Eine präzise physikalische Theorie zur Beschreibung elektromagnetische Phänomene liefern uns die Maxwell-Gleichungen. Unter Zunahme der speziellen Relativitätstheorie können wir das elektrische Feld einer Ladung berechnen, die sich auf einer hyperbolischen Bahn bewegt (gleichmäßige Beschleunigung, retardierte Potentiale und Felder). Jedoch wird hierbei das Gaußsche Gesetz – die erste Maxwell-Gleichung – (scheinbar) verletzt. Zur Korrektur werden wir die Bewegung des Teilchens ein wenig verändern und eine unbeschleunigte Phase hinzufügen. Mit dem so korrigierten elektrischen Feld bleibt das Gaußsche Gesetz erhalten. Weiterhin werden wir versuchen, die genaue Ursache des Problems zu isolieren, in dem wir zu den grundlegenden Gleichungen der retardierten Potentiale zurückgehen.
Literatur: Joel Franklin und David J. Griffiths, "The Fields of a Charged Particle in Hyperbolic Motion", Am. J. Phys. 82 (2014) 755

Aus der Vorlesung "Statistische Physik und Thermodynamik" kennen wir bereits das Konzept der Entropie. Diese wird unter der klassischen Randbedingung unendlich großer, idealer Wärmebäder, die in schwacher Wechselwirkung (Kopplung) mit dem zu untersuchenden System stehen, hergeleitet. Doch wie verhält es sich mit begrenzten Nichtgleichgewichts-Quantensystemen, die ihrerseits mit begrenzten Wärmebädern in Kontakt stehen? In diesem Regime muss die klassische Entropie durch ihr quantenmechanisches Analogon (die von Neumann-Entropie) ersetzt werden. Der Vortrag widmet sich der Herleitung einer exakten quantenmechanischen Beschreibung des zweiten thermodynamischen Hauptsatzes aus der von Neumann-Entropie, ohne die einschränkenden obigen Annahmen zu tätigen. Hierbei werden typische thermodynamische Größen wie der Wärmeaustausch eines kanonischen Systems mit seiner Umgebung oder dessen thermodynamisches Potential, die Freie Energie, abgeleitet.
Literatur: M. Esposito, K. Lindenberg und Ch. Van den Broeck, "Entropy production as correlation between system and reservoir", New J. Phys. 12, 013013 (2010).

Das Gedankenexperiment von Einstein, Podolsky und Rosen (EPR) beschäftigt sich mit dem Gedanken, dass es möglich sein kann, Ort und Impuls von korrelierten Teilchenpaaren genauer zu bestimmen, als es von der Heisenberg'schen Unschärferelation erlaubt wird. Diese Umgehung der Unschärferelation kann jedoch aufgehoben werden, wenn die Teilchen superluminal Informationen austauschen können. Dieses Experiment kann man auf Photonenpaare umformulieren, die bei einer Polarisationsmessung entlang einer Achse entweder beide durch die Polarisatoren gehen oder beide an diesen reflektiert werden. Um dieses Verhalten erklären zu können, ohne dass das Prinzip von starker Lokalität verletzt wird, schlugen EPR vor, dass es versteckte Variablen gibt, die die Eigenschaften des Systems beinhalten. Wenn man jedoch das EPR-Experiment analysiert, lässt sich zeigen, dass es in der Natur keine starke Lokalität gibt. In diesem Vortrag wird erklärt, wie man zu diesem Schluss kommen kann und was dies für Konsequenzen hat.
Literatur: Mark G. Alford, "Ghostly action at a distance: A non-technical explanation of the Bell inequality", Am. J. Phys. 84 (2016) 448.

In granularer Materie – man stelle sich vor, wie Sand fließt – wird beobachtet, wie Wärme von kälteren zu wärmeren Regionen granularer Temperatur fließt. Die granulare Temperatur entspricht der kinetischen Energie der erratischen Bewegung der Körner und ist nicht zu verwechseln mit der thermodynamischen Gleichgewichtstemperatur. Damit wird der 2. Hauptsatz der Thermodynamik nicht verletzt. Der anomale Wärmefluss wurde bereits in Computer-Simulationen sowie im Labor beobachtet und mit den Methoden der statistischen Physik berechnet. Ziel der Arbeit ist es jedoch, eine heuristische Erklärung und Berechnung zu präsentieren, welche auf der Eigenschaft der granularen Materie, ein Nichtgleichgewichtssystem zu sein, beruht. Diese ist eine Folge der inelastischen Stöße der Körner der Materie und sorgt für den beobachteten Fluss, welcher für einen stationären Zustand sorgt.
Literatur: D. Candela und R.L. Walsworth, "Understanding the breakdown of Fourier's law in granular fluids", Am. J. Phys. 75 (2007) 754.

Beim Kosterlitz-Thouless-Übergang handelt es sich um eine spezielle Form eines Phasenübergang, einem topologischen Übergang. Der Phasenübergang lässt sich als Übergang von gebundenen Vortex-Antivortex-Zuständen (Tieftemperaturphase) zu ungebundenen Vortexzuständen (Hochtemperaturphase) interpretieren. Es handelt sich um einen Phasenübergang in zwei Dimensionen, was durch das Mermin-Wagner-Theorem eigentlich ausgeschlossen ist. Für den betrachteten Übergang lässt sich das Theorem allerdings nicht anwenden. Nach Ehrenfest-Klassifikation handelt es sich um einen Phasenübergang unendlicher Ordnung. Er ist für das Verständnis der Vorgänge bei der Ausprägung von supraleitenden und superfluiden Zuständen von großer Bedeutung.
Literatur: J. Michael Kosterlitz, "Kosterlitz–Thouless physics: a review of key issues", Rep. Progr. Phys. 79(2) 026001, (2016).
Henrik Jeldtoft Jensen, "The Kosterlitz-Thouless Transition", Lecture notes on Kosterlitz-Thouless transition in the XY model, Imperial College (2003).

Seit der Entwicklung von Computern steigt die Leistung dieser immer weiter rapide an. Dabei stellt sich die Frage, welche Grenzen diese Leistungssteigerung hat. In meinem Vortrag möchte ich die physikalischen Limits eines Laptops ergründen. Dabei wird uns die Quantenmechanik eine obere Abschätzung der Rechengeschwindigkeit durch die Energie und damit die Masse geben, während die Thermodynamik eine Schranke für den Speicherplatz über die Entropie liefert. Ferner begrenzt das Volumen die Parallelisierung der Aufgaben des Computers.
Literatur: Seth Lloyd, "Ultimate physical limits to computation", Nature 406 (2000) 1047.