Nach einem Bericht der Online-Fachpublikation Quanta Magazine haben Physiker eine juwelenartige geometrische Struktur, die nicht nur Kalkulationen der Wechselwirkung zwischen Teilchen dramatisch vereinfacht, sondern auch Raum und Zeit als Teil der Realität in Frage stellt, entdeckt.
Von Tobias Berg
“Das ist komplett neu und viel simpler als alles was bis dahin versucht wurde“, beschreibt Andrew Hodges, Physiker an der Universität Oxford, die Entdeckung.
Die Erkenntnis, dass die Wechselwirkungen von Teilchen – die fundamentalsten Vorgänge in der Natur – auf Geometrie beruhen könnten, könnte die seit Jahrzehnten anhaltenden Bemühungen die Quantenfeldtheorie neu zu formulieren wieder Auftrieb geben. Bei der Quantenfeldtheorie handelt es sich um eine Sammlung von physikalischen Gesetzten, die die Elementarteilchen und deren Interaktion beschreiben. Diese Interaktionen wurden bislang mit Hilfe von mathematischen Formeln berechnet, die mehrere tausend Terme enthielten. Mit Hilfe der Volumenberechnung des nun entdeckten “Amplituhedrons“ vereinfacht sich der Berechnungsvorgang um ein Vielfaches.
“Der Grad an Effektivität ist fast unvorstellbar”, sagt Jacob Bourjaily, theoretischer Physiker an der Harvard University und Autor der ersten beiden Artikel, die sich mit dieser Thematik beschäftigen. “Es ist nun möglich Berechnung auf Papier durchzuführen, die zuvor noch nicht einmal mit dem Computer möglich waren“, so Bourjaily weiter.
Diese neue auf Geometrie basierende Form der Quantenfeldtheorie könnte auch die Suche nach einer Theorie für Quantengravitation befeuern, die in der Lage wäre sowohl das kleinformatige als auch das großformatige Bild des Universums nahtlos zusammenzufügen. Bislang scheiterte die Einbeziehung von Gravitation in die physikalischen Gesetzmäßigkeiten auf der Quantenebene an wiedersinnigen Unendlichkeiten und Paradoxien. Das Amplituhedron oder ein ähnliches geometrisches Objekt könnten dabei behilflich sein zwei der am tiefsten verwurzelten Prinzipien der Physik zu umgehen: Lokalität und Unitarität.
“Beide sind fest mit der Art und Weise wie wir die Dinge betrachten verbunden”, sagt Nima Arkani-Hamed, Professor am Institute for Advanced Study in Princeton und Hauptvertreter des neuen Ansatzes, den er in Vorträgen und bald erscheinenden Fachaufsätzen beschreibt. Außerdem “sind beide suspekt“, so Arkani-Hamed weiter, denn Lokalität beschreibt die Annahme, dass Partikel nur von angrenzenden Positionen in Raum und Zeit miteinander interagieren können. Unitarität geht davon aus, dass die Wahrscheinlichkeiten aller möglichen Ergebnisse einer quantenmechanischen Interaktion zwangsläufig eins ergeben muss. Diese Konzepte sind zwei der Grundpfeiler der ursprünglichen Quantenfeldtheorie. Aber in bestimmten Situationen, die Gravitation beinhalten, brechen beide zusammen und legen nahe, dass keine der beiden ein fundamentaler Bestandteil der Natur ist.
{module [426]}Dieser Idee folgend, löst dieser neue geometrische Ansatz der Partikelinteraktion Lokalität und Unitarität von ihren Grundannahmen. Das Amplituhedron ist nicht aus Raum-Zeit und Wahrscheinlichkeiten gebaut. Diese Eigenschaften entstehen nur als Konsequenz der Geometrie der Juwelenstruktur. Die übliche Sichtweise von Raum und Zeit und sich darin bewegenden Partikeln ist demnach ein Konstrukt.
“Es ist eine bessere Formulierung, die einem dabei hilft, alles aus einem anderen Blickwinkel zu betrachten” kommentiert David Skinner, theoretischer Physiker an der Cambridge University, die Anwendungsmöglichkeiten.
Das Amplituhedron selbst beschreibt nicht die Gravitation, aber Arkani-Hamed und seine Kollegen gehen davon aus, dass es ein verwandtes geometrisches Objekt geben müsste, welches dies tut. Die Eigenschaften dieses Objektes würden dann erklären, warum Partikel existieren und warum sie sich scheinbar dreidimensional durch den Raum bewegen und sich im Laufe der Zeit verändern.
Der folgende, bereits viel beachtete Vortrag von Andreas Beutel, bezieht sich zwar nicht unmittelbar auf die aktuellen Forschungsergebnisse, verdeutlicht aber nichtsdestotrotz die große Rolle der Geometrie in der Natur:
Quelle: Quanta Magazine.com
