Vous avez reçu le prix Vigener de la Faculté des sciences et de médecine pour votre thèse en physique théorique. Quelle recherche avez-vous menée pendant votre thèse?
Mon domaine d’étude s’est porté sur la physique des fluides, en mécanique classique. L’idée est de comprendre et prédire des phénomènes divers allant de la forme que prend une interface liquide/gaz à l’évolution dans le temps d’un système de particules en suspension dans un liquide, que l’on nomme colloïde, et soumis à des perturbations (par ex. sous la forme d’un potentiel externe périodique). Le système peut être infini (sans bord) ou confiné. Dans mon cas, je me suis surtout intéressée à des systèmes en trois dimensions, mais il est bien sûr possible d’étudier des systèmes à deux ou même une seule dimension, ce qui n’est pas forcément plus simple.

Qu’est-ce qui vous a mené à vous intéresser à étudier la physique?
Quand j’étais au collège, j’avais un enseignant de physique qui comparait souvent les mathématiques au solfège et la physique à la musique. Cette image a piqué ma curiosité et j’ai voulu en savoir plus en allant étudier à l’université.

Ce que j’aime le plus avec la recherche en physique théorique, ce sont les trésors de créativité qu’il faut déployer pour résoudre un problème donné. Comment traduire ma question en langage mathématique ? Comment implémenter numériquement mon équation pour la résoudre le plus précisément possible compte tenu de contraintes allant de la taille de la mémoire de mon ordinateur aux inconnues intrinsèques au problème, et donc aux approximations nécessaires, quand on traite un système avec grand nombre de particules ? Pour surmonter ces difficultés, il est ainsi impératif de combiner compréhension physique (quel est le potentiel d’interactions ?), géométrique (y a-t-il la présence de symétries ou non ?), mathématique (comment traiter les dérivées fonctionnelles ?) et savoir-faire informatique (comment appréhender la parallélisation ?), sans oublier la nécessité de bonnes performances linguistiques et esthétiques lors de présentations de résultats (par ex. pour écrire un article ou préparer un talk). La combinaison de ces différents domaines de compétence rend la cherche passionnante !

Vous avez récemment publié  sur votre recherche. Pouvez-vous nous en dire plus?
On sait que théoriquement, il devrait être possible de déterminer la valeur de la viscosité d’un liquide à partir du potentiel d’interaction des particules qui le composent, mais la question de comment s’y prendre exactement reste ouverte. Notre dernière publication essaie d’y apporter une réponse à l’aide d’outils avancés de mécanique statistique classique en partie élaborés dans ma thèse.
La spécificité de cet article est qu’il permet pour la première fois de faire un pont entre deux domaines distincts de la physique, soit la Classical Density Functional Theory et la rhéologie expérimentale.

Et quels sont vos projets pour la suite ? Allez-vous continuer en recherche académique?
Pour l’instant, je poursuis ma lancée avec un postdoc dans le même groupe de recherche que celui où j’ai fait mon doctorat.
Ma thèse a contribué à de multiples avancées dans notre communauté scientifique, en incluant les fonctions de corrélations à deux corps dans le domaine de la Classical Density Functional Theory.  Cependant, comme l’implémentation informatique de ses différentes méthodes est assez lourde et complexe, seule une infime partie de la communauté s’y risque pour le moment, alors que tous s’accordent à reconnaître leurs excellentes performances. L’un de mes prochains objectifs est donc de co-organiser un workshop/séminaire ici à l’université de Fribourg dans l’optique de faciliter la démocratisation de ces méthodes.

Die experimentellen Daten, die noch vor der Pandemie am Large Hadron Collider am CERN mit dem LHCb-Detektor und auch am Myonenspeicherring am Fermilab von der Myon g-2-Kollaboration gemessen worden waren, wurden sorgfältig analysiert. Dabei wurden alle erdenklichen systematischen Effekte der Messapparatur, die eine Auswirkung auf die Messresultate haben können, in grösstmöglicher Detailtiefe untersucht und mit einbezogen. Es hat sich herausgestellt, dass die so gewonnenen Resultate zwar gut, aber doch nicht ganz perfekt mit den erwarteten Werten übereinstimmen. In der Tat sind es oft winzige Effekte, bei denen ein hochpräzises theoretisches Verständnis und hochpräzise experimentelle Daten in Diskrepanz zueinander geraten, genau die Effekte, mit denen bahnbrechende Entdeckungen gemacht werden können. Deshalb, zurecht, die Aufregung in Fachzeitschriften und Tagesmedien.

Winzige Diskrepanzen führen zu grossen Fragen
Das LHCb-Ergebnis stellt die Lepton-Universalität zwischen Elektronen und Myonen infrage. Bei B-Mesonen wird dabei die Zerfallsrate  mit der von Zerfällen verglichen und diese weichen tatsächlich mit einer Signifikanz von 3.1-Sigma voneinander ab. Auch das Ergebnis der Myon g-2-Kollaboration kratzt daran. Bei der Messung des anomalen magnetischen Moments, g-2, des Myons wird eine Diskrepanz mit einer Signifikanz von 4.2-Sigma von seinem theoretisch vorhergesagten Wert gemessen. Misst man dagegen das anomale magnetische Moment von Elektronen und vergleicht dieses mit seinem theoretischen vorhergesagten Wert, erhält man das am besten getestete Resultat der Grundlagenphysik überhaupt, bei dem die Theorieberechnungen mit dem experimentell gemessenen Wert auf mehr als zehn signifikante Stellen übereinstimmen. Dieses grundlegende, tiefe Verständnis basiert auf dem Standardmodell der Teilchenphysik, welches die Quantenelektrodynamik mit beinhaltet. Dass ein so präzises Verständnis überhaupt möglich ist, ist an sich schon erstaunlich, aber offenbar dann nicht, wenn Myonen anstelle von Elektronen vermessen werden.

Beide Diskrepanzen deuten darauf hin, dass sich Myonen und Elektronen auf unerwartete Weise unterschiedlich verhalten. Beide Diskrepanzen sind zudem extrem winzig und es erfordert einen enormen Aufwand, diese überhaupt messen zu können. Beide Diskrepanzen werden zudem zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht als Beobachtungen einer Diskrepanz deklariert. Statistische Fluktuationen oder ein vergessener systematischer Effekt könnten diese vorläufigen Ergebnisse wieder umwerfen. Weitere Mess-Serien und deren detaillierten Analysen sind notwendig und werden erst in ein paar Jahren zu einer endgültigen Aussage führen.

Dennoch, wenn beide Ergebnisse bestätigt werden könnten, müssten entweder neue Teilchen zu den bekannten Quarks, Leptonen und Bosonen hinzugefügt werden – wobei Leptoquarks oder supersymmetrische Teilchen zu den vielversprechendsten Kandidaten gehören über die spekuliert wird– oder das Standardmodell der Teilchenphysik muss möglicherweise auf einer grundlegenderen Ebene überarbeitet werden, was zu einem Paradigmenwechsel in unserem Verständnis dessen führen könnte, was Teilchen sind und wie sie wechselwirken. Aber dies ist zum heutigen Zeitpunkt reine Spekulation.

Parallelen in der Vergangenheit?
Wechselt man von der Teilchenphysik zur Gravitationsphysik und begibt sich zurück in die Mitte des 19. Jahrhunderts, hat ein weiterer extrem winziger Effekt Geschichte geschrieben, der gut in den aktuellen Kontext passt. Auch damals wurde eine winzige, fast unbemerkbare Diskrepanz gemessen, die sich als relevant herausgestellt hatte und wegbereitend war, das damalige Verständnis der Gravitation grundlegend neu zu überdenken.

Im 18. und 19. Jahrhundert wurde mit grosser Sorgfalt und über viele Jahrzehnte hinweg das Perihel des Merkurs gemessen und dabei wurde eine jährliche Verschiebung festgestellt, die so nicht erklärbar war. Eine Diskrepanz von gerade mal 43 Bogensekunden pro Jahrhundert zwischen der Messung und der theoretischen Vorhersage, die auf Basis der Newton’schen Gravitation und unter Berücksichtigung der Anziehungskraft der Sonne und der bekannten Planeten berechnet wurde, erzeugte Verwirrung.

‘A plan or map of the solar system projected for schools & academies by Hall Colby, Rochester NY, 1846’ Aus der Library of Congress: https://www.loc.gov/resource/g3180.ct003790 Für die Menschen im 19. Jahrhundert war Vulkan real. Er hatte theoretische Glaubwürdigkeit und es wurden auch Beobachtungen von ihm proklamiert, die aber nie bestätigt werden konnten. Neptun fehlt hier, da diese Karte vor seiner Entdeckung entstand. An die Existenz von Vulkan wurde jedoch fest geglaubt.

Einstein sei Dank
Es dauerte fast 70 Jahre bis dieses Rätsel gelöst werden konnte, als Einstein 1916 seine allgemeine Relativitätstheorie vorstellte. Das Verständnis zur Gravitation entwickelte sich dabei in einem Paradigmenwechsel drastisch. Konzeptionelle Mängel der sonst so erfolgreichen Newton’schen Beschreibung der Schwerkraft konnten beseitigt werden und die Periheldrehung des Merkurs wurde nun auch ohne den hypothetischen Planeten Vulkan exakt verstanden. Als Folge ist Gravitation nicht mehr eine mysteriöse, fernwirkende Kraft, sondern sie entsteht aus Eigenschaften der Raumzeit selbst. Deren Eigenschaft sich zu krümmen führt in eine rein geometrische Beschreibung der Gravitation, die auch nicht mehr instantan wirkt, sondern sich mit Lichtgeschwindigkeit mit der Raumzeit selbst ausbreitet. Dennoch wird auch heute noch die Newton’sche Gravitation für fast alle Berechnungen im Alltag verwendet. Wir tun dies in vollem Vertrauen, weil wir im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie wissen, warum die Newton’sche Gravitation so gut funktioniert und auch bis zu welchen extremen Bedingungen sie immer noch brauchbare Ergebnisse liefert. Die Newton’sche Gravitation ist so gesehen vollständig verstanden, weil wir nun auch ihre Grenzen genau kennen.

Wiederholt sich die Geschichte?
Wir wissen heute noch nicht, was die neuen Resultate der LHCb-Kollaboration und der Myon g-2-Kollaboration uns sagen und wohin uns diese führen werden. Vielleicht werden die hypothetischen Leptoquarks das gleiche Schicksal haben wie der hypothetische Planet Vulkan, der nicht mehr gebraucht wurde, nachdem ein tieferes Verständnis erlangt wurde. Damals dauerte es 70 Jahre und nur die Zukunft wird zeigen, wie lange es jetzt dauern wird. Was aber schon heute klar ist, ist, dass das Standardmodell der Teilchenphysik extrem gut funktioniert und auch weiterhin extrem gut funktionieren wird, aber wir wissen heute noch nicht, bis zu welchen Extrembedingungen dies weiterhin der Fall sein wird. Die aktuellen Resultate der LHCb und der Myon g-2-Kollaborationen könnten diejenigen sein, die den Weg dafür bereiten.

Epilog
Beide vorhergesagten Planeten, Vulkan und Neptun, manifestierten sich als Dunkle Materie. Beide waren optisch nicht sichtbar und beide wurden nur aus gravitativen Wechselwirkungen im Sonnensystem und wie diese damals verstanden wurde, deduziert. Neptun erwies sich als ein echtes Objekt, während Vulkan aus der Physik verschwand und heute nur noch eine Anekdote in der Geschichte der Wissenschaft ist. Vulkan verschwand als Einstein eine neue und tiefere Einsicht in das Verständnis der Gravitation erlangte, die allgemeine Relativitätstheorie. Die Dunkle Materie, die uns heute Rätsel aufgibt, kann mit neuen postulierten Teilchen erklärt werden, oder sie kann auch verschwinden, so wie es Vulkan erging, falls ein tiefergreifendes Verständnis der Gravitation und/oder der Teilchenphysik diese postulierten Teilchen als unnötig erweist. Es liegt harte Arbeit vor uns und neue Erkenntnisse werden sich daraus ergeben, aber nur wenn mit Nachdruck daran geforscht wird. Es gibt noch viel zu tun.

Pour cette expérience, il te faudra:

1. 2 verres
2. 4 pailles
3. Du film alimentaire
4. Du scotch
5. De l’eau

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• Département de physique de l’Unifr

Frau Ticcinelli, woran Forschen Sie gerade?
Ich untersuche, wie wir Emotionen in Gesichtern erkennen. Wie machen Kinder das? Wie machen das Leute aus anderen Kulturen? Dafür arbeite ich gerade mit japanischen Forschern zusammen. In Europa schauen wir vor allem auf die Augen und den Mund und bauen uns unsere Information dann aus den Einzelteilen zusammen. Japanerinnen und Japaner schauen mehr das Gesicht als Ganzes an. Schon bei Babys sind darum in Japan andere Hirnareale aktiv, wenn sie ein Gesicht anschauen. Außerdem zeigt man in Asien die Emotionen viel stärker über die Augen. Darum drehen sich asiatische Emojis auch viel stärker um die Augenpartie. (^_^) (*´▽`*) (◕‿◕) (↼_↼)

Wie sind Sie überhaupt dazu gekommen, Forscherin an der Universität Freiburg zu werden?
Wie bei den meisten Wissenschaftlern folgte mein Weg keiner geraden Linie. Ich bin in Italien aufgewachsen, wo ich «bio-engineering» (Bio-Mechanik) studiert habe. Und nebenbei war ich Volleyballprofi. Dann hatte ich einen wundervollen Job in einem Spital, wo ich ein Labor für Motion Capture geführt habe. Wir haben Gang-Analysen für Kinder mit Behinderungen gemacht um zu sehen, wie sie mit ihrer Physiotherapie vorankamen. Das war wirklich cool. Dann hatte ich die Chance, in England eine Dissertation zu schreiben – in Physik. Wir untersuchten die Gehirn-Dynamiken von Autisten. Von England hatte ich dann aber irgendwann genug und so habe ich mit Roberto Caldara von der Universität Freiburg geskypt – und es hat geklickt. Und jetzt bin ich hier am Departement für Psychologie. Natürlich tönt das nach einem etwas wilden Lebenslauf, aber eigentlich habe ich immer versucht, biologische Signale zu entschlüsseln. Und ich hatte immer Spass am Programmieren.

A propos Spass: Am 22. September ist Explora!
Ja, unser Team wird zwei Stände betreuen. Bei meiner Kollegin Meike Ramon werden die Besucherinnen und Besucher testen können, wie gut sie Gesichter erkennen. Einen Freund erkennen wir aus jeder Perspektive, bei einer fremden Person ist es überraschend schwierig, sie auf unterschiedlichen Bildern zu identifizieren. In der Forschung arbeiten wir mit sogenannten «Super-Recognizern», aber auch mit Leuten, die eine «Protoprognosie» haben, eine Gehirndysfunktion, die es ihnen verunmöglicht, Gesichter zu erkennen.

An meinem Stand werden wir Virtual Reality mit Eye-Tracking kombinieren. Das heisst, die Leute bekommen eine Brille aufgesetzt, die ihnen die Illusion vermittelt, dass sie in einem virtuellen Raum sind – zum Beispiel in einem Haus. Hebt man den Kopf, sieht man die Decke, blickt man nach unten, sieht man den Boden. Die Brille registriert aber auch, wo die Leute hinschauen und wenn man länger auf etwas fokussiert, bemerkt das die Brille. So kann man beispielsweise mit Blicken Objekte bewegen. Es wird also eine ziemlich coole Erfahrung!

• an Explora

Was ist Nanotechnologie?
Ein Nanometer (10−9m) ist ein Längenmass; etwa fünfmal so gross wie ein Silizium-Atom. Heute misst man damit oft die Wellenlänge von Licht oder braucht es als Masseinheit in der Nanotechnologie. Eigenschaften von Materialien ändern sich, wenn sie als sehr kleine Strukturen vorliegen – diese Tatsache nutzt die Nanotechnologie. Das heisst, chemisch identische Materialien können neue Funktionen haben – beispielsweise als UV-Nanopartikel in Sonnencremes oder Kunststoffen, welche UV-Licht reflektieren und absorbieren und sie so effizienter gestalten. Nanostrukturierte Pigmente lassen Farben und Lacke brillanter erscheinen und Nanostrukturen erhöhen die Leistung von Solarzellen und Batterien. Eine wichtige Eigenschaft von Nanosystemen ist die sehr grosse Oberfläche im Vergleich zum Volumen, was zu einer stark erhöhten Reaktivität führt, mit Anwendungen zum Beispiel in der Katalyse.

Was ist eine Nanostruktur ?
Sie sind unter dem Lichtmikroskop kaum sichtbar, weil sie so klein sind, obwohl Nanostrukturen aus sehr vielen Atomen bestehen. Nanopartikel können unter anderem in der medizinischen Diagnostik oder Therapie eingesetzt werden. Zudem erlaubt die Verwendung von Nanostrukturen eine weitere Miniaturisierung in der Halbleitertechnologie: Die modernsten Computerchips werden heute mit der sogenannten 14nm-Technologie hergestellt. Das heisst, die Leiterbahnen haben typische Abstände von nur noch 28 Nanometer. Auf einem Computerchip gleicher Grösse kann man so sehr viel mehr Information verarbeiten.

Was ändert die Nanotechnologie in unserem Leben?
Wir finden natürliche Nanomaterialien einerseits in Lebensmitteln wie der Milch, Trennmitteln, Kapseln für Vitamine, etc. Andererseits hilft uns die Nanotechnologie, bei Verpackungen bessere Barriereeigenschaften gegen Gase und Aromastoffe auf den Markt zu bringen. Wir profitieren also in den unterschiedlichsten Bereichen von den Erkenntnissen, die wir durch unsere Forschung erzielt haben.

Halten die Methoden, was sie versprechen?
Nanotechnologie gibt es in diversen Anwendungen schon länger als den Begriff selbst. Grundsätzlich umfasst sie viele unterschiedliche Teilbereiche der Forschung zwischen Chemie, Physik und Biologie. Aber nicht alles, was in der Öffentlichkeit diskutiert wird ist auch umsetzbar. Sogenannte Nanoroboter, welche durch die Blutbahn schwimmen und Bakterien und Viren jagen, wird es in absehbarer Zeit nicht geben.

Wieso kommen die Experten nach Freiburg?
Die Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät, der Nationale Forschungsschwerpunkt Bioinspirierte Materialien und das Adolphe Merkle Institut forschen intensiv in verschiedenen Bereichen der Nanowissenschaften. Deshalb ist es uns gelungen, international führende Wissenschaftler aus den USA, Japan und Europa nach Freiburg zu holen, die die aktuellen Trends und Entdeckungen der Forschung diskutieren werden. Die diesjährige Ausgabe deckt ein sehr breites Themenspektrum zu Thema Energie, Bioinspirierten Materialien, Graphen, Nanopartikeln, Weiche Materie und einigem mehr ab.

• Entdecken Sie .
• Bild: Laserlicht, das Scheffold in seinem Labor verwendet. © NCCR

Ein nicht alltägliches Ereignis fand am Mittwoch, 1. Juni 2016, im großen Hörsaal der Physik der Universität Freiburg statt: Prof. Dr. Dr. Dieter Hattrup, seit elf Jahren Gastprofessor der Dogmatik an der Theologischen Fakultät, hielt seine Abschiedsvorlesung vor einem gemischten Publikum aus der Theologischen und der Naturwissenschaftlichen Fakultät. Die Gastfreundschaft von Antoine Weis, Professor der Physik, machte das Ereignis zu einer Sternstunde. Dieser präsentierte in gut nachvollziehbarer Weise, die doch die Komplexität seines Fachgebiets erahnen ließ, einen von Experimenten begleiteten Vortrag zum Thema «Wellen oder Teilchen? Die duale Natur des Lichts». Das Ergebnis hat nicht nur physikalische, sondern auch philosophische, ja theologische Bedeutung: Im Bereich der Quantenphysik beruht der Zufall nicht auf unserer Unkenntnis bzw. auf mangelhaften Messmethoden. Hier gilt das Prinzip des «reinen Zufalls», den Physiker im Laufe des 20. Jahrhunderts entdeckten und doch nur widerwillig hinnahmen: «Gott würfelt doch!»

Freiheit in der Natur

Die Forschungen zeigen: 1) In Bezug auf das Licht: Man kann nicht vollständig voraussagen, wie sich in verschiedenen experimentellen Anordnungen die Photonen des Lichts verhalten werden. 2) Allgemeiner: Gleiche Anfangszustände in der Vergangenheit können zu verschiedenen Endzuständen in der Zukunft führen. 3) Die Physik muss sich aufgrund eigener Ergebnisse von dem mechanischen Weltbild einer kausal determinierten Natur verabschieden.

Unter diesen Bedingungen wird Freiheit in der Natur wieder denkbar. Hier konnte Hattrup mit seinem Vortrag anknüpfen. Er tat dies unter Bezug auf eine von Werner Heisenberg, der um 1970 sagte: «Sie wissen ja, dass durch die Atomphysik und durch das, was man in ihr gelernt hat, sehr allgemeine Probleme anders aussehen als früher, etwa das Verhältnis von Naturwissenschaft zur Religion, allgemeiner zur Weltanschauung. Das sieht jetzt anders aus, seit wir wissen, dass selbst in der Atomphysik die Beziehung zwischen Subjekt und Objekt nicht mehr so einfach aussieht wie in der klassischen Physik.»

Schattenspiel von Zufall und Notwendigkeit

Die Zuhörenden lernten, dass die Physik in der Tat in der Theologie ernsthaft mitzureden hat: «Wenn die Wissenschaft zeigen kann, in der Natur sei Freiheit nicht zu denken, dann müssten wir den personalen Gott aufgeben» warnt Hattrup. Doch sie lernten auch, dass es heute mit der Physik einfacher ist, an Gott zu glauben, als ohne oder gar gegen sie. Die Aussagen des Theologen bildeten einen erstaunlichen Einklang mit den Ergebnissen des Physikers: «Im Gegensatz zum subjektiven (kausalen) Zufall in der klassischen Physik haben wir es in der Quantenwelt mit einem objektiven (akausalen) Zufall zu tun» ergänzt Weis. Der «echte Zufall», den Albert Einstein um jeden Preis vermeiden wollte («Gott würfelt nicht!»), ist noch kein Gottesbeweis. Doch das Schattenspiel von Zufall und Notwendigkeit, die beide nachweisbar sind, kann als Widerschein einer Freiheit interpretiert werden, die sich unweigerlich unserem Begreifen entzieht; es ist die Bedingung der Möglichkeit, um von Freiheit in der Natur sprechen zu können. Damit wird auch der Vorrang des Personalen vor dem anonymen Gesetz plausibel. Mit der Freiheit Gottes, in der Welt zu handeln, ist auch die Freiheit des Menschen wieder aussagbar – «und allein der akausale Quantenzufall gesteht uns eine offene Zukunft zu» erklärt der Physiker.

Nach Hattrup war die mechanische Naturwissenschaft die (einzig plausible) Quelle des Atheismus in der Neuzeit. Wenn heute auf neue Weise ein angeblicher «wissenschaftlicher Atheismus» proklamiert wird, dann sollten die Theologen vielleicht einfach die Physiker sprechen lassen – noch besser: mit ihnen sprechen?!