Quelle: Joachim Herz Stiftung 3. Juli 2023.

Hamburg, 03.07.2023. Der US-amerikanische Physiker Edward Witten wird mit dem Hamburger Preis für Theoretische Physik 2023 ausgezeichnet. Der emeritierte Professor am Institute for Advanced Study in Princeton/USA wird für seine wegweisenden Beiträge zu einer vereinheitlichten mathematischen Beschreibung fundamentaler Naturkräfte geehrt. Mit seiner herausragenden Forschung zur String- und Quantentheorie hat Edward Witten das Verständnis von Raum, Zeit, Materie und Struktur des Kosmos nachhaltig beeinflusst. Die Impulse seiner Arbeiten reichen weit in andere Fachgebiete, insbesondere die Mathematik, hinein.
Der Hamburger Preis für Theoretische Physik ist einer der höchstdotierten Wissenschaftspreise für Physik in Deutschland und wird von der Joachim Herz Stiftung gemeinsam mit dem Wolfgang Pauli Centre des DESY und der Universität Hamburg, dem Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY sowie den beiden Exzellenzclustern „CUI: Advanced Imaging of Matter“ und „Quantum Universe“ an der Universität Hamburg verliehen. Die Preisverleihung findet am 8. November 2023 in Hamburg statt.

Edward Witten zählt zu den renommiertesten und am häufigsten zitierten theoretischen Physiker:innen unserer Zeit. Seit Jahrzehnten gibt er wichtige Impulse für die Entwicklung einer großen vereinheitlichten Theorie der Physik, die alle Kräfte und Bausteine des Universums beschreibt. Als aussichtsreicher Kandidat dafür gilt seit den 1970er Jahren die Stringtheorie, weil sie eine Brücke zwischen zwei etablierten Grundpfeilern der Physik baut: Die Quantentheorie, die das Zusammenspiel subatomarer Partikel bestimmt, sowie Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, die Gravitation als Folge der Krümmung des Raumes beschreibt und die Entwicklung von Sternen, Galaxien und Schwarzen Löchern vorhersagt.

Brückenschlag zwischen zwei Grundpfeilern der Physik
Der Stringtheorie zufolge lassen sich Quanten- und Gravitationstheorie unter dem Dach eines neuen mathematischen Formalismus vereinigen. Dabei werden Elementarteilchen als winzige linienförmige Objekte betrachtet, die Strings. Quarks, Elektronen und alle anderen bekannten Elementarteilchen sind demzufolge nichts anderes als verschiedene Schwingungsmuster desselben Urteilchens. In den 1980er Jahren kristallisierte sich unter maßgeblicher Mitwirkung Edward Wittens heraus, dass sich durch diesen Paradigmenwechsel alle vier fundamentalen Naturkräfte – Gravitation, Elektromagnetismus, schwache Wechselwirkung, starke Kernkraft – durch eine vereinheitlichte quantenmechanische Feldtheorie beschreiben lassen.

Ein Rätsel blieb jedoch, dass zu diesem Zeitpunkt fünf mögliche Versionen der Stringtheorie bekannt waren. Wenn eine davon unser Universum beschreibt, wer lebt dann in den anderen vier Welten? Ausgehend von den Arbeiten zahlreicher Kolleginnen und Kollegen präsentierte Witten 1995 auf einer Konferenz in Kalifornien eine Lösung für dieses Problem: Wenn man quantenmechanische Effekte vollständig berücksichtigt, schmelzen die Unterschiede zwischen den fünf Stringtheorien dahin. Sie alle entpuppen sich als Grenzfälle einer grundlegenderen Theorie, genannt M-Theorie. Sie besagt, dass die Strings Erscheinungsformen schwingender Membranen sind und gilt als Kandidat für die große Vereinheitlichung der Naturgesetze.

„Mit Edward Witten zeichnen wir in diesem Jahr einen Wissenschaftler aus, dessen Arbeiten wegweisend für die Entwicklung der Stringtheorie und der Quantenfeldtheorie waren und auch weit darüber hinaus wichtige Impulse gaben. Diese Leistung und sein Wirken an der Schnittstelle zwischen Physik und Mathematik möchten wir mit dem Hamburger Preis für Theoretische Physik würdigen“, so Sabine Kunst, Vorstandsvorsitzende der Joachim Herz Stiftung.

Impulse für Spitzenforschung in Hamburg
Der Hamburger Preis für Theoretische Physik wird seit 2010 an international renommierte Forscher:innen vergeben. Er ist einer der höchstdotierten Wissenschaftspreise für Physik in Deutschland. Das Preisgeld beträgt 137.036 Euro, eine Anspielung auf die Sommerfeldsche Feinstrukturkonstante, die in der Theoretischen Physik eine wichtige Rolle spielt.

Der Physikpreis für Edward Witten ist mit einem Forschungsaufenthalt in Hamburg verbunden. „Edward Wittens bahnbrechende Arbeiten knüpfen eng an die Science City Hamburg Bahrenfeld an, zum Beispiel durch die Forschungsschwerpunkte im Exzellenzcluster „Quantum Universe“ und insbesondere auch am Hamburger Zentrum für Mathematische Physik, das DESY und Universität Hamburg seit 2004 gemeinsam aufgebaut haben. Wir blicken dem Austausch mit dieser Koryphäe daher mit großer Spannung und Vorfreude entgegen“, äußert sich Volker Schomerus, Leitender Wissenschaftler bei DESY und Sprecher des Wolfgang Pauli Centres.

Herausragende Leistungen an der Schnittstelle zwischen Physik und Mathematik
Im Lauf seiner Karriere hat sich Edward Witten nicht nur als führender Stringtheoretiker einen Namen gemacht. Auch in anderen Bereichen der mathematischen Physik gab er wichtige Impulse, von der Quantentheorie bis zur Physik der kondensierten Materie, teilweise mit Anwendungen in der Gravitationstheorie und Astronomie. Seine Arbeiten zur topologischen Quantenfeldtheorie beispielsweise eröffneten Mathematiker:innen Ende der 1980er Jahre neue Horizonte beim Verständnis der geometrischen Strukturen und Gesetzmäßigkeiten von Knoten. Edward Wittens außergewöhnliche Fähigkeit, abstrakte Konzepte wie Richard Feynmans berühmte Pfadintegrale aus der Physik auf die Mathematik zu übertragen, macht ihn zu einer herausragenden Figur an der Schnittstelle beider Disziplinen. Edward Witten wurde vielfach ausgezeichnet, u. a. erhielt er 1990 als erster Physiker überhaupt die Fields-Medaille. Sie gilt als höchste Auszeichnung für Mathematiker.

Über Edward Witten
Edward Witten wurde 1951 in Baltimore/Maryland geboren. Nach einem Bachelor-Abschluss an der Brandeis University in Massachusetts studierte er Angewandte Mathematik und Physik an der Princeton University/New Jersey. Der Betreuer für seine Promotion über Quanteneichtheorien war David Gross, der für seinen Beitrag zur Theorie der starken Wechselwirkung 2004 den Nobelpreis für Physik erhielt. Nach einer Postdoc-Position an der Harvard University wurde Edward Witten 1980 Professor an der Princeton University und 1987 Professor für Mathematische Physik am Institute for Advanced Study in Princeton.

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• Ehrungen

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Quelle: Universität Göttingen 16. Mai 2022.

16. Mai 2022 – Die Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik (GAMM) hat Dr. Janosch Preuss vom Institut für Numerische und Angewandte Mathematik der Universität Göttingen und vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) mit dem diesjährigen Klaus-Körper-Preis ausgezeichnet. Die GAMM würdigt damit die Ergebnisse, die der Göttinger Mathematiker Ende vergangenen Jahres in seiner Dissertation vorgelegt hat. Darin beschäftigt er sich mit der Ausbreitung akustischer Wellen im Inneren der Sonne. Um diese aus Messdaten von Forschungssatelliten möglichst genau rekonstruieren zu können, ist es notwendig, auch den Einfluss der Sonnenatmosphäre zu berücksichtigen. Dies gelingt Preuss effizienter und genauer als je zuvor. Die Dissertation entstand im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 1456 „Mathematik des Experiments“ an der Universität Göttingen.

Das Innere der Sonne ist einer der unzugänglichen Orte in unserem Sonnensystem; direkte Messungen im Inneren der Sonne sind unmöglich. Dennoch können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler über Umwege Informationen über das Innere unseres Sterns erhalten. Die Sonne schwingt in Millionen von akustischen Schwingungsmoden, die an ihrer Oberfläche von Satelliten im Weltraum oder Sonnenteleskopen auf der Erde beobachtet werden können. Mit Hilfe von Computermodellen können diese Wellen Aufschluss über die physikalischen Eigenschaften der Regionen geben, in denen sie sich ausbreiten.

Berechnungen dieser Art sind sehr anspruchsvoll, insbesondere wenn sie die schnellen Veränderungen in Oberflächennähe mit einbeziehen. Mit den von ihm neu entwickelten numerischen Methoden ist es Preuss in seinen Simulationen gelungen, den Einfluss der Sonnenatmosphäre auf die Wellen effizienter und genauer zu berechnen als je zuvor. „Die Temperatur in der Sonnenatmosphäre schwankt auf sehr kurzen Distanzen sehr schnell, was neue und innovative numerische Methoden erfordert, um die Schwingungen zu modellieren“, erklärt der 33-Jährige. Die Atmosphäre beeinflusst die Interpretation der beobachteten Schwingungen und muss daher berücksichtigt werden. Die Arbeit von Preuss eröffnet neue Möglichkeiten, Sonnenschwingungen zur Untersuchung der Sonnenatmosphäre zu nutzen.

Preuss hat an der Universität Göttingen Mathematik studiert. Bereits in seiner Masterarbeit, die er unter der Anleitung von Prof. Dr. Christoph Lehrenfeld am Institut für Numerische und Angewandte Mathematik anfertigte, beschäftigte er sich mit numerischen Simulationen. Diese Zusammenarbeit konnte er im Anschluss im Zuge eines von Max-Planck-Fellow Prof. Dr. Thorsten Hohage geleiteten Promotionsprojektes am MPS fortführen. Die Promotion erfolgte im Rahmen der International Max Planck Research School (IMPRS) on Solar System Science at the University of Göttingen, eines gemeinsamen Promotionsstudiengangs des MPS und der Universität Göttingen. Derzeit forscht der 33-Jährige am University College London in England. Die GAMM vergibt den Klaus-Körper-Preis in jedem Jahr an vier Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler und zeichnet damit exzellente Promotionsleistungen auf dem Gebiet der Angewandten Mathematik und Mechanik aus.

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• Unsere Sonne

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Quelle: Universität Hamburg.

6. April 2022. Sogenannte Quantenfeldtheorien beschreiben mathematisch das Verhalten von Feldern in mehrdimensionalen Räumen. Von Bedeutung ist das beispielsweise an der Schnittstelle zur Physik, denn das Standardmodell der Teilchenphysik, das die kleinsten Bausteine der Materie und ihre Wechselwirkungen beschreibt, ist eine Quantenfeldtheorie in der vierdimensionalen Raumzeit. Hier setzt die Forschung von Dr. David Reutter an, der sich mit topologischen Quantenfeldtheorien in mehr als drei Dimensionen beschäftigt. Im Unterschied zu vollständigen Quantenfeldtheorien werden mit ihrer Hilfe globale Eigenschaften von Räumen sichtbar, während lokale Details unberücksichtigt bleiben.

„Topologische Quantenfeldtheorien sind aus mathematischer Sicht einfacher zu beschreiben als vollständige Quantenfeldtheorien“, erklärt David Reutter. Eine topologische Quantenfeldtheorie unterscheide nicht zwischen einer Tasse und einem Donut. Das habe damit zu tun, dass Unterschiede in der Krümmung der Oberflächen von Tasse und Donut durch die Brille dieser Theorie nicht sichtbar sind. Anders sei das zum Beispiel bei Löchern, die sich erkennen und beschreiben lassen. Reutter verdeutlicht das mit einem Beispiel: „Eine Ameise kann auf der Oberfläche der Tasse in sie hineinkrabbeln und auch wieder hinaus, unabhängig von der Oberflächenkrümmung. Aber es ist unmöglich, auf direktem Weg vom Tassenkörper auf den gegenüberliegenden Henkel zu gelangen, denn dazwischen liegt ein Loch. Genauso verhält es sich mit dem Donut. Einen direkten Weg von der einen auf die dem Loch gegenüberliegenden Seite gibt es für die Ameise nicht. Sie muss auf dem Donut um das Loch herumlaufen.“

Im Vergleich zu niedrigeren und höheren Dimensionen ist vor allem die Beschreibung vierdimensionaler Räume, wie etwa unserer Raumzeit, mathematisch erstaunlich kompliziert und birgt noch viele offene Fragen. Topologische Quantenfeldtheorien in drei Dimensionen haben Mathematiker inzwischen dagegen so gut erforscht, dass konkrete Anwendungen möglich sind: „Unter sehr gut kontrollierten Bedingungen im Labor können wir mittlerweile Systeme herstellen, die sich wie topologische Quantenfeldtheorien in drei Dimensionen verhalten, was im Hinblick auf mögliche Architekturen von Quantencomputern oder in der Physik stark verdichteter Materie relevant ist“, erklärt David Reutter.

David Reutter hat an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich Physik im Bachelor und Master studiert und im Anschluss den Masterstudiengang „Part III of the Mathematical Tripos“ an der University of Cambridge absolviert. Seine Promotion in Informatik schloss er 2019 an der University of Oxford ab. Danach war er Postdoc am Max-Planck-Institut für Mathematik in Bonn und „Strauch Postdoctoral Fellow“ am Mathematical Sciences Research Institute in Berkeley, USA.

Das Emmy Noether-Programm ist eine Förderlinie der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Sie eröffnet herausragend qualifizierten jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern die Möglichkeit, sich durch die eigenverantwortliche Leitung einer Nachwuchsgruppe für eine Hochschulprofessur zu qualifizieren.

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• physikalische Grundlagenforschung

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