J.S.Bach appreciation in Duvall, WA Würdigung von J.S.Bach in Duvall, Washington, USA 1

J.S. Bach, complexity, simplicity and infinity. J.S. Bach, Komplexität, Einfachheit und Unendlichkeit. Vladimir Chaloupka Professor of Physics Adjunct Professor of Music Adjunct Professor of International Studies University of Washington, Seattle (with German translations byAndrea Aglibut) www.phys.washington.edu Note: the whole presentation, and more, can be found on the above website. Hinweis: Die gesamte Präsentation und weitere Informationen finden Sie auf der obengenannten Webseite.

From Bach to Einstein and Beyond or From Bach to Einstein and Beyond Variations on Science, Music and Human Affairs Making a Coherent Whole out of Science, Music and Human Affairs. Science, Music and Human Affairs, with Exuberance and Humility oder Von Bach zu Einstein und darüber hinaus Variationen über Wissenschaft, Musik und das Menschliche Wissenschaft, Musik und das Menschliche als kohärentes Ganzes. Wissenschaft, Musik und die Angelegenheiten des Menschen, mit Überschwang und Demut 3

Überblick über den Vortrag Outline of the talk Introduction Mandelbrot Set Physics is different: Brief Tour of the Universe Molecular Biology is differently different The infinite wisdom of J.S.Bach Conclusion Kunst der Fuge pipe organ demonstration Überblick über den Vortrag Einleitung Mandelbrot Set Physik ist anders: Eine kurze Rundreise durch das Universum Molekularbiologie ist anders anders Die unendliche Weisheit von J.S. Bach Schluss Vorführung: Die Kunst der Fuge auf der Pfeifenorgel

Last week, I have had the honor and the pleasure to participate in the physics Workshop directed by Professor Anton Zeilinger in the spectacular and hospitable setting of Traunkirchen. The title of the workshop was: “What is Real in the Quantum World”, and the subject was extremely difficult, considering issues such as entanglement of quantum states, nonlocality and possible inherent randomness of Nature – enough to give one a headache. Letzte Woche hatte ich die Ehre und die Freude, an einem Physik-Workshop unter der Leitung von Professor Anton Zeilinger in der spektakulären Umgebung und gastfreundlichen Atmosphäre von Traunkirchen teilzunehmen. Der Titel des Workshops war “What is Real in the Quantum World” – “Was ist in der Quantenwelt real”, und das Thema war äußerst schwierig, eine Auseinandersetzung mit Themen wie die Verschränkung von Quantenzuständen, Nichtlokalität, die Möglichkeit eines der Natur inhärenten Zufalls – genug, um einem Kopfschmerzen zu bereiten.

On the other hand, there are aspects of Nature that are not fundamentally complicated, and yet produce extremely complex results. An example might be an interaction of an electron with a proton – it is just the well known Coulomb law. When you quantize it, and apply it to one electron and one proton, what you get is a Hydrogen atom. But when you apply it not to one, 10, million or a billion, but to some 1024 particles, you get flowers and trees, galaxies, planets and animals, possibly even you and me, with our brains and consciousness. Andererseits gibt es Aspekte der Natur die nicht grundsätzlich kompliziert sind und trotzdem äußerst komplexe Resultate erzielen. Zum Beispiel die Interaktion eines Elektrons mit einem Proton – das wohlbekannte Coulomb Gesetz. Wenn man es quantisiert und auf ein Elektron und ein Proton anwendet, erhält man ein Wasserstoffatom. Wenn man es aber nicht auf eines, auf zehn, auf eine Million oder eine Milliarde Teilchen anwendet sondern auf 1024, dann erhält man Blumen und Bäume, Galaxien, Planeten, Tiere, vielleicht sogar Sie und mich mit unseren Gehirnen und unserem Bewußtsein.

This is often called “emergent complexity”, and in this lecture we will get a glimpse of this phenomenon in mathematics, physics, molecular biology and music. As a byproduct, we will get some insight into the nature of infinity: infinity of space, infinity of complexity and infinity of wisdom. You could say that the brief lecture is a preparation for the brief organ recital which follows, and at the same time, the recital is an illustration of the lecture. Dies wird oft als “emergente Komplexität” bezeichnet, und in diesem Vortrag versuche ich, Ihnen einen Blick auf dieses Phänomen innerhalb der Disziplinen der Mathematik, der Physik, der Molekularbiologie und der Musik zu ermöglichen. Ganz nebenbei werden wir einen gewissen Einblick in die Natur der Unendlichkeit erhalten: Unendlichkeit des Raumes, Unendlichkeit der Komplexität und Unendlichkeit der Weisheit. Man könnte sagen, dass der kurze Vortrag eine Vorbereitung auf die nachfolgende Orgenspiel sein wird, und gleichzeitig wird die musikalische Vorführung den Vortrag veranschaulichen.

Obviously, the time we have is very short, so we will only scratch the surface; listeners are kindly invited to explore the website above for more information on these and other topics. Wir haben nicht viel Zeit und können nicht in die Tiefe gehen; das Publikum ist herzlich eingeladen, die oben genannte Webseite für weitere Information zu diesem und weiteren Themen zu erforschen.

Emergent Complexity in Physics, Molecular Biology and Music I Emergent Complexity in Physics, Molecular Biology and Music I. Mandelbrot Set Tour 1) z0 = 0 2) zn+1 = zn2 + c and back to 2) 3) if z∞ finite then c belongs to the set Emergente Komplexität in der Physik, der Molekularbiologie und der Musik I. Ein Rundgang durch das Mandelbrot Set 1) z0 = 0 2) zn+1 = zn2 + c und zurück zu 2) 3) wenn z∞ endlich ist, dann ist c Teil des Set

Amazingly, this simple algorithm results into an object of infinite complexity (and arresting beauty). One cannot but recall Dirac’s claim that the Quantum Electrodynamics explains “most of Physics and all of Chemistry” … Es ist verblüffend, wie sich dieser einfache Algorithmus zu einem Objekt unendlicher Komplexität (und atemberaubender Schönheit) entwickelt. Der Gedanke an Diracs These drängt sich auf, daß die Quantenelektro-dynamik “den Großteil der Physik und die gesamte Chemie” erkläre.

Abbildung 1: Die komplexe Ebene 11

Abbildung 2: Das Mandelbrot Set

The Andromeda Galaxy: 2 million light years away The Andromeda Galaxy: 2 million light years away. The most distant object visible by naked eye (you have to know where to look, and find a really dark place, but the experience is very much worth it!) Die Andromeda Galaxie: 2 Millionen Lichtjahre entfernt. Das fernste Objekt, das unsere Augen ohne technische Hilfsmittel sehen können. (Man muss wissen, wo man sucht, und dort einen ziemlich dunklen Bereich finden – aber es zahlt sich aus!) Note: for details on when and how to see Andromeda, see http://www.physics.ucla.edu/ ~huffman/m31.html Hinweis: Wann und wo Andromeda zu sehen ist, kann man hier nachschlagen: http://www.physics.ucla.edu/ ~huffman/m31.html

Each white dot represents a galaxy (with about 100 billions stars each) as determined by the measurement results of the “2df galaxy survey”. Note the distance scale. Die weißen Punkte repräsentieren Galaxien (jede bestehend aus ca. 100 Milliarden Sternen), wie von den Meßergebnissen der “2df galaxy survey” bestimmt. Beachten Sie die Distanzskala.

Black hole (a singularity with a mass of 6 Black hole (a singularity with a mass of 6.4 billion Suns) at center of the galaxy M87 (55 million light years away) with globular clusters (the faint yellow cloud is the billions of the stars of the galaxy itself; the visible dots are globular clusters (see next slide)) Ein Schwarzes Loch (eine Singularität mit der Masse von 6,4 Milliarden von Sonnen) im Zentrum der Galaxie M87 (55 Millionen Lichtjahre entfernt) mit Kugelsternhaufen. (Die gelbliche Wolke besteht aus den Milliarden von Sternen der Galaxie selbst, die sichtbaren Punkte sind Kugelsternhaufen (siehe nächstes Bild).)

Globular cluster Omega Centauri / Kugelsternhaufen Omega Centauri

Hubble telescope photograph of a center of a globular star cluster. Zentrum eines Kugelsternhaufens, aufgenommen mit dem Hubble-Weltraumteleskop.

Hubble Ultra Deep Field

Only one thing comes to mind: Psalm 19.1 [For the choir director; a psalm by David.] The heavens declare the glory of God, and the sky displays what his hands have made. Nur eines kommt mir in den Sinn: Psalm 19.1 Ein Psalm Davids, vorzusingen. Der Himmel erzählt die Ehre Gottes, und verkündigt seiner Hände Werk.

The two pillars of Molecular Biology Die zwei Säulen der Molekularbiologie 2) The Genetic Code Nobel Prize 1968 to Holley, Khorana and Nirenberg 2) Der genetische Code Nobelpreis 1968 an Holley, Khorana und Nirenberg 1) The Structure of DNA Nobel Prize 1962 to Crick, Watson and Wilkins 1) Die Struktur der DNA Nobelpreis 1962 an Crick, Watson und Wilkins

Molecular Biology is Differently Different Mikrotubuli Motor-Protein Marvelous Molecular machines contd. Left: “spontaneous” assembly and disassembly of a microtubule Above: a kinesin molecule walks[sic] along a microtubule, carrying an organelle Die wunderbare Welt der Molekularen Maschinen (Fortsetzung) Links: “spontane” Montage und Demontage eines Mikrotubulus Oben: Ein Kinesinmolekül wandert [sic], eine Organelle tragend, entlang einem Mikrotubulus http://multimedia.mcb.harvard.edu/anim_innerlife_hi.html Molecular Biology is Differently Different Molekularbiologie ist anders anders

Johann Sebastian Bach Bach as a genetic phenomenon Bach as a Learned Musican Bach as Amadeus phenomenon Amadeus as a movie phenomenon Amadeus as opera phenomenon Bach als ein genetisches Phänomen Bach als ein hochgelehrter Musiker Bach als ein Amadeus-Phänomen Amadeus als ein Film-Phänomen Amadeus als ein Opern-Phänomen Johann Sebastian Bach (yes, he was young once, too …) (Ja, auch er war einmal jung….) 26

Der Bach-Familienstammbaum 27 27

Number of (male) Bach’s doing music at any particular year Anzahl der (männlichen) Bach, die im jeweiligen Jahr Musiker sind 28 28

Die „Bach Band“ (1889). Stehend, von links nach rechts: Herman Bach, August Reinhold Bach (Vater). Sitzend, von links nach rechts: Edward Bach, Arthur Bach, Karl Bach, Adolph Matthias Bach (Großvater von Nancy Bach Hertzog), Fred Bach, Reinhold (Reynold oder R.H.) Bach. Mit freundlicher Genehmigung von Nancy Bach Hertzog. 29 29

The concept of Bach as a Learned Musician / numerologist / cabalist is a myth: Recall counting buttons on Bach’s portraits, or counting the notes in the KdF Themes (and “finding” 14 = B+A+C+H and 41 = J+S+B+A+C+H ) The ultimate: a Music Doctoral Thesis(!) explaining, with a great feeling of a DISCOVERY, why the Unfinished Fugue breaks off at bar 239 “because 2+3+9 = “) Die Auffassung von Bach als ein Hochgelehrter Musiker / Numerologe / Kabbalist ist ein Mythos: Denken wir an das Zählen der Knöpfe auf Bachs Porträts, or der Noten in den KdF Themen (und wie wir “herausfanden” dass 14 = B+A+C+H und 41 = J+S+B+A+C+H ist ) Und schließlich: eine Musik-Dissertation (!), in der erklärt wird - mit den großen Gefühlen einer ENTDECKUNG - warum die Unvollendete Fuge bei Takt 239 abbricht: “weil 2+3+9= “)

Above all: Bach as a phenomenon that we don’t understand (and probably don’t deserve). Vor allem: Bach als ein Phänomen, das wir nicht verstehen (und wahrscheinlich auch nicht verdienen).

Music (especially J.S. Bach’s music) can help: not only to illustrate emergent complexity, but also reconcile exuberance and humility. Musik (und insbesondere die Musik von J.S. Bach) kann helfen: nicht nur, um emergente Komplexität zu erklären, sondern auch, um Überschwang und Demut zu versöhnen. E = mc2 33 33 33

Conclusion: Coming back to the professional purpose for my visit: perhaps one day, the children of our children will understand even the topics that seem to us as inherently difficult and complex, such as we have explored in our quantum Workshop, to be results emerging from some marvelous and simple idea. That is not anywhere in sight, but – with exuberance and humility, we are working on it. Zum Ausklang: Zurück zum wissenschaftlichen Zweck meines Besuchs: Vielleicht werden eines Tages die Kinder unserer Kinder sogar jene Themenbereiche verstehen, die uns heute als inhärent schwierig und komplex erscheinen, so wie wir sie in unserem Quanten-Workshop untersucht haben. Vielleicht werden sie diese als Resultate verstehen, die aus einer wunderbaren und einfachen Idee entstehen. Heute ist dies noch nicht in Sicht, aber – mit Überschwang und Demut arbeiten wir daran.

We will now move to the church for a brief illustration using Bach’s Kunst der Fuge. Thank you for your kind attention. Wir begeben uns nun zu einer kurzen Veranschaulichung anhand Bachs Kunst der Fuge in die Kirche. Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.