Prof. Dr. Matthias Schott, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

Die grundlegenden physikalischen Theorien, mit denen Physiker und Physikerinnen unser Universum erklären, sind schon viele Jahrzehnte, wenn nicht gar Jahrhunderte alt: Einstein konnte mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie die Gravitation beschreiben, Heisenberg gelang mit der Ausarbeitung der Quantenmechanik ein völlig neues Verständnis der subatomaren Welt. Woher wissen wir aber, dass diese Theorien wirklich unsere Welt beschreiben? Wie entwickeln Physiker überhaupt solche mathematischen Modelle unserer Welt?
Im Vortrag beschäftigen wir uns beispielhaft mit der Theorie der starken Wechselwirkung, einer Vorhersage von Werner von Heisenberg, welche erst in den vergangenen Jahren bestätigt werden konnte und neuen Ideen zum Nachweis von Gravitationswellen, welche vielleicht eines der bisher ungelösten Rätsel der modernen Physik beantworten könnten. Ganz nebenbei wird erläutert, was Waschmittel mit Teilchenphysik zu tun haben.

Prof. Dr. Dmitry Budker, Johannes Gutenberg-Universität, UC Berkeley, USA

Bis Mitte der 1950er Jahre glaubten Physiker fest an die rechts-links-Symmetrie der Natur. Dieser perfekte “Spiegel” wurde durch die experimentelle Beobachtung einer starken Asymmetrie bei einer bestimmten Art des radioaktiven Kernzerfalls, der sogenannten Betazerfall, zerstört. Dieses Phänomen der “Paritätsverletzung” führte Ya. B. Zeldovich dazu, 1959 zu überlegen, ob die Paritätsverletzung auch zu möglichen Erscheinungsformen jenseits der Kernphysik führen könnte, insbesondere bei Atomen. Realistische experimentelle Ansätze wurden jedoch erst später vorgeschlagen und die ersten Beobachtungen dieser Effekte wurden erst in den 1970er Jahren gemacht. Heute ist die atomare Paritätsverletzung ein Teilgebiet der Präzisionsmessungen, während die Beobachtung der Paritätsverletzung in Molekülen weiterhin eine ungelöste Herausforderung darstellt. Wir werden besprechen, was die heutigen atomaren und molekularen Experimente motiviert, und einige der laufenden und geplanten Experimente erwähnen, wobei wir den Zusammenhang mit den “großen Fragen” der modernen Physik hervorheben, wie zum Beispiel das Verständnis der flüchtigen Natur der meisten Materie im Universum, der sogenannten “dunklen Materie”.

Prof. Dr. Harald Giessen, Universität Stuttgart, 4. Physikalisches Institut

Der Film „Oppenheimer“ knapp 80 Jahre nach der Entwicklung der Atombombe Millionen von Zuschauern in die Kinos gelockt. Aber welche Rolle haben Dutzende von höchstklassigen Wissenschaftlern in Los Alamos über mehrere Jahre an der Entwicklung gespielt? Die Physik der Kernspaltungsprozesse lernt man zum Teil ja schon in der Oberstufe der Schule oder im Grundstudium der Physik. Weitergehende Details und welche genaue Rolle Physiker wie Richard Feynman, Hans Bethe und andere in Los Alamos gespielt haben sind aber erst in den letzten Jahrzehnten deklassifiziert und publiziert worden. Der Vortrag wird einen Einblick in diese Details geben.

Prof. Jairo Sinova, Johhanes Gutenberg Universität Mainz

Wir leben in der vielfach vernetzten Welt des Informationszeitalters. Die Informationstechnologie hat die Art und Weise, wie wir interagieren, leben und unseren Planeten beeinflussen, auf grundlegende Weise verändert. Die Cloud-Rechenzentren verbrauchen mehr Energie als mittelgroße Länder, und mit dem Aufkommen der Künstlichen Intelligenz (KI) hat sich dieser Verbrauch weiter drastisch erhöht. Die Informationstechnologie nutzt die Elektronen der Atome sowohl zum Berechnen (mit Hilfe ihre Ladung) als auch zum Speichern (über ihr magnetisches Moment) von Informationen. Mitte der 2000er Jahre führten Festplatten mit hoher Speicherdichte zur digitalen Revolution. Diese Technologie basiert auf Ferromagneten, die in ihrer Funktionsweise den Magneten in Kühlschranken ähneln. Ihre Effizienz ist jedoch durch physikalische Gesetze begrenzt, so dass sie sich nur schwer mit den viel schnelleren optischen Kommunikationsnetzen und dem Internet der Dinge verbinden lassen. Eine Alternative bilden Antiferromagnete, die zwar tausendmal schneller sind, aber aufgrund der Schwäche ihrer magnetischen Signale nur begrenzt nutzbar sind. Im Jahr 2022 entdeckten wir eine neue Form des Magnetismus, die das Beste aus beiden Welten vereint: hohe Geschwindigkeiten und starke Signale. Mit einer neuartigen Betrachtungsweise von Magneten konnten wir die Funktionsweise dieser dritten grundlegenden magnetischen Familie – des Altermagnetismus – aufdecken. Nachdem man diese nun versteht, findet man, dass altarmagnetische Materialien in der Tat ziemlich zahlreich sind.
Mit dem Altermagnetismus haben wir zum ersten Mal einen physikalischen Weg gefunden, Informationen auf die effizienteste und schnellste Weise zu speichern, die die Natur zulässt. Das könnte helfen, die Umwelt zu retten und die KI und ihre Konnektivität auf nie dagewesene Geschwindigkeiten zu beschleunigen. Darin liegt unsere mögliche Rettung, aber auch unser möglicher Untergang.

Prof. Tilman Pfau, Universität Stuttgart

Bindungen oder Beziehungen zwischen Atomen sind die Grundlage für die gesamte Chemie und damit für die Welt, wie wir sie kennen. Wir es zu heiß, können Bindungen aufbrechen, bei kalten Temperaturen dagegen können Bindungspartner stabile Beziehungen ausbilden. Liegt ihre Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt (-273 Grad Celsius) reichen kleinste Kräfte, um sie zu verkuppeln und aneinander zu binden. Damit werden neuartige schwache und auch sehr langreichweitige Bindungsmechanismen möglich, welche sich nicht im üblichen Chemie Lehrbuch finden. Wir diskutieren, welche neuartigen Beziehungsarten es in der ultrakalten Quantenwelt gibt, welche Chancen Fernbeziehungen haben und wie lange solche Beziehungen stabil bleiben. Darüber hinaus gibt es in der Quantenmechanik auch unscharfe Beziehungszustände, also Überlagerungen aus gebundenen und ungebundenen Zuständen. Das wirft natürlich neuartige Beziehungsfragen auf, die in dem Vortrag auch besprochen werden.