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Mathematische Physik

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Die mathematische Physik beschäftigt sich mit mathematischen Problemen, die ihre Motivation oder ihre Anwendung in der (theoretischen) Physik haben.<ref>S. G. Michlin: Lehrgang der Mathematischen Physik. 31. Dezember 1975, doi:10.1515/9783112471487.</ref> Von besonderer Bedeutung sind dabei einerseits die mathematisch strenge Formulierung physikalischer Theorien und die Analyse zugrundeliegender mathematischer Strukturen, und andererseits die Anwendung mathematischer Lösungsmethoden und Strategien auf physikalische Fragestellungen. Weiterhin werden im Rahmen der mathematischen Physik Ideen aus der (zumeist theoretischen) Physik aufgegriffen, die dann als Motivation zur Erstellung neuer mathematischer Konzepte dienen. Aufgrund dieser Natur kann die mathematische Physik sowohl als Teilgebiet der Mathematik als auch der Physik angesehen werden.

Fragestellungen der mathematischen Physik

Die mathematische Physik befasst sich mit der mathematisch strengen Behandlung von Modellen physikalischer Phänomene. Die Übergänge zur theoretischen Physik sind dabei fließend.

Eine Liste offener Probleme veröffentlichte 1984 bzw. 2000 Barry Simon (siehe Simon-Probleme).

Wichtige Teilgebiete der mathematischen Physik sind:

Klassische Mechanik

In der klassischen Mechanik finden vor allem Methoden der Differentialgeometrie und der Theorie von Lie-Gruppen Verwendung.<ref>Jerrold E. Marsden, Tudor S. Ratiu: Introduction to mechanics and symmetry: a basic exposition of classical mechanical systems (= Texts in applied mathematics). 2. Auflage. Springer, New York / Berlin / Heidelberg 2010, ISBN 978-1-4419-3143-6.</ref> Konkret wird der Phasenraum eines physikalischen Systems durch eine symplektische- oder eine Poisson-Mannigfaltigkeit modelliert, auf der unter Umständen eine Lie-Gruppe wirkt. So können beispielsweise die Auswirkungen von Symmetrien und Zwangsbedingungen eingehend studiert werden. Ein weiteres Forschungsfeld ist die Stabilitätstheorie dynamischer Systeme, wie etwa unseres Sonnensystems.

Klassische Feldtheorien

Zum Verständnis der verschiedenen klassischen Feldtheorien wie Elektro- und Hydrodynamik oder klassischen Yang-Mills-Theorien ist ein breites Spektrum an mathematischen Grundlagen, insbesondere aus der Theorie partieller Differentialgleichungen, der Variationsrechnung, Distributionentheorie, Fourieranalysis sowie der Hauptfaserbündel erforderlich. Aus diesem Gebiet stammen einige der wichtigsten ungelösten Fragen der Mathematik: Die Frage nach Existenz und Regularität von Lösungen der Navier-Stokes-Gleichungen beispielsweise ist eines der sieben Millennium-Probleme des Clay Mathematics Institute.<ref><templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />Clay Mathematics Institute, Milleniumsprobleme: Navier-Stokes-Gleichung (Memento vom 22. Dezember 2015 im Internet Archive)</ref>

Allgemeine Relativitätstheorie

Die allgemeine Relativitätstheorie basiert auf der Pseudo-riemannschen Geometrie. Neben der Lösungstheorie der Einsteinschen Feldgleichungen werden differentialtopologische Methoden und Singularitäten-Theoreme aus der Mathematik benutzt, um Aussagen über die globale Topologie des Universums oder schwarze Löcher zu erhalten.

Quantenphysik

Die Quantenphysik erlaubt die Beschreibung der Natur auf atomaren Skalen. Ihre mathematische Formulierung nutzt unter anderem die Spektraltheorie von unbeschränkten Operatoren auf Hilberträumen, insbesondere von Schrödingeroperatoren. Weiterhin sind C*-Algebren und die Darstellungstheorie von Lie-Gruppen und Lie-Algebren von zentraler Bedeutung. Die mathematische Physik beschäftigt sich weiterhin mit der mathematisch rigorosen Formulierung von axiomatischen Quantenfeldtheorien, wie der algebraischen Quantenfeldtheorie oder der konstruktiven Quantenfeldtheorie, sowie der Analyse verschiedener Quantisierungsmethoden, etwa in Bezug auf klassischen Limes oder Wohldefiniertheit.

Auch aus diesem Bereich stammt eines der Millennium-Probleme, nämlich das Yang-Mills-Existenz- und Massenlückeproblem, welches nach einem Beweis der Existenz einer Massenlücke in den quantisierten Versionen der Yang-Mills-Gleichungen sucht.<ref><templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />Clay Mathematics Institute, Milleniumsprobleme: Yang-Mills und Massenlücke (Memento vom 30. Mai 2018 im Internet Archive)</ref>

Ein aktives Gebiet der Forschung ist die "Deformationsquantisierung" (siehe Sternprodukt).

Statistische Physik

Systeme vieler wechselwirkender Teilchen werden durch die statistische Physik beschrieben. Zentrale Fragestellungen sind Existenz und Eigenschaften von Phasenübergängen, Symmetriebrechung und, für Systeme endlicher Teilchenzahl, eines thermodynamischen Limes. Einige hier relevante Teilgebiete der Mathematik sind die Theorie stochastischer Prozesse oder Zufallsmatrizen.

Ansätze für neue physikalische Theorien

Die mathematische Physik beschäftigt sich aber nicht nur mit der mathematischen Untersuchung bereits existierender physikalischer Modelle. Vielmehr ist auch die Suche nach neuen Theorien – beispielsweise eine quantenphysikalische Beschreibung der Gravitation – ein wichtiges Arbeitsgebiet, da hier sowohl physikalisches Wissen als auch mathematische Methoden nötig sind. Einige prominente Ansätze sind hier die Stringtheorie, Schleifenquantengravitation, Nichtkommutative Geometrie oder die topologische Quantenfeldtheorie.

Unterscheidung (Mathematische) Methoden der Physik

Von der eigentlichen mathematischen Physik zu unterscheiden sind die an vielen Hochschulen angebotenen Lehrveranstaltungen und Lehrgänge für (Mathematische) Methoden der Physik, die den Physikern das notwendige mathematische Grundlagenwissen beibringen sollen.<ref>Hans-Jürgen Seifert: Mathematische Methoden in der Physik. Band 1, 1978, ISBN 3-642-95964-4, doi:10.1007/978-3-642-95964-6.</ref><ref>Hans-Jürgen Seifert: Mathematische Methoden in der Physik. Band 2, 1979, ISBN 3-642-48437-9 (springer.com [abgerufen am 20. Juni 2022]).</ref><ref>Christian B. Lang, Norbert Pucker: Mathematische Methoden in der Physik (= Lehrbuch). 3. Auflage. Springer Spektrum, Berlin / Heidelberg 2016, ISBN 978-3-662-49312-0.</ref> Der Schwerpunkt liegt dabei auf einer möglichst breiten und anwendungsbezogenen, speziell auf die Bedürfnisse der Physik zugeschnittenen Darstellung mathematischer Methoden und weniger auf Beweistechniken oder Beweisen von mathematischen Sätzen, wie es in den reinen Mathematik-Vorlesungen der Fall ist. Die jeweiligen Methoden entstammen dabei zum Beispiel aus den Themengebieten Vektorräume und Vektoralgebra, Tensorrechnung, Vektoranalysis und Potentialtheorie, Lineare Algebra, Funktionalanalysis, Funktionentheorie (Residuensatz), spezielle Funktionen (Kugelfunktionen, Legendre-Polynome usw.), gewöhnliche und partielle Differentialgleichungen, Fourieranalyse und Wahrscheinlichkeitstheorie inklusive stochastischer Prozesse. Hingegen der genannten Methoden sind innerhalb des Fachgebiets der mathematischen Physik spezialisierte Methoden zentraler Schwerpunkt und Kernaufgabe der mathematischen Physik.<ref>Philippe Blanchard, Erwin Brüning: Mathematical Methods in Physics: Distributions, Hilbert Space Operators, Variational Methods, and Applications in Quantum Physics. In: Progress in Mathematical Physics (= Progress in Mathematical Physics). Band, Nr. 69. Springer International Publishing, Cham 2015, ISBN 978-3-319-14044-5, doi:10.1007/978-3-319-14045-2.</ref>

Vereinigungen & Institutionen

Die internationale Organisation für mathematische Physik ist die International Association of Mathematical Physics (IAMP), die alle drei Jahre internationale Kongresse veranstaltet.

In Deutschland widmet sich das Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften in Leipzig einigen Aspekten der Mathematischen Physik. In Wien gibt es das Erwin-Schrödinger-Institut für Mathematische Physik auf Initiative von Walter Thirring, der in Wien eine starke Schule mathematischer Physik aufbaute. In Paris hat das Institut Henri Poincaré traditionell einen Schwerpunkt in mathematischer Physik. In England hat das Institute of Physics (IOP) eine eigenständige Special Interest Group (Fachgruppe) namens "Mathematical and Theoretical Physics".<ref>Mathematical and Theoretical Physics Group. Institute of Physics, abgerufen am 27. Juni 2022 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)).</ref>

Die ehemalige<ref>Fachgruppen. In: Deutsche Mathematiker Vereinigung. Internet Archive, 1. April 2019, archiviert vom Vorlage:IconExternal (nicht mehr online verfügbar) am 1. April 2019; abgerufen am 27. Juni 2022.</ref><ref>Fachgruppen. Deutsche Mathematiker Vereinigung, abgerufen am 27. Juni 2022.</ref> DMV-Fachgruppe „Mathematische Physik“ nannte es als Ziel, offen zu sein für alle Mathematiker/innen, die an der mathematischen Behandlung von physikalisch motivierten Fragestellungen interessiert sind. Sie förderte den Kontakt zwischen den mathematischen Physikern in Deutschland durch Aktivitäten wie Tagungen, Fachliteratur, Mailing-Liste usw.

Die Kooperation DMV – Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) soll die Arbeiten in den jeweiligen Fachgebieten vertiefen und verbinden.<ref>Kooperationen. Deutsche Mathematiker Vereinigung, abgerufen am 27. Juni 2022.</ref>

Analoge mathematische Fachgruppen (siehe dort) gibt es in anderen Ländern, bzw. auch im Rahmen der (theoretischen) Physik.

Preise & Auszeichnungen

Die American Physical Society (APS) verleiht den Dannie-Heineman-Preis für mathematische Physik, welcher u. a. bereits an bekannte mathematische und theoretische Physiker wie Murray Gell-Mann, N. N. Bogoljubow, Freeman J. Dyson, Arthur Strong Wightman, Ludwig Dmitrijewitsch Faddejew usw. verliehen wurde.<ref>Dannie Heineman Prize for Mathematical Physics. Abgerufen am 27. Juni 2022 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)).</ref>

Die International Association of Mathematical Physics (IAMP) verleiht den Henri-Poincaré-Preis, welcher u. a. vergeben wurde an Rudolf Haag, Elliott H. Lieb etc.

Von der Edinburgh Mathematical Society wird der Whittaker-Preis verliehen.

Das Erwin-Schrödinger-Institut für Mathematische Physik (ESI) der Universität Wien verleiht seit 2020 die Medal of the Erwin Schrödinger Institute for Mathematics and Physics (ESI Medal).<ref>The ESI Medal. Erwin-Schrödinger-Institut für Mathematische Physik, abgerufen am 1. Juli 2022.</ref>

Die American Mathematical Society verleiht seit 2006 den Leonard Eisenbud Prize für Verdienste in der mathematischen Physik.<ref>Leonard Eisenbud Prize for Mathematics and Physics. Abgerufen am 7. Juli 2022 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)).</ref>

Studium & Fachbereiche

Studium

Ein Studium der mathematischen Physik ist in Deutschland (Stand 2022) an folgenden Universitäten möglich:

Hinweis: Die Studiengangsnamen können variieren und werden sowohl in Deutsch als auch in Englisch angeboten, z. B. "Mathematical Physics" oder "Mathematische und Theoretische Physik" oder "Theoretical and Mathematical Physics".

Diese Studiengänge beinhalten sowohl Lehrveranstaltungen aus der theoretischen Physik als auch der Mathematik und werden daher in der Regel in Kooperation der Fakultäten für Physik und Mathematik angeboten. Der Fokus liegt hierbei auf dem Wechselspiel beider Disziplinen, wobei der thematische Schwerpunkt allerdings, insbesondere in den Masterstudiengängen, von Universität zu Universität variieren kann. Absolventen dieser Studiengänge sollen idealerweise die Fähigkeit erworben haben, moderne mathematische Konzepte und Strukturen effektiv auf Problemstellungen der theoretischen Physik anzuwenden, was in der Praxis einen Einstieg in aktuelle Forschungsthemen beider Bereiche ermöglicht.

Fachgruppen

Es existieren weltweit, nebst den genannten deutschen Universitäten, welche explizite Studiengänge in mathematischer Physik anbieten, auch spezialisierte Fachgruppen der mathematischen Physik.<ref>Mathematische Physik. Humboldt-Universität zu Berlin, abgerufen am 27. Juni 2022.</ref><ref>AG GeoMathPhys: Geometrie und Mathematische Physik. TU Berlin, abgerufen am 27. Juni 2022.</ref><ref>Mathematical physics. ETH Zürich, abgerufen am 27. Juni 2022 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)).</ref><ref>Mathematical Physics Group | Mathematical Institute. University of Oxford, abgerufen am 27. Juni 2022 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)).</ref>

Weiterbildung (Schools)

Einzelne Universitäten bieten auch Winter- bzw. Sommerakademien an, z. B.

Literatur

Bücher

Serien & Gesamtwerke

  • Cambridge Monographs on Mathematical Physics, Cambridge UP
  • De Gruyter Studies in Mathematical Physics, De Gruyter. (ISSN 2194-3532)
  • Jean-Pierre Francoise, Gregory L. Naber, Tsou Sheung Tsun (Hrsg.): Encyclopedia of Mathematical Physics. 5 Bände, Elsevier/Academic Press, 2006
  • IRMA Lectures in Mathematics and Theoretical Physics, EMS Press. (ISSN 2523-5141)
  • Lehrbuchreihe Methods of modern mathematical physics von Michael Reed und Barry Simon, siehe die Literaturangaben bei Simon.
  • Lehrbuchreihe A comprehensive course in analysis von Barry Simon, siehe die Literaturangaben bei Simon.<ref>A Comprehensive Course in Analysis by Barry Simon. Abgerufen am 7. Juli 2022 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)).</ref>
  • Lehrbuchreihe Lehrbuch der mathematischen Physik von Walter Thirring, siehe die Literaturangaben bei Thirring.
  • Q-Math-Serie, z. B.
    • M. Demuth, M. Demuth, P. Exner, H. Neidhardt, V. Zagrebnov, International Conference on Mathematical Results in Quantum Mechanics: Mathematical Results in Quantum Mechanics: International Conference in Blossin (Germany), May 17-21, 1993. 1994, ISBN 3-0348-8545-8 (proquest.com).
    • Mathematical results in quantum mechanics: a conference on QMATH-8, mathematical results in quantum mechanics, Universidad Nacional Autonoma de México, Taxco, México, December 10-14, 2001 (= Contemporary mathematics. Band 307). American Mathematical Society, Providence, R.I 2002, ISBN 0-8218-2900-9.
  • Progress-in-Mathematical-Physics-Serie, z. B.
    • Philippe Blanchard, Erwin Brüning: Mathematical methods in physics: distributions, Hilbert space operators, and variational methods (= Progress in mathematical physics. v. 26). Birkhäuser, Boston 2003, ISBN 0-8176-4228-5.

Generisch

Mathematik

  • Hans Stephani: Differentialgleichungen: Symmetrien und Lösungsmethoden; mit 2 Tabellen. Spektrum, Akad. Verlag, Heidelberg / Berlin 1994, ISBN 3-86025-316-6.
  • Gerardo F. Torres del Castillo: Differentiable manifolds: a theoretical physics approach. 2. Auflage. Birkhäuser, Cham 2020, ISBN 978-3-03045192-9.

QM, QED, QFT

  • (unveränderter Nachdruck der Ausgabe von 1932 bzw. deren englischer Übersetzung von 1955)
  • James Glimm, Arthur Jaffe: Quantum Physics. A Functional Integration Point of View. 2. Auflage. Springer, 1987.

Mechanik & Statistische Physik

  • Elliott H. Lieb, Robert Seiringer: The stability of matter in quantum mechanics. Cambridge University Press, Cambridge UK / New York 2010, ISBN 978-0-521-19118-0.

Journale

Weblinks

Commons: Mathematische Physik – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

<references />

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