Prof. Dr. Hans Jürgen Pirner

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

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Curriculum Vitae

Top Story: Tolle Teilchen

https://www.egmont-shop.de/micky-maus-comics-nr-56-ein-tolles-teilchen

Gestern auf dem Flohmarkt in Ladenburg habe ich Micky Mouse Heft BD. 56 von 2020 erworben, welches die Top Story mit dem obigen Titel enthält. Donald Duck mit seinen Neffen Tick, Trick und Track haben bei der Physik Olympiade eine Reise zum ZERN ( Zentrum für extreme Ringbeschleuniger-Nuklearversuche) gewonnen. https://www.weltmaschine.de/cern_und_lhc/cern
Der Beschleuniger ist für winzig kleine positv geladene Teilchen gemacht, die mit extrem hoher Geschwindigkeit aufeinanderprallen sollen. Jeder kennt aus seiner Schulzeit Atome. Atome sind aus Elektronen und Nukleonen zusammengesetzt.Die positiv geladenen Nukleonen, die Protonen, und die nicht geladenen Nukleonen, die Neutronen zusammen bilden den Atomkern. Die positiv geladenen Nukleonen, die Protonen werden im CERN beschleunigt. Aber auch diese Nukleonen sind nicht elementar, sondern bestehen jeweils aus drei Quarks. Diese Quarks sind wunderliche Teilchen, weil sie einzeln nicht existieren können. Sie sind immer zu dritt eingesperrt in den Nukleonen. Dies alles erzähle ich in meinen Erinnerungen:

"Fast Alles besteht aus Quarks"

https://doi.org/10.11588/heibooks.1330

Die hier aufgeschriebenen Erinnerungen beschreiben meine Lebensreise, die mich über viele Stationen nach Heidelberg führte. Einen großen Teil der Geschichte nimmt mein Beruf ein. Ich habe Physik an der Universität unterrichtet und als Kern- und Teilchenphysiker die Struktur und Dynamik der Nukleonen untersucht. „Fast alles besteht aus Quarks“ will sagen, dass die sichtbare Materie zu 99% aus Quarks aufgebaut ist, aber dass sie nur einen kleinen Bruchteil der Energie des Universums beschreibt. Der Titel soll auch ausdrücken, dass der Beruf nicht das ganze Leben bestimmt. Ein älterer Kollege sagte: „Du weißt doch, Memoiren werden nur gelesen, wenn jemand berühmt geworden ist.“ Mag er Recht haben. Mir hat das Schreiben Spaß gemacht. Nachdem ich immer mit Zahlen und Formeln umging, reizte es mich, mein Leben und seine Umstände in Worte zu fassen. Ich habe bei dieser Selbstsuche Neues entdeckt, was ich vorher nicht wusste, weil es mir nicht wirklich gehörte. Ich bin dankbar, dass ich oft das Glück hatte, meine Wünsche erfüllt zu bekommen. Vielleicht ist das Buch eine Hilfe für junge Wissenschaftler, die sich am Anfang ihrer Karriere befinden und um einen Platz in der Wissenschaft kämpfen. Eine ausgewogene Mischung aus starkem Engagement und kritischer Distanz kann manche Klippe überwinden helfen. Aber nicht zuletzt sind wir auf die Unterstützung anderer Menschen angewiesen, die uns schätzen und fördern. Mit diesem Buch bedanke ich mich bei Allen, deren Hilfe ich erfahren durfte.

"Der Hype ums Multiversum"

https://www.arte.tv/de/videos/110955-045-A/flick-flack/

Vor sechs Jahren habe ich ein Buch "Virtuelle und mögliche Welten" veröffentlicht. In der Zwischenzeit haben Astronomen eine große Anzahl von Exoplaneten gefunden, von denen vielleicht einige Leben wie auf der Erde möglich machen. Die Diskussion über das Multiversum jedoch kommt aus der Kosmologie und der Theorie der Inflation. Um die Homogenität des Mikrowellenhintergrunds zu erklären, muss sich das Universum extrem schnell ausgebreitet haben. Die damit verbundenen Quantenfluktuationen könnten neben unserem Universum noch eine unendliche Zahl von anderen Babyuniversen erschaffen haben. Diese Idee wurde in den 80iger Jahren geboren und hat trotz ihrer Vagheit starke Neugierde erzeugt. Von diesen hypothetischen Welten im Multiversum muss man virtuelle Welten unterscheiden, die auf dem Computer realisiert sind. Computerspiele und auch physikalische Simulationen gehören dazu. In der obenstehenden Sendung von Flick-Flack, die auf ARTE gezeigt wurde, gebe ich ein paar Kommentare zu beiden Arten von Welten. Die Sendung soll Spaß machen, ich kommentiere vorsichtig, zu was der Hype taugt und nicht taugt. Wer am Buch interessiert ist, kann mehr Informationen vom Verlag des Buchs (unten) bekommen.

https://www.springer.com/de/book/9783662566145

"Randbemerkung zu „Das Unzulängliche, hier wird’s Ereignis"

https://www.faz.net/aktuell/feuilleton/buecher/klaus-heinrich-ueber-martin-heidegger-19318841.html

Ich füge hier eine kleine Randbemerkung zu Uwe Justus Wenzels Buchkritik an. Martin Heidegger meint, der Zusammenhang einzelner Ereignisse bringe menschlich geschichtliches Seiendes erst zu sich selbst. Das historische Ereignis ist der Augenblick, in dem das „Sein“ im vergänglich Seienden durchscheint. Ich bin skeptisch, wenn Heidegger das Sein an Hand der Geschichte interpretiert, wie er sie zu dieser Zeit (1936-1939) sieht. In den Beiträgen zur Philosophie schreibt er: „Die Herrschaft über die frei (d.h. bodenlos und eigensüchtig) gewordenen Massen muss mit den Fesseln der „Organisation“ errichtet und gehalten werden.“ Der allgemeine Ton der Beiträge ist im Gegensatz zu diesem Zitat aber intim. Das wirkliche Ereignis ist Eräugnis . Im Dasein gründet jede Entwicklung, also auch das Ereignis. „Das Ereignis gründet in sich das Dasein (I.). Das Dasein gründet das Ereignis (II.). Gründen ist hier kehrig: I. tragend durchragend, II. stiftend entwerfend (...).“ Jedes Ereignis initiiert eine Bewegung der Kehre, die man sich als einen Neuanfang denken kann. „Das Dasein ist der Wendungspunkt in der Kehre des Ereignisses.“ (Auszug aus Kap. 6 von „Ereignisse, Strukturen und Prozesse“ )

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"Ereignisse, Strukturen und Prozesse"

Mein neues Buch behandelt Ereignisse als elementare Einheiten der Wirklichkeit. Im allgemeinen Sprachgebrauch bezeichnet ein Ereignis eine seltene, unerwartete und überraschende Begebenheit. Der Wissenschaftler kennt sie als den Nervenkitzel, wenn er einer Entdeckung auf der Spur ist. Der Künstler spürt sie in der Inspiration, ein Thema in einer neuen Weise zu gestalten. Ein Ereignis ist immer Teil einer größeren Geschichte, die helfen kann, aus einer abstrakten Diskussion über Natur und Geist herauszuführen. Ich habe deshalb das Thema umformuliert: Wie ereignet sich die Natur im Geist und wie ereignet sich der Geist in der Natur? Das Ereignis wird dadurch zum bestimmenden Element des Verhältnisses von beiden. Ereignisse zeigen, wie Natur und Geist in Prozessen zusammenwirken. Jedes Ereignis ist Teil einer Zeitfolge. Besondere historische Begebenheiten sind natürliche Einheiten in der Zeit, aus denen der Geist Sinneinheiten konstruiert, indem er das Ereignis mit seiner Vergangenheit und Zukunft verbindet. Ereignisse sind Wesenheiten der Wirklichkeit, Steine eines größeren Mosaiks, das nicht nur räumlich, sondern zeit-räumlich angeordnet ist. Als elementare Einheiten sind sie kreativ an der Evolution der Welt beteiligt.

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Reality (minus)

David Chalmers, a renowned philosopher now at New York University has finished a book “Reality +” on virtual reality which is to appear next January. As the title says he considers virtuality as an additional reality, where he defines reality as something outside ourselves which has causal powers independent from us. (See his interviews in the New York Times, June 20th 2019 and December 10 2021.) https://www.nytimes.com/2019/06/18/opinion/david-chalmers-virtual-reality.html, https://www.nytimes.com/interactive/2021/12/13/magazine/david-j-chalmers-interview.html
The virtual world is a computer generated world. But it is more: I have shown in my book “Virtuelle und mögliche Welten” that the virtual goes back to the 17th century when d’Alembert looked at mechanical systems under virtual displacements. It reappears in physics as the virtual image of a mirror or lately as virtual excited states in quantum mechanics. In philosophy Pierre Levy and Quentin Meiallassoux studied intensively the idea of virtual worlds distinguishing them from possible worlds. One constructs something virtual in order to solve a problem. By enlarging the number of degrees of freedom and the manifestations of a system as it is typical for simulations one gains power to understand and solve problems. The virtual computer world of the internet is a popular version of a virtual world. One has to be realistic to assess the possibilities of simulations, for which I give examples in my book. The hype about artificial intelligence and virtual worlds reminds one of the discussion of the peaceful atom i.e. nuclear energy which in the 1950ties seemed to be the key technology of the future. This discussion partially masked a massive and dangerous armament with nuclear weapons. In a similar respect, one has to consider too positive expectations of virtual computer worlds which hide the ongoing possible surveillance programs of national security agencies and powerful private enterprises. Therefore for me virtuality is a reality (minus), not a reality plus.

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.