Wir Menschen sind nichts Besonderes: Wir leben auf keinem besonderen Planeten, wir befinden uns in einer ganz und gar gewöhnlichen Galaxie. Ist dann wenigstens unser Universum etwas ganz Besonderes, das es so nur einmal gibt?
Normalerweise machen die harten Naturgesetze der Physik spannenden Ideen aus der Science Fiction eher einen Strich durch die Rechnung: Beamen? Geht nicht, gibt’s nicht. Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit? Kann man sich abschminken, ist rein physikalisch unmöglich. Und was ist mit dem bösen Doppelgänger, der im Paralleluniversum nebenan nur darauf lauert, die Herrschaft übers Multiversum an sich zu reißen?
In dieser Folge des AstroGeo-Podcast erzählt Franzi die Geschichte der Parallelwelten, Paralleluniversum, den Vielen Welten und dem Multiversum: Tatsächlich kennt die Physik nicht nur eine Art von Parallelwelt – sondern gleich mehrere! Leben wir tatsächlich in einem vor lauter Universen nur so blubbernden Multiversum? Gibt’s irgendwo da draußen vielleicht wirklich einen bösen – oder, noch viel schlimmer: einen guten! – Doppelgänger von uns allen? Vielleicht besteht das Paralleluniversum nebenan aus einem gigantischen Schwarzen Loch und sonst nichts? Und gibt es sie überhaupt?

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist ein Podcast der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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• Gibt es mehr als ein Universum?

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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: Goethe-Universität Frankfurt am Main 1. November 2022.

Frankfurt, 1. November 2022 – Wenn einem massereichen Stern der Brennstoff ausgeht und dieser als Supernova explodiert, kann ein extrem kompaktes Objekt, ein sogenannter Neutronenstern, zurückbleiben. Neutronensterne sind außerordentlich dicht: Um die Dichte in einem Neutronenstern zu erreichen, müsste man unsere Sonne auf den Durchmesser einer Stadt wie Frankfurt zusammendrücken. Im Jahr 2017 konnten erstmals die kleinen Krümmungen in der Raumzeit – sogenannte Gravitationswellen, die bei der Kollision solch kompakter Sterne entstehen – auf der Erde gemessen werden.

Die Zusammensetzung des heißen und dichten Produkts dieser Kollisionen ist jedoch noch nicht genau bekannt. Es wird vermutet, dass etwa Quarks, die sonst in Neutronen gefangen sind, nach der Kollision in freier Form auftreten können. Ein Forschungsteam um Dr. Christian Ecker vom Institut für Theoretische Physik der Goethe-Universität Frankfurt und Dr. Matti Järvinen und Dr. Tuna Demircik vom Asia Pacific Center für Theoretische Physik in Pohang, Südkorea, hat nun ein neues Modell entwickelt, um der Antwort auf diese Frage einen Schritt näher zu kommen. Darin erweitern sie Modelle aus der Kernphysik, die bei hohen Dichten ihre Aussagekraft verlieren, mit einer Methode aus der Stringtheorie, die den Übergang zu dichter und heißer Quarkmaterie beschreiben kann. “In unserer Methode verwenden wir einen mathematischen Zusammenhang aus der Stringtheorie, nämlich die Korrespondenz zwischen fünfdimensionalen schwarzen Löchern und stark wechselwirkender Materie, um den Phasenübergang zwischen dichter Kern- und Quarkmaterie zu beschreiben”, erklären Dr. Demircik und Dr. Järvinen.

”Wir haben das neue Modell bereits in Computersimulationen verwendet, um damit das Gravitationswellensignal dieser Kollisionen zu berechnen und gezeigt, dass dabei sowohl heiße also auch kalte Quarkmaterie entstehen kann”, erläutert Dr. Ecker, der diese Simulationen in Zusammenarbeit mit den Doktoranden Samuel Tootle und Konrad Topolski aus dem Arbeitskreis von Prof. Luciano Rezzolla an der Goethe-Universität Frankfurt umgesetzt hat.

Als nächstes hoffen die Forscher*innen ihre Simulationen mit zukünftig gemessen Gravitationswellen aus dem Weltall vergleichen zu können, um somit weitere Erkenntnisse über Quarkmaterie in Neutronensternkollisionen zu gewinnen.

Publikation:
Dense and Hot QCD at Strong Coupling, Tuna Demircik, Christian Ecker, and Matti Järvinen, Phys. Rev. X 12, 041012 – Published 31 October 2022, https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.12.041012, pdf: https://journals.aps.org/prx/pdf/10.1103/PhysRevX.12.041012.

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Ein Beitrag von Andreas Tramposch. Quelle: Spaceflight Now.

Bisher gab es zwei Theorien, welche die Eigenschaften des Weltalls beschreiben sollten: die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantentheorie. Beide sind jedoch unvollständig und lassen einige Fragen unbeantwortet. Die Stringtheorie versucht die große (gravitationsbezogene) und kleine (atomare) Physik zu vereinigen.
Kritiker jedoch vorspotteten die Stringtheorie als Philosophie, die nicht getestet werden kann. Wie auch immer kann sich Richard Easther und sein Wissenschaftlerteam von der Yale Universität vorstellen, dass sich Beweise für die Stringtheorie mittels genauer Beobachtung und sorgfältiger Messung und Auswertung des Cosmic Microwave Background (CMB) (kosmische Hintergrundstrahlung) finden würden.

Die Stringtheorie offenbart sich nur bei extrem kurzen Distanzen und extrem hohen Energien. Die Planck-Konstante ist die theoretisch kürzesete Distanz, die gefunden werden kann. Mit einer Strecke von 10^-30 Meter ist zehn Billionen Billionen Mal größer als ein winziges Wasserstoffatom. Die größten Teilchenbeschleuniger erzeugen mit 10^-15 elektronischen Volt bei kollidierenden subatomaren Teilchen hohe Energien. Dieses Energielevel könnte die Quantentheorie offenbaren, aber ist immer noch um ganze ein Billiarden Mal geringer, als die Energie, die erforderlich ist um die Stringtheorie zu beweisen. Wissenschaftler erkennen, das sie weder diese extrem kurze Distanz noch die extrem hohe Energie aufbringen können um die Stringtheorie zu beweisen.

Wissenschaftler behaupten, dass die fundamentalen Kräfte des Weltalls, das sind die Gravitation (von der allgemeinen Relativitätstheorie definiert), Elektromagnetismus, schwache radioaktive und starke Nuklearkräfte (alle von der Quantentheorie definiert), bei dem extremen Energieausstoß beim Urknall vereinigt waren und die ganze Materie und Energie auf einem subatomaren Maßstab beschränkt war. Obwohl der Urknall beinahe 14 Milliarden Jahre vergangen ist, hat die kosmische Hintergrundstrahlung die ersten Momente der Zeit aufgenommen.

Die Wilkinson Microwave Anistropy Probe (WMAP) studierte die kosmische Hintergrundstrahlung und entdeckte feinste Temperaturunterschiede der Hintergrundstrahlung bei einer Temperatur von nur 2,73 Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt. Diese Einheitlichkeit ist Beweis für eine Periode in der sich die Expansion das Weltall nur 10^-33 Sekunden nach dem Urknall rapide beschleunigte. Während dieser Periode wuchs das Weltall von einem subatomaren in einen kosmischen Maßstab und vergrößerte sich um 100 Billionen Billionen Mal. Das Energiefeld, welches die Ausbreitung verursachte, bleibt wie alle Quantenfelder als Energieschwankungen erhalten. Diese Schwankungen, die wie Wellen an einem gefrorenen Teich in der kosmischen Hintergrundstrahlung ersichtlich sind, könnten den Beweis für die Stringtheorie beinhalten.

Professor Easther und seine Kollegen heben hervor, dass die Stringtheorie messbare Effekte in der kosmischen Hintergrundstrahlung in Form von einem feinen Muster aus heißen und kalten Punkten hinterlassen könnte. Die Stringtheorie ist so schwierig experimentell zu bestimmen, dass die einzige Chance daraus besteht sie mittels mühelosen Versuchen zu bestätigen.

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