Bauletter, BAULINKS.de-Meldungen, vom 6.9.2013

In Quantenschritten über die Quantengravitation zum Urknall

Was im Urknall geschah, lässt sich mit der heutigen Physik nicht beschreiben. Quantentheorie und Relativitätstheorie versagen in diesem nahezu unendlich dichten und heißen Anfangszustand des Universums. Erst eine übergeordnete Theorie der Quantengravitation, welche diese beiden Grundpfeiler der Physik vereinigt, könnte Aufschlüsse über den Beginn der Welt bringen. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) in Golm/Potsdam und vom Perimeter-Institut in Kanada haben auf diesem Weg eine wichtige Entdeckung gemacht. Nach ihrer Theorie besteht der Raum aus winzigen Bausteinen. Von dieser Grundlage ausgehend gelangen sie zu einer der grundlegendsten Gleichungen der Kosmologie, der Friedmann-Gleichung, die das Universum beschreibt. Und dies zeige, dass Quantenmechanik und Relativitätstheorie tatsächlich miteinander vereinbar sind.

Versagen auf der Planck-Skala

Seit nahezu einem Jahrhundert stehen die beiden großen Theorien der Physik unvereinbar nebeneinander: Während Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie die Schwerkraft und damit die Welt im Großen beschreibt, lässt sich mit der Quantenphysik die Welt der Atome und Elementarteilchen erklären. Beide Theorien funktionieren in ihrem Rahmen außerordentlich gut, doch so, wie sie heute formuliert werden, versagen sie in bestimmten Extrembereichen, zum Beispiel auf winzigsten Distanzen, der sogenannten Planck-Skala. So verlieren Raum und Zeit in Schwarzen Löchern und vor allem auch im Urknall ihre Gültigkeit.

"Atomen des Raumes"

Daniele Oriti vom Albert-Einstein-Institut veranschaulicht diese Situation mit einer Flüssigkeit: "Das Verhalten von strömendem Wasser können wir mit der lange bekannten, klassischen Theorie der Hydrodynamik beschreiben. Aber wenn wir zu immer kleineren Skalen vordringen und schließlich auf einzelne Atome stoßen, ist sie nicht mehr anwendbar. Dann benötigen wir die Quantenphysik." So wie eine Flüssigkeit aus Atomen besteht, stellt sich Oriti den Raum aus winzigen Zellen oder "Atomen des Raumes" aufgebaut vor, für deren Beschreibung eine neue Theorie nötig ist: die Quantengravitation.

© T. Thiemann (FAU Erlangen), Albert-Einstein-Institut, Milde Marketing Wissenschaftskommunikation, exozet effects

In Einsteins Relativitätstheorie ist der Raum ein Kontinuum. Oriti zerlegt ihn nun in winzige Elementarzellen oder Quanten. Er wendet die Prinzipien der Quantenphysik auf den Raum und auf die ihn beschreibende Relativitätstheorie an. Das ist der Vereinigungsgedanke.  

Ein wesentliches Problem aller Ansätze für eine Quantengravitation besteht darin, die gewaltige Größenskala von den Raum-Atomen zu den Ausmaßen des Universums zu überbrücken. Dies ist Oriti und seinem Kollegen Lorenzo Sindoni sowie dem ehemaligen Postdoc am AEI Steffen Gielen, der jetzt am Perimeter-Institut in Kanada forscht, offenbar gelungen. Ihr Ansatz basiert auf der sogenannten Gruppenfeld-Theorie. Diese ist eng mit der Schleifen-Quantengravitation verbunden, die schon seit längerem am AEI entwickelt wird.

Die Aufgabe bestand nun darin zu beschreiben, wie sich aus den Elementarzellen der Raum des Universums entwickelt. Um im Bild der Flüssigkeit zu bleiben: Wie lässt sich aus einer Theorie für die Atome die Hydrodynamik für das strömende Wasser herleiten?

Friedmann-Gleichung

Diese mathematisch höchst anspruchsvolle Aufgabe führte jüngst zu einem überraschenden Erfolg. "Unter speziellen Annahmen entsteht der Raum aus diesen Bausteinen, und er entwickelt sich wie ein expandierendes Universum", erklärt Oriti. "Dabei konnten wir direkt im Rahmen unserer vollständigen Theorie über den Aufbau des Raumes die Friedmann-Gleichung ableiten", ergänzt er. Diese fundamentale Gleichung, die das expandierende Universum beschreibt, hatte der russische Mathematiker Alexander Friedmann in den 1920er Jahren auf der Basis der Allgemeinen Relativitätstheorie hergeleitet. Damit ist der Brückenschlag von der Mikro- zur Makrowelt und damit von der Quantenmechanik zur Relativitätstheorie gelungen: Die Wissenschaftler zeigen, dass aus dem Kondensat dieser Elementarzellen der Raum entsteht und sich zu einem Universum entwickelt, das unserem ähnelt. Die Quantengravitation könnte jetzt offene Fragen zum Urknall klären

vom Homogenen zum Inhomogenen

Oriti und seine Kollegen sehen sich damit erst am Beginn eines steinigen, aber hoffnungsvollen Weges. Ihre bisherige Lösung gilt nur für ein homogenes Universum. Unsere reale Welt ist aber wesentlich komplizierter. Sie enthält Inhomogenitäten, wie Planeten, Sterne und Galaxien. Derzeit sind die Physiker dabei, diese in ihre Theorie mit einzubeziehen.

Als Fernziel haben sich Oriti und Kollegen wahrlich Großes vorgenommen. Zum einen wollen sie untersuchen, ob sich der Raum sogar im Urknall beschreiben lässt. Vor einigen Jahren fand Martin Bojowald, ein ehemaliger Forscher des Albert-Einstein-Instituts im Rahmen einer vereinfachten Version der Schleifen-Quantengravitation Hinweise darauf, dass sich Zeit und Raum eventuell durch den Urknall hindurch zurückverfolgen lassen. Oriti und Kollegen hoffen, dieses Ergebnis mit ihrer Theorie bestätigen oder verbessern zu können.  

Sollte sich diese weiterhin bewähren, so könnten die Forscher damit vielleicht auch die vermutete inflationäre Expansion des Universums kurz nach dem Urknall und die Natur der mysteriösen Dunklen Energie erklären. Dieses Energiefeld sorgt dafür, dass sich das Universum beschleunigt ausdehnt.    

Oritis Kollege Lorenzo Sindoni ergänzt deshalb: "Nur mit Hilfe einer Theorie der Quantengravitation werden wir die Entwicklung des Universums tatsächlich verstehen können." Damit befinden sich die AEI-Forscher in bester Gesellschaft: Einstein und seine Nachfahren, die seit nahezu hundert Jahren danach suchen. ... Und mit möglicherweise einem Qunatensprung in der Dämmtechnik starten wir in den heutigen, vergleichsweise literarischen Bauletter:

Aerogel-Dämmstoff erstmals als gebrauchsfertige Platte live am 12.9.2013 in Lemförde
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Nach sieben Jahren Forschung hat die BASF neue Chemie für Dämm­stoffe entwickelt. Damit ist es gelungen, die hervorragende Dämmleis­tung eines Aerogels mit praktikabler Verarbeitbarkeit zu ver­binden - denn der neue Dämmstoff kommt als fertige Platte daher. weiter lesen

Wacosystems hat Musterbox „transluzente Wabenpaneele Viewpan“ aufgelegt
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Die Bielefelder Wacosystems bietet ab sofort eine Box mit 27 Mustern ihrer transluzenten Wabenpaneele ViewPan zum Kauf an: Jeweils ein Beispiel der Wabenpaneele ViewPan PET in transparent und satiniert sowie 25 ver­schiedene Farbtypen der Wabenpaneele ViewPan PMMA. weiter lesen

Vitra übernimmt das finnische Unternehmen Artek
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Das Design-Unternehmen Artek wurde 1935 vom Architekten Alvar Aal­to und seiner Frau Aino Aalto, der Kunst­förderin Maire Gullichsen und dem Kunsthistoriker Nils-Gustav Hahl gegründet und wurde mit der radi­kalen Geschäftsidee ge­schaffen, „Möbel zu verkaufen und durch Aus­stellungen und andere bildende Maß­nahmen eine moderne Wohnkultur zu fördern“. weiter lesen

Gottfried Semper Architekturpreis 2013 geht an Matthias Sauerbruch UND Louisa Hutton
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Vom Kuratorium des Gottfried Semper Architekturpreises wurde heute be­schlossen (6.9.), den Gottfried Semper Architekturpreis 2013 an Matthias Sauerbruch und Louisa Hutton gemeinsam zu verleihen. weiter lesen

Farbatlas RAL D4 in neuer Aufmachung
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RAL hat den Farbatlas RAL D4 neu aufgelegt. Er ist die Basis des RAL DESIGN Systems und der Wegweiser für eine stimmige Farbgestaltung. Der RAL Farb­atlas zeigt alle 1.625 Farbtöne als originale Lackmuster. weiter lesen

Atlas Moderner Betonbau - Von wegen grau und kalt
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Im „Atlas Moderner Betonbau“ aus der Edition DETAIL stehen nicht nur Ent­wurf und Baukonstruktion von Betontragwerken im Vordergrund, son­dern insbesondere auch die Stofflichkeit und damit die haptisch-sinnliche Seite des Materials. weiter lesen

Urbaner Holzbau - Handbuch und Planungshilfe von DOM publishers
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Ausgerechnet der uralte Baustoff Holz gibt Antwor­ten auf die immer drän­genderen Fragen der heutigen Zeit: Er ist ein nachwachsender Rohstoff, seine Verarbeitung erfordert vergleichsweise wenig fossile Energie, und unter den wärme­dämmenden Materialien ist Holz das tragfähigste. weiter lesen

Architektur als Ausweg? Grohe im Interview mit namhaften Architekten der Gegenwart
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Wie beurteilen international tätige Architekten die Verantwortung von Architektur für die Bewältigung der Probleme unserer Zukunft - seien es demographische Veränderungen, der weltweite Klimawandel oder die stän­dig wachsenden Mega-Cities? Mit seiner neuen Interviewpublikation gibt Grohe Einblick in aktuelle Überlegungen und Entwicklungen der Branche. weiter lesen

Velux lobt Architekten-Wettbewerb 2014 unter dem Titel „Licht . Raum . Mensch“ aus
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Velux lobt bereits zum neunten Mal seinen Architekten-Wettbewerb aus. Gesucht werden unter dem Titel „Licht . Raum . Mensch“  Neu- und Um­bauten, die die natürlichen Elemente Licht und Luft gezielt einsetzen, um eine ganzheitliche Atmosphäre zu schaffen und den Komfort sowie das Wohlbefinden der Menschen zu steigern. weiter lesen

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