Was ist Physik? · Mit vielen Grüßen an Euch, Euer untertänigster Diener ... Wolfgang Pauli....

Orientierungseinheit SS2005 Was ist Physik? Caren Hagner, Universität Hamburg

Was ist Physik?Was ist Physik?

Caren HagnerUni HamburgCaren HagnerUni Hamburg


Soll man Physik studieren?Soll man Physik studieren?

"Theoretische Physik, das ist ja ein ganz schönes Fach... aber grundsätzlich Neues werden sie darin kaum mehr leisten können."

Ph.v. Jolly zu M. Planck, 1874

Antwort von 1874:

Max Planck (1858-1947)Nicht lange danach entstanden:

RelativitätstheorieQuantenmechanik…

Nicht lange danach entstanden:RelativitätstheorieQuantenmechanik…


"for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect"

"for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect"

Nobelpreis 1921

Albert Einstein (1879 – 1955)Albert Einstein (1879 – 1955)

1905: “Annus Mirabilis” Spezielle RelativitätstheorieE = mc2

Lichtquanten: PhotonenPhotoelektrischer EffektBrownsche Bewegung

1916: Allgemeine Relativitätstheorie

1925:Bose-Einstein Kondensation

1905: “Annus Mirabilis” Spezielle RelativitätstheorieE = mc2

Lichtquanten: PhotonenPhotoelektrischer EffektBrownsche Bewegung

1916: Allgemeine Relativitätstheorie

1925:Bose-Einstein Kondensation


Theorie und ExperimentTheorie und Experiment

am Beispiel der Entdeckungdes Neutrinos

am Beispiel der Entdeckungdes Neutrinos


Wolfgang Pauli „erfindet“ das Neutrino (1930)Wolfgang Pauli „erfindet“ das Neutrino (1930)

Zahl

derE

leKt

rone

n

Energie des Elektrons

So sollte es aussehen

Aber dies wurde gemessen!

eepn ν++→ −

Energiespektrum der Elektronen beim β-ZerfallEnergiespektrum der Elektronen beim β-Zerfall

neutrinopnelektron EcmcmE −−= 22

ν

Als Lösungpostuliert W. Pauli

das Neutrino


Liebe radioaktive Damen und Herren,

wie der Überbringer dieser Zeilen, den ich huldvollst anzuhören bitte, Ihnen des näherenauseinandersetzen wird, bin ich angesichts... des kontinuierlichen Beta-Spektrums auf einenverzweifelten Ausweg verfallen, um ... den Energiesatz zu retten.Nämlich die Möglichkeit, es könnten elektrisch neutrale Teilchen, die ich Neutronen nennen will, in den Kernen existieren, welche das Ausschließungsprinzip befolgen und sich von Lichtquantenaußerdem noch dadurch unterscheiden, daß sie nicht mit Lichtgeschwindigkeit laufen.Ihre Masse müßte von derselben Größenordnung wie die Elektronenmasse sein.Ich traue mich vorläufig nicht, etwas über diese Idee zu publizieren, und wende michvertrauensvoll an Euch, liebe Radioaktive, mit der Frage, wie es um den experimentellen Nachweisstände, wenn dieses Neutron ein ebensolches oder etwa 100 mal größeres Durchdringungsvermögenbesitzen würde wie ein Röntgenstrahl.Ich gebe zu, daß mein Ausweg vielleicht von vornherein wenig wahrscheinlich erscheinen mag, weil man die Neutronen, wenn sie existieren, wohl längst gesehen hätte. Aber nur wer wagt, gewinnt, und derErnst der Situation beim kontinuierlichen Beta-Spektrum wird durch einen Ausspruch meines verehrtenVorgängers im Amte, Herrn Debye, beleuchtet, der mir kürzlich gesagt hat: ’Oh, daran soll man ambesten gar nicht denken, so wie an die neuen Steuern.’ Darum soll man jeden Weg zur Rettung ernstlichdiskutieren. Also, liebe Radioaktive, prüfet und richtet. Leider kann ich nicht persönlich in Tübingenerscheinen, da ich infolge eines in der Nacht vom 6. zum 7. Dezember in Zürich stattfinden Balles hierunabkömmlich bin.

Mit vielen Grüßen an Euch, Euer untertänigster Diener ... Wolfgang Pauli


Q=-1/3

NeutronNeutron

d

ProtonProton

Verantwortlich für die Umwandlungdes d-Quarks in u-Quark:schwache Kernkraft(elektroschwache Wechselwirkung)

Verantwortlich für die Umwandlungdes d-Quarks in u-Quark:schwache Kernkraft(elektroschwache Wechselwirkung)

Zerfall des Neutrons - Geburt des Neutrinos Zerfall des Neutrons - Geburt des Neutrinos

eepn ν++→ −

u

e-

veQ = +2/3

d

Q = -1/3

uQ = +2/3


@CERN Geneva

1925 Kopenhagen

Wolfgang Pauli in Hamburg (1955)

1922 Assistent an der Universität Hamburg1924 Habilitation in Hamburg (Entdeckung des Ausschließungsprinzips)1945 Nobelpreis für das Ausschließungsprinzip

1922 Assistent an der Universität Hamburg1924 Habilitation in Hamburg (Entdeckung des Ausschließungsprinzips)1945 Nobelpreis für das Ausschließungsprinzip


Erster Nachweis des Neutrinos 1956Erster Nachweis des Neutrinos 1956

Neutrinos erzeugt durch KernreaktorNachweis durch Neutrinoeinfang, Szintillator, PMT’sNobelpreis für Reines 1995

Neutrinos erzeugt durch KernreaktorNachweis durch Neutrinoeinfang, Szintillator, PMT’sNobelpreis für Reines 1995

Cowan und Reines

F. Reines1995


Fundamentale TeilchenFundamentale Teilchen

Photon GluonAustauschteilchen der Kräfte:Austauschteilchen der Kräfte:

u

d

Quarks:Quarks:

e

Leptonen:Leptonen:

vec

s μ

vμt

b τ

vτ

W,ZGraviton


Fundamentale TheorienFundamentale Theorien

QuantenmechanikQuantenmechanik RelativitätstheorieRelativitätstheorie

ElektroschwacheWechselwirkungElektroschwacheWechselwirkung Starke Wechselwirkung:

Quantenchromodynamik(QCD)

Starke Wechselwirkung:Quantenchromodynamik

(QCD)

GravitationGravitation

ElektromagnetismusElektromagnetismusSchwache

WechselwirkungSchwache

Wechselwirkung

?SupersymmetrieSupersymmetrie

StringtheorieStringtheorie


Grosse Fragen in der Teilchenphysik:Grosse Fragen in der Teilchenphysik:

Gibt es das Higgs-Teilchen?Wie werden die Teilchenmassen erzeugt?

Warum Materie – Antimaterie Asymmetrie? (CP-Verletzung)

Wie groß ist die Neutrinomasse?

Gibt es Supersymmetrie?

Wie hängen die 4 fundamentalen Wechselwirkungenzusammen? GUT? Stringtheorie?

Gibt es das Higgs-Teilchen?Wie werden die Teilchenmassen erzeugt?

Warum Materie – Antimaterie Asymmetrie? (CP-Verletzung)

Wie groß ist die Neutrinomasse?

Gibt es Supersymmetrie?

Wie hängen die 4 fundamentalen Wechselwirkungenzusammen? GUT? Stringtheorie?

Kosmologie wird experimentell !Kosmologie wird experimentell !

WMAP


Woraus besteht das Universum?Woraus besteht das Universum?

4% bekannte Materie(Protonen, Neutronen…)

23% kalte dunkle Materieunbekannte Teilchen!

76% dunkle EnergieNiemand weiss bisherwas das ist!

4% bekannte Materie(Protonen, Neutronen…)

23% kalte dunkle Materieunbekannte Teilchen!

76% dunkle EnergieNiemand weiss bisherwas das ist!

http://www.darthvader-starwars.com/../../../index.php?option=com_registration&task=register&phpshop=3560c9978aabaf1ea5d61cb7f359762b


Teilchenphysik in Hamburg: DESYTeilchenphysik in Hamburg: DESY

Eines der weltweit führenden Beschleunigerlabors:Erster Nachweis des Gluons!Wesentliche Beiträge zur QCD, Physik schwerer Quarks (c und b quark),Physik des Tauleptons

Im Moment Beschleuniger HERA (Experimente H1 und ZEUS)

Zukunft: Beteiligung an ILC (International Linear Collider)

Physik mit Synchrotronstrahlung

Zukunft: europäisches Röntgenlaserprojekt XFEL

Eines der weltweit führenden Beschleunigerlabors:Erster Nachweis des Gluons!Wesentliche Beiträge zur QCD, Physik schwerer Quarks (c und b quark),Physik des Tauleptons

Im Moment Beschleuniger HERA (Experimente H1 und ZEUS)

Zukunft: Beteiligung an ILC (International Linear Collider)

Physik mit Synchrotronstrahlung

Zukunft: europäisches Röntgenlaserprojekt XFEL


Neue Beschleunigungstechnik @ DESYNeue Beschleunigungstechnik @ DESY

ILC

XFEL


Teilchenphysik in Hamburg: CMSTeilchenphysik in Hamburg: CMSBeteiligung am LHC Programm des CERN(CMS Experiment: ~ 2000 Physiker!) Beteiligung am LHC Programm des CERN(CMS Experiment: ~ 2000 Physiker!)


Teilchenphysik in Hamburg: NeutrinosTeilchenphysik in Hamburg: NeutrinosBeteiligung am OPERA Experiment am GranSasso Untergrundlabor in ItalienBeteiligung am OPERA Experiment am GranSasso Untergrundlabor in Italien

Neutrinostrahl (vμ) vom CERN zum Gran Sasso UntergrundlaborNeutrinostrahl (vμ) vom CERN zum Gran Sasso Untergrundlabor

732 km

Neutrinooszillationen !

LNGS

Gran Sasso Untergrundlabor LNGSGran Sasso Untergrundlabor LNGS

Neutrinos vom CERNNeutrinos vom CERN


+ Astroteilchenphysik in Hamburg+ Astroteilchenphysik in HamburgBeteiligung am HESS Experiment in NamibiaAtmosphärisches Cerenkov Teleskop für hochenergetischeGammastrahlen ( ~ 100 GeV - TeV Bereich)

Beteiligung am HESS Experiment in NamibiaAtmosphärisches Cerenkov Teleskop für hochenergetischeGammastrahlen ( ~ 100 GeV - TeV Bereich)

Supernova-Überrests RX J1713.7-4946 im Sternbild Scorpio

http://www.mpg.de/bilderBerichteDokumente/multimedial/galerie/bilderWissenschaft/2004/11/Voelk01/Web_Zoom.jpeg

http://www.mpg.de/bilderBerichteDokumente/multimedial/galerie/bilderWissenschaft/2004/11/Voelk02/Web_Zoom.jpeg


Neues Bild der Milchstraße!Neues Bild der Milchstraße!

Große Frage der Astroteilchenphysik:Was sind die extrem hochenergetischen Teilchen (1020eV!) ?Wie und wo werden sie so stark beschleunigt?

http://www.mpi-hd.mpg.de/hfm/HESS/public/PressRelease/plots/HESS_Optical_Infrared.gif


Interessante ExperimenteInteressante Experimente

Super-KamiokandeNeutrinodetektor

(Japan):Sonnenneutrinos

Atmosphärische NeutrinosBeschleunigerneutrinos

Reaktorneutrinos

Wiederaufbau fand (teilweise) stattWiederaufbau fand (teilweise) statt


Neutrinoteleskope: ANTARESim Mittelmeer (2400m Tiefe)

Neutrinoteleskope: ANTARESim Mittelmeer (2400m Tiefe)

350 m

100 m


Amundsen-Scott South Pole station

South PoleDome

Summer campAMANDA

road to work

1500 m

2000 m

[not to scale]

Neutrinoteleskope: AMANDAam Südpol (im Eis 2000m Tiefe)Neutrinoteleskope: AMANDA

am Südpol (im Eis 2000m Tiefe)


Physik - GrundlagenforschungPhysik - Grundlagenforschung

HochenergiephysikFusionsforschungAstrophysikAstroteilchenphysikHadronen- und KernphysikKondensierte Materie

HochenergiephysikFusionsforschungAstrophysikAstroteilchenphysikHadronen- und KernphysikKondensierte Materie

http://www.bmbf.de/


Atom- und MolekülphysikAtom- und Molekülphysik

Institut für Laserphysik:Eigenschaften von kohärentem Licht und kohärenter Materie, sowie deren Wechselwirkungen

Institut für Laserphysik:Eigenschaften von kohärentem Licht und kohärenter Materie, sowie deren Wechselwirkungen

Bose-Einstein KondensationNeuartige Laserquellen


Kondensierte Materie – StrukturenKondensierte Materie – StrukturenHamburger MikrostrukturzentrumHalbleitertechnologie, Rastersensormethoden, dünne Schichten, Nanotechnologie, Grenzflächenphysik,Supraleitung und Magnetismus

Hamburger MikrostrukturzentrumHalbleitertechnologie, Rastersensormethoden, dünne Schichten, Nanotechnologie, Grenzflächenphysik,Supraleitung und Magnetismus


Physikstudium in HamburgPhysikstudium in Hamburg

Fachbereich Physik steht in Forschungsrankingsan vorderster Stelle(neben TU München, RWTH Aachen, Uni Heidelberg)

Evaluation der Forschung durch das BMBF ergabexzellente Bewertung

Sie haben die Qual der Wahl zwischenhervorragenden Forschungsgruppen, die alle an der„cutting edge“ der Physik arbeiten.

Fachbereich Physik steht in Forschungsrankingsan vorderster Stelle(neben TU München, RWTH Aachen, Uni Heidelberg)

Evaluation der Forschung durch das BMBF ergabexzellente Bewertung

Sie haben die Qual der Wahl zwischenhervorragenden Forschungsgruppen, die alle an der„cutting edge“ der Physik arbeiten.


Gute BerufsaussichtenGute Berufsaussichten

Arbeitsmarkt für Physiker hat sich stabilisiertErhöhte Chancen wenn Arbeitssuche nicht nur in den traditionellen GebietenMittelfristig wird Mangel in Natur- und Ingenieurswissenschaften erwartet

Arbeitsmarkt für Physiker hat sich stabilisiertErhöhte Chancen wenn Arbeitssuche nicht nur in den traditionellen GebietenMittelfristig wird Mangel in Natur- und Ingenieurswissenschaften erwartet


ZusammenfassungZusammenfassung

Physik ist „schweres“ Studium

Es lohnt sich aber!

Chance die Grenzen unseres Wissensselbst zu erweitern. Forschung an vorderster Front!

Sehr vielseitige Tätigkeiten - Für jeden etwas:Bastler, Abenteurer, Künstler, Buchhalter, Politiker, Manager, Lehrer…

Anforderungen (außer den fachlichen): Flexibilität, Lernbereitschaft (auch später!), Teamfähigkeit, Fremdsprachen, Kreativität

Hamburg bietet ausgezeichnete Chancen

Berufsaussichten (relativ) sehr gut

Physik ist „schweres“ Studium

Es lohnt sich aber!

Chance die Grenzen unseres Wissensselbst zu erweitern. Forschung an vorderster Front!

Sehr vielseitige Tätigkeiten - Für jeden etwas:Bastler, Abenteurer, Künstler, Buchhalter, Politiker, Manager, Lehrer…

Anforderungen (außer den fachlichen): Flexibilität, Lernbereitschaft (auch später!), Teamfähigkeit, Fremdsprachen, Kreativität

Hamburg bietet ausgezeichnete Chancen

Berufsaussichten (relativ) sehr gut


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