Die Frage könnte aus der Sendung mit der Maus stammen: Warum liegen die dicken Nüsse immer oben, wenn man eine Dose Nussmix öffnet? Doch die Fernsehmaus wäre mit der Antwort vermutlich überfordert. Seit mehr als zehn Jahren beißen sich gestandene Physikprofessoren an der Nuss-Frage die Zähne aus. Die Sache ist dermaßen kompliziert, dass die Experten ein eigenes Akronym dafür erfunden haben - BNP für "Brazil Nut Problem", zu Deutsch: das Paranuss-Problem. Denn auch wenn die Nüsse gut durchmischt aus der Fabrik kommen, sind sie nach dem Transport auf holpriger Strecke wieder getrennt.

Cashewkerne und Erdnüsse unten, Paranüsse oben, obwohl diese größer und schwerer sind. Eine ähnliche (Ent-)Mischung beobachtet man in Müslitüten.

Ende der achtziger Jahre glaubten die Physiker, den Paranuss-Effekt verstanden zu haben. Bei jedem Rütteln, so lautete die Erklärung einer amerikanischen Forschergruppe, lockert die Nussmischung kurz auf. Die kleinen Nüsse rutschen dabei in die Hohlräume unter den größeren und treiben diese nach oben. Computersimulationen bestätigten dieses Modell. Doch vor einigen Jahren wurde der umgekehrte Paranuss-Effekt entdeckt. Zwei Experimentalphysiker hatten eine Kiste zur Hälfte mit Glaspulver gefüllt und ein Osterei hineingelegt. Durch vertikales Rütteln sank das Ei auf den Boden.

Die konsternierten Wissenschaftler hatten ein Problem mehr und die Fachliteratur ein neues Kürzel: RBNP - für das "umgekehrte" (reverse) Paranuss-Problem.

Tatsächlich ist die Forschung an gerüttelten Nüssen, Kugeln oder Ostereiern alles andere als eine akademische Spielerei. Die Industrie nutzt Misch- und Entmischverfahren etwa bei der Herstellung von Medikamenten, zum Sortieren von Körnern oder in der Lebensmittelproduktion. Für ein paar elementare Gleichungen, mit denen man die "granulare Materie" ganz allgemein beschreiben könnte, würden sie die Wissenschaftler in Gold aufwiegen. "Leider ist die Dynamik granularer Medien bisher ziemlich resistent gegenüber einer globalen Theorie", bedauert der Augsburger Physiker Stefan Linz. Noch muss der Spezialist für Kugelmischungen in seinen aufwändigen Computersimulationen den Weg jeder einzelnen Kugel verfolgen. Doch eine neue Theorie macht dem jungen Theoretiker Hoffnung. Daniel Hong und Paul Quinn von der Lehigh University in Pennsylvania haben gemeinsam mit Stefan Luding von der Universität Stuttgart ein Modell entwickelt, das beide Varianten des Paranuss-Effekts scheinbar zwanglos erklärt. Ihre Theorie ist soeben in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht worden.

"Unsere Idee schien mir erst zu simpel", sagt Daniel Hong, "aber sie war doch korrekt." Sie basiert auf einer alltäglichen Beobachtung: Mit Sand lassen sich stabile Haufen bauen, aber Sand kann auch fließen wie in einer Sanduhr oder bei Lawinen. Ähnliches gilt für die Kügelchen in einer vibrierenden Kiste. Bei starken Vibrationen fliegen sie wie wild durcheinander, und das System gleicht einer Flüssigkeit. Bei schwachen Bewegungen werden die Kugeln dagegen nur kurzzeitig gelockert, bleiben aber an ihrem Ort wie Atome in einem Kristall. Zwischen diesen beiden Extremen liegt eine kritische Rüttelstärke, bei der die feste in die flüssige Phase übergeht wie schmelzendes Eis in Wasser.

"Unser Durchbruch", sagt Hong, "war die Erkenntnis, dass die 'Schmelztemperatur' von der Größe und der Masse der Kugeln abhängt". Befinden sich zwei Sorten Kugeln in dem Behälter, so kann die eine Sorte zu einem festkörperähnlichen Block "gefrieren", während die andere noch einer Flüssigkeit gleicht. Bei der entsprechenden Rüttelstärke sinken die gefrorenen Kugeln nach unten wie ein Stein im Wasser. Stefan Luding simulierte die verschiedenen Situationen auf dem Computer. Sind die einen Kugeln doppelt so schwer und doppelt so groß wie die anderen, treiben sie nach einer Weile oben wie die Paranüsse in der Nussmischung. Sind sie doppelt so groß, aber sechsmal so schwer, sinken sie nach unten - der umgekehrte Paranuss-Effekt.