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Ein Blick in die Spitzenforschung

Bundesweit einmalig: Freiburger Sommerschule für Theoretische Physik für Studierende mit Vordiplom

Freiburg, 24.09.2001

Wer hat nicht schon einmal im Physikunterricht von Einsteins "Relativitätstheorie" oder Heisenbergs Theorie der "Quantenmechanik" gehört? Welchen Einfluss haben diese beiden Theoriemodelle auf unser alltägliches Leben oder in den modernen Wissenschaften? An der Freiburger Albert-Ludwigs-Universität haben nun drei Dozenten der Theoretischen Physik eine Veranstaltungsform entwickelt, um Studierenden aus ganz Deutschland Einblicke in die moderne Forschung zu ermöglichen: Zum ersten Mal organisieren sie zwischen Montag, den 24. September, und Freitag, den 28. September 2001, die "Freiburger Sommerschule für Theoretische Physik": 35 Studierende aus ganz Deutschland erhalten hier die einmalige Gelegenheit, sich für den weiteren Verlauf ihres Studiums über die neusten Forschungsthemen der Theoretischen Physik orientieren zu können. Möglich wurde dies durch Stipendien, die das Istituto Italiano per gli Studi Filosofici in Neapel zur Verfügung gestellt hat, sowie durch eine Unterstützung der Freiburger Buchhandlung Lehmanns.

Drei Dozenten der Theoretischen Physik an der Freiburger Universität, Heinz-Peter Breuer, Domenico Giulini und Francesco Petruccione, veranstalten eine einwöchige Sommerschule für Studenten nach dem Vordiplom aus ganz Deutschland. Zielsetzung ist es, diese in einem möglichst frühen Stadium ihres Studiums an moderne Fragestellungen der aktuellen Forschung heranzuführen. Finanziell wird diese Veranstaltung ausschließlich vom Istituto Italiano per gli Studi Filosofici (Neapel) in Form von Stipendien und Sponsorenbeiträgen getragen, die von den Veranstaltern selbst eingeworben wurden. Aus denen an dieser Veranstaltung referierten Themen seien beispielhaft zwei Schwerpunkte ausgewählt und näher erläutert:

Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, Schwarze Löcher und exotische Materie
Täglich machen wir die Erfahrung, dass materielle Objekte einer Schwerkraft (etwa beim zu Boden fallen) und einer Trägheit (spürbar beim Beschleunigen oder Abbremsen) unterliegen. Diese beiden Phänomene werden in der gegenwärtigen Physik durch Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie aus dem Jahre 1915 mathematisch einheitlich beschrieben. Diese erklärt nicht nur alle Himmelserscheinungen im Zusammenhang mit der Bewegung der Planeten in unserem Sonnensystem, sondern reicht in ihrer Gültigkeit weit darüber hinaus, sei es bis zu den größten uns heute durch Beobachtungen zugänglichen Distanzen oder den extremen Bedingungen, wie sie in den Zentren von Galaxien herrschen, etwa unserer eigenen, die wir in klaren Nächten als Milchstraße wahrnehmen können. Durch die Theorie wird nun die Bewegung astronomisch wahrnehmbarer Objekte mit der vor Ort vorliegenden Materie und Energieverteilung verknüpft. Modernste astronomische Methoden hochauflösender Bewegungsmessungen an entfernten Objekten erlauben somit genaue Rückschlüsse auf die dort vorhandene Materie. Dabei ergaben sich u.a. in jüngster Zeit zwei erstaunliche Resultate:
Das Zentrum unserer Galaxie (sowie vieler anderer) beherbergt ein extrem kompaktes Objekt von mehr als einer Millionen Sonnenmassen. Dabei kann es sich nach heutigen Vorstellungen nur um ein sogenanntes Schwarzes Loch handeln, dessen Gravitationskraft selbst Licht am entweichen hindert (weshalb man es auch nicht sieht, sondern eben nur durch seine Umgebungseinflüsse indirekt erschließen kann). Die Menge an gravitativ nachweisbarer Masse bzw. Energie im Universum übersteigt bei weitem die Menge der mit astronomischen Instrumenten direkt sichtbaren Materie. Wenn es bei den Ergebnissen der Präzisionsmessungen der letzten zwei Jahre bleibt, stehen wir vor der frappanten Tatsache, dass etwa 95 Prozent der gravitativ nachweisbaren Masse bzw. Energie von noch ungeklärter Natur sind.

Offene Quantensysteme: Von den Grundlagen zu den Technologien der Zukunft
Die Möglichkeit, Musik in Form von CDs zu hören, verdanken wir dem Laser. Der Laser tastet die Oberfläche der CD ab und ermöglicht somit die Wiedergabe von digital aufgenommener Musik in hoher Qualität. Ein Laserstrahl besteht aus einem kohärenten Bündel von Lichtteilchen, den sogenannten Photonen. Er stellt ein typisches Phänomen dar, das nur mit der Quantenmechanik erklärt werden kann. Die Quantenmechanik gilt heute als die genaueste physikalische Theorie, die die gesamte mikroskopische, atomare und subatomare Welt beschreibt. Seit ihrer Entwicklung durch Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger und andere um das Jahr 1927 ist sie zu einer extrem erfolgreichen Theorie mit einer Fülle von Anwendungsgebieten ausgebaut worden. So bildet die Quantentheorie zum Beispiel die Grundlage für Erfindungen wie die des Lasers und des Halbleiters, von Technologien also, die unsere Zeit entscheidend geprägt haben. Einer Schätzung zufolge beruht etwa 30% des amerikanischen Bruttosozialprodukts auf der Wirtschaftlichen Nutzung von Technologien, die auf der Quantenmechanik basieren. In ihrer ursprünglichen Formulierung beschreibt die Quantenmechanik einzelne Objekte, wie zum Beispiel ein Wasserstoffatom. Die meisten interessanten Systeme sind aber keineswegs isoliert, vielmehr stehen sie in Wechselwirkung mit ihrer Umgebung. Der angesprochene Laser z.B. arbeitet nur, weil er aus einem Reservoir Energie in inkohärenter Form aufnimmt, um diese in kohärenter Form an seine Umgebung wieder abzugeben. Aus diesem Grund beschäftigt man sich heute in der theoretischen Physik intensiv mit der Theorie offener Quantensysteme, in der sowohl Grundlagenprobleme als auch praktische Anwendungen eine Rolle spielen. Ein typisches Beispiel für den engen Zusammenhang zwischen Grundlagenforschung und anwendungsorientierter Forschung ist das sogenannte Phänomen der Dekohärenz. Hierunter versteht man den Verlust des typisch quantenmechanischen, kohärenten Verhaltens beim Übergang von der mikroskopischen zur makroskopischen Welt. Das Verständnis und die gezielte Kontrolle dieses Phänomens sind unverzichtbar für künftige Entwicklungen, wie zum Beispiel die Quantenkryptographie, der Quantencomputer und der Atomlaser.


Kontakt:
PD Dr. Heinz-Peter Breuer
PD Dr. Domenico Giulini
apl. Prof. Francesco Petruccione
Fakultät für Physik der Albert-Ludwigs-Universität
Hermann-Herder-Str. 3, 79104 Freiburg
Tel: 0761/203-5828 (5819)
Fax: 0761/203-5967

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