürzung abgeschafft, mancherorts besteht es noch. Schwerpunktfach ist das Fach, in dem die Diplomarbeit geschrieben wird. Es ist prinzipiell jedes Fach, das durch einen Lehrstuhl an der Fakultät vertreten wird, als Schwerpunktfach wählbar, also etwa Theoretische Festkörperphysik, Experimentelle Festkörperphysik, Experimentelle Kernphysik usw., sofern diese an der Fakultät vertreten werden. Daneben gibt es häufig noch die Möglichkeit, dass Lehrstühle anderer Fakultäten, etwa Mathematik, Elektrotechnik, Chemie, Biologie, Geowissenschaften oder Medizin, Kooptationen mit der Physikfakultät besitzen und ebenfalls Schwerpunktfächer anbieten können, etwa Biophysik, Geophysik, Lasertechnik, Neuroinformatik oder Mathematische Physik. Zumeist sind diese Fächer dann aber Nebenfächer mit der zusätzlichen Option, in diesen ebenfalls die Diplomarbeit schreiben zu können. Viele Fakultäten haben die auch über Wahlpflichtfächer geregelt, von denen eines innerhalb des Physikfachbereiches angesiedelt sein muss, das andere in einem sinnvollen Zusammenhang mit der Physik stehen muss, beide aber für die Abschlussarbeit gewählt werden können.
Nebenfächer sind in der Regel nichtphysikalische Fächer aus dem Angebot der Hochschule, die das Physikstudium sinnvoll ergänzen sollen. Typische Nebenfächer sind:
- Reine Mathematik
- Numerische Mathematik
- Informatik
- Physikalische Chemie
- Anorganische Chemie
- Materialwissenschaften
- Theoretische Elektrotechnik
- Biophysik
- Neuroinformatik
- Technische Mechanik
- Geophysik
- Philosophie
- Medizinische Physik
- Neurophysiologie
- Psychologie
- Wirtschaftswissenschaften
[Bearbeiten] Lehramtsstudium
Das Lehramtsstudium ist prinzipiell bundeslandabhängig, doch zumindest das Gymnasial- oder Sekundarstufe-II-Lehramt ist bundesweit recht ähnlich. Prinzipiell werden zwei Fächer und Erziehungswissenschaften studiert, im Verhältnis 1. Fach : 2. Fach : Erziehungswissenschaft von 2:2:1.
[Bearbeiten] Gymnasiallehramt
Physik ist in wenigen Ländern nur in Kombination mit Mathematik studierbar, meistens jedoch frei kombinierbar, also etwa mit Chemie, Philosophie, Erdkunde aber auch z.B. Spanisch oder Deutsch. Für den Fall, dass Physik nicht mit Mathematik kombiniert wird, verlangen manche Universitäten einen zusätzlichen Leistungsnachweis in Mathematik, ansonsten ist die Mathematik nicht Bestandteil des Studiums, das Nebenfach in der Form des Diplom-Nebenfaches gibt es nicht.
Die Kursvorlesungen in experimenteller Physik und das physikalische Grundpraktikum sind in der Regel für Diplom- und Lehramtsstudierende gleich, meistens die Anzahl der Experimente im Praktikum etwas reduziert. Die höheren experimentellen Vorlesungen sind hingegen in vielen Lehramtsstudiengängen nur als Spezialisierungsmöglichkeit für die Examensprüfung vorgesehen. Der Pflichtkanon endet meistens mit der Atom- und Molekülphysik, diese ist allerdings in allen Ländern verbindlicher Studienbestandteil (allerdings mitunter im Gegensatz zum Diplomstudiengang im Hauptstudium angesiedelt, etwa in NRW).
In der theoretischen Physik sind Mechanik einschließlich spezieller Relativitätstheorie, Elektrodynamik und Quantenmechanik sowie eine Übersicht über die Thermodynamik vorgesehen. Die meisten Universitäten bieten spezielle Theorie-Vorlesungen für Lehramtsstudierende mit geringerer mathematischer Komplexität an, andere spalten lediglich einen Teil der Quantenmechanik ab und ersetzten ihn durch einen "Crash-Kurs" in statistischer Physik. In der Regel besteht die Theoretische Physik für Lehramtsstudierende aus 3 Kursvorlesungen in Mechanik, Elektrodynamik und Quantenmechanik/Thermodynamik.
Daneben gibt es noch Vorlesungen oder/und Seminare aus dem Gebiet der Physikdidaktik. Diese sollen zusammen mit den Schulpraktika eine gewisse Vorbereitung auf den Vermittlungsaspekt des Lehrerberufes vermitteln. das Angebot im Bereich der Didaktik ist je nach Universität (auch im gleichen Bundesland) sehr unterschiedlich. An einigen Universitäten findet eine aktive didaktische Forschung statt, während andere Hochschulen die Didaktiklehrstühle sehr nachrangig behandelt haben. Vor Aufnahme eines Lehramtsstudiums empfiehlt es sich auch zu speziell diesem Thema Informationen von verschiedenen Stellen (z.B. Studienberatung, Fachschaft, Didaktiklehrstuhl) einzuholen.
Neben der klassischen Ausbildung existieren Modellversuche für Bachelor- und Masterstudiengänge, z.B. an der Universität Bochum.
[Bearbeiten] Sonstige Lehrämter
Da das Schulsystem sich von Bundesland zu Bundesland stark unterscheidet, sind die Lehramtsausbildungsverordnungen entsprechend unterschiedlich. In Baden-Württemberg etwa werden angehende Haupt- und Realschullehrer nicht an Universitäten, sondern an Pädagogischen Hochschulen ausgebildet, in Nordrhein-Westfalen ist dieses Lehramt mit dem der Primarstufe zu seinem Lehramt an Grund-, Haupt- und Realschulen zusammengefasst, wobei jedoch Naturwissenschaften/Physik nur bei der Schwerpunktsetzung Haupt- und Realschulen studierbar ist - an Grundschulen zäht dieses zum Sachunterricht, naturwissenschaftlicher Schwerpunkt. Die Ausbildung von Lehrkräften findet in NRW prinzipiell an Universitäten statt.
Prinzipiell ist das Lehramtsstudium durch Landesrecht geregelt.
[Bearbeiten] Bachelor- und Masterstudiengänge
Bachelor- und Masterstudiengänge sind weit weniger geregelt, da es keine Rahmenprüfungsordnungen gibt. Prinzipiell ergibt sich eine Struktur aus einem 6-semestrigen Bachelor und 4-semestrigen Masterstudium. Am Ende des Bachelorstudium steht eine kurze Studienarbeit, die Masterarbeit dauert zumeist 9 bis 12 Monate. Auch sind prinzipiell der klassische Grundkurs in Experimentalphysik bis zur Atomphysik und zumindest eine gewisse Grundlage in theoretischer Physik (mindestens etwa auf dem Niveau lehramtsspezifischer Theorievorlesungen) vorgesehen. Bereits hier gibt es aber Abweichungen, so existiert z.B. in Marburg ein Physikstudiengang mit Schwerpunkt Biologie, der geringere theoretische Anteile besitzt. Mathematikvorlesungen sind in den Physikbachelors stets enthalten, jedoch in deutlich unterschiedlicher Intensität und Tiefe. In Bielefeld und Bochum wurden auch die Lehramtsstudiengänge auf ein Bachelor-Master-System umgestellt. Ob sich einheitliche Strukturen ergeben bleibt abzuwarten.
[Bearbeiten] Exemplarischer Bachelorstudiengang
Es gibt keine allgemeinen Schemata, in den sich Physikbachelors abbilden lassen. Inhaltlich jedoch sind durch die Notwendigkeit der Akkreditierung dieser Studiengänge gewisse Inhalte (in der Regel, Spezialstudiengänge wie "Technische Physik" oder "Physik mit Schwerpunkt Biologie" o.ä. können davon bereits abweichen). Der tatsächliche Studienumfang ist zumeist erheblich größer, die Tiefe dieser Inhalte ist nicht vorgegeben und bereits diese Aufführung übersteigt den vorgegebenen Rahmen, sondern entspricht lediglich dem weitgehenden Konsens der Physikergemeinde. Diese Inhalte sind:
- Experimentalphysik
- Mechanik, Schwingungen und Wellen, Akustik, Spezielle Relativitätstheorie
- Elektrizitätslehre und Magnetismus
- Optik (Grundzüge)
- Wärmelehre
- Atomphysik
- Theoretische Physik
- Mechanik: Newton'sche Mechanik, Analytische Mechanik (Lagrange-Formalismus), Gallilei-Transformationen, Hamiltonfunktion, Spezielle Relativitätstheorie
- Elektrodynamik: Elektrostatik, Magnetostatik, elektromagnetische Wellen, Maxwell-Axiome
- Quantenmechanik: Schrödinger-Gleichung, Heisenberg'sche Unschärferelation, Wellenfunktionen, Wasserstoffatom, Heliumatom
- Mathematik (nicht in 2-Fächer-Bachelorn etwa den Lehrerausbildungsmodellen)
- Differential- und Integralrechnung in einer und mehreren Dimensionen
- Vektor- und Matrizenrechnung
(konkret oder zumeist abstrakt wie in der klassischen Ausbildung)
Diese Auflistung gilt zunächst für den in der Physik angedachten und teilweise eingeführten Ein-Fach-Bachelor (Bachelor of Science), Modelle für einen Bachelor (of Arts) mit 2 Fächern, von den eines Physik sein kann, werden aber ebenfalls erprobt - im Zusammenhang mit den Modellen zur gestuften Lehramtsausbildung. Die bisher existierenden Modelle umfassen jedoch, ausgenommen den mathematischen Anteil, in etwa diesen Kanon.
[Bearbeiten] Masterstudium
Der Master of Science ist ein wissenschaftlicher Abschluss, der dem klassischen Diplom äquivalent sein soll. Allerdings sind die Universitäten sehr frei in der Ausgestaltung des Studiums, so dass sich hier lediglich die 9- bis 12-monatige Masterarbeit, die Setzung eines Schwerpunktfaches und weitere Veranstaltungen außerhalb des Schwerpunktes als Standard auszumachen, bereits die Frage, ob im Master Fortführungen sowohl zur Theoretischen als auch zur Experimentellen Physik vorgesehen sind, lässt sich nicht mehr allgemeingültig beantworten, lediglich in den meisten Modellen ist dieses so, es existieren Ausnahmen. Neben dem Master in Physik gibt es noch eine Vielzahl spezialisierter und fächerübergreifender Masterstudiengänge (Optische Technik, Materialwissenschaften etc.). Hierzu gibt es nur formale Rahmenvorgaben über Studienumfang und -dauer.
Für die Fachhochschulen ergibt sich mit der Umstellung auf das Bachelor-Master-System erstmals die Möglichkeit, ihren Absolventen die Zulassung zur Promotion und Zugang zum höheren Dienst in der öffentlichen Verwaltung zu ermöglichen. Dazu muss dies explizit in der Akkredtierung festgestellt worden sein.
Daneben gibt es in Modellversuchen noch den Master of Education als Äquivalent zum 1. Staatsexamen für Lehrämter. Hier sind die Vorgaben des jeweiligen Landesrechts maßgeblich. Allgemein gilt hierfür: Es findet ein Studium in 2 Fächern und Erziehungswissenschaften statt, Fachdidaktik und Kernpraktikum sind Bestandteile des Studiums.
[Bearbeiten] Zeitaufwand für das Studium
Das klassische Studium zum Diplom-Physiker ist sehr zeitaufwändig. Im Semester ist neben Vorlesungen und Übungen und meistens noch Praktika ein hoher Aufwand zum Lösen von Übungszetteln notwendig. Vorlesungen, Übungen und Praktika haben typischerweise folgenden Umfang:
- Experimentalphysik (I bis IV): je 4 + 2 Wochenstunden
- Theoretische Physik (I bis IV oder V): je 4 + 2 Wochenstunden
- Lineare Algebra (I oder /und II): je 4 + 2 Wochenstunden
- Analysis (I bis III oder IV): je 4 + 2 Wochenstunden
- bzw. Höhere Mathematik (I bis IV): je 6 + 2 Wochenstunden
- Nebenfach: 4 + 2 Wochenstunden
- Höhere Experimentalphysikvorlesungen (Hauptstudium): je 3 + 1-2 Wochenstunden
- Praktikum im Grundstudium: ein bis 2 Nachmittage pro Woche (3 bis 4 Stunden)
- Fortgeschrittenenpraktikum: 1 Vorlesungstag pro Woche (7 - 10 Stunden, Abweichungen je nach Versuch)
- Seminare: 2-3 Wochenstunden
- Spezialisierungsvorlesungen: 3 Wochenstunden
Daneben verbleibt aber viel Zeit beim Lösen der Übungszettel. Typischer Weise werden für Mathematik- und Theoretische Physik-Übungszettel jeweils gut 10 Stunden Bearbeitungszeit pro Woche benötigt (Erfahrungswert vieler Fachschaften). Die Vorbereitung und Auswertung von Versuchen verlangt im Grundstudium etwa 4 - 5 Stunden pro Versuch, bei Fortgeschrittenen-Versuchen jeweils etwa 30 Stunden (variiert sehr stark). Seminare verlangen 1 bis 2 Vorträge pro Teilnehmer, die Einarbeitung ist allerdings sehr arbeitsintensiv.
Im Semester beansprucht das Studium etwa 60 Stunden in der Woche, die Vorlesungsfreie Zeit hingegen kann für die Vorbereitung von Nachschreibeklausuren und Prüfungen verwandt werden. Um die Belastung gleichmäßiger zu verteilen, bemühen sich viele Hochschulen inzwischen allerdings, Praktika in die Vorlesungsfreie Zeit zu verlegen.
Dieses sind nur typische Werte, genauere Informationen sind bei den jeweiligen Fachschaften zu bekommen.
Bachelor- und Masterstudiengänge unterliegen den Regelungen des ECTS, die strikte Vorgaben zum Arbeitsaufwand beinhalten. Da allerdings vielfach die Stufung der Studiengänge lediglich in Form eines Zwischenexamens nach dem 6. Semester anstelle des Vordiploms nach dem 4. Semester geschieht, dürfte es keine großen Abweichungen geben.
Lehramtstudiengänge variieren sehr stark in ihrem Arbeitsaufwand. Insbesondere reduzieren lehramtsspezifische Vorlesungen in Theoretischer Physik erheblich. Die häufige Kombination von Physik und Mathematik führt ohnehin zu einem sehr hohen Arbeitsaufwand im Fach Mathematik, vergleiche Mathematikstudium.
[Bearbeiten] Promotion
Eine Promotion kann an Universitäten und Technischen Hochschulen, die dieses Fach anbieten, abgelegt werden. Promotionen sind bisher sowohl als sog. externe Promotion, d.h. ohne Einschreibung zum Promotionsstudium, als auch als Promotionsstudiengang möglich. Einzelne Promotionsordnungen können hiervon abweichen. Im Zuge des Bologna-Prozesses könnte es hier zu Änderungen kommen.
Die Promotion schließt mit dem naturwissenschaftlichen Doktorgrad Dr. rer. nat. ab. Im Zuge der Internationalisierung wird auch zunehmend der anglo-amerikanische Philosophical Doctor Ph.D. verliehen.
Die Promotion in der Physik in Deutschland dauert im Schnitt vier Jahre.
[Bearbeiten] Arbeitsmarkt
Physiker erlernen in ihrem Studium sowohl die mathematisch-analytische Denkweise auf hohem Niveau anzuwenden als auch in der Praxis technische Probleme zu lösen. Zudem haben sie zumeist größere EDV-Erfahrung. Daher sind ihre Verwendungen in Öffentlichem Dienst, Industrie und Dienstleistungsunternehmen vielfältig:
- Hochschulen und Forschungseinrichtungen (Max-Planck-Institute, Fraunhofer-Institute etc.) fragen Physikabsolventen in geringer Zahl nach. Dieses ist jedoch ein recht überschaubarer Arbeitsmarkt.
- Schulen benötigen vermehrt Fachlehrer für Physik, selbst im Gymnasiallehramt wird ein größerer Mangel an Physiklehrern erwartet.
- Die Software-Branche fragt Physiker häufig nach, ihr Einsatzbereich gleicht dem von Informatikern.
- Die Halbleiterindustrie benötigt Physiker, insbesondere Festkörper- und Halbleiterphysiker.
- Die Elektronikindustrie setzt Physiker wie Elektroingenieure ein.
- Energieversorger beschäftigen Physiker in verschiedenen Geschäftsbereichen.
- Banken setzen Physiker sowohl im EDV-Bereich als auch auf Grund ihrer mathematischen Ausbildung zur Analyse von Kursrisiken ein.
- Versicherungen beschäftigen Physiker im EDV-Bereich sowie als Versicherungsmathematiker, da die Gleichungen der Versicherungsmathematik bestimmten physikalischen Gleichungen strukturell gleich sind.
- Unternehmensberatungen schätzen die Denk- und Analysefähigkeiten von Physikern und stellen diese ebenfalls ein.
Der Arbeitsmarkt für Physiker ist zwar ähnlich schwierig wie für andere Naturwissenschaftler, aber immer noch besser als für die meisten Hochschulabsolventen anderer Bereiche. Vor allem die Vielfalt ihrer Einsatzmöglichkeiten rettet viele Physiker vor der Arbeitslosigkeit. Zudem werden zur Zeit in vielen Ländern Diplom-Physiker als Lehrer bzw. Referendare für öffentliche Schulen angeworben, um den Fachlehrermangel zu kompensieren. Die Lage hat sich aber in den letzten Jahren dramatisch verschlechtert.
