Die Entropie in der statistischen Physik ist ein Maß für die Zahl aller Mikrozustände, die den selben Makrozustand beschreiben. Im Mikrokanonischen Ensemble kann diese sowohl über die Hyperfläche als auch das Volumen des Phasenraums berechnet werden. Während diese sogenannte Boltzmann- bzw. Gibbs-(Hertz-)Entropie in den meisten Fällen die gleichen Ergebnisse liefern, unterscheiden sie sich bei kleinen Systemen bzw. Systemen mit beschränktem Spektrum. Diese Unterschiede werden unter anderem auch an den daraus resultierenden Temperaturen festgemacht. Die Gültigkeiten der beiden Entropiebegriffe werden diskutiert.

Literature: J. Dunkel and S. Hilbert, "Consistent thermostatistics forbids negative absolute temperatures", Nature Physics 10, 67-72 (2013); U. Schneider et al., "Comment on 'Consistent thermostatistics forbids negative absolute temperatures'", arXiv:1407.4127v1 (2014)

Vermöge der beobachtbaren Masse im Universum und auf der Erde in einem fluiden Zustand, ist die Hydrodynamik ein essentielles Teilgebiet der Physik. Sie hat die Aufgabe, die Bewegungserscheinungen in Fluiden darzustellen und in Verbindung mit der Massenerhaltung ist dies im Allgemeinen auch möglich Dabei reichen die Anwendungsmöglichkeiten von Kanal-Strömungen über die Ströungen im flüssigen Erdkern (Taylor-Couette-Strömung) bis, wie im Folgenden gezeigt, hin zum Verhalten von Starkbier in einem zylinderförmigen Tulpenglas. Mittels eines einfachen mathematischen Modells in Verbindung mit weitreichenden Annahmen kann gezeigt werden, dass entstehende Gasbläschen in einem Starkbier entgegen der Intuition im Glas absinken. Dies bestätigt Ergebnisse, die bereits zuvor in numerischen Simulationen erzielt worden sind.

In virtue of the observable mass in the universe and on earth in a fluid state, fluid mechanics is an essential branch of physics. The primary task of it is to describe the motion of fluids and in general is this possible in adding the mass conservation to it. The range applications reaching from simple canal currents to the Taylor-Couette flow in the liquid part of the earth's core to the flow of stout beer in a cylindrical tulip shaped glass. With a basic mathematical model in combination with expansive assumptions it is possible to show, that resulting bubbles in a stout beer are sinking, which is counter-intuitive in respect to normal beers. The model confirms results from simulations in computational fluid dynamics (CFD), which were achieved before an analytic model was present.

Literatur: W. T. Lee, S. Kaar, S. B. G O'Brien, "Sinking bubbles in stout beers," Am. J. Phys. 86 (2018) 250-56

Zufallsbewegungen spielen sowohl in vielen mikro- als auch makroskopischen Bereichen unserer Welt eine zentrale Rolle. Mithilfe von stochastischen Hilfsmitteln wie der mittleren quadratischen Verschiebung oder von Auto- korrelationsfunktionen können Zufallsbewegungen sowohl quantitativ als auch qualitativ charakterisiert und somit Rückschüsse auf die Natur der Bewegung getroffen werden. So auch bei fixierenden Augenbewegungen, für die experimentell sowohl superdiffusives als auch subdiffusives Verhalten identifiziert werden kann. Anhand von Modellsimulationen, die dieses Verhalten reproduzieren, kann weiterhin der Auslöser für die fixierenden Augenbewegungen ermittelt werden.
Literatur: R. Engbert et al., "An integrated model of fixational eye movements and microsaccades", Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108, E765-70 (2011); Carl J. J. Herrmann et al., "A self-avoiding walk with neural delays as a model of fixational eye movements", Sci. Rep. 7, 12958 (2017).

Die Betrachtung der Symmetrien eines Systems gibt weitreichende Aufschlüsse über sein physikalisches Verhalten. In dem Vortrag handelt es sich um ein Bose-Einstein-Kondensat mit einer kurzreichweitigen Wechselwirkung, das in einem zwei-dimensionalen harmonischen Potenzial gefangen wird. Das Gas wird auf solche Symmetrien untersucht; konkret wird eine entsprechende Operator-Gruppe konstruiert, unter der der Hamilton-Operator invariant ist. Aus diesen Symmetrien lässt sich das Verhalten des Gases ablesen, insbesondere das Auftreten von Schwingungen in der quadratischen Abweichung der Teilchen, was sich in ein Pulsieren des Gases übersetzt. Diese Anregungen werden 'breathing modes' genannt.
Literatur: L. P. Pitaevskii and A. Rosch, Breathing modes and hidden symmetry of trapped atoms in two dimensions, Phys. Rev. A 55 (1997) R853

Der Klimawandel spielt in zunehmendem Maß eine Rolle für den Alltag vieler Menschen, bestimmt einen Teil internationaler Politik und wird die Menschheit auf lange Sicht vor wachsende Probleme stellen. Der Treibhauseffekt, die Ursache des Klimawandels, wurde schon 1824 von Fourier in seinem Text "Mémoire sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires" erkannt und dennoch wurde der anthropogene Beitrag bis vor wenigen Jahrzehnten unterschätzt. Anders als zu Fouriers Zeit ist heute die Wechselwirkung von Molekülen und Licht gut erforscht. Basierend auf dem Absorptionsspektrum von CO₂ und den Erkenntnissen zum klassischen "Ruin-Problem" in der Wahrscheinlichkeitsrechnung, wird ein Modell vorgestellt, in dem die Schlüsselkomponenten des Treibhauseffektes betrachtet werden. Die Vereinfachungen und Näherungen des Modells werden abschließend neben Verbesserungsvorschlägen diskutiert.
Literatur: Derrek J. Wilson and Julio Gea-Banacloche, "Simple model to estimate the contribution of atmospheric CO₂ to the Earth's greenhouse effect", Am. J. Phys. 80, 306 (2012)

Granulare Materie hat einige überraschende interessante Eigenschaften. So neigt granulares Gas zum Beispiel dazu, Cluster zu bilden. Dadurch dass die Teilchen inelastisch kollidieren, verlieren sie an kinetischer Energie und sammeln sich an Orten wo schon Teilchen vorhanden waren. Es wurde spekuliert, dass dieses Clustering in Akkretionsscheiben um neugeborene Sterne die Entstehung von Planetesimalen bewirken könnte. Jedoch gibt es einige physikalische Umsände in Keplerorbits, die nicht bedacht wurden, und die unter Umständen ein Clustering verhindern könnten. Es wird geprüft, ob ein variabler temperaturabhängiger Restitutionskoeffizient im kräftefreien Fall oder die Keplerscherung durch Bewegungen im Orbit dies bewirken kann.
Literatur: F. Spahn, U. Schwarz, J. Kurths, "Clustering of Granular Assemblies with Temperature Dependent Restitution under Keplerian Differential Rotation", Phys. Rev. Lett. 78, 1596 (1997).

Plasma membranes host integral proteins that diffuse along the membrane to form larger functional protein-lipid assemblies. For the lateral diffusion of embedded proteins under protein-poor conditions, the diffusion coefficient scales as the logarithm of the inverse of their radius R, which has been successfully described by the Saffman–Delbruck (SD) model. However, under protein-rich conditions (as is the case for the membranes in living biological cells), the diffusion coefficient was found to dependence on the inverse of R. This paper argues, by conducting simulations, that this effect is due to geometric factors. The crossover from ln(1/R) to 1/R arises because the smaller proteins can better avoid confinement effects as compared to the larger ones. This means that the SD model should be applied with caution for real biological environments.
Literature: M. Javanainen et al., "Diffusion of Integral membrane Proteins in Protein-Rich Membranes", J. Phys. Chem. Lett. 8, 4308 (2017).