Die Klimasensitivität beschreibt, wie viel die globale Mitteltemperatur steigt, wenn der Anteil des Treibhausgases CO₂ in der Atmosphäre der Erde sich verdoppelt. In die Berechnung fließen gut bekannte physikalische Gesetze zur Strahlungsbilanz der Erde sowie weniger sicher quantifizierbare Rückkopplungseffekte ein. Im Vortrag werden zwei stark vereinfachte Modelle zur Abschätzung des Beitrags von CO₂ zum Treibhauseffekt und zur Klimasensitivität vorgestellt, die keine Rückkopplungseffekte berücksichtigen. Das erste Modell beschreibt eine statische Atmosphäre ohne molekulare Zusammenstöße. Das zweite Modell präzisiert die Prozesse in der Atmosphäre unter Einbeziehung ihrer Temperaturabhängigkeit und der Annahme von lokalem thermodynamischen Gleichgewicht. Trotz starker Vereinfachung erklären beide Modelle klar die Zunahme der globalen Mitteltemperatur bei erhöhtem CO₂-Gehalt in der Atmosphäre: Die CO₂-Spektrallinie, die der Absorption terrestrischer IR-Strahlung zuzuordnen ist, verbreitert sich mit steigender CO₂-Konzentration.

Das Jaynes-Cummings Modell beschreibt das System "ein Atom im elektromagnetischen Feld" in seiner einfachsten Form: ein einzelnes zwei-Niveau-Atom/System und ein Feld mit einer räumlichen Mode. Um das Modell zu lösen, verwendet man zumeist die sogenannte rotating wave approximation, um solche Prozesse zu vernachlässigen, die scheinbar die Energieerhaltung im klassischen Sinne brechen. Diese Näherung liefert sehr gute Ergebnisse für eine schwache Wechselwirkung im Resonanzfall, wie sie normalerweise zwischen Atom und und einen Lichtfeld mit passender Frequenz vorliegt. Für Systeme, die in Halbleitern realisiert werden, wie zum Beispiel einer "on-chip cavity", sind die Wechselwirkungen nicht mehr schwach, hier versagt die rotating wave approximation. Um solche Systeme zu beschreiben, werden entweder numerische oder analytische Lösungen benötigt. In diesem Vortrag wird eine analytische Lösung dieses Problem vorgestellt und mit der rotating wave approximation verglichen.

Bei dem Jahn-Teller Effekt wird eine Wechselwirkung zwischen Elektronen und Phononen betrachtet. Das dazu aufgestellte Jahn-Teller Theorem besagt, dass es für fast jede Kombination von entarteten elektronischen Zuständen eine symmetriebrechende Wechselwirkung gibt, die einhergeht mit einer Verzerrung der molekularen Konfiguration und dem Verschwinden der Entartung. In dem Vortrag werden die grundlegenden Überlegungen vorgestellt, sowie auf die Auswirkung des Effekts bei dem Kupferion Cu²⁺ im Kristallfeld eingegangen.

Das GEOFLOW-Experiment stellt Strömungsverhältnisse experimentell nach, die z.B. im äußeren Erdkern vorhanden sind. Der äußere Erdkern ist flüssig und einem radialen Temperaturgradienten ausgesetzt, da die Erde innen heißer ist als außen. Der Temperaturgradient und die Gravitation verursachen Konvektion, die Rotation beeinflusst das Geschwindigkeitsfeld des Fluids zusätzlich. Da man im Erdinneren kaum Messungen durchführen kann, greift man auf numerische Simulationen zurück, um Auskunft über die Strömungsmuster zu erhalten. Zur Überprüfung der Qualität der Simulationen wurde das GEOFLOW-Experiment gebaut. Dieses besteht aus einem viskosen Fluid zwischen zwei unterschiedlich beheizten Kugelschalen. Das radiale Gravitationsfeld der Erde wird mittels eines elektromagnetischen Feldes nachgestellt. Um Überlagerung mit dem lokal homogenen Gravitationsfeld der Erde zu entgehen, wird das Experiment auf der ISS durchgeführt. Im Vortrag werden die grundlegenden Gleichungen sowie eine Auswahl der Ergebnisse und der aktuelle Stand des Projekts vorgestellt.

Das Nernstsche Wärmetheorem von 1905 besagt, dass für reine kondensierte Materie die Entropie den Wert null anstrebt, wenn die Temperatur gegen null geht. Planck verschärfte diese Aussage 1910 indem er forderte, dass die Entropie unabhängig von thermodynamischen Parametern und somit konstant ist beim absoluten Nullpunkt der Temperatur.
In dem Vortrag werden neben der Formulierung des Nernstschen Wärmetheorems eine Reihe allgemeiner Folgerungen besprochen. So ermöglicht der Dritte Hauptsatz der Thermodynamik die Berechnung der Entropie mit Hilfe der Wärmekapazitäten, welche mit abnehmender Temperatur gegen null konvergieren. Es folgen Aussagen über das Temperaturverhalten von thermischen Koeffizienten (z.B. thermischer Ausdehnungskoeffizient) und die Anwendung des Satzes auf Gase. Die wichtigste Folgerung aus dem Dritten Hauptsatz ist die Unerreichbarkeit des absoluten Nullpunktes.

Der Domino-Effekt ist kollektiv. Die Physik einer umfallenden Reihe von Domino-Steinen dient als Beispiel eines komplexen Mechanikproblems. In der Analyse werden die Kräfte zwischen den Domino-Steinen berücksichtigt, inklusive Reibung. Es wird ein Ausdruck für die endliche Propagationsgeschwindigkeit des Effektes in Abhängigkeit von Dicke, Höhe und Abstand der Domino-Steine gegeben.

Das EPR-Paradoxon ist ein von Einstein, Podolsky und Rosen aufgestelltes Argument, das mithilfe eines speziellen quantenmechanischen Zustands und der Annahme von Lokalität die Unvollständigkeit der Quantenmechanik zeigen sollte. Darauf basierend stellte John Bell eine experimentell überprüfbare Ungleichung auf, die eine Entscheidung darüber erlaubt, ob die Quantenmechanik falsche Aussagen macht oder die Realität durch keine lokale "verborgene Variablen"-Theorie beschrieben werden kann. In den zwei vorgestellten Papern wird das EPR-Argument und die Herleitung der Bell'schen Ungleichung anschaulich dargestellt und darüber argumentiert, welche minimalen Annahmen für die Herleitung der Bell'schen Ungleichung nötig sind. Schließlich wird noch dargestellt, wie die Viele-Welten-Interpretation der Quantenmechanik mit der Bell'schen Ungleichung zusammenhängt.

Graphen ist eine Modifikation des Kohlenstoffs und der erste bekannte zweidimensionale Stoff, da er lediglich aus einer Atomlage besteht. In meinem Vortrag werde ich zunächst die Herleitung der elektronischen Struktur anhand des tight binding-Modells skizzieren. Aus der daraus folgenden Dispersionsrelation ergibt sich eine lineare Abhängigkeit an den K-Punkten der 1. Brillouin-Zone. Diese Linearität deutet auf Teilchen mit verschwindender Ruhemasse hin. Daran anschließend wird der Effekt des "Klein-Tunnelns" an verschiedenen Potentialbarrieren behandelt, wobei kurz auf den Unterschied zwischen Monoschicht und Doppelschicht von Graphen eingegangen wird. Abschließend werden Methoden zum experimentellen Nachweis der auftretenden Effekte vorgestellt.

Plasmen können mithilfe der Magnetohydrodynamik beschrieben werden, wobei man bereits unter einer linearen Störungsrechnung anschauliche Modelle für Instabilitäten erhalten kann. Der Fokus des Vortrags liegt auf Plasmaröhren, also zylinderförmige Plasmaströme, welche beispielsweise zur Modellierung von solaren Loops und den Strömungen im Tokamak dienen können. Insbesondere die sogenannte Kink-Instabilität spielt bei beiden Anwendungen eine wichtige Rolle. Bei der Kink-Instabilität erfährt die Plasmaröhre einen ,,Knick", auf dessen konkaver bzw. konvexer Seite der magnetische Druck erhöht bzw. reduziert wird und sich der Knick weiter ausprägt.

Das Heizen eines Zimmers gehört zu gewöhnlichsten Tätigkeiten des Alltags. Umso interessanter ist es, dass die physikalische Beschreibung dieses Vorgangs weder intuitiv noch trivial ist. Das Problem ist ein hervorragendes Beispiel für eine praktische Anwendung der Methoden der Thermodynamik. In diesem Vortrag wird zunächst das Heizen eines Zimmers unter idealen Bedingungen behandelt. Des weiteren wird eine allgemeine Lösung des Problems vorgestellt.

Das Bellsche Theorem, aufgestellt 1964 von John Bell, macht deutlich, dass kein lokal kausales Modell die Vorhersagen der Quantenmechanik reproduzieren kann. Was oft dabei vergessen wird ist der Aspekt der Kausalität, der in unserer Wahrnehmung zwar immer gegeben ist, auf quantenmechanischer Ebene aber vielleicht angezweifelt werden kann. So gibt es verschiedene mathematische Modelle, die tatsächlich die quantenmechanischen Vorhersagen reproduzieren, aber Lokalität oder sogar Kausalität verletzen. Es werden drei Modelle vorgestellt; die Bohmsche Mechanik, ein nicht-lokales Modell von Bell und ein retro-kausales Modell.

Granulare Materie ist ein vielfältiges Phänomen, angefangen beim Hausstaub über Lawinen und Wanderdünen bis hin zu planetaren Ringen und protoplanetaren Scheiben. Entfernt man sich bei der Betrachtung von granularer Materie von der Idee des idalen Gases und lässt Wechselwirkung der Partikel untereinander zu, so spielen die Adhäsionskräfte, die beim Kontakt der Partikel diese aneinander binden, für das Verklumpen und die Größe der granularen Teilchen eine entscheidende Rolle. Die Größenverteilung der Partikel für ein im thermodynamischen Gleichgewicht angenommenes granulares Gas soll mittels eines einfachen Modells und unter Berücksichtigung einiger vereinfachender Annahmen in Abhängigkeit der Temperatur entwickelt werden. Hierzu wird zuerst die Zustandssumme entwickelt und diese dann auf das großkanonische Ensemble angewandt. Abschließend wird die Verteilung für verschiedene Temperaturen dargestellt.

Ein Jahrhundert ist es ungefähr her, seit Minkowski und Abraham zwei unterschiedliche Formulierungen für den Lichtimpuls in einem Medium aufstellten. Bei Betrachtung eines Photons kann der Unterschied dieser zwei Impulse als Division bzw. Multiplikation des Vakuumimpulses h/lambda mit dem Brechungsindex identifiziert werden. Anhand von Experimenten, zwei werden vorgestellt, ist es möglich beide nachzuweisen. Die Existenz beider Impulse lässt die Frage aufkommen, unter welchen Bedingungen es welchen anzuwenden gilt. Die Antwort: beide Impulse sind notwendig, Minkowski hat den kanonischen Impuls und Abraham den kinetischen Impuls beschrieben.

Die unterschiedlichsten statistischen Prozesse können mit der Diffusionsgleichung beschrieben werden. So reicht ihre Spanne vom Verhalten kolloider Partikel in Lösung über wirtschaftswissenschaftliche Themen bis hin zu Populationsdynamiken. Anhand eines vereinfachten Beispiels soll in diesem Vortrag in Grundbegriffe der Diffusions-Thematik eingeführt werden. Es wird gezeigt, wie sich daraus Aussagen bezüglich der Überlebenswahrscheinlichkeit einer bejagten Spezies in Gegenwart einer variablen Menge an Jägern ableiten lassen. Ferner sieht man, dass die Jagd-Effizienz pro Jäger mit steigender Zahl abnimmt, auch wenn diese unkorreliert agieren.

Der analytische Werkzeugkasten zur Untersuchung einfacher chaotischer Systeme, die mit wenigen gewöhnlichen Differentialgleichungen beschrieben werden können, ist gut gefüllt. Anders bei komplexen dynamischen Systemen, die eine große bis infinite Anzahl an gewöhnlichen Differentialgleichungen benötigen, deren Untersuchung meist nur noch numerisch möglich ist. Ein Anliegen ist es nun, herauszufinden, ob es allgemeine Gesetzmäßigkeiten gibt, denen diese Systeme folgen. Es werden Möglichkeiten vorgestellt, um chaotisches Verhalten zu charakterisieren, sowie einige der einfachsten komplexen Systeme, die ein solches Verhalten zeigen, auf ihrer "route into chaos" beobachtet und gemeinsame Charakteristika aufgezeigt.

Die Ähnlichkeit des Newtonschen Gravitationsgesetzes und des Coulomb-Gesetzes legt nahe, dass sich auch zwei entgegengesetzt geladene makroskopische Körper auf Orbits umkreisen können. Durch Annahmen über das Potential zweier solcher Körper werden Aussagen über die Entstehung und Stabilität, welche hier durch Polarisierung der Körper beinflusst wird, von elektrostatisch gebundenen Orbits gewonnen. Erst 2006 konnten solche Orbits experimentell realisiert werden. Experimente von einem Parabelflug 2008 mit zwei identischen entgegengesetzt geladenen Kugeln werden vorgestellt und mit den Erkenntnissen der Stabilitätsbetrachtungen verglichen.

Die Planck-Masse M_P ergibt sich aus der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit c, dem planckschen Wirkungsquantum h sowie der Gravitationskonstante G und erweist sich als Grenze für die Energie von Teilchen, ab der es einer Quantentheorie der Gravitation bedarf, um das physikalische Verhalten dieser Teilchen zu beschreiben. Mit einer Äquivalenz zu 10¹⁹ Protonmassen liegt die Planck-Masse weit von der Energie entfernt, die von Teilchenbeschleunigern auf der Erde erreicht werden kann, und entzieht sich daher einer direkten experimentellen Beobachtung. Doch es gibt astrophysikalische Systeme in denen Relativität, Quantenmechanik und Gravitation eine Rolle spielen und somit auch entsprechend den Naturkonstanten, auf denen sie beruht, die Planck-Masse. In diesem Vortrag wird auf einfache Weise die obere Grenze für die Masse eines weißen Zwerges, die Chandrasekhar-Grenze, hergeleitet und der Einfluss der Planck-Masse besprochen.

Dass wir ausgerechnet zur Beschreibung der reellwertigen Welt einen ausgiebigen Gebrauch von der imaginären Zahl i machen, die uns eigentlich fremd ist, wird hier untersucht. Dabei stellt sich heraus, dass das i aus einer Konstruktion hervorragt, die für eine eindeutige Darstellung der physikalischen Welt unvermeidbar erscheint. Dazu wird mit der Einführung eines invertierbaren Vektorproduktes für den drei-dimensionalen Raum begonnen. Danach kommt eine Vorstellung der sogenannten Pauli-Algebra P und eine koordinatenunabhängige Benennung von vier geometrischen Elementen (Skalar, Vektor, Pseudovektor, Pseudoskalar) im drei-dimensionalen Raum. Danach werden einige geometrische Transformationen hergeleitet und ihre physikalische Bedeutung in der Algebra P diskutiert. Anschließend folgen Beispiele aus einigen Gebieten der Physik, in denen die Pauli-Algebra eine durchaus sinnvolle oder gar erwünschte Interpretation der physikalischen Welt liefert.