Das Reiseverhalten von Menschen zu untersuchen und zu verstehen stellt aufgrund der zunehmenden Reisemöglichkeiten und deren unterschiedlichen Skalen eine große Herausforderung dar. Modelle zum Reiseverhalten sind unter anderem von zentraler Bedeutung, um die Ausbreitung von Krankheiten zu beschreiben und vorauszusagen. Für die USA ist die Auswertung der Wege von Geldscheinen, die über die Homepage www.wheresgeorge.com, ursprünglich anlässlich eines Spiels, gesammelt werden, eine Möglichkeit, Auskunft über die Reisewege zu erhalten. Damit gelang es, allgemeingültige Gesetze aufzustellen, denen das Reiseverhalten der Menschen unterliegt: So fand man für die Verteilung der Länge des Reiseweges ein Potenzgesetz, das einem skalenfreien random walk (Lévy flight) entspricht. Dieser superdiffusive Prozess wird jedoch für große Zeitskalen erst dann richtig beschrieben, wenn ein Modell verwendet wird, in dem sowohl die zeitliche als auch die räumliche Verteilung berücksichtigt wird.
Literatur: D. D. Brockmann, L. Hufnagel und T. Geisel, "The scaling laws of human travel", Nature 439, 462-465 (2006).

Die Welt der kleinen Reynoldszahlen entzieht sich der Vorstellung der uns bekannten alltäglichen Fortbewegungsmechanismen: Reibungskräfte dominieren gegenüber den Trägheitskräften. In dieser Welt mussten Mikroorganismen einen Mechanismus entwickeln, um sich in wässriger Lösung aktiv fortbewegen zu können. Das Verständnis der Grundlagen der kleinen Reynoldszahlen führt zu der Konstruktion künstlicher Mikroschwimmer. Vorgestellt wird ein "Three-Sphere Swimmer", der von Ramin Golestanian analytisch beschrieben wurde. Dabei wird untersucht, wie eine Fortbewegung durch harmonische Deformation, asymmetrische Relaxation und stochastische Deformation stattfinden kann.
Literatur: E. M. Purcell, "Life at low Reynolds number", Am. J. Phys. 45(1), 3-11 (1977)
R. Golestanian, A. Ajdari, "Analytic results for the three-sphere swimmer at low Reynolds number", Phys. Rev. E 77, 036308 (2008)
R. Golestanian, A. Ajdari, "Mechanical Response of a Small Swimmer Driven by Conformational Transitions", Phys. Rev. Lett. 100, 038101 (2008)

Teilchen oder Felder: was sind die fundamentalen Bestandteile unserer Welt? Art Hobson stellte 2013 ein Plädoyer für Felder als den fundamentalen Grundstoff des Universums zusammen. Wie schnell wir auf diese Frage stoßen, zeigt eindrucksvoll das einfache und allgemein bekannte 2-Spalt-Experiment, wo diese Frage zur Zeit oft als Welle-Teilchen-Dualismus stehen gelassen wird. Hobson argumentiert für seine These mit einer theoretischen Analyse dieses Experimentes und anderer Phänomen wie dem Quanten-Vakuum oder auch dem Unruh-Effekt. Im Vortrag werden einige seiner Argumente dargestellt und erläutert, wobei der Schwerpunkt auf dem Doppelspalt-Experiment liegen wird.
Literatur: A. Hobson, "There are no particles, there are only fields", Am. J. Phys. 81(3), 211-23 (2013).

Auch wenn Teile von Wellenpaketen schneller als das Licht laufen können, ist es nicht möglich, diese zur Übertragung von Signalen zu verwenden und damit die Kausalität zu verletzen. Dies wurde beispielsweise ausführlich in den frühen Jahren des 20. Jahrhunderts im Kontext von optischen Materialien diskutiert, in denen die Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten in Frequenzbereichen nahe einer Absorptionsbande größer als die Lichtgeschwindigkeit sein können. Das Resultat der Forschung war, dass die Konsistenz mit der relativistischen Kausalität eine Konsequenz der Analytizität ist. In dem Vortrag wird in entsprechender Weise erläutert, wie die kausale Entwicklung von Wellenpaketen relativistischer Quantenteilchen für lange Zeiten mithilfe der asymptotischen Analyse von Integralen verstanden werden kann.
Literatur: M. V. Berry, "Causal wave propagation for relativistic massive particles: physical asymptotics in action", Eur. J. Phys. 33 (2012) 279

Nichtgleichgewichtssysteme sind charakterisiert durch Produktion und Transport extensiver Größen. Zur Beschreibung solcher Systeme muss die Gibbssche Ensemblemethode erweitert werden. Zu diesem Zweck wird die Boltzmann-Gleichung als irreversible Evolutionsgleichung für Verteilungsfunktionen verwendet. Die Boltzmann-Gleichung, das H-Theorem und andere wichtige Grundlagen der Kinetik und Nichtgleichgewichtsthermodynamik werden in diesem Vortrag ebenfalls näher erläutert.
Literatur: Byung Chan Eu, "The Boltzmann equation and nonequilibrium ensemble method", J. Chem. Phys. 103 (24), pp (1995).

Seit dem experimentellen Nachweis der Existenz von Graphen im Jahr 2004 durch Konstantin Novoselov und André Geim ist das Interesse der Materialwissenschaften und der Festkörperphysik an den Eigenschaften dieses 2D-Materials enorm, und eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten wird entwickelt (siehe link auf Video). In der theoretischen Physik dient Graphen schon seit den 1930er Jahren als Lehrbuchbeispiel für Effekte von Materialien in denen die Elektronen sehr stark auf die Netzebenen lokalisiert sind. Insbesondere interessiert man sich für die Physik am sogenannten Dirac-Punkt der Dispersionsrelation. Dort weist die Bandstruktur eine unendliche Krümmung auf und die Elektronen haben theoretisch eine beliebig kleine Masse. Relativistische Effekte spielen hier also eine große Rolle. Folglich muss man den Formalismus der relativistischen Quantenmechanik für Fermionen anwenden, um das System zu beschreiben. In diesem Vortrag betrachten wir das nur scheinbar paradoxe ,,Klein-Tunneln'' dieser Elektronen durch beliebig hohe und beliebig breite Potentialbarrieren, welches sowohl vorhergesagt als auch gemessen wurde.
Literatur: P. E. Allain und J. N. Fuchs, "Klein tunneling in graphene: optics with massless electrons" Eur. Phys. J. B 83, 301-17 (2011).
Videolink: Populärwissenschaftliche Einführung in die herausragenden Eigenschaften von Graphen: http://goo.gl/tvZog3

Ensembles stoßender Teilchen, wie Flüssigkeiten, spielen in der realen Welt eine wichtige Rolle. Trotz der Tatsache, dass solche Stoffe keine scharfen Linien in Beugungsxperimenten erzeugen, weisen sie eine Nahordnung auf, die mit Hilfe der radialen Verteilungsfunktion ansatzweise beschrieben werden kann. Um makroskopische Eigenschaften eines Nicht-Gleichgewichts-Systems zu beschreiben, wird die Zeitentwicklung der Verteilung von Mikrozuständen untersucht. Für die Einteilchen-Verteilungsfunktion eines verdünnten Mediums wäre diese Zeitentwicklung die Boltzmann-Gleichung und für die eines dichten Mediums (Teilchen mit endlichen Durchmesser) die Chapman-Enskog-Gleichung. Dies ist eine Boltzmann-Gleichung, in deren Stoßintegral Korrekturfaktoren auftreten, die von der radialen Verteilungsfunktion, auch Paarkorrelationsfunktion genannt, abhängen. Diese Chapman-Enskog-Faktoren besitzen eine sehr anschauliche Bedeutung, wie Younge und Christenson mit einem schultauglichen Experiment demonstrieren.
Literatur: K. Younge, C. Christenson et al., "A model system for examining the radial distribution function", Am. J. Phys. 72 (9), 1247-50 (2004); F. Spahn, Nichtgleichgewichtsthermodynamik, Skript 2014, Universität Potsdam R. K. Pathria, Statistical Mechanics, Pergamon, New York, 1972 T. Fließbach, Statistische Physik, Springer Spektrum, 2010

In granularer Materie gibt es Strömungen, die von kalten zu warmen granularen Temperaturen fließen. Dies widerspricht dem Fourierschen Gesetz. Diese Anomalie wird mit einer einfachen Beschreibung motiviert. Anstatt mit der vollen Boltzmanngleichung zu arbeiten, mit der Ungleichgewichtsnatur des granularen Materials argumentiert. Die vorgestellte Erklärung stimmt gut mit anderen Modellen und den experimentellen Beobachtungen überein.
Literatur: D. Candela und R. L. Walsworth, "Understanding the Breakdown of Fourier's law in Granular Fluids", Am. J. Phys. 75 (8), 754 (2007).

Nach der Relativitätstheorie kann Information nicht schneller als das Licht transportiert werden, sodass die Frage nach weiteren Einschränkungen des Informationsflusses aufkommt. Bei der Suche nach einer allgemeinen Beschreibung motiviert J. B. Pendry ein Quanten-Limit für den Informationsfluss anhand der Energie-Zeit-Unschärferelation, weil Information nur zusammen mit energetischen Trägern übertragen werden kann. Pendry postuliert, dass sich die gefundene Gesetzmäßigkeit nur auf einen Übertragungskanal beschränkt und nicht allgemeingültig bewiesen werden könne. Zur Überprüfung wird der Informationsfluss für unterschiedliche Systeme in der Physik bestimmt. Der Informationsfluss selbst wird dabei als Entropiefluss oder als Wärmefluss identifiziert.
Literatur: J. B. Pendry, "Quantum limits to the flow of information and entropy", J. Phys. A 16, 2161 (1983).

In diesem Vortrag geht es um statistische Modelle für das Verhalten von Löwen und Lämmern. Dabei wird zunächst die Diffusionsgleichung motiviert und gelöst und dann die sogenannte Erstdurchgangswahrscheinlichkeit erläutert. Diese Konzepte werden auf ein diffusiv umherirrendes Lamm angewandt. Schritt für Schritt steigt der Schwierigkeitsgrad für das Lamm, zunächst wird der Löwe wach und irrt ebenfalls herum, dann werden weitere Löwen hinzugefügt. Dabei soll die Zeitabhängigkeit der Überlebenswahrscheinlichkeit des Schafs untersucht werden.
Literatur: S. Redner und P. L. Krapivsky, "Capture of the lamb: Diffusing predators seeking a diffusing prey", Am. J. Phys. 67 (12), 1277-83 (1999).

Gravitation wird in der allgemeinen Relativitätstheorie als eine Folge der Krümmung der Raumzeit beschrieben. Dabei entstehen die Bahnen von Punktmassen oder auch von Lichtstrahlen als Kurven mit kürzester Länge (geodätische Kurven). Im nichtrelativistischen Grenzfall erhält man daraus die Newton'schen Bewegungsgleichungen im Schwerefeld. Die Lichtstrahlen sind dabei, wie schon bei Fermat, geodätische Kurven mit der kürzesten Laufzeit, die bekannterweise in einem Medium über den Brechungsindex modifiziert wird. Optische Experimente mit Lichtstrahlen an der Oberfläche von Körpern konnten nachweisen, dass die Ausbreitung von Licht von der Krümmung der Grenzfläche abhängt, auch wenn der Körper ansonsten homogen ist.
Literatur: V. H. Schultheiss & al., "Optics in curved space", Phys. Rev. Lett. 105, 143901 (2010).

Ein gekoppeltes System aus einem optischen und mechanischen Resonator wird in erster linearer Näherung quantenmechanisch beschrieben und daran die Möglichkeit der Kühlung mittels Laserlicht erklärt. Gegenstand ist ein Fabry-Perot Resonator mit einem federnd gelagerten Spiegel, der als mechanischer Oszillator fungiert. Da die Position des Spiegels die optische Resonanzfrequenz des Fabry-Perot-Resonators verschiebt, koppeln diese aneinander. Eingestrahltes Laserlicht kann dadurch Energie in Form von Schwingungsquanten mit dem mechanischen Resonator austauschen. Dies ist analog zur Ramanstreuung: im Fall einer anti-Stokes-ähnlichen Wechselwirkung wird eine Kühlung des Systems erreicht.
Literatur: M. Aspelmeyer, T. J. Kippenberg und F. Marquardt, "Cavity Optomechanics", Rev. Mod. Phys. (im Druck 2014), preprint arXiv:1303.0733