Physiker sitzen typischerweise an Teilchenbeschleunigern und anderen Riesenmaschinen? Falsch. Etliche sitzen vor Sandhaufen und lassen die Körner rieseln.

Denn erstens bietet ihnen das viele schöne, ungeklärte Phänomene - "beim Sand sind alle Physiker Laien", urteilt Ingo Rehberg von der Universität Magdeburg. Und zweitens gilt ihnen der Sand als Stellvertreter eines ganzen Lagers von Materialien. Dazu zählen Kiesel, Glaskugeln, Getreide, Zucker, Salz, Zement, Pulver aller Art - mit einem Wort: granuläre Materie. Und nicht ohne Berufsstolz verweisen die Sandkastenphysiker darauf, daß sich schließlich Erde und Sonne vor langer Zeit aus körnigem Staub zusammenballten.

Ihr forschendes Treiben knüpft an Alltagserfahrungen an: Tritt beispielsweise ein Strandläufer auf nassen Sand, wird der Boden um den Fuß herum heller - also trocken. Um sich gegeneinander verschieben zu können, rücken die Körner nämlich ein Stück auseinander, weshalb das Wasser zwischen ihnen abfließt.

Ein anderes Beispiel: Luftleer eingeschweißter Kaffee ist hart wie Stein, wogegen auf gleiche Weise verpacktes Wasser schwabbelt. Der Grund: Das Vakuum läßt zwischen den Körnchen keinen Platz, in dem sie sich bewegen könnten. Wer auf den Türmen seiner Sandburg stehen will, muß indes nicht mit Vakuumpumpen hantieren. Dazu genügt es, in jeden gefüllten Sandeimer ein paar Meter Nylonfaden zu legen. Die Schnur hindert die Sandkörner an freier Bewegung und stärkt dadurch den Bau.

Der Strand als Lernort: Fest, flüssig, gasförmig, jedes Kind kennt die drei Aggregatzustände. Doch Sand? Kleine Mengen Sand können fließen wie Wasser, große Haufen verhalten sich eher wie feste Stoffe. Das spiegelt sich in verblüffenden Versuchen von Kleinkindern wider, die zum Strandleben gehören wie der Sonnenbrand als Versuchsapparatur genügen dem forschenden Nachwuchs Eimer und Schaufel. Deutlicher sichtbar wird das seltsame Ergebnis allerdings, wenn mit Murmeln experimentiert wird. Schwenkt man eine Pfanne mit einer Murmel darin, so beginnt die Kugel am Rand entlangzulaufen. Und zwar gleichsinnig mit der Bewegung der Hand, wie Weinbrand, der in einem Cognacschwenker rotiert. Je mehr Kugeln hinzukommen, desto langsamer rollen sie ist indes ein Großteil des Pfannenbodens mit Murmeln bedeckt, kreisen sie plötzlich andersherum. "In der Richtung, in der sich ein Pfannkuchen dreht, wenn der Koch die Pfanne schwenkt, um ein Anbrennen zu verhindern", erklärt Rehberg. Seine Interpretation: Wenige Kugeln verhalten sich wie eine Flüssigkeit (Cognac), viele wie ein fester Körper (Pfannkuchen). Rehbergs Mitarbeiter Michael Scherer hat dieses Phänomen der Murmelumkehr für die Physik entdeckt. Er schreibt darüber seine Doktorarbeit.

Die Magdeburger Physiker haben sogar ein bißchen Strand ins Labor geholt. Die Forscher wollen herausbekommen, wie sich die allbekannten Rippel bilden, also jene harten, wenige Zentimeter hohen Sandwellen, die häufig an Stränden anzutreffen sind. Nach welchen Gesetzen schichtet der Wind Rippel und - in etwas größerem Maßstab - Dünen auf? Das ist für die Physik bislang ein Rätsel. Also haben die Magdeburger Sand in ein wassergefülltes Aquarium geschüttet, dessen Deckel sich dreht und damit für Strömungen im Wasser sorgt, die den Wind simulieren. So haben die Wissenschaftler eine den Rippeln ähnliche Berg- und Tallandschaft geschaffen. Auch das ist Grundlagenforschung, wenngleich nicht big science.

Vibrationen wiederum machen Sand flüssiger. Bei Erdbeben bringt das mitunter Bauwerke zum Einsturz, zuletzt vor eineinhalb Jahren einen Flüssiggastank auf einer sandigen Insel vor dem japanischen Kobe. Tausende mußten deswegen evakuiert werden. Auch für die Konstrukteure von Silos haben die Geheimnisse granulärer Materie praktische Relevanz. Schüttet man beispielsweise Flüssigkeit in einen Behälter, nimmt der Druck am Boden zu, je höher der Spiegel steigt. Bei Sand ist der Druck hingegen von der Füllhöhe unabhängig (nur deshalb rinnen die Körner in einer Sanduhr gleichmäßig schnell). Das Gewicht der oberen Schichten lastet auf den Wänden. Im Sand bilden sich - ähnlich den Bögen, die Kirchendecken halten - Brükken aus den Körnern, die den Druck nach außen ableiten. Die Gewichtsverteilung ändert sich allerdings unausgesetzt, denn Wind, vorbeifahrender Verkehr und Temperaturschwankungen sorgen dafür, daß sich das Material setzt. Dabei kommt es manchmal zu Beben, die das Silo zerreißen können.