Lehrinhalt

Diese Vorlesung ist der erste Teil des WP Astro Moduls "Einführung in die Astronomie und Astrophysik", das aus 2 Semestern Vorlesung mit Übungen besteht, und einem Praktikum.

Es geht um das physikalische Verständnis unseres Universum jenseits der Erde: 
-- wie erforscht man das Universum?
-- wie kommt man von Beobachtungen zu einem physikalischen Verständnis?
-- Was sind die grundlegenden Erkentnisse, vom Sonnensystem zum Urknall?

Im ersten Semester (WS) werden folgende Themenkreise behandeln:
— eine kurze Reise durch den Kosmos: erster Überblick
— Astronomische Grundlagen : astronomische Beobachtung;
     elektromagnetische Strahlung; Entfernungsmessung; Sonnensystem 
— Physik der Sterne: Sternaufbau und Energieerzeugung
— Phasen der Sternentwicklung: von der Geburt bis zu weissen Zwergen und schwarzen Löchern
— Physik des interstellaren Mediums: Gas und Staub

Homepage: https://uebungen.physik.uni-heidelberg.de/vorlesung/20252/2095

Lehrziel

-- Sicht auf Astronomie als Teilgebiet der Physik -- Verständnis astronomischer Methoden und Schlussweisen -- Grundlagenkenntnis von Methoden, Planeten, Sternen und interstellarem Gas

Lehrinhalt

In this astrophysics lecture we cover the theoretical concepts of how planets and planetary systems are thought to form. This includes the planets in our solar system as well as exoplanets. The journey starts with the formation of a star, surrounded by a disk of gas and cosmic dust: the protoplanetary disk. This disk is the environment in which (and contains the matter from which) planets form. We will therefore discuss in quite some depth the structure, dynamics, thermodynamics and chemistry of these disks, including radiative transfer, hydrodynamics, magnetohydrodynamics, etc. And we will discuss the wealth of observations of these disks that have been obtained, in particular in the last decade, with the VLT and Subaru telescopes, with ALMA, and with several space-borne telescopes such as JWST. We will then move on to discuss the richness of physical phenomena that underpin the long journey from micrometer-sized dust (=rock) particles all the way to many-thousand kilometer sized planets. These include, among other things: gas turbulence, dust particle drift, coagulation and fragmentation of dust aggregates, formation of planetesimals through streaming instability, restricted three-body problem, dynamical friction, pebble accretion, planetary migration, planetary collisions, N-body dynamics, gas accretion, (pebble-)isolation mass, planetary interiors, equations of state at high pressures and temperatures, phase diagrams of rocks, magma oceans, clues from the Solar system (meteoritic evidence, planetary orbits, etc), and many more.

Lehrziel

After this course you will have an overview of the research field of planet formation, including the basics and the currently 'big open questions' in the field.

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This course provides a firm understanding of the theoretical concepts
of astrophysics, together with their assumptions and limitations. Topics covered include:
-- Hydrodynamics: Basics and equations of motion; ideal and viscous fluids and currents; sound waves, supersonic currents and shock waves; instabilities, convection and turbulence
-- Plasma physics: Basics of collision-less plasmas; dielectric tensor; dispersion relation, longitudinal waves and Landau damping; magnetohydrodynamic equations; waves in magnetized plasmas; hydrodynamic waves
-- Radiative processes: Macroscopic radiation measurements; emission, absorption and scattering, radiative transfer; Bremsstrahlung and synchrotron radiation; ionization and recombination; spectra
-- Stellar dynamics: Relaxation; Jeans equations and Jeans theorem; tensor-virial theorem; equilibrium and stability of self-gravitating systems; dynamical friction; Fokker-Planck approximation

Lehrziel

Upon completion of the lecture, students are able to apply this knowledge to a wide range of different areas of modern astrophysics and can solve complex problems in this field. They are familiar with concepts from different areas of theoretical physics relevant for astrophysics and they can apply mathematical techniques for solving questions arising in astrophysical situations.

Lehrinhalt

The lectures will introduce the foundations of modern cosmology. Topics include the basics of General Relativity, the modeling of a homogeneous and isotropic universe, dark matter, the cosmological constant and dark energy, cosmic inflation, and the thermal history of the universe, including cosmological nucleosynthesis and the cosmic microwave background. We will also study cosmic structure formation in both the linear and non-linear regimes. After establishing the theoretical framework, the course will explore the key observational evidence that underpins our current understanding of the universe.
Webpage: https://uebungen.physik.uni-heidelberg.de/vorlesung/20252/2105

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Observational methods using photons (from gamma rays to radio), gravitational waves, other particles, and in-situ exploration.  
MVAstro1 ("Astronomical Techniques (compact)") consists of lectures, exercises, and a lab course.  See Master Module Manual for details.

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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. 22 - Oct. 19th, 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, 22.09. - 10.10.2024 (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)


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

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See Master Module Manual.  The block course consists of lectures, exercises, a seminar, and a written exam at the end.

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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.

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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 stellar populations in galaxies (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.

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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

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

In the first half of the term, teaching will be via classical blackboard-style lectures that lay the foundation of stellar evolution. In contrast to classical lectures on stellar astrophysics, the second half is a practical course where students employ the stellar evolution code MESA to study the evolution and final fates of low-, intermediate- and high-mass stars. This allows us to follow the evolution of stars interactively, enabling us to investigate stellar structures in great detail. For the practical part, a laptop is required (all operating systems are supported). 

All course materials will be provided online.

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

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In this class, we will discuss the basics of asteroseismology. After some more theoretical introduction, each student will analyse a star for its asteroseismic signal and deduce stellar parameters. We end with a journal club.

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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.

Lehrinhalt

- 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.

Lehrziel

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).

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An introduction to fluid dynamics in an astrophysical context, with an emphasis on analytical results rather than numerical simulations.

Lehrinhalt

- 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

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Der dreiwöchige Blockkurs zur Einführung in die Astronomie (PASTRO) für Lehramtstudierende der Physik an Gymnasien an der Universität Heidelberg wird am Haus der Astronomie durchgeführt (zu erreichen mit den Buslinien 30 und 39 oder mit der Bergbahn). Er findet immer im Wintersemester in der vorlesungsfreien Zeit im Februar oder März jeweils von 9:30-12:30 Uhr statt. 

Behandelte Themen sind: Größenordnungen des Kosmos, Himmelsmechanik und Orientierung am Sternhimmel, Teleskoptechnik und Spektroskopie, das Sonnensystem, die Sonne, Sterne, Exoplaneten, die Milchstraße und andere Galaxien und Kosmologie.

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Ist identisch mit PASTRO

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In dieser Vorlesung für Neugierige, sprich: für Hörer*innen aller Fachbereiche, beschäftigen wir uns mit dem aktuellen Stand der Erforschung sowohl unseres Sonnensystems als auch seiner entfernten Verwandten: der Exoplaneten, die andere Sterne umkreisen als die Sonne. Wir schauen uns dazu nicht nur die Eigenschaften der bislang bekannten Planeten und Kleinkörper an, sondern beschäftigen uns auch mit Beobachtungsmethoden sowie mit der Frage, wie unser Sonnensystem und andere Sonnensysteme überhaupt entstanden sind.

Lehrziel

Erlernen der mathematischen Grundlagen und Methoden, die in der Vorlesung Physik A benötigt werden.

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Lehrinhalt

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

Lehrziel

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.

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Lehrinhalt

• 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)

Lehrziel

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

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Lehrinhalt

• 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

Lehrziel

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

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Lehrinhalt

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

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Einführung in die Elektronik
für Student*innen der Gesamtfakultät für Mathematik, Ingenieur- und Naturwissenschaften

Lehrinhalt

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

Lehrinhalt

Biospectrscopy
Lasers in Medicine

Lehrinhalt

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

Lehrinhalt

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

Lehrinhalt

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

Lehrziel

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.

Lehrinhalt

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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.

Lehrziel

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.

Lehrinhalt

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

Lehrziel

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

Lehrinhalt

- 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)

Lehrziel

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.

Lehrinhalt

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.

Lehrziel

Comprehensive knwoledge about various atmospheric remote sensing rechniques

Lehrinhalt

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.

Lehrziel

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.

Lehrinhalt

- 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

Lehrinhalt

1-week block lecture, language: English, Mar. 2 - 6, 2026, IUP - INF229, first floor (R108), lecturer: Dr. Jochen Landgraf

The lecture will cover the principles of radiative transfer with a focus on the Earth's atmosphere including a discussion of electromagnetic waves, radiometric quantities and polarization, absorption and emission by molecules, scattering by molecules and particles, radiative transfer equation and solution methods for the Earth's atmosphere, remote sensing applications.

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Lehrinhalt

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

Lehrziel

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.

Lehrinhalt

Die Vorlesung "Moderne Physik I für das Lehramt" bietet eine Einführung in die wichtigsten Felder der Physik, die im 20. und 21. Jahrhundert entwickelt wurden. Der Schwerpunkt liegt auf dem Wechselspiel zwischen Experiment und physikalischem Modell, während die theoretischen Konzepte den Gegenstand der Vorlesung "Modernen Physik II für das Lehramt" bilden.

Die "Moderne Physik I" umfasst die Themenbereiche
- Materiewellen
- Photonen
- Quantenphysik und Schrödingergleichung
- Atome und Spektroskopie
- Quantenstatistik
- Moleküle
- Festkörper
- Kerne und Streuung
- Elementarteilchen

Die Vorlesung richtet sich an Studierende im BSc-Studiengang Physik mit Lehramtsoption und Physik mit 50%-Fachanteil.

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Lehrinhalt

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

Lehrziel

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.

Lehrinhalt

For details see:

https://uebungen.physik.uni-heidelberg.de/vorlesung/20252/2121

Lehrinhalt

For further information, have a look at the web page of the lecture:

https://uebungen.physik.uni-heidelberg.de/vorlesung/20252/2116

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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,
 

Lehrinhalt

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 variieren

Lehrziel

Nach erfolgreicher Teilnahme am Modul ¿ kennen und verstehen die Studierenden die Grundlagen, Methoden und Konzepte der Theoretischen Physik im Bereich der Newton¿schen Mechanik von Punktmassen und des starren Körpers, einschließlich der Newton¿schen Gravitation, ¿ 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 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, ¿ sind die Studierenden in der Lage, sich weitere, verwandte Themen und Methoden der theoretischen Physik durch Literaturarbeit selbst zu erschließen.

Lehrinhalt

• 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

Lehrziel

Nach erfolgreicher Teilnahme am Modul ¿ 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, ¿ 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 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, ¿ sind die Studierenden in der Lage, sich weitere, verwandte Themen und Methoden der theoretischen Physik durch Literaturarbeit selbst zu erschließen.

Lehrinhalt

• 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.

Lehrziel

After completing the course the students ¿ 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 ¿ have acquired the necessary mathematical knowledge and competence for an in-depth understanding of this research field, ¿ 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, ¿ are able to broaden their knowledge and competence in this field of theoretical physics on their own by a systematical study of the literature.

Lehrinhalt

• Quantizing scalar fields
• Canonical quantization and path-integral quantization
• Radiative corrections, renormalization
• Quantizing spin 1 fields
• Dirac equation
• Quantizing spin 1/2 fields
• Interacting fields, S-matrix
• Feynman rules, cross sections
• Quantum Electrodynamics, QED processes at tree level

Lehrziel

After completing the course the students ¿ have a thorough knowledge and understanding of relativistic field equations and the theory of free quantum fields, ¿ will be able to use Feynman rules to calculate on the tree level scattering amplitudes and cross sections for ¿4-theory and for simple reactions in QED, ¿ have acquired the necessary mathematical knowledge and competence for an in-depth understanding of this research field, ¿ 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, ¿ are able to broaden their knowledge and competence in this field of theoretical physics on their own by a systematical study of the literature.

Informationen zur Veranstaltung

Lehrinhalt

Infos auf unserer Website:https://sciai-lab.org/teaching/25w/mlph/

Lehrinhalt

Condensed Matter Theory I:
The complexity of 1023 particles interacting with each other in a solid give rise to many emergent phenomena one would not predict from the simple interactions between two electrons. In this lecture we will, starting from simple models and theories work our way into the contemporary theory of many particle physics. 
 
The lecture follows for a large part the textbook of Ashcroft and Mermin, with one big difference. The aforementioned text-book is based on a text over 50 years old. During the last decades new methods have emerged, often removing the need to know the full wave-function of the system to answer the problem, by using Green's functions. Whenever possible the later will be used within this lecture.
 
Concepts of many particle systems discused are:
The Drude Theory of Metals
The Sommerfeld Theory of Metals
Electrons in a periodic potential
Tight binding
Band-structure, Fermi-surface, Density of states, Metals, Insulators, Semiconductors
Semiconductor physics
Surface states
Phonons and disorder
Relativistic corrections - spin-orbit coupling
Phase transitions and topology
Response functions
Theoretical / Mathematical tools used will be
Second quantization
Green's functions (on an independent particle level)
Self energy (for surface states and disorder)
Levels of theory discussed will be
Mean-field theory
Hartree-Fock
Density functional theory

Lehrinhalt

For details about content and exercises see
https://www.mpi-hd.mpg.de/manitop/ParticlePhysics3/index.html

Lehrinhalt

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

Informationen zur Veranstaltung

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Motivation:
After discussing dynamical systems on the level of ODEs in the last semester, we here will discuss how to transfer the knowledge to PDEs with a focus on pattern formation and solitons. Pattern formation is one of the most fascinating and intriguing phenomena in nature: it takes place in a wide variety of physical, chemical and biological systems and on very different spatial and temporal scales: examples are convection phenomena in geosciences and meteorology, but also patterns occurring in chemical reactions and bacterial colonies. In some circumstances, pattern formation is undesired, for instance the formation of spiral waves leading to cardiac arrhythmias in the heart muscle. In other contexts, pattern formation is even essential for the functioning of a system as in cell division and embryo development.

Contents:
We will study spatio-temporal behavior, i.e. partial differential equations (PDEs) and discuss the main questions in pattern formation: when will a homogeneous state become structured, i.e. unstable towards a pattern? What are the generic scenarios/types of patterns? When are patterns stable and are they unique? What determines the wavelength / period in time / amplitude of a pattern? A universal description of pattern dynamics exists, i.e. amplitude equations can be derived that are related to the famous Ginzburg-Landau equation (Nobel Prize in Physics 2003, originally derived for superconductivity). Nonlinear waves and solitons (localized waves) will also be discussed. They again occur in many systems, from coupled nonlinear springs to hydrodynamic surface waves and nonlinear optics.

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Lehrinhalt

This advanced theory lecture builds on the statistical physics course (MKTP1) and introduces paradigmatic models of statistical physics and their critical properties near phase transitions.  In particular, we shall discuss the Heisenberg and O(N) vector models, the nonlinear sigma model, the XY model, the Sine-Gordon model, and the spherical model.  By computing their critical behavior, one can understand the phase transitions in many different systems in statistical physics, condensed matter physics and beyond, which belong to the same universality classes.  We will use field theoretic methods and introduce renormalization, epsilon expansion, and duality transformation.

Contents:

1. Landau theory and O(N) vector model
2. Renormalization group and universality
3. Nonlinear sigma model and epsilon expansion
4. Topological excitations in the XY and Sine-Gordon models and the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition
5. Spherical model and quantum phase transitions
6. Disordered systems
7. Random walks
8. Critical dynamics

Informationen zur Veranstaltung

Lehrinhalt

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).

Lehrinhalt

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.

Lehrinhalt

Key problems in fundamental physics

Lectures:

(1)  Physical time and the beginning Universe      11.11.

     - Clocks and the vacuum
     - Time coordinates in general relativity and cosmology
          ( proper time, conformal time, cosmic time )
     - Field transformations and frame invariance:
           Is the age of the Universe 13.8 billion years?
     - Physical time for the beginning Universe
     - What is the meaning of expanding space and slowing time?


(2) What is quantum gravity?       25.11.

     - Fields and symmetries
     - General coordinate invariance as a gauge symmetry
     - Quantum field theory for metric or vierbein
     - The role of metric fluctuations
     - Asymptotic safety
     - Lattice approaches and string theory
     - Can one observe quantum gravity effects?


(3) Origin of wave functions and operators for quantum mechanics  9.12.

     - Evolution in classical probabilistic systems
     - Wave functions and time local probabilities in classical statistics
     - Transfer matrix and step evolution operator
     - The non-commuting structures in classical statistics
     - Unitary evolution and quantum mechanics
     - Probabilistic cellular automata as simple quantum systems


(4) Quantum field theory from classical probabilities   20.1.


     - Functional integral approach to quantum field theory
     - Generalized Ising models as "functional integrals“
     - Minkowski and euclidean time
     - Fermions as Ising spins
     - Simple probabilistic cellular automaton  for fermionic quantum field theory
       in one time and one space dimension
    - Vacuum, operators and correlation functions



(5) Cosmological constant and dynamical dark energy

Lehrinhalt

2) Ideal fluids
3) Viscous fluids
4) Turbulence
5) Boundary layers
6) Thermal conduction
7) Diffusion
8) Relativistic hydrodynamics
9) Astrophysical hydrodynamics
10) Hydrodynamics of superfluids

Lehrinhalt

Stochastic dynamics is the study of dynamical processes that occur on sufficiently large time scales such that the fast microscopic degrees of freedom can be effectively described by stochastic noise. The paradigmatic case is the movement of a Brownian particle (e.g. a plastic bead of micrometer dimensions) in a fluid (e.g. water). Then the particle trajectory performs a random walk effected by the random forces exerted by the molecules of the fluid ("Brownian dynamics"). The mathematical tool required to describe this situation is a stochastic differential equations, also known as the Langevin equation. Alternatively one can use the Fokker-Planck equation, which is a partial differential equation for the probability density p(x,t) of the particle to be at position x at time t. For stochastic processes with jumps, the appropriate equation is the master equation.

Stochastic dynamics has many applications in physics, chemistry, biology and economics. In this course, we will provide an introduction into the fundamentals of this field, in particular to the three fundamental types of equations. We also will discuss how the classical theory can be extended to active systems, in particular the Active Brownian Particle (ABP) model for self-propelled objects, like e.g. bacteria. Applications will be chosen from the fields of (active) soft matter, biophysics, finance and machine learning. We will also discuss the path integral approach to stochastic processes as well as recent developments in non-equilibrium physics and stochastic thermodynamics.

The course is designed for physics students in advanced bachelor and beginning master semesters, but students from other disciplines are also welcome. It will be given in English. A basic understanding of physics and differential equations is sufficient to attend. A background in statistical physics is helpful, but not required. The course takes place every Monday from 2.15 - 3.45 pm in lecture hall HS2 in INF 308 (Hörsaalgebäude). Every second week on Monday afternoons after the lecture the solutions to the exercises will be discussed in a tutorial. If you attend the course and solve more than 60 percent of the exercises, you earn 4 credit points. To get a grade, you have to pass an oral examination. A script is available from earlier versions of this course.

Lehrinhalt

Continuum mechanics describes the movement of matter under force on a scale that is sufficiently large as to use continuous variables. Therefore continuum mechanics is an example of a classical field theory, like electrodynamics. Continuum mechanics is further subdivided into hydrodynamis (flow) and solid mechanics (deformation). Both fields are connected by the theory of viscoelasticity (flow of complex fluids, rheology). After a general introduction, we will focus on solid mechanics, but also cover some viscoelasticity. We also will discuss modern applications of continuum mechanics, in particular to the questions of how to deal with growth and active stresses in biological systems. Finally we will also cover numerical approaches to continuum mechanics, namely the finite element method (FEM) and its implementation in open source code like Fenics.

Major subjects in this part will be

1.	scalar elasticity
2.	material laws and constitutive equations
3.	viscoelasticity
4.	Hookean solid, Newtonian fluid, Maxwell model, Kelvin-Voigt model
5.	complex modulus
6.	stress and strain tensors
7.	Lagrangian versus Eulerian coordinates
8.	geometrical and material non-linearities
9.	linear elasticity theory
10.	rods and plates
11.	contact problems
12.	non-linear elasticity theory, neo-Hookean solid
13.	fracture and plasticity
14.	thermoelasticity
15.	active stresses
16.	growth

The course is designed for physics students in advanced bachelor and beginning master semesters, but students from other disciplines are also welcome. It will be given in English. A basic understanding of physics and differential equations is sufficient to attend. The course takes place every Wednesday from 11.15 - 13.00 at Philosophenweg 12. Every second week on Monday afternoons at 4 pm the solutions to the exercises will be discussed in a tutorial. If you attend the course and solve more than 60 percent of the exercises, you earn 4 credit points. To get a grade, you have to pass an oral examination. A script is available from earlier versions of this course.

Lehrziel

A basic understanding of physics and differential equations is sufficient to attend.

Lehrinhalt

https://www.kip.uni-heidelberg.de/gasenzer/teaching/ws25_qpt#start

Lehrziel

https://www.kip.uni-heidelberg.de/gasenzer/teaching/ws25_qpt#start

Lehrinhalt

- 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

Lehrziel

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.

Lehrinhalt

https://www.mpip-mainz.mpg.de/ws-2025-26-lectures-and-hands-on-sessions-in-computational-molecular-biophysics

"Only a limited number of students can be accepted. Please register in advance through heiCO”

Lehrinhalt

https://hci.iwr.uni-heidelberg.de/content/optimization-machine-learning-WiSe25

Attention! The webpage above is down (file server failure) and it may take a while to repair it. The most important information is provided therefore here:

Lectures: Sep. 30 - Oct. 10; 9:00-16:00 (exact time schedule within this slot) in Mathematikon B, R.B128

To get there: Entrance from Berlinerstr., near the bakery. Press HCI/IWR/CVL button, the door will open. Go to the 3rd floor (3 OG)

Programming exercises: Weakly, on Tue 11:00, during WiSe 25/26. Attending is recommended, but not mandatory.

## Registration

Please register for the course also in Muesli (https://muesli.mathi.uni-heidelberg.de/lecture/view/2049) -- this is our way to communicate with you.

## Exam

- **Format:** Oral  
- **Eligibility:** At least 50% of the total points for programming exercises  
- **Date and Time:** Flexible. We typically use a doodle poll to accommodate both your schedule and ours. We usually offer several time slots: one to three in February and another one to three between March and May.  

## Table of Contents

- **Linear and Integer Linear Programs (ILPs) and Their Geometry:** Convexity, polyhedra, LP relaxation  
- **Linearization:** From quadratic to linear integer objectives and constraints; Fortet’s and Sherali–Adams methods  
- **Convex Functions:** Definitions and basic properties  
- **Lagrangian Duality:** Subgradients, optimality conditions, relation to LP relaxation, reduced costs  
- **Scalable Convex (Dual) Optimization Techniques:** Gradient, subgradient, coordinate descent, smoothing methods  
- **ILP Solvers Overview:** How off-the-shelf solvers work—branching and cutting, presolving, simplex method for LPs  
- **Scalable Primal Heuristics:** Greedy construction, local search, optimal recombination, memetic algorithms  
- **Quadratic Pseudo-Boolean Optimization:** Algorithms, applications, role of submodularity  
- **Learning Parameters of Combinatorial Problems from Data:** Bayesian optimization, structured SVMs, black-box differentiation, and recent advances

**Lecture repository**
https://heibox.uni-heidelberg.de/d/4cd2a84ae2084025a84c/
Password will be send via Muesli/given at the lecture

More information can be found at the webarchive page of the lecture: 

https://web.archive.org/web/20250521210440/https://hci.iwr.uni-heidelberg.de/content/optimization-machine-learning-WiSe25

Lehrinhalt

*** Formalitäten:

Tutor (Hauptanlaufstelle für Fragen): Friedrich Feiden: johann-friedrich.feiden@iwr.uni-heidelberg.de

Registrierung: Moodle: https://moodle.uni-heidelberg.de/course/view.php?id=28554


Voraussetzungen: Keine verpflichtenden Vorlesungen, aber es empfiehlt sich, Machine-Learning-Background zu haben. Zum Beispiel: Fundamentals of Machine Learning oder Ähnliches.

Prüfung: Schriftliche Klausur
Leistungspunkte: 6 LP
Anrechenbarkeit (ohne Garantie): Physics, MSc., Angewandte Informatik, MSc. Scientific Computing

Solange Sie sich rechtzeitig (vor Beginn der ersten Vorlesung) anmelden, kann normalerweise an der Vorlesung teilgenommen werden.


Weitere Informationen finden Sie hier:

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

(Die Webseite befindet sich momentan unter Wartung und ist daher langsam)

Lehrziel

- 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

Lehrinhalt

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