Kosmologie und Astrophysik
Die wissenschaftliche Beschreibung des Weltalls als Ganzem wurde durch Einstein begründet. Im Rahmen seiner Theorie der Schwerkraft formulierte er vor fast 100 Jahren ein Modell eines endlichen, unveränderlichen Universums. Aufgrund von astronomischen Beobachtungen und Rechnungen von Alexander Friedmann änderte sich die Sichtweise: nach der heute akzeptierten Vorstellung ist das Weltall aus einem "Urknall" hervorgegangen und dehnt sich seitdem aus. Bis vor wenigen Jahren glaubte man, dass diese Ausdehnung sich fortwährend abbremst. Beobachtungen von Sternexplosionen in den entferntesten Gebieten des Alls, u. A. mit Hilfe des Hubble-Teleskops, führen seit 1998 zur überraschenden Folgerung, dass sich die Ausdehnung des Weltalls jedoch beschleunigt. Für diese Entdeckung erhielten Perlmutter, Schmidt und Riess den Nobelpreis für Physik 2011.
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Welches sind die kleinsten Bestandteile der Materie? Welchen Gesetzen gehorchen sie? Und gibt es eine Weltformel? Schon seit langem haben sich die Menschen bemüht, in der Fülle der Erscheinungen die Grundbausteine der Welt und fundamentale Gesetzmäßigkeiten auszumachen. Ausgehend von der Antike zieht sich dieses Bestreben durch alle Epochen der Wissenschaft. In diesem Vortrag werden einige Stationen dieses Themas in der Entwicklung der Physik nachgezeichnet. Dazu gehört auch die Suche nach einer "Weltformel" durch Einstein, Heisenberg und andere. Es wird erläutert, was die heutige Physik mit ihren Quarks und anderen Teilchen hierzu zu sagen hat, und es wird auf die Superstring-Theorie eingegangen, die von einigen Physikern als faszinierender Ansatz zu einer Weltformel betrachtet wird.
Die Physik beschreibt die von ihr erkannten Regelmäßigkeiten in der Natur durch Gesetze, die mit Mitteln der Mathematik formuliert werden. In der klassischen Physik bis zum Ende des 19. Jahrhunderts handelte die Physik von kontinuierlichen Größen, die sich in deterministischer Weise verändern. Die Naturgesetze wurden dementsprechend durch Differenzialgleichungen ausgedrückt. Dies änderte sich im 20. Jahrhundert durch die Quantentheorie. Ihre Verbindung mit der Relativitätstheorie brachte vor fast 100 Jahren die Quantenfeldtheorie hervor. In ihr werden die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten mit anderen mathematischen Konzepten formuliert. Die Quantenfeldtheorie hat sich bis heute als erfolgreich zur Beschreibung der fundamentalen Physik bewährt.
Im Bereich der Atome und Elementarteilchen treten seltsame Erscheinungen auf, die dem Menschenverstand zu widersprechen scheinen. Hier beginnt die Quantenphysik, deren Besonderheiten in diesem Vortrag behandelt werden.
Zielgruppe: Schüler/innen der Oberstufe
Der Zufall begegnet uns häufig im Alltag. Was aber ist Zufall eigentlich? Wie können wir diesen Begriff genauer eingrenzen? Ist ein Ereignis, das uns zufällig erscheint, wirklich zufällig, oder könnte es nicht vielleicht vorherbestimmt sein? Kann man objektiven und subjektiven Zufall unterscheiden? In diesem Vortrag sollen diese Fragen aus der Sicht eines Physikers diskutiert werden.
Symmetrie begegnet uns oft im Alltag: Gebrauchsgegenstände, Pflanzen, Tiere, Gesichter, Kunstobjekte, Melodien können bestimmte Symmetrien zeigen. Eine besondere Rolle spielen Symmetrien in der Physik. Anhand von Beispielen werden verschiedene Arten von Symmetrie, deren Brechung, und ihre Bedeutung in der Physik illustriert.
Ein Vortrag von 60 min.
Wie hängen Körper und Geist zusammen? Sind Materie und Geist zwei
unabhängige Substanzen? Oder gibt es nur eine materielle Substanz in
der Welt, und das Geistige (Mentale) ist eine Eigenschaft der Materie?
Könnten Wesen mit einem künstlichen Gehirn Empfindungen und
Gefühle haben? Verfügt der Fadenwurm mit seinem winzigen Gehirn
aus 302 Neuronen über Geist?
Die Physik befasst sich mit physikalischen Gegenständen. Dazu gehören Tische, Steine und Atome, aber auch Plattwürmer und Neuronen. Der Physikalismus behauptet "Alles ist physikalisch". Was ist damit gemeint? Sind Vereinbarungen, Wünsche und Schmerzen auch physikalisch? Und wenn ja, ist Bewusstsein nur eine Begleiterscheinung physikalischer Vorgänge? Oder sind Materie und Geist zwei unabhängige Substanzen? Verfügt der Fadenwurm mit seinem winzigen Gehirn aus 302 Neuronen über Geist?
In der Physik kommen zahlreiche besondere Begriffe zur Beschreibung physikalischer Gegenstände und Vorgänge vor, z. B. Masse, Kraft, Energie, Temperatur, Quarks, schwarze Löcher. Wie ist die Bedeutung solcher Begriffe festgelegt? Kann man beispielsweise den Begriff Temperatur dadurch festlegen, dass man eine Messvorschrift mit einem Thermometer angibt? Kann man die Bedeutung des Zeitparameters t in der Physik mittels Atomuhren fassen? Anhand von Fallbeispielen wird gezeigt, dass die Begriffe der Physik nicht auf diese Weise ("operational") gefasst werden, sondern dass sie theoretische Terme sind, die ihre Bedeutung im Rahmen einer Beschreibung eines Phänomenbereiches finden. Die Verbesserung und Verfeinerung der Begriffe ist eng mit dem Fortschritt in der Physik verknüpft.
Ein Vortrag von 30-45 min.
Die Frage "Was ist die Zeit?" wird nach eher philosophischen Vorbemerkungen
zu Kant, zu McTaggarts A- und B-Reihen, und zur Unterscheidung zwischen
phänomenologischer und physikalischer Zeit, aus Sicht der Physik
behandelt. Nach einem kurzen historischen Abriss der Zeitmessung bilden
drei Themen den Schwerpunkt: (1) Der Zeitpfeil, also die Tatsache, dass der
Zeit eine Richtung innewohnt, durch welche sich die Vergangenheit von der
Zukunft unterscheidet, (2) die Relativität der Zeit und (3) die
Relativität der Gleichzeitigkeit in der Relativitätstheorie.
Einige Meilensteine aus der Geschichte der Kryptographie, der Technik der Verschlüsselung, und der Kunst der Entschlüsselung geheimer Nachrichten werden vorgestellt. Unter anderem führt der Weg von Caesars Methode über die Drehscheiben von Leon Battista Alberti und die Enigma-Maschine zu heutigen elektronischen Verfahren und zur Quantenkryptographie.
Ein Vortrag von 75 min.
Die Physik ist eine Naturwissenschaft. Sie befasst sich mit den
Eigenschaften und Bausteinen der Materie und den zwischen ihnen wirkenden
Kräften und sucht nach einer Beschreibung der beobachteten
Regelmäßigkeiten durch Naturgesetze. Die Metaphysik ist ein
Gebiet der Philosophie und bezeichnet wörtlich das, was "nach der
Physik" kommt. Welche Fragen stellt sie und in welchem Verhältnis
steht sie zur Physik? Wir befassen uns mit der klassischen Metaphysik, mit
Immanuel Kants Auffassung von der Metaphysik, mit den Voraussetzungen
für Wissenschaft, und mit antimetaphysischen Positionen im 20.
Jahrhundert.
Ein Beitrag von 45 min. zum Philosophie-Kurs der Oberstufe.
Was ist Metaphysik?
Welche Fragen stellt sie?
Wodurch unterscheiden sich Physik und Metaphysik?
Was sind Naturgesetze? Wie gelangen wir zu ihnen? In dem Vortrag geht es um diese Fragen und um folgende damit zusammmenhängende Themen: Charakterisierung von Naturgesetzen, das Problem der Induktion, Poppers kritischer Rationalismus, die Theoriebeladenheit der Beobachtung, Holismus, Theorien - Modelle - Gesetze, Theoriendynamik.
Entdeckungen spielen eine zentrale Rolle für den Fortschritt der Wissenschaften. Zwei der diesjährigen Träger des Nobelpreises für Physik haben als Erste einen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems entdeckt. Im Jahr 2012 wurde am CERN das Higgs-Teilchen entdeckt. Werner Heisenberg entdeckte die Unschärferelation, Rudolf Clausius die Entropie, und Pythagoras die irrationalen Zahlen. Was ist diesen Entdeckungen gemeinsam und was unterscheidet sie wesentlich? Wann ist eine Entdeckung wissenschaftlich? Diese Fragen sollen in dem Vortrag anhand der obigen und weiterer Beispiele diskutiert werden.
In 1925 a young postdoc, Lucy Mensing, came to Göttingen to do research with matrix mechanics, which had just been formulated. In the following years she did groundbreaking work. She successfully made the first application of the new theory to diatomic molecules. As a by-product of this work, she was the first who found that from the allowed integer or half-integer quantum numbers of angular momentum, only the integer ones apply for orbital angular momentum. Pauli, being impressed by her clear and masterful treatment of the problem, invited her to work with him on the polarizability of gases. In my contribution I will sketch the pioneering work of Mensing and give a brief account of her life and her career, which ended in 1930 after she married and started a family.
Am Anfang war der Urknall - davon geht die Mehrheit der Astrophysiker aus, weil sich das Bild einer Ur-Explosion beinahe zwangsläufig aus der Ausdehnung des Alls ergibt. Allerdings ist das Modell inzwischen weiter verbessert und verfeinert worden. Es wird angenommen, dass es in den ersten Bruchteilen von Sekunden eine Phase außerordentlich rascher Ausdehnung gegeben hat, die sogenannte inflationäre Phase. Sie erklärt ein paar Rätsel der Kosmologie und führt zu überraschenden Konsequenzen.
In der Science-Fiction-Literatur geistert oft der Begriff "Antimaterie" umher. Es gibt sie tatsächlich. Warum kommt sie dann so selten in unserer Umgebung vor? Nach einer Einführung des Begriffs "Antimaterie" wird auf diese Frage und auf die damit zusammenhängende Frage, warum es überhaupt Materie im Weltall gibt, eingegangen.
Seit Entdeckung der Quantentheorie ist ihre Bedeutung für naturphilosophische Fragestellungen, insbesondere den Begriff der physikalischen Realität betreffend, diskutiert worden. Einstein war der prominenteste Vertreter einer Richtung von Physikern, welche die Quantentheorie aufgrund solcher Überlegungen ablehnten. In der historischen Diskussion Einsteins mit Bohr fanden die gegensätzlichen Standpunkte deutlichen Ausdruck. In dem Vortrag wird dieser Fragenkreis im Lichte der Arbeiten von J. Bell dargestellt.
Über die Bedeutung des wissenschaftlichen Rechnens mit Supercomputern.
Kurzer historischer Rückblick, Beispiele aus Elementarteilchenphysik,
Astrophysik und anderen Gebieten, Supercomputing in Deutschland,
internationale Perspektiven.