Weltformel einmal anders

24.07.2018

Vom 30. Juli bis 3. August 2018 treffen sich an der Universität Würzburg theoretische Physikerinnen und Physiker aus aller Welt. Auf der Konferenz „Gauge/Gravity Duality 2018“ wollen sie grundlegende Fragen der theoretischen Physik mit modernen Anwendungen neu in Verbindung bringen.

Logo des Lehrstuhls für Theoretische Physik III. Es stellt schematisch einen gekrümmten Raum mit einem Schwarzem Loch dar. Die dadurch beschriebene duale stark gekoppelte Quantentheorie befindet sich am äußeren Rand dieses Raums.

Die Suche nach der „Weltformel“, die allen physikalischen Prozessen zu Grunde liegt, ist ein treibendes Konzept moderner Forschung in der Physik. Auf dem ganzen Globus arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler daran, mit dieser Formel die Gesetze der Quantenphysik und der Gravitation unter einen Hut zu bringen.

Die Suche nach der Weltformel bringt jedoch auch neue Konzepte und Methoden hervor, die in ganz anderen Bereichen der Physik wichtig sind. Ein solches Konzept ist die „Dualität“, mit der sich stark gekoppelte Quantensysteme beschreiben lassen. Diese sind weit verbreitet und haben sogar technologische Anwendungen, entziehen sich jedoch einer herkömmlichen Beschreibung. Die „Dualität“ löst diese Quantensysteme auf originelle Weise, indem sie sie auf Gravitationstheorien abbildet.

Informationen zur Tagung

Unter anderem mit dieser Theorie werden sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beschäftigen, die von Montag, 30. Juli, bis Freitag, 3. August, an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) stattfindet. Die gut 150 Teilnehmerinnen und Teilnehmer kommen aus sehr unterschiedlichen Forschungsbereichen der Physik, nämlich aus der String-Theorie, der Relativitätstheorie, der Festkörperphysik, der Elementarteilchenphysik und der Quanteninformationstheorie. Auf der Tagung werden sie unerwartete neue Verknüpfungen zwischen fundamentalen Fragen und Anwendungen in der Physik vorstellen und diskutieren.

Organisiert wird die Tagung von Johanna Erdmenger. Die Professorin wurde im Oktober 2016 an die JMU berufen; sie hat dort den Lehrstuhl der Theoretischen Physik III inne.

Schwarze Löcher und Supraleiter

Einen möglichen Kandidaten für eine Weltformel liefert die sogenannte String-Theorie – nach dem englischen String für Saite. Sie besagt, dass die kleinsten Teilchen nicht punktförmig, sondern ausgedehnte schwingende Saiten sind. Aus der String-Theorie folgt das neue Konzept der Dualität, das heißt einer Äquivalenz zwischen Quantentheorien ohne Gravitation einerseits und Gravitationstheorien andererseits.

„Die Dualität von Quanten- und Gravitationstheorien ist nicht nur von fundamentaler, sondern auch von praktischer Bedeutung: Mit ihr lassen sich stark gekoppelte Quantensysteme besser verstehen, indem sie auf einfacher lösbare klassische Gravitationstheorien abgebildet werden“, erklärt Johanna Erdmenger. Stark gekoppelte Systeme kommen sowohl in der Festkörperphysik als auch in der Elementarteilchenphysik vor. Ein Anwendungsbeispiel sind die elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften von Hochtemperatur-Supraleitern. „Eine wichtige Frage in diesem Zusammenhang ist auch, inwieweit sich Elektronen in einem Leiter als Flüssigkeit im Rahmen der Hydrodynamik beschreiben lassen“, sagt die Physikerin.

Auch die Eigenschaften Schwarzer Löcher, die vor kurzem zum ersten Mal direkt im Universum beobachtet wurden, lassen sich möglicherweise mit diesem Ansatz beschreiben. „Bei Schwarzen Löchern gibt es noch viele offene Fragen zur Struktur der Raumzeit und insbesondere zu ihrem Informationsgehalt“, sagt Erdmenger. Die Dualität biete hier neue Lösungsansätze, indem sie die Physik Schwarzer Löcher auf die Quanteninformationstheorie abbilde. Die Frage nach der Physik eines Quantencomputers sei somit mit der Frage nach der Quantennatur Schwarzer Löcher verknüpft.

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