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SYMMETRIEN
Suche nach einer Theorie für Alles
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik
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11. April 2017

Sind Symmetrien der Schlüssel zu einer vereinheitlichten Theorie, die die Quantenfeldtheorie und Einsteins Relativitätstheorie zusammenführt? Forscher am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik sind davon überzeugt und haben vom Europäischen Forschungsrat nun Mittel bewilligt bekommen, um diese Symmetrien weiter zu erforschen.

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Hubbles Blick ins Universum - um zu verstehen, was in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall passierte, muss man die Quantenfeldtheorie und Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie miteinander vereinen.  Bild: NASA, ESA, H. Teplitz und M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University) und Z. Levay (STScI)  [Großansicht]

Professor Hermann Nicolai, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/AEI), hat einen der begehrten Advanced Grants des Europäischen Forschungsrats (ERC) erhalten. Mit den dafür bewilligten Mitteln in Höhe von ca. 1,9 Millionen Euro fördert der ERC Nicolais Erforschung einer vereinheitlichten Theorie der Quantengravitation. Dabei spielen Symmetrien eine entscheidende Rolle.

Zu den größten Herausforderungen der theoretischen Physik zählt die Formulierung einer Theorie, die Quantenfeldtheorie und Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie vereinigt. Diese zwei grundlegenden Theorien sind im Rahmen der bekannten physikalischen Gesetze nicht miteinander vereinbar. Wenn wir aber verstehen wollen, was im Innern eines Schwarzen Loches oder in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall passiert, brauchen wir eine Theorie, die beides vereint.

Am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik widmet sich die Abteilung Quantengravitation und Vereinheitlichte Theorien unter der Leitung von Prof. Nicolai der Suche nach einer solchen umfassenden Theorie. Nicolais Forschung wird nun über fünf Jahre mit einem Advanced Grant des ERC gefördert. "Ich freue mich sehr über diese Anerkennung meiner Arbeit", so Nicolai, „das ist eine hohe Auszeichnung; insbesondere, wenn man bedenkt, dass die Erfolgsquote der Anträge auf dem Gebiet der mathematischen Physik wie schon in den Vorjahren sehr gering ist – es werden überhaupt nur zwei Projekte auf dem Gebiet der theoretischen Gravitationsphysik und Kosmologie gefördert."

Mit dem ERC Advanced Grant wird Nicolai eine speziell diesem Projekt gewidmete Arbeitsgruppe aufbauen. Die Fördersumme wird dabei im Wesentlichen für die Anstellung von wissenschaftlichen Mitarbeitern und Mitarbeiterinnen verwendet. "Es ist mir sehr wichtig, meine Begeisterung für diese grundlegenden Fragestellungen mit der jungen Wissenschaftler-Generation zu teilen", so Nicolai.

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Sowohl Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie als auch das Standardmodell der Quantenfeldtheorie beruhen auf Symmetrieprinzipien. Aufgrund von Symmetrie-betrachtungen wurden so aus dem Standardmodell neue Elementarteilchen (wie z.B. W- und Z-Vektorbosonen) vorhergesagt, die später in Beschleunigerexperimenten nachgewiesen werden konnten. Nicolais Hypothese ist, dass die Vereinheitlichung von Gravitation und den Wechselwirkungen der Elementarteilchen nur dann zu bewerkstelligen ist, wenn man eine Symmetrie findet, die einerseits über das uns bereits Bekannte hinausgeht, andererseits aber alle bekannten Symmetrien der Physik als Teilsymmetrien enthält.

Nicolais Ansatz, Gravitation und Elementarteilchenwirkungen zu vereinen, beruht auf der Symmetrie E10, einer einzigartigen unendlich-dimensionalen und auch 50 Jahre nach ihrer Entdeckung immer noch äußerst rätselhaften mathematischen Struktur. Unendlich-dimensional bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Symmetrie in unendlich vielen Dimensionen operiert (während etwa gewöhnliche Rotationen nur im dreidimensionalen Raum operieren). Das ist nicht nur kaum vorstellbar, sondern auch mathematisch extrem schwierig zu präzisieren.

Die physikalische Interpretation dieser Mathematik stellt eine vielleicht noch größere Herausforderung dar: so postuliert diese Theorie etwa, dass Raum und Zeit "emergent" sind, also sich aus einer Physik "ohne Raum und Zeit" ergeben sollten, so wie sich beispielsweise die Physik makroskopischer Objekte aus der ganz anders gearteten Quantenwelt von Atomen und Molekülen ergibt.

Erste Schritte dazu sind bereits getan: in der Abteilung von Prof. Nicolai wurde etwa ein Ordnungsprinzip für die unendlich vielen Rotationsachsen entwickelt, mit dem E10 charakterisiert werden kann. "Wir gehen davon aus, dass dieses singuläre mathematische Gebilde eine wesentliche Rolle beim Verständnis der Naturgesetze spielt", so Nicolai. "Wir sind zwar noch weit davon entfernt, die E10-Symmetrie vollkommen zu verstehen, aber wir wissen immerhin, dass diese Symmetrie viele Erkenntnisse zusammenfasst, die wir mit der Stringtheorie und der Supergravitation seit ca. 1980 gewonnen haben. Gleichzeitig öffnet sie einen völlig neuen Zugang zum Verständnis von Urknall und Schwarzen Löchern."

Hauptziel der weiteren Forschung ist es, herauszufinden, wie die Symmetrie E10 zu einer Theorie der Quantengravitation führen kann, was die Besonderheiten der quantisierten Theorie sind und welche physikalischen Vorhersagen daraus abgeleitet werden können. Mit dem Advanced Grant zeichnet der European Research Council führende Wissenschaftler aus, die exzellente Forschung mit innovativen Ansätzen verbinden. Die hoch dotierte Förderung unterstützt Projekte, die das Potenzial für einen wissenschaftlichen Durchbruch auf ihrem Forschungsgebiet besitzen.

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siehe auch
Kosmologie: Wie ein expandierendes Universum entsteht - 10. Dezember 2013
Schwarze Löcher: Von der Relativitätstheorie zu den Strings - 14. August 2013
Teilchenphysik: Bosenova um ein Schwarzes Loch? - 21. Juni 2012
Links im WWW
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/AEI)
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