Winter Term 2024/2025

Content

Diese Vorlesung ist der erste Teil der Einführung in die Astronomie und Astrophysik, 
also in das physikalische Verständnis unsres Universum jenseits unserer Erde. 
Laut Modulhandbuch werden wir folgende Themenkreise behandeln:
— Astronomische Grundlagen : astronomische Beobachtung;
     elektromagnetische Strahlung; Entfernungsmessung; Sonnensystem 
— Physik der Sterne: Sternaufbau und stellare 
    Energieerzeugung; Sternatmosphären und Spektren
— Phasen der Sternentwicklung: von der sog. Hauptreihe bis 
    zu Supernovae und schwarzen Löchern
— Physik des interstellaren Mediums: Gas und Staub; 
    Heizung und Kühlung; Anreicherung mit Metallen

Content

See module handbook

Content

Observational methods using photons (from gamma rays to radio), gravitational waves, other particles, and in-situ exploration

Course Information

Content

The lecture is equivalent to the bachelor module parts WPAstro.1+2 during the winter and summer terms but requires a slightly higher level of basic physical knowledge. 


Nevertheless also motivated 3rd semester BSc students are welcome to participate. 
This lecture is organised as a block course with 2 parts from Sep. 23rd - Oct. 11th, 2024. 

Certificates are only given for active participation in the exercises (meaning also being present at all exercises) and passing the written examination.

Homework should/can be done in groups of 2(3)

Bachelor students

You can choose:

WPAstro.1,2:
- 8CP with marks (lab course needed for complete module)
- The written examination will be graded
- Marks count for the full 10CP including the lab course

MVAstro0:
- 8CP, no marks as a master module in the ‘Wahlbereich’
-
Master students (MVAstro0)
- 8CP, no marks - only passed
- Can be used as part of MVMod (specialisation in Astrophysics)
- Can be used as an option: just 8CP

PhD (including IMPRS)
Active participation in exercises is strongly recommended, and a successful written exam for certificate

More info on the rules for studying astronomy in Heidelberg: https://www.zah.uni-heidelberg.de/fileadmin/user_upload/downloads/Miscellaneous/Studyplan_Astro_English.pdf


Lecturers: Prof. Dr. Stefan Jordan, Dr. Markus Pössel

Lecture Introduction to Astronomy (V, block)
Time: daily 9:30 - 13:00, 23.09. - 11.10.2024 (1 free day on October 3)
Location: gHS (großer Hörsaal at Phil.12, 2nd floor) 

Exercises to Introduction to Astronomy 
Time: daily 14:30 - 16:00 (group 1), 16:00-17:30 (group 2)
Location: Neuer Hörsaal (at Phil.12)

Exercises are planned for:
Monday, Sep 23, Wednesday, Sep 27, Friday, Sep 29, Wednesday, October 4 (for part I)
Friday, Oct 6, Monday, Oct 9, Wednesday, Oct 11, Friday, Oct 13 (for part II)

Content
23.9.  Introduction/Fundamentals of Astronomy: Jordan
24.9.  Fundamentals 2: Jordan
25.9.  Sun and Planetary System 1: Jordan
26.9.  Sun an Planetary System 2: Jordan
27.9.  Telescopes and Instruments: Jordan
30.9.  Radiation and stars: Jordan
1.10.  Stellar evolution: Jordan
2.10.  Introduction; Expanding Universes 1: Pössel
4.10.  Expanding Universes 2; Big Bang Phase: Pössel
7.10.  Structure Formation; Basic Galaxy Properties: Pössel
8.10.  Galaxy Spectra; Stellar Motion in Galaxies 1: Pössel
9.10.  Stellar Motions in Galaxies 2; Star Formation in Galaxies; The Milky Way: Pössel
10.10. Central Black Holes; Active Galaxies; Gravitational Lensing: Pössel
11.10. Galaxy Groups and Clusters; Milky Way Archaeology; Galaxy Evolution: Pössel
TBD:  Written exam

Content

CONTENT: 
Diurnal and annual motions, precession and nutation, sidereal and solar time clocks, Earth-sky trajectory of a planet from its orbital elements

https://wwwstaff.ari.uni-heidelberg.de/mitarbeiter/gparm/celmech.html


COURSE SLIDES: via Moodle.  The `Enrolment key' (`Einschreibeschluessel') will be provided during the first lecture.  It will NOT be provided by email. 


REMARK:
Lecture room to be ventilated regularly.  Please dress up accordingly.

----------------------------

Content

Lecture on the formation of stars and planets. 
More details can be found on the course website (see link below).

Content

The diverse astronomical and astrophysical distance determination methods will be introduced and illustrated with examples, covering all distance ranges from parallax measurements of nearby stars to cosmological methods.

Content

From binaries to Dwarf galaxies and everything in between: Binaries; Star clusters: chemical elements & their formation; dynamics & structure; dwarf galaxies: chemical evolution & Dark Matter; different flavours of star clusters and dwarf galaxies.

Content

As most of the radiation we receive from galaxies is star light, we can use it to measure and study their properties. These lectures aim at showing how much we can learn about galaxy evolution from the study of their stellar populations (young to old stellar clusters, field stars, resolved and integrated stellar populations). We will review the methods commonly used in this respect, all resting on our understanding of stellar evolution, and discuss the results obtained when we apply them to observational data, such as multi-wavelength photometry and spectroscopy.

Content

C1: - Basic properties of fluids and plasmas in astrophysics
	Ideal versus dissipative fluids
	Euler and the Navier-Stokes equations
	Compressible, weakly compressible and incompressible fluid flows
	Magnetohydrodynamics
C2: Numerical methods in hydrodynamics
	The equations in the finite space
	Conditionally versus unconditionally stable numerical schemes
Explicit & implicit formulation
	Preconditioning techniques and defect-correction iteration procedure

C3: Introduction to programming and computer-solving of simple      
       equations
C4: Introduction to General Relativity & Relativistic Cosmology
	Derivation of the relativistic & general relativistic Euler and Navier-Stokes equations
	Dynamics of the expanding univbbbberse
	Basic concepts in modern cosmology: 
Black holes, dark matter, dark energy, inflation
C5: Numerical aspects of relativistic Cosmology: UNIMOUN

Course Information

Content

Stellar structure, evolution and explosions including practical tutorials based on the MESA stellar evolution code

Content

Introduction to the dynamics of systems dominated by gravity (from planetary systems to galaxies) and their numerical treatment.

Content

This lecture is an introduction to molecular astrophysics and astrochemistry.

Content

This is a five day block course with lectures in the morning and practical hands-on exercises in the afternoon. We will learn the basic technique to use GPU (graphical processing units, graphics cards) for numerical accelerated computing at the example of CUDA - an extension of the C programming language, which is used for the NVIDIA GPU accelerated supercomputer to be used in our course. More general approaches for other systems will be discussed. Concepts of parallel programming are introduced. GPU accelerated parallel computing is a technique, which is now widely used in computational physics and astrophysics. Many supercomputers of EuroHPC Petascale systems use GPU.
Topics: Parallel Computing, GPU Hardware, Elements of CUDA Language, Data Transfer, Vector and Matrix Operations, Simple Application for N-Body Problem.

Content

- Lessons learned from gravitational wave sources.
- Compact object formation from stars and binary stars.
- Dynamics of compact objects in dense star clusters.
- Merger rate density evolution of binary compact objects across cosmic time.
- Observations and models of dormant compact objects.
- Numerical models of compact-object populations.

Goal

After completion of this course, the students will acquire state-of-the-art knowledge in the field of astrophysical compact objects. They will be aware of the main results of gravitational-wave observatories, and will have advanced knowledge of the formation channels of binary compact objects and dormant black holes. They will run some of the main scripts and codes to model compact object formation (population synthesis codes, direct N-body codes, semi-analytic codes, simplified LIGO-Virgo data analysis scripts).

Content

The physics of the Universe during the Dark Ages between recombination and reionization.

Content

- Observable signatures of black holes and binaries thereof, calculations of predictions in GR
- Post-Newtonian approximation
- 3+1, Numerical Relativity
- Black Hole images with Very-Long baseline Interferometry (EHT): theory and data analysis
- Accreting black holes, GRMHD
- Bayesian Methods
- Simulated data generation and utilization: eht-imaging, PyCBC, Bilby, Themis

Content

In dieser Vorlesung für Neugierige, sprich: für Hörer*innen aller Fachbereiche (bis 2023 hieß die Reihe noch „...für Nichtphysiker*innen“) beschäftigen wir uns mit dem aktuellen Stand der relativistischen Astrophysik, speziell mit Schwarzen Löchern und den seit Ende 2015 nachgewiesenen Gravitationswellen. Zunächst erarbeiten wir uns dabei die Grundlagen, im zweiten Teil der Vorlesung geht es dann um eine Reihe von Erkenntnissen mit Bezug zur modernen Forschung, die wir zu Schwarzen Löchern und Gravitationswellen haben.

Goal

Erlernen der mathematischen Grundlagen und Methoden, die in den Vorlesungen Physik A und B benötigt werden.

Content

Materiewellen (~20 %)
• Gebundene Systeme (20 %)
• H-Atom (~10 %)
• Wechselwirkung mit externen Feldern (~10 %) • Spin und Feinstruktur (~10 %)
• He-Atom (~10 %)
• Strahlungsgesetze (~ 10 %)

Goal

Die Studierenden können die grundlegenden physikalischen Phänomene der Quantenmechanik und Atomphysik erläutern sowie den Aufbau der wichtigsten Experimente beschreiben. Sie erkennen die Zusammenhänge zwischen den physikalischen Experimenten und den entsprechenden mathematischen Formulierungen und sind in der Lage, die zugrundeliegenden physikalischen Probleme mathematisch zu formulieren und mindestens näherungsweise zu lösen. Sie sind in der Lage, ihr erworbenes Wissen anzuwenden, indem sie selbstständig physikalische Probleme bearbeiten.

Content

• Review of basic quantum mechanics
• Dirac equation and relativistic corrections
• Quantization of the electromagnetic field and consequences • Many-electron atoms
• Molecular structure
• Interaction with electromagnetic fields
• Time-dependent processes
• Scattering and collisions
• Quantum statistics and quantum gases
• AMO Physics in Heidelberg (with laboratory visits)

Goal

After completing this course the students will be able to ż describe the experimental and theoretical concepts of modern atomic, molecular and optical physics, ż analyse standard experimental approaches of modern atomic, molecular and optical physics, ż design simple experimental set-ups in modern atomic, molecular and optical physics, ż apply the theoretical methods to simple practical examples.

Course Information

Content

• Ray optics
• Wave optics
• Beam optics, Gaussian optics • Fourier optics
• Interference and coherence • Photons and atoms
• Laser theory and lasertypes • Ultra-short laser pulses
• Non-linear optics
• Modern applications

Goal

After completing this course the students will be able to ż describe the basic principles and experimental methods of optics and photonics, ż analyse standard experimental approaches to optics and photonics, ż design experimental set-ups in optics and photonics, ż apply the methods to simple experimental examples.

Course Information

Content

Die Vorlesung gibt einen Einblick in das aktuelle und spannende Gebiet der Präzisionsexperimente an gespeicherten und gekühlten Teilchen. Dabei werden deren Grundlagen im Detail diskutiert. Grundzustandseigenschaften von Kernen wie z.B. Spin, Ladungsradius, Masse und Lebensdauer sind wichtige Größen in der Atom- und Kernphysik. Gespeicherte Teilchen bieten einen idealen atomphysikalischen Zugang zur präzisen Bestimmung dieser Größen. Kühl- und Speichertechniken spielen daher eine immer bedeutendere Rolle.

Geplanter Inhalt:

I Grundlagen
1. Ionen- und Atomstrahlerzeugung
2. Nachweisdetektoren
3. Kühlung von geladenen Teilchen
4. Grundlagen der Laserspektroskopie: Atomphysikalische Grundlagen
5. Speicherung von geladenen Teilchen in Paul- und Penningfallen
6. Speicherung von geladenen Teilchen in Speicherringen
7. Speicherung mittels Flugzeitspektrometern

II Präzisionsexperimente
8. Präzisionsmassenspektrometrie
9. Experimente mit Antimaterie / Standardmodell der Teilchenphysik
10. g-Faktor Experimente
11. Molekül- und Clusterexperimente in Speicherringen
12. Präzisionslaserspektroskopie / HCI clocks

III Zukunftsanlagen
13. Zukunftsexperimente

Content

• Einführung in die Chemie anorganischer und organischer Moleküle

• Prinzipieller Aufbau und Funktion der Zelle (Membranen, Zellorganellen, Zellkern, Metabolismus, Transkription, Translation)

• Thermodynamik in Biosystemen und physikochemische Reaktionen, Enzymkinetiken, -kaskaden

• Physikalische Eigenschaften, elektrostatische und thermodynamische Wechselwirkungen funktioneller Biomoleküle (Proteine, Fette, Kohlenhydrate, DNA, RNA)

• Selbstorganisation und Konformationsumwandlungen von Biomolekülen (Proteinfaltung, DNA-Organisation, strukturelle Phasenumwandlungen, Membranorganisation), molekulare Erkennung

• mechanische Kräfte und molekulare Motoren in zellulären Systemen

• Elektrostatik, Elektrodynamik und Signalübertragung im neuronalen und kortikalen System sowie im Kardialsystem

• Grundlagen photophysikalischer Bioprozesse

• Biophysikalische Techniken (z.B. Zellsortierung, DNA-Amplifikation etc.)

• mikroskopische Methoden der Biophysik

Goal

- Verständnis der wesentlichen Grundlagen der Biophysik - Verständnis komplexer selbstorganisierender Systeme - interdisziplinäres Arbeiten

Content

Basic physical principles in imaging techniques such as X-ray/CT and MRI.

Content

-- CANCELLED FOR WINTER TERM 2024/25 -- 
The seminar is organized as journal club.

Goal

The participants will select a paper given in the Materials selection below and present the content to the group followed by a discussion.  Afterwards, the paper is summerized in a report.

Content

Biospectrscopy
Lasers in Medicine

Content

https://uebungen.physik.uni-heidelberg.de/med-phys

Content

https://uebungen.physik.uni-heidelberg.de/med-phys

Content

• Chemische Bindung (10 %)
• Molekülstruktur und Anregungen (10 %)
• Struktur von Festkörpern (10 %)
• Gitterdynamik (20 %)
• Elektronen im Festkörper (30 %)
• Magnetische, dielektrische und optische Eigenschaften (20 %)

Goal

Die Studierenden können die grundlegenden physikalischen Eigenschaften von Molekülen und Festkörpern erläutern sowie den Aufbau und die Messprinzipien der wichtigsten Experimente beschreiben. Sie sind in der Lage, die zugrundeliegenden physikalischen Probleme mathematisch zu formulieren und mindestens näherungsweise zu lösen. Die Studierenden können die für diese Lösungen notwendigen Näherungen und Modellvorstellungen erläutern und sind in der Lage, übergreifende physikalische Konzepte zu benennen. Sie sind in der Lage, ihr erworbenes Wissen anzuwenden, indem sie in selbstständig physikalische Probleme aus der Molekül- und Festkörperphysik bearbeiten.

Content

Siehe Webseite:

https://www.kip.uni-heidelberg.de/cmm/teaching/2025/ecm

Content

Die folgende Liste der Themen ist als Anhalt gedacht: 
• Modell eines Tornados: Drehimpulserhaltung, Unterdruck, herleiten wie groß die 
Windgeschwindigkeit und Unterdruck sind.  
• Magnetfeld Erde: Ausrechnen welche Sonnenteilchen/Kosmische Strahlen abgelenkt werden. Wie gefährlich wäre der Sonnenwind (vor allem coronal mass ejections) für Astronauten?  
• Autounfall: Ausrechnen bei welcher Geschwindigkeit ein Airbag noch Sinn macht bei einem Frontal-Zusammenstoß.  
• Alternative Energie: Ausrechnen wie viel Windmühlen und wie viel m^2 Sonnenzellen man braucht, damit Deutschland 100 Prozent auf neuerbare Energiequellen umgeschaltet ist.  
• Raketengleichung: Herleitung und Anwendung. Warum war die Saturn V Rakete so riesig, obwohl man mit einem Mini-Lunar Module von der Mond wegkommen konnte?  
• Flugzeugflügel: wieso können Flugzeuge fliegen?  
• Tsunamis: Shallow water equation für die Analyse von Tsunamis. Warum (und unter welchen Umständen) sind Tsunamis so gewaltig?  
• Blitze (Gewitter): Wie funktionieren sie ungefähr, und wie kann man die Lautstärke berechnen. Vielleicht eine Abschätzung davon, wie viel Hagelkörner man braucht um genügend Ladungs-Separation zu machen um überhaupt Blitze zu erzeugen.  
• GPS-Navigation: Spezielle und allgemein-Relativistische Effekte.

Goal

Die Studierenden sind in der Lage durch einfache mathematische bzw. physikalische Modelle selbstständig alltägliche physikalische Phänomene zu verstehen. Sie kennen Herangehensweisen bei der Bildung von Abschätzungen, durch die komplexe physikalische Phänomene durch geschickte Vereinfachungen und Annäherungen auf den Kernaspekt reduziert werden können. Sie sind in der Lage die weniger wichtigen Aspekte zu benennen, die vernachlässigt werden können, um so zu einem Verständnis zu kommen.

Content

Vorgaben des Bildungsplans Physik Gymnasium 
Einführung in fachdidaktische Denk- und Arbeitsweisen 
Grundlagen der Planung und Analyse von Physikunterricht zu ausgewählten Teilgebieten der Physik unter Einbeziehung heterogener Lerngruppen 
Experimente, Medieneinsatz und Aufgabenkultur im Physikunterricht 
Leistungsbewertung im Physikunterricht 
Fachdidaktische Reflexion von Physikunterricht

Goal

Die Studierenden   ż kennen die Vorgaben des aktuellen Bildungsplans und grundlegende Methoden im Physikunterricht  ż kennen Konzepte fachbezogener Bildung und können diese kritisch analysieren, bewerten und anwenden.  ż können fachdidaktische Lerninhalte vernetzen und situationsgerecht anwenden   ż verfügen über erste reflektierte Erfahrungen im Planen, Gestalten und Durchführen von kompetenzorientiertem Unterricht

Content

- Physics of the atmosphere (structure, composition, dynamics, global circulation, radiation) 
- Applications in atmospheric physics (e.g. micro-meteorology, trace gas cycles, atmospheric chemistry, measurement techniques)

Goal

Students achieve an advanced understanding of the physical and chemical processes in the atmosphere, the methods to study them, and their role in the climate system. They are able to solve advanced problems and interpret the results in the context of current questions in research and application. They can assess and use current scientific literature to further develop their knowledge base, enabling them to conduct independent master research projects in atmospheric physics.

Content

Various remote sensing methods in different spectral ranges for the measurement of atmospheric properties are presented. 
The individual chapters start with the underlying physical interactions. Then the technical realisations and instruments are discussed. Finally examples of atmospheric measurements presented and their relevance for scientific questions (e.g. air pollution, climate change) are discussed.
If non-German speaking participants attend the lecture, it will be given in English. Otherwise in German.

Goal

Comprehensive knwoledge about various atmospheric remote sensing rechniques

Course Information

Content

Lecture on the physics of the climate system, its statistical nature, energy and mass transfer, its sensitivity to external forcing and internal feedback. Climate variability will be discussed on different time scales as well as the cycles of water and green house gases and some important aspects on the response of system compartments on forcing. Lastly, a glimpse is given on climate modelling of present and past climate.

Goal

Students achieve an advanced understanding of the climate system and the methods to study it, including its changes in the past and the modern human impact on it. They are able to solve advanced problems and interpret the results in the context of current research questions and societal implications. They can competently and critically assess the public discourse on climate change on the basis of the current scientific literature. They have developed a knowledge base that enables them to conduct independent master research projects in physics of climate.

Content

- Stratification and circulation of lakes, Navier Stokes – eq.
– solutes, solubility, electrical conductivity
– density, stability and mixing, deep water renewal
– surface waves, seiche, interfacial waves
– internal waves
- properties of internal waves
- Permanent stratification, meromixis, climate sensitivity
- Turbulence I: Introduction to turbulence
- Turbulence II: Spectral characteristics and measurements
- Turbulence III: Momentum and mass transport in turbulent boundary layers
- Turbulence IV: Living in turbulence: biological – physical interactions 
- tracers in aquatic environments

Content

Strahlung und Strahlungstransport:
• Anwendungen Planck´sches Strahlungsgesetz, reale Spektren von Sonne und langwelliger terrestrischer Ausstrahlung, Kirchhoff, Stefan-Boltzmann
• Strahlungstransport: Absorption (Lambert-Beer), Emission und Streuung (Rayleigh, Mie), Schwarzschild-Gleichung
• Energiehaushalt der Erde und Treibhauseffekt; Strahlungsantrieb, Klimasensitivität und Feedbacks

Fluiddynamik:
• Einführung in die geophysikalische Fluiddynamik, Euler/Lagrange
• Navier-Stokes Gleichung im rotierenden System (Coriolis)
• Dimensionsanalyse (für synoptische atmosphärische und ozeanische Strömungen, Seen, Grundwasser) - einfache Lösungen der Navier-Stokes Gleichung
• Phänomenologie der Turbulenz

Transportprozesse:
• Brown´sche Bewegung, molekulare und turbulente Diffusion (eddy correlation); Advektions-Diffusionsgleichung
• Grenzschichten, Austausch Ozean-Atmosphäre

Klimasystem:
• Die Kompartimente des Klimasystems (Atmosphäre, Ozean, Kryosphäre, hydrologischer Kreislauf)
• Kohlenstoffkreislauf, Emissionen, Szenarien, Treibhausgasbudgets
• Grundlagen der Klimamodellierung, Modelltypen, Klimapro-jektionen
• Klimaschutz und Klimaanpassung, Nachhaltige Entwicklung

Goal

Nach erfolgreicher Teilnahme am Modul  - kennen und verstehen die Studierenden die Grundlagen, Methoden und Konzepte im Bereich Strahlung, Fluiddynamik und Transportprozesse mit deren wichtigsten Anwendungen - haben die Studierenden die notwendigen mathematischen Kenntnisse und Fähigkeiten die zum Verständnis der genannten Themenbereiche notwendig sind - besitzen die Studierenden die Fertigkeiten, Problemstellungen aus den genannten Bereichen eigenständig zu strukturieren, differenziert zu analysieren und mit den vermittelten Konzepten und Methoden Lösungsansätze zu erarbeiten, diese aus physikalischer Sicht zu bewerten und zu kommunizieren - sind die Studierenden in der Lage, sich weitere, verwandte Themen und Methoden durch Literaturarbeit selbst zu erschließen.

Course Information

Content

Mechanik (50 %)
• Mechanik des Massenpunktes
• Mechanik des starren Körpers
• Mechanik deformierbarer Körper
Thermodynamik (40 %)
• Phänomenologie der Wärmelehre
• Zustandsänderungen
• Kinetische Gastheorie
• Reale Gase und Phasenübergänge
Transportprozesse (10 %)
• Ströme, Kontinuitätsgleichung, Diffusion, Wärmeleitung

Goal

Die Studierenden verstehen experimentelle Grundlagen und deren mathematische Beschreibungen im Gebiet der klassischen Mechanik, der Thermodynamik und von Transportprozessen. Sie sind in der Lage, selbstständig einfache physikalische Probleme in diesen Gebieten zu lösen.

Content

In this lecture we present the physics and detector technologies employed by three high-energy physics experiments at the Large Hadron Collider (ALICE, LHCb and ATLAS).
The lecture course will also include a journal club showcasing some of the experiments most cited papers

Content

Mathematischer Vorkurs für Physiker/innen
23.09. - 11.10.2024
 
                   Für das Physikstudium werden von Anfang an solide Kenntnisse und
                   Fertigkeiten aus der  höheren Schulmathematik benötigt. Es handelt sich um:
 
                   Zahlen, Folgen, Reihen und Funktionen, Differential- und Integralrechnung.
                   Trigonometrische Funktionen, Exponentialfunktion, Logarithmus.
                   Elementare Vektorrechnung. Komplexe Zahlen. Taylorreihe.
 
                    Literatur: K. Hefft, Mathematischer Vorkurs zum Studium der Physik,
                                    Springer, Spektrum, (2. Auflage), 2018
                                   Online Fassung:  http://www.thphys.uni-heidelberg.de/~hefft/vk1/ ; 
 
                  Weitere Literatur:
                  S. Grossmann,  Math. Einführungskurs für die Physik, Springer Vieweg, 2012;
                  K. Weltner, Mathematik für Physiker 1 und 2, Springer, 2008;	
                  L. Papula, Mathematik für Ingenieure und Naturwissenschaflter, 
                  Springer Vieweg, 2012;
                  Chr. B. Lang, N. Pucker, Mathematische Methoden in der Physik, 
                  Springer Spektrum, 2005;

 
                  Der Kurs richtet sich an Studienanfänger/innen mit dem Hauptfach Physik 
                  (BSc und Lehramt). Er soll den Übergang von der Schulmathematik zur 
                  Anfängervorlesung Physik erleichtern und wird nicht nur denjenigen 
                  empfohlen, deren Schulabschluss längere Zeit zurückliegt oder die im 
                  letzten Schuljahr wenig Mathematikunterricht hatten.
                  Der Mathematische Vorkurs ist Bestandteil des 
                  Einführungskurses für Studienanfänger/innen, der u.a. einen Basiskurs 
                                             Schlüsselkompetenzen für ein nachhaltiges Studium
                 enthält.
                  Die Kursdauer beträgt 3 Wochen;  täglich 9.15 Uhr  bis ca. 18.00 Uhr. 
                  Beginn: 25.09.2023, 9.00 c.t. Uhr, INF 308, HS 1,
 

Content

Trajektorie, Geschwindigkeit, Beschleunigung
• Newton’sche Axiome
• Gewöhnliche Differentialgleichungen, insbesondere lineare (†)
• Harmonischer Oszillator
• Taylorreihe, Beschreibung durch komplexe Zahlen (†)
• Systeme von Massenpunkten
• Impuls- und Drehimpulserhaltung
• Differential- und Integralrechnung reeller Funktionen mehrerer
Veränderlicher,
Vektorfelder, krummlinige Koordinatensysteme (†)
• Konservatives Kraftfeld
• Stokes’scher Satz (†)
• Matrix-Gruppen und -Darstellungen am Beispiel der Drehgruppe,
Tensoren (†)
• Galilei-Transformationen
• Scheinkräfte
• Allgemeines Zentralkraftproblem und Keplerproblem
• Stellardynamik (*)
• Gravitation ausgedehnter Körper
• Gauß’scher Satz (†)
• Zusammenfassung: Vektoranalysis und Integralsätze im 3-dim. Raum (†)
• Zerfalls- und Stoßprozesse, Wirkungsquerschnitt
• Gekoppelte Oszillatoren, schwingende Saite und Membran
• Makromoleküle (*)
• Strings (in Teilchenphysik und Kosmos) (*)
• Mechanische Ähnlichkeit und Virialsatz
Die mit (†) gekennzeichneten Teile markieren die Mathematikinhalte, die
einen wesentlichen
Teil der Vorlesung ausmachen; die mit (*) gekennzeichneten Inhalte
repräsentieren moderne
Aspekte und können je nach Dozent variiere

Goal

Nach erfolgreicher Teilnahme am Modul ż kennen und verstehen die Studierenden die Grundlagen, Methoden und Konzepte der Theoretischen Physik im Bereich der Newtonżschen Mechanik von Punktmassen und des starren Körpers, einschließlich der Newtonżschen Gravitation, ż haben die Studierenden die notwendigen mathematischen Kenntnisse und Fähigkeiten die zum Verständnis der genannten Themenbereiche notwendig sind, ż besitzen die Studierenden die Fertigkeiten, Problemstellungen aus den genannten Bereichen der Theoretischen Physik eigenständig zu strukturieren, differenziert zu analysieren und mit den vermittelten Konzepten und Methoden Lösungsansätze und Modelle zu erarbeiten, diese aus physikalischer Sicht zu bewerten und zu kommunizieren, ż sind die Studierenden in der Lage, sich weitere, verwandte Themen und Methoden der theoretischen Physik durch Literaturarbeit selbst zu erschließen.

Course Information

Content

• Maxwellsche Gleichungen
• Elektrostatik und Magnetostatik
• Multipolentwicklung, Kugelflächenfunktion (†)
• Vollst. Funktionensysteme, Fourieranalyse, Fourierintegral (†)
• Maxwellsche Gleichungen in Materie
• Spezielle Relativitätstheorie
• Kovariante Formulierung, Eichinvarianz
• Lagrangedichte-Elektrodynamik
• Formulierung der E-Dynamik mit Differentialformen, höhere Form-Felder
(*)
• Teilchen in Wechselwirkung mit Feldern
• Wellen
• Wellen in Materie
• Felder bewegter Ladungen
• Greensfunktionen, Funktionentheorie (†)
• Dipolstrahlung
• Thomson-Streuung und Synchrotronstrahlung
• Geometrische Optik
• Polyelektrolyte, DNA (*)
Die mit (†) gekennzeichneten Teile markieren die Mathematikinhalte, die
einen wichtigen
Teil der Vorlesung ausmachen; die mit (*) gekennzeichneten Inhalte
repräsentieren moderne
Aspekte und können je nach Dozent variieren

Goal

Nach erfolgreicher Teilnahme am Modul ż kennen und verstehen die Studierenden die Grundlagen, Methoden und Konzepte der Theoretischen Physik im Bereich der klassischen Feldtheorie, Vektorfelder, Maxwellgleichungen, Elektro- und Magnetostatik sowie der speziellen Relativitätstheorie und der lorentz-kovarianten Formulierung der Maxwell-Gleichungen, ż haben die Studierenden die notwendigen mathematischen Kenntnisse und Fähigkeiten die zum Verständnis der genannten Themenbereiche notwendig sind, ż besitzen die Studierenden die Fertigkeiten, Problemstellungen aus den genannten Bereichen der Theoretischen Physik eigenständig zu strukturieren, differenziert zu analysieren und mit den vermittelten Konzepten und Methoden Lösungsansätze und Modelle zu erarbeiten, diese aus physikalischer Sicht zu bewerten und zu kommunizieren, ż sind die Studierenden in der Lage, sich weitere, verwandte Themen und Methoden der theoretischen Physik durch Literaturarbeit selbst zu erschließen.

Content

Die Vorlesung MMP 2 richtet sich an Fünft- oder Höhersemestrige im Studiengang Physik.
Zusammen mit der Vorlesung MMP1, die im Sommersemester stattfindet,
ergänzt sie die Mathematik-Pflichtvorlesungen fuer Physiker durch weiterführende,
für die Physik relevante mathematische Inhalte.

In diesem Semester geht es um Mathematik, die zur Quantenfeldtheorie und statistischen Mechanik gehört; es sind folgende Themen vorgesehen:




Elemente der Distributionstheorie
Banachraumwertige analytische Funktionen
Spektraltheorie
Kompakte Operatoren und Spurideale
Fredholmdeterminanten
Brown'sche Bewegung und Feynman-Kac-Formel
Gauss'sche Maße und Quantenfeldtheorie

Content

• Foundations of statistics, information, entropy
• Statistical description of physical systems
• Ensembles, density of states
• Irreversibility
• State variables, ideal and real gases, thermodynamic potentials, the fundamental laws of thermodynamics,
• Material constants, equilibrium of phases and chemical equilibrium, law of mass action, ideal solutions
• Fermi- and Bose-statistics, ideal quantum gases
• Phase transitions, critical phenomena (Ising model)
• Transport theory (linear response, transport equations, master equation, Boltzmann equation, diffusion)
• The theory of the solid state as an example for a non-relativistic field theory
• Applications, for example specific heat of solids, thermodynamics of the early universe etc.

Goal

After completing the course the students ż have a thorough knowledge and understanding of the laws of thermodynamics and of the description of ensembles in the framework of classical and quantum statistics and there applications to phase transitions, condensed matter, plasma and astrophysics ż have acquired the necessary mathematical knowledge and competence for an in-depth understanding of this research field, ż have advanced competence in the fields of theoretical physics covered by this course, i.e. the ability to analyze physical phenomena using the acquired concepts and techniques, to formulate models and find solutions to specific problems, and to interpret the solutions physically and communicate them efficiently, ż are able to broaden their knowledge and competence in this field of theoretical physics on their own by a systematical study of the literature.

Content

• Quantizing scalar fields
• Interacting fields, S-matrix
• Feynman rules, cross sections
• Quantizing spin 1/2 fields
• Dirac equation
• Quantizing spin 1 fields
• Maxwell equations
• Coupling to Dirac fermions
• Quantum Electrodynamics
• QED processes at tree level
• Radiative corrections
• Classical non-abelian gauge theory

Goal

After completing the course the students ż have a thorough knowledge and understanding of relativistic field equations and the theory of free quantum fields, ż will be able to use Feynman rules to calculate on the tree level scattering amplitudes and cross sections for ż4-theory and for simple reactions in QED, ż have acquired the necessary mathematical knowledge and competence for an in-depth understanding of this research field, ż have advanced competence in the fields of theoretical physics covered by this course, i.e. the ability to analyze physical phenomena using the acquired concepts and techniques, to formulate models and find solutions to specific problems, and to interpret the solutions physically and communicate them efficiently, ż are able to broaden their knowledge and competence in this field of theoretical physics on their own by a systematical study of the literature.

Content

Infos auf unserer Website: https://sciai-lab.org/teaching/24w/mlph/

Content

For details about content and exercises see
https://www.mpi-hd.mpg.de/manitop/StandardModel2/index.html

Content

All relevant information can be found under
https://www.thphys.uni-heidelberg.de/~hebecker/Strings/strings.html

Course Information

Content

Time: Wed 14:15-16:00, Place: Phil.Weg 12 / gHS

Contents:

We will give an introduction to classical non-equilibrium physics, both on the macroscopic (thermodynamic) and the microscopic (kinetic) level.

We will start by generalizing equilibrium thermodynamics to spatial degrees of freedom. By allowing for small currents (of heat or particles, for instance), the theory of linearly irreversible thermodynamics will be developed. A major insight will be the occurrence of cross-coupling effects, like the Peltier and Soret effect, obeying important symmetries (Onsager relations, Nobel Prize in Chemistry 1968). The occurrence of instabilities (I. Prigogine, Nobel Prize in Chemistry 1977) will also be discussed.

We will then switch to the microscopic scale and motivate the famous Boltzmann equation, the foundation of transport theory. We will solve it by several approximation methods and use it to derive macroscopic balance equations, yielding a microscopic foundation of the processes described in the first part of the lecture.

Finally, we make a close connection to equilibrium statistical physics, by discussing linear response theory and deriving the fluctuation-dissipation theorem. The main insight will be that the response of a system to a small perturbation, i.e. the outcome of a non-equilibrium situation, can be calculated within equilibrium theory.

If time permits, at the end we will discuss few current research topics, like the use of Boltzmann-type equations in the modeling of 'active' systems (collective motion of animals, dynamics of cellular extracts) and the occurrence of nonequilibrium phase transitions in boundary-driven transport (asymmetric exclusion processes).

Course Information

Content

see https://uebungen.physik.uni-heidelberg.de/vorlesung/20242/1925

Content

We review the Peccei-Quinn mechanism to generate out of a massless U(1)_A Goldstone boson a massive one. The Veneziano-Witten formula is reviewed. Then we compute the axion mass for the deconfining phase of an SU(2) Yang-Mills theory. For the confining phase phenomenological extractions are used within the fuzzy dark matter paradigm. We then address the question how ultralight axions may determine the dark sector of the cosmological model and how one can extract specific cosmological parameters.

Course Information

Content

After a (condensed) review of the Standard Model of Particle Physics and of features of nature that we do not yet understand, I will present ways to extend the SM at high energies and (theoretical and experimental) guidance we have on our road to find out how nature could look like at shortest distances.

Topics covered in the lecture include Electroweak Symmetry Breaking and its Dynamics, Models of a Composite Higgs, Supersymmetry, Extra Dimensions, and further approaches to understand the puzzling hierarchies we observe in nature. Moreover, I will discuss Effective Field Theory, Flavor Physics & Neutrino Masses, Dark Matter, Baryogenesis and other aspects of Cosmology, as well as the Strong CP Problem and Axions.

Content

https://www.thphys.uni-heidelberg.de/%7Eamendola/lss-ws2024.html

Course Information

Content

- Basic concepts of numerical simulations, continuous and discrete simulations
- Discretization or ordinary differential equations, integration schemes of different order
- N-Body problems, molecular dynamics, collisionless systems
- Discretization of partial differential equations
- Finite element and finite volume methods
- Lattice methods
- Adaptive mesh refinement and multi-grid methods
- Matrix solvers and FFT methods
- Monte Carlo methods, Markov Chains, applications in statistical physics

Goal

After completion of this module, the students are endowed with the capacity to identify and classify numerical problems. They have reached active understanding of applicable numerical methods and algorithms. They are able to solve basic physical problems with adequate numerical techniques and to recognize the range of validity of numerical solutions.

Content

https://www.h-its.org/teachings/ws-2024-25-lectures-and-hands-on-sessions-in-computational-molecular-biophysics/ 

Only a limited number of students can be accepted. Please register in advance by sending an Email to Frauke.Graeter@h-its.org.

Content

https://hci.iwr.uni-heidelberg.de/content/optimization-machine-learning-WiSe24

Content

Please find all information here:

https://hci.iwr.uni-heidelberg.de/content/computer-vision

*** Formalities:

Teaching assistants (main point of contact): Friedrich Feiden: johann-friedrich.feiden@iwr.uni-heidelberg.de; Zavadski, Denis: denis.zavadski@iwr.uni-heidelberg.de

Registration: Moodle: https://moodle.uni-heidelberg.de/course/view.php?id=24146


Prerequisite: no prerequisites, but it is recommended to have Machine Learning Background, e.g. Fundamentals of Machine Learning or equivalent

Exam: Either oral exam or mini-project (as in last years).
Leistungspunkte: 6 LP
Usability: Physics, MSc., Angewandte Informatik, MSc. Scientific Computing

Goal

- Brief Introduction to necessary Machine Learning (incl. U-Net, ResNet, Vision Transformers) - Basic Image Processing (incl. linear/non-linear Filtering) - Sparse feature Detection and Description (incl. SIFT and LIFT) - Projective Geometry, Epipolar Geometry - Sparse 3D Reconstruction , SLAM and Camera Localization - Neural Randiance Fields (NERF) - Robust Matching (incl. Differentiable RANSAC) - Object Tracking (incl. Particle Filter, Kalman Filter, ) - Object Recognition - Image Generation (incl. GAN, Diffusion, VAE, Flows) - Training Data Generation

Content

https://drive.google.com/file/d/1Zaorp0tHFz-oyY6wDrJ2xseTx_3fyi50/view