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Prof. Dr. Hans Jürgen Pirner

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Institut für Theoretische Physik
Universität Heidelberg
Philosophenweg 19
D-69120 Heidelberg

E-Mail: H.J.Pirner at tphys.uni-heidelberg.de

Tel.: +49-6221-54-9441
Fax.: +49-6221-54-9331

Sprechstunde: Bitte anmelden mit e-mail

Curriculum Vitae


Alles nur virtuell

Der Philosoph Bostrom hat mit seiner witzigen Frage, „Are you living in a computer simulation?“ zur Diskussion der Virtualität beigetragen, die immer wieder mal in den Medien auftaucht (siehe FAZ vom 11. Augut 2021). Um sich eingehender mit Virtualität zu befassen, sollte man Pierre Levy oder Quentin Meillassoux konsultieren( siehe mein Buch „Virtuelle und mögliche Welten“, Springer 2018). Die Virtualität spielt in der Physik eine große Rolle, von virtueller Arbeit, virtuellen Spiegelbildern, bis zu virtuellen Quantenzuständen. Beane, Davoudi und Savage haben abgeschätzt, dass man vielleicht im Jahre 2150 ein Universum von der Größe eines 1m^3 simulieren könnte. A long time to go. Neben der Empfehlung, verrückte Dinge zu machen, gibt es den Rat nur so weiter zu machen, wie wir bis jetzt gelebt haben, sonst würden die Programmierer vielleicht das Programm abstellen. Im Gegensatz dazu sollte man die Gefahr erwähnen, dass wir durch die FANG Unternehmen immer gründlicher überwacht werden und dass unsere Kommunikationswege kontrolliert werden. Deshalb ist es sehr wichtig die existierende virtuelle Welt so zu gestalten, dass unsere Privatheit gewährleistet bleibt.

Das Unbestimmte und die unscharfe Welt

https://www.faz.net/aktuell/wissen/computer-mathematik/fuzzy-logic-kontrolle-einer-unscharfen-welt-17176870.html
Sybille Anderl referiert in der FAZ vom 3. Februar 2021 die Geschichte der Fuzzy Logik. Ich möchte hier ein paar neue Entwicklungen hinzufügen, die ich in meinem Buch "Das Unbestimmte und das Bestimmte " ausgearbeitet habe. Es gibt ein Maß für die Unbestimmtheit, das angibt, inwieweit zusätzliche Informationen die Unbestimmtheit erniedrigen (S.51). Dieses Maß kann auch auf die Verbindungsmatrix von Netzwerken verallgemeinert werden (S. 114). Es erlaubt den (semantischen) Wert einer Information (WIN) aus dem Verhältnis abzuschätzen, welches durch die Änderung der Komplexität eines Systems relative zur Änderung der Unbestimmtheit seiner Umgebung definiert ist (S.105). Mit Hilfe von WIN kann sich im Prinzip jeder Nutzer des Internets ein eigenes Profil erstellen,welches aus dem Internet herausfiltert, welche Informationen für ihn einen wirklichen Gewinn bedeuten. Ein Beispiel ist im Appendix gegeben. Die Unbestimmtheit ist ein nützliches Konzept über die fuzzy Logik hinaus und auch nicht durch neuronale Netze ersetzbar. Im Gegenteil mit diesem Konzept kann getestet werden, welche Verbindungen in neuronalen Netzen für die Entscheidungsfindung wichtig sind.

What is real,anyway?

https://www.economist.com/technology-quarterly/2020-10-03
With this question the economist from Oct. 3rd, 2020 has asked what the future role of virtual worlds will be. I would like to refer to my book " Virtuelle und mögliche Welten" (see sidebar) , where I discussed the concept of "virtuality". I differentiated virtual worlds from possible worlds. Computer representations and simulations play a special role to create virtual worlds. The idea whether we are part of a computer simulation is crazy but the question about how much control we can have over our presence in virtual networks is important. The chances and dangers of hybrid worlds where virtual and real world mix become more urgent since this form of virtuality is growing as the article in the economist shows.

Strangeness Enhancement due to String Fluctuations

We study string fragmentation in high multiplicity proton-proton collisions with a model where the string width fluctuates. These fluctuations produce exponential pionic spectra which are fitted to the transverse momentum distributions for different multiplicities. For each multiplicity the hadronic slope parameter refers to the width of the string fluctuations which in turn determines the produced ratio of strange to light quarks. Extensive Pythia simulations convert each ratio of strange to light quarks to the appropriate ratio of strange hadrons to pions. The Pythia calculations taking into account the string fluctuations gives a good account of the measured data. e-Print: 1810.04736 [hep-ph]

Von Ereignissen zu Strukturen

Events and Structures

Ein Ereignis ist etwas Singuläres, Einmaliges. Alle Erfahrungswissenschaften beruhen auf dem Studium von Ereignissen, die sie in zweierlei Hinsicht sammeln und ordnen. Vertikal in der Zeit, ist jedes Ereignis eingebettet in einen zeitlichen Ablauf, es ist Teil einer Kette von Ereignissen vorher und nachher. Horizontal in der Zeit finden parallel zu jedem Ereignis unzählige andere statt, von denen einige die Entwicklung des Ereignisses beeinflussen können. Die ungestellte Beobachtung der Natur kann nur schwer Zusammenhänge herstellen. Eine Lawine donnert ins Tal und bricht die Ruhe, die danach zurückkehrt. Es hatte viel geschneit und war sehr kalt. Ein einzelnes Ereignis genügt nicht, die Strukturen von Lawinen zu verstehen. Wenn man versucht das singuläre Ereignis zu verstehen, muss man den Prozess studieren, dessen Teil es ist. Nur die Wiederholung ähnlicher oder „gleicher“ Ereignisse hilft das Phänomen „Lawine“ besser zu durchschauen. Im Vergleich kann man dann Schneebrettlawinen mit einem klaren linearen Abrissbereich von Lockerschneelawinen mit einem punktförmigen Anriss und Staublawinen mit viel aufgewirbeltem Schnee unterscheiden. Die Naturwissenschaft erzielte den Durchbruch, als sie anfing, gezielt mit gleichartigen Ereignissen zu experimentieren. Der Experimentator teilt die Mitwelt in den Versuchsaufbau und die Umgebung des Versuchs. Er minimiert den Einfluss der unkontrollierbaren Umgebung auf das Experiment, in dem er den Versuch von ihr isoliert, so gut es geht. Idealerweise kann er allein die Bedingungen des Versuchs bestimmen und die Antwort der so gestellten Natur aufzeichnen. Nachdem er die Daten vieler Ereignisse statistisch aufbereitet hat, kann er sie phänomenologisch analysieren. Oft deutet der Initiator des Versuchs seine Erfahrungen am besten. Er kann sie logisch verbinden, weil er schon mit einer gewissen Vorstellung und Hypothese das Experiment aufgebaut hat. Man spricht dann oft von einem Effekt, den er entdeckt hat.

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Die verborgene Schönheit der Natur: die Sicht des Physikers

The hidden Beauty of Nature: a Physicist's View

Die liebliche Aussicht auf das Flusstal, der freie Blick über die Hügelkette, der leere Meeresstrand am frühen Morgen; die Natur ist schön anzuschauen. Aber kann auch Wissenschaft über die Natur „schön“ sein? Sollte sie nicht vielmehr richtig sein, Experimente machen, Theorien testen und sich der Wahrheit verpflichten? Die Physiker selbst haben darüber unterschiedliche Meinungen. Es gibt die Meinung , das Universum sei hässlich und unsere Suche nach Schönheit führe die Physik in eine Sackgasse. Andere wiederum bezeugen dem Universum Eleganz, welche sich in Superstrings, verborgenen Dimensionen und der daraus resultierenden Weltformel zeige. Naiv könnte man sagen: Schön ist was gefällt. Doch der Philosoph drückt sich gewählter aus: „Schönheit ist eine Form der Zweckmäßigkeit eines Gegenstandes sofern sie ohne Vorstellung eines Zweckes in ihm wahrgenommen wird.“ Die Theorie der Ästhetik will die Qualität des Objekts vorstellen, um Schönheit verständlich zu machen. Aber gerade hier haben es die Physiker schwer mit den modernen Entwicklungen. Im 18. Jahrhundert konnte Johann Georg Sulzer die Natur als Garten der Physik mit allen ihren Schönheiten vorzeigen. „Für den Liebhaber, nämlich nicht für den kuriosen Liebhaber, oder den Dilettanten, der ein Spiel und einen Zeitvertreib aus den schönen Künsten macht, sondern für den, der den wahren Genuss von den Werken des Geschmacks haben soll, habe ich dadurch gesorgt, dass ich ihm viel Vorurteile über die Natur und die Anwendung der schönen Künste benehme; dass ich ihm zeige, was für großen Nutzen er aus denselben ziehen könne; dass ich ihm sein Urteil und seinen Geschmack über das wahrhaftig Schöne und Große schärfe.“ Wenn sich bei Kälte Wassertröpfchen zu Schneeflocken an winzigen Staubkörnchen formen, haben sie alle eine wunderbare sechsfache Symmetrie, und jedes einzelne hat eine andere Gestalt. Die Objekte der modernen Physik sind immer abstrakter geworden. In der Symmetrie der Schneeflocken spiegelt sich die Struktur der Wassermoleküle, deren H-O-H Atome in einem Winkel von ungefähr 104 ° angeordnet sind. Man sieht: In die wissenschaftliche Ästhetik schmuggelt sich eine Erklärung ein. Ästhetik heißt wörtlich im altgriechischen die Lehre von der Wahrnehmung. Der Gegenstand spielt dabei die aktive Rolle, das Wahrnehmungsorgan die passive Rolle. Das Objekt zeigt sich. In der Naturschönheit erscheint die Natur in reiner Form, nicht als Stoff von Arbeit und Notwendigkeit, auch nicht als Stoff der Wissenschaft. Sie lässt sich nicht abbilden, sie ist schon Bild der wunderbaren Gesetzmäßigkeiten der Natur. Jede Art der versuchten Reproduktion kann sie nur verunzieren, man denke an mittelmäßige Bergbilder. Wenn ein aufmerksamer Wanderer vor dem Berg steht, dann stellt sich eine Beziehung zu ihm her, die Natur offenbart sich und wirkt direkt auf ihn. Die Naturschönheit ist nicht vom Menschen gemacht. Im Gegensatz zur Technik mit ihren Apparaten, die in der modernen Physik eine wichtige Rolle spielen, erscheint sie uns unvermittelt. Die Dichter schreiben Hymnen auf sie: „Schöne Sonne! Menschen hatten mich es nicht gelehrt, mich trieb unsterblich liebend mein heilig Herz Unsterblichen entgegen, entgegen dir!“ Sie erkennen ihre Vollkommenheit als Chiffre von etwas Höherem.

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Abstract of the Book: Virtual and Possible Worlds in Physics and Philosophy

What are possible worlds and what do developments in modern physics have to do with ideas about possible worlds in philosophy?

In answering these questions, the present work develops the scientific world-view in comparison with possible worlds and thus leads to a better understanding of our only real world.

To this end, the author describes the creative ideas that have led to classical physics, to quantum physics and to the exploration of the origin of the universe. He invites the reader to think about the experiments in modern physics, to introduce parallel worlds and new universes. One learns how in physics and philosophy possible worlds are used as instruments to expand our knowledge. It explains how to imagine possible worlds outside of physics and which requirements possible worlds must satisfy. From this point of view, the author finally analyzes the future visions of science fiction literature and the latest insights into artificial, virtual and hybrid worlds. Attachments with a deeper physical background and a detailed glossary help interested readers to keep track of the many terms and circumstances.

For a book review see: https://www.pro-physik.de/buecher/virtuelle-und-moegliche-welten

Rapidity Distributions of Hadrons in Proton-Nucleus Collisions

We study proton-lead collisions with a new model for the Fock states of the incoming proton. The number of collisions that the proton experiences selects the appropriate Fock state of the proton, which generates a multiple of p p -like rapidity distributions. We take as input the p p maximum entropy distributions, shifting the respective center-of-mass rapidities and reducing the available energies. A comparison with existing data at 5 TeV is made, and results for 8 TeV are presented. We also explore the high multiplicity data in this model.

The main ideas underlying high energy proton-nucleus collisions are well established. It is easiest to consider the system in the reference frame where the nucleus is at rest. Then high energy excitations in the fast incoming proton become degenerate with the ground state. Their life-time at sufficiently high energy is significantly longer than the nuclear dimension, so these excitations can be treated as Fock components of the proton. In the large Nc approximation one can reorganise these excitations in a series of color neutral Fock states consisting of quark-antiquark pairs [1]. We consider only those Fock components of the proton, which are brought to mass shell by interactions, otherwise they remain being a virtual fluctuation of the proton. The n-th Fock state is actualized by n collisions with target nucleons. Data can be explained when in n collisions only (n+1)/2 as many particles are formed as in a single pp collision [2–4]. How can one understand the phenomenon that the fragmentation products do not multiply n times, given the two facts that there are n collisions and that the fragmenting two strings formed in each collision overlap strongly in rapidity space? This is explained in the paper published in Phys Rev of the same title.

Randomness and Order in Relativistic Heavy Ion Collisions

A wide consensus has been that nucleus-nucleus scattering allows to study equilibrium thermodynamics of the quark-gluon plasmas at temperatures T varying between 700 MeV and 150 MeV. Special emphasis has been devoted to the cross over transition between the quark gluon plasma and the hadron resonance gas. The respective lattice calculations supplemented by hydrodynamic calculations of various observables like the azimuthal asymmetry $v_2$ give some evidence of hydrodynamical flow of hadronic matter under the assumptions that very early after the collision in the cm-system local equilibrium characterized by a local temperature has been reached.

The maximum entropy approach I propose is at variance with this consensus model. It emphasizes the phenomenological aspects of the reactions dynamics and is based on the unbalance between longitudinal and transverse motion in these high energy reactions. It agrees with the common wisdom that randomness is important to describe the momentum dependence of the inclusive and correlated cross sections. It disagrees however on the amount of order which is present in heavy ion reactions. Randomness comes about, because many low momentum partons/particles radiating new QCD partons at a primordial stage hadronize at the later stages. But there is very different dynamics in the longitudinal and transversal directions. Partons are best described by the Feyman parameters x which define the fraction of light cone momentum, and the transversal momenta. Consequently a random distribution must respect not only the mean energy pumped into the collision, like in a gas confined into a volume, but the conservation laws in longitudinal and transverse directions. This applies also locally in small samples of the configuration space.

The most random distribution with these constraints is the light cone plasma distribution. I think this distribution is reached at an intermediate time t≈ 1 fm/c in the cm-system. Much earlier the initial parton distributions dominate the process. Much later the hadronization and hadronic interactions in the resonance gas are important. Using parton-hadron duality Klaus Reygers, Boris Kopeliovich and myself determined purely phenomenologically a “transverse” temperature and a longitudinal “softness” of pp- and AA-collisions. These parameters form a data base which can be analyzed theoretically in a second step, e.g. the “effective” transverse temperature increases in nuclear collisions with centrality due to multiple scattering of partons in the other nucleus.

In the future I aim at determining the quark-and gluon light cone distributions underlying the observed hadronic spectra by unfolding the fragmentation process. The idea is simple: If the final hadrons distribution obeys a maximum entropy distribution, then also the earlier quark gluon distributions follows the same distribution. Preliminary studies show that the so obtained transverse momentum scale for quark and gluon distributions will will be around 1 GeV, not very much different from values obtained in the color glass picture.

Once this work is completed one will have a microscopic picture of the intermediate and late stage of the collision leading to low momentum particle production. The model is based on fragmentation of strings which are slightly modified because of their environment. It is exciting to see how far such a picture is valid and when it fails due to extremely high density.

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This page was last modified on August 12, 2021, at 01:04 PM