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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

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Curriculum Vitae


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.

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 May 17, 2019, at 03:58 PM