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Lexikon der Physik: integrable Modelle der Physik

integrable Modelle der Physik, exakt lösbare Modelle, die in der theoretischen Physik in mehrfacher Hinsicht von Bedeutung sind. An ihnen lassen sich Näherungsverfahren oder Integrabilitätskriterien testen und allgemeine Mechanismen oder Relationen konkret realisieren. Außerdem sind sie oft Ausgangspunkt bei der Suche nach verallgemeinerten integrablen Modellen oder für störungstheoretische Methoden.

Frühe Arbeiten zu exakt lösbaren Modellen in der Physik stammen von Newton, Euler und Lagrange. Eine große Klasse integrabler Modelle wurde durch die Entdeckung der inversen Streumethode in den sechziger Jahren dieses Jahrhunderts zugänglich. Die folgende Aufzählung integrabler Systeme in den verschiedenen Bereichen der Physik ist bei weitem nicht vollständig und umfaßt nur die bekanntesten bzw. wichtigsten Modelle.

In der klassischen Mechanik ist die einzige Paarwechselwirkung, für die sich das n-Teilchenproblem in 3 Raumdimensionen lösen läßt, durch das Potential des harmonischen Oszillators gegeben:



,

.

Für eine beliebige Anzahl von Teilchen in einer Raumdimension sind die Bewegungsgleichungen zu folgenden Paarwechselwirkungspotentialen lösbar:

I) Calogero:

;

II) Sutherland:

bzw.

;

III)

, wobei

die Weierstraßsche

-Funktion bezeichnet.

Integrable Verallgemeinerungen dieser Potentiale erhält man aus den Wurzelsystemen von Lie-Gruppen. Das Paarwechselwirkungspotential vom Typ II bleibt auch lösbar, wenn noch ein externes Exponentialpotential für jedes Teilchen addiert wird:

.

Schließlich ist das allgemeine n-Teilchensystem noch für das Potential



lösbar.

Weitere integrable Fälle der klassischen Mechanik sind:

1) ein Teilchen im beliebigen Zentralpotential,

(Newton);

2) ein Teilchen in 3 Dimensionen im Zweizentren-Coulomb- bzw. Gravitationspotential,



(Euler);

3) die freie Bewegung eines Punktes auf der Oberfläche eines 3-achsigen Ellipsoids (Jacobi) sowie d-dimensionale Verallgemeinerungen;

4) die Bewegung eines Massepunktes auf einer Kugel unter dem Einfluß einer linearen Kraft (Neumann);

5) die eindimensionale Bewegung von 3 Teilchen mit Paarwechselwirkung der Form



(Jacobi);

6) Spezialfälle für den 3-dimensionalen starren Körper mit festem Punkt (Kreisel) (Euler, Lagrange, Kowalewskaja) sowie d-dimensionale Verallgemeinerungen;

7) Spezialfälle für die Bewegung eines starren Körpers in einem idealen Fluid (Kirchhoff, Clebsch, Steklow).

Unter einem nichtlinearen Gitter versteht man nichtlineare Differenzengleichungen, wie sie für Teilchen auf einem Gitter mit Wechselwirkungen zwischen nächsten Nachbarn auftreten. Die bekanntesten integrablen Modelle für ein eindimensionales nichtlineares Gitter sind das Volterra-System mit den Bewegungsgleichungen



und das Toda-Gitter mit Hamiltonfunktion



sowie diskrete Versionen des isotropen Heisenberg-Magneten sowie der nichtlinearen Schrödinger-Gleichung.

Zu den folgenden nichtlinearen eindimensionalen integrablen Feldgleichungen bzw. eindimensionalen Hamilton-Funktionalen sind Lax-Paare bekannt, und das Anfangswertproblem ist mit Hilfe der inversen Streumethode lösbar (

):

die Korteweg-de-Vries-Gleichung (KdV)



,

die Sinus-Gordon-Gleichung



,

die Sinh-Gordon-Gleichung



,

die nichtlineare Schrödinger-Gleichung



,

der kontinuierliche Heisenberg-Magnet mit Hamilton-Funktion



das Landau-Lifschitz-Modell für einen kontinuierlichen anisotropen Magneten



Zu den meisten dieser Gleichungen gibt es integrable Verallgemeinerungen, beispielsweise existieren zur KdV-Gleichung eine ganze Hierarchie von nichtlinearen Gleichungen mit Lax-Darstellungen sowie zweidimensionale Verallgemeinerungen (Kadomtsew-Petviashvili-Gleichung). Das Toda-Gitter oder die Sinus-Gordon-Theorie haben Verallgemeinerungen zu mehrkomponentigen Feldgleichungen, bei denen die Form der Potentiale wiederum mit den Wurzelsystemen von Lie-Gruppen zusammenhängen.

In der Quantenmechanik läßt sich die Schrödinger-Gleichung zu allen oben genannten n-Teilchenproblemen (I-III) der klassischen Mechanik, dem Toda-Gitter sowie deren Verallgemeinerungen, bei denen die inverse Streumethode anwendbar ist, lösen. Darüber hinaus sind die Vielteilchen-Schrödinger-Gleichungen für die Paarwechselwirkungspotentiale

und

lösbar. Das δ-Potentialsystem ist äquivalent zur quantisierten nichtlinearen Schrödinger-Gleichung. Für ein einzelnes Teilchen in einem dreidimensionalen Zentralpotential lassen sich die Eigenwerte und Eigenfunktionen nur für den harmonischen Oszillator, das Coulomb-Potential, das Kastenpotential und das 1 / r4-Potential exakt angeben.

Die Eigenwerte und Eigenzustände für Drehimpuls-Zustände mit l = 0 bzw. für Teilchen in einer Dimension sind noch für eine Reihe von weiteren Potentialen bekannt, dazu zählen insbesondere (r = |x|)

1) die Eckart Potentiale:



mit a ≥ 0, c ≥ -1. Bekannte Spezialfälle sind das Hulthén-Potential (u2 = 0, c = -1) sowie das Hylleraas-Potential



.

2)

.

Ein bekannter Spezialfall ist das Morse-Potential.

In der Quantenfeldtheorie lassen sich nur zu wenigen Theorien die Wightman-Funktionen angeben. Neben den freien Quantenfeldtheorien mit Lagrange-Dichten, in denen die Felder maximal quadratisch auftreten, handelt es sich dabei im allgemeinen um Theorien, in denen sich die Felder als einfache Funktionale freier Felder ausdrücken lassen, beispielsweise das masselose Thirring-Modell. Auch für eine große Klasse eindimensionaler konformer Feldtheorien kann man die Korrelationsfunktionen geschlossen angeben.

Mit Hilfe des Bethe-Ansatzes lassen sich die Eigenwerte und Eigenfunktionen der Hamilton-Operatoren unter anderem zur Sinus-Gordon-Gleichung, zur nichtlinearen Schrödinger-Gleichung, zum massiven Thirring-Modell, zum chiralen Gross-Neveu-Modell sowie zu verwandten Quantenfeldtheorien mit erweiterter innerer Symmetriegruppe berechnen.

In der statistischen Mechanik ist das zweidimensionale Ising-Modell (ohne äußeres Magnetfeld) das wohl bekannteste Beispiel eines integrablen Modells. Seine Lösung gelang Onsager 1944 durch Diagonalisierung der Transfermatrix. Mit Hilfe des Transfermatrix-Formalismus wurden auch das Sechs-Vertex-Modell (Lieb und Sutherland, 1967) und das Acht-Vertex-Modell (Baxter, 1971) sowie die dazu äquivalenten eindimensionalen Quantenspinketten des XXZ- und XYZ-Modells gelöst. Auch für diese Modelle gibt es eine große Anzahl integrabler Verallgemeinerungen mit internen Symmetrien. Für viele zweidimensionale statistische Modelle lassen sich am kritischen Punkt die Erwartungswerte mit Hilfe von Methoden aus der konformen Feldtheorie exakt bestimmen.

Literatur: L.D. Faddeev, L.A. Takhtajan, Hamiltonian Methods in the Theory of Solitons, Heidelberg 1987.
M.A. Olshanetsky und A.M. Perelomov, Classical integrable finite-dimensional Systems related to Lie algebras, Phys. Rep. 71 (1981).
M.A. Olshanetsky und A.M. Perelomov, Quantum integrable systems related to Lie algebras, Phys. Rep. 94 (1983).
R.J. Baxter, Exactly Solved Models in Statistical Mechanics, Academic Press 1982.

Copyright 1998 Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg

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Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29)
Prof. Dr. Klaus Bethge, Frankfurt (B) (18)
Prof. Tamás S. Biró, Budapest [TB2] (A) (15)
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Dr. Wolfgang Eisenberg, Leipzig [WE] (A) (15)
Dr. Frank Eisenhaber, Heidelberg [FE] (A) (27; Essay Biophysik)
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Thomas Fuhrmann, Heidelberg [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Heidelberg [CF] (A) (07)
Frank Gabler, Frankfurt [FG1] (A) (22; Essay Datenverarbeitungssysteme künftiger Hochenergie- und Schwerionen-Experimente)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Michael Gerding, Kühlungsborn [MG2] (A) (13)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Göttingen [UG] (A) (13)
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Prof. Dr. Hellmut Haberland, Freiburg [HH4] (A) (Essay Clusterphysik)
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Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
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Thomas Kluge, Mainz [TK] (A) (20)
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Dr. Bernd Krause, Karlsruhe [BK1] (A) (19)
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Dr. Andreas Markwitz, Dresden [AM1] (A) (21)
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Dr. Rudi Michalak, Warwick, UK [RM1] (A) (23)
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Guenter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Maritha Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Dr. Christopher Monroe, Boulder, USA [CM] (A) (Essay Atom- und Ionenfallen)
Dr. Andreas Müller, Kiel [AM2] (A) (33; Essay Alltagsphysik)
Dr. Nikolaus Nestle, Regensburg [NN] (A) (05)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06; Essay Analytische Mechanik)
Prof. Dr. Harry Paul, Berlin [HP] (A) (13)
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Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
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Dr. Joachim Schüller, Mainz [JS2] (A) (10; Essay Analytische Mechanik)
Prof. Dr. Heinz-Georg Schuster, Kiel [HGS] (A, B) (11; Essay Chaos)
Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
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Dipl.-Geophys. Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
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Manfred Weber, Frankfurt [MW1] (A) (28)
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Mitarbeiter Band IV

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In eckigen Klammern steht das Autorenkürzel, die Zahl in der runden Klammer ist die Fachgebietsnummer; eine Liste der Fachgebiete findet sich im Vorwort.

Markus Aspelmeyer, München [MA1] (A) (20)
Dr. Katja Bammel, Cagliari, I [KB2] (A) (13)
Doz. Dr. Hans-Georg Bartel, Berlin [HGB] (A) (02)
Steffen Bauer, Karlsruhe [SB2] (A) (20, 22)
Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29)
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Dr. Thomas Bührke, Leimen [TB] (A) (32)
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Dr. Dietrich Einzel, Garching [DE] (A) (20)
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Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
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Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
Dr. Harald Fuchs, Münster [HF] (A) (Essay Rastersondenmikroskopie)
Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Michael Gerding, Kühlungsborn [MG2] (A) (13)
Prof. Dr. Gerd Graßhoff, Bern [GG] (A) (02)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
Prof. Dr. Michael Grodzicki, Salzburg [MG1] (B) (01, 16)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
Dr. Andreas Heilmann, Halle [AH1] (A) (20, 21)
Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
Dr. Christoph Heinze, Hamburg [CH3] (A) (29)
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Dr. Bernd Krause, München [BK1] (A) (19)
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Dr. Dirk Metzger, Mannheim [DM] (A) (07)
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Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20; Essays Molekularstrahlepitaxie, Ober- und Grenzflächenphysik und Rastersondenmikroskopie)
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Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
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Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
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Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
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Dr. Ursula Resch-Esser, Berlin [URE] (A) (21)
Dr. Peter Oliver Roll, Ingelheim [OR1] (A, B) (15; Essay Quantenmechanik und ihre Interpretationen)
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Rolf Sauermost, Waldkirch [RS1] (A) (02)
Matthias Schemmel, Berlin [MS4] (A) (02)
Michael Schmid, Stuttgart [MS5] (A) (Essay Nanoröhrchen)
Dr. Martin Schön, Konstanz [MS] (A) (14)
Jörg Schuler, Taunusstein [JS1] (A) (06, 08)
Dr. Joachim Schüller, Dossenheim [JS2] (A) (10)
Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
Prof. Dr. Paul Steinhardt, Princeton, USA [PS] (A) (Essay Quasikristalle und Quasi-Elementarzellen)
Prof. Dr. Klaus Stierstadt, München [KS] (B)
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Cornelius Suchy, Brüssel [CS2] (A) (20)
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Dr. Annette Vogt, Berlin [AV] (A) (02)
Dr. Thomas Volkmann, Köln [TV] (A) (20)
Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
Patrick Voss-de Haan, Mainz [PVDH] (A) (17)
Dr. Thomas Wagner, Heidelberg [TW2] (A) (29)
Dr. Hildegard Wasmuth-Fries, Ludwigshafen [HWF] (A) (26)
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Dr. Achim Wixforth, München [AW1] (A) (20)
Dr. Steffen Wolf, Berkeley, USA [SW] (A) (16)
Priv.-Doz. Dr. Jochen Wosnitza, Karlsruhe [JW] (A) (23; Essay Organische Supraleiter)
Priv.-Doz. Dr. Jörg Zegenhagen, Stuttgart [JZ3] (A) (21; Essay Oberflächenrekonstruktionen)
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Dr. Werner Zwerger, München [WZ] (A) (20)

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Prof. Dr. Klaus Andres, Garching [KA] (A) (10)
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Dr. Katja Bammel, Cagliari, I [KB2] (A) (13)
Doz. Dr. Hans-Georg Bartel, Berlin [HGB] (A) (02)
Steffen Bauer, Karlsruhe [SB2] (A) (20, 22)
Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29; Essay Seismologie)
Dr. Werner Biberacher, Garching [WB] (B) (20)
Prof. Tamás S. Biró, Budapest [TB2] (A) (15)
Prof. Dr. Helmut Bokemeyer, Darmstadt [HB2] (A, B) (18)
Dr. Thomas Bührke, Leimen [TB] (A) (32)
Jochen Büttner, Berlin [JB] (A) (02)
Dr. Matthias Delbrück, Dossenheim [MD] (A) (12, 24, 29)
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Dr. Dietrich Einzel, Garching (A) (Essay Supraleitung und Suprafluidität)
Dr. Wolfgang Eisenberg, Leipzig [WE] (A) (15)
Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33)
Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Frank Gabler, Frankfurt [FG1] (A) (22)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Prof. Dr. Henning Genz, Karlsruhe [HG2] (A) (Essays Symmetrie und Vakuum)
Dr. Michael Gerding, Potsdam [MG2] (A) (13)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
Dr. Andreas Heilmann, Halle [AH1] (A) (20, 21)
Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
Dr. Marc Hemberger, Heidelberg [MH2] (A) (19)
Dr. Sascha Hilgenfeldt, Cambridge, USA (A) (Essay Sonolumineszenz)
Dr. Hermann Hinsch, Heidelberg [HH2] (A) (22)
Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin [DH2] (A, B) (02)
Dr. Gert Jacobi, Hamburg [GJ] (B) (09)
Renate Jerecic, Heidelberg [RJ] (A) (28)
Prof. Dr. Josef Kallrath, Ludwigshafen [JK] (A) (04)
Priv.-Doz. Dr. Claus Kiefer, Freiburg [CK] (A) (14, 15)
Richard Kilian, Wiesbaden [RK3] (22)
Dr. Ulrich Kilian, Heidelberg [UK] (A) (19)
Thomas Kluge, Jülich [TK] (A) (20)
Dr. Achim Knoll, Karlsruhe [AK1] (A) (20)
Dr. Alexei Kojevnikov, College Park, USA [AK3] (A) (02)
Dr. Bernd Krause, München [BK1] (A) (19)
Dr. Gero Kube, Mainz [GK] (A) (18)
Ralph Kühnle, Heidelberg [RK1] (A) (05)
Volker Lauff, Magdeburg [VL] (A) (04)
Dr. Anton Lerf, Garching [AL1] (A) (23)
Dr. Detlef Lohse, Twente, NL (A) (Essay Sonolumineszenz)
Priv.-Doz. Dr. Axel Lorke, München [AL] (A) (20)
Prof. Dr. Jan Louis, Halle (A) (Essay Stringtheorie)
Dr. Andreas Markwitz, Lower Hutt, NZ [AM1] (A) (21)
Holger Mathiszik, Celle [HM3] (A) (29)
Dr. Dirk Metzger, Mannheim [DM] (A) (07)
Dr. Rudi Michalak, Dresden [RM1] (A) (23; Essay Tieftemperaturphysik)
Günter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Prof. Dr. Andreas Müller, Trier [AM2] (A) (33)
Prof. Dr. Karl Otto Münnich, Heidelberg (A) (Essay Umweltphysik)
Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Priv.-Doz. Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
Dr. Roland Andreas Puntigam, München [RAP] (A) (14)
Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15)
Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
Dr. Uwe Renner, Leipzig [UR] (A) (10)
Dr. Ursula Resch-Esser, Berlin [URE] (A) (21)
Dr. Peter Oliver Roll, Ingelheim [OR1] (A, B) (15)
Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
Rolf Sauermost, Waldkirch [RS1] (A) (02)
Matthias Schemmel, Berlin [MS4] (A) (02)
Prof. Dr. Erhard Scholz, Wuppertal [ES] (A) (02)
Dr. Martin Schön, Konstanz [MS] (A) (14; Essay Spezielle Relativitätstheorie)
Dr. Erwin Schuberth, Garching [ES4] (A) (23)
Jörg Schuler, Taunusstein [JS1] (A) (06, 08)
Dr. Joachim Schüller, Dossenheim [JS2] (A) (10)
Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
Prof. Dr. Klaus Stierstadt, München [KS] (B)
Dr. Siegmund Stintzing, München [SS1] (A) (22)
Dr. Berthold Suchan, Gießen [BS] (A) (Essay Wissenschaftsphilosophie)
Cornelius Suchy, Brüssel [CS2] (A) (20)
Dr. Volker Theileis, München [VT] (A) (20)
Prof. Dr. Stefan Theisen, München (A) (Essay Stringtheorie)
Dr. Annette Vogt, Berlin [AV] (A) (02)
Dr. Thomas Volkmann, Köln [TV] (A) (20)
Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
Dr. Patrick Voss-de Haan, Mainz [PVDH] (A) (17)
Dr. Thomas Wagner, Heidelberg [TW2] (A) (29)
Manfred Weber, Frankfurt [MW1] (A) (28)
Dr. Martin Werner, Hamburg [MW] (A) (29)
Dr. Achim Wixforth, München [AW1] (A) (20)
Dr. Steffen Wolf, Berkeley, USA [SW] (A) (16)
Dr. Stefan L. Wolff, München [SW1] (A) (02)
Priv.-Doz. Dr. Jochen Wosnitza, Karlsruhe [JW] (A) (23)
Dr. Kai Zuber, Dortmund [KZ] (A) (19)
Dr. Werner Zwerger, München [WZ] (A) (20)

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