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Quantenfeldtheorie: Die Grundkräfte der Welt

Seit mehr als 90 Jahren fußt die Teilchenphysik auf Quantenfeldtheorien, allerdings bereitet der Ansatz Fachleuten viele Probleme. Deshalb haben sie ausgeklügelte Tricks entwickelt, um den hartnäckigen Gleichungen doch noch einige Geheimnisse zu entlocken.
Wellenlinien aus Lichtquanten

Anfang des 20. Jahrhunderts geriet die Physik ins Schwanken. Prinzipien, die unantastbar schienen, wurden verworfen und das herkömmliche Weltbild nahm völlig neue Züge an: Einerseits schockierte Albert Einstein mit seinen Relativitätstheorien, wonach Raum und Zeit keineswegs statisch sind, sondern sich dehnen und krümmen lassen. Etwa zur selben Zeit wandelte sich mit der Entstehung der Quantenmechanik auch die Vorstellung des Mikrokosmos. Die Grenzen zwischen Teilchen und Wellen verschwammen, zudem wirkte die Natur nicht mehr länger deterministisch, sondern vom Zufall bestimmt. Handfeste Beobachtungsgrößen wie die Geschwindigkeit oder der Aufenthaltsort eines Objekts mussten einer Wahrscheinlichkeitsverteilung weichen.

Obwohl die neuen Konzepte unserer alltäglichen Erfahrung widerstreben, beschreiben sie das Universum erstaunlich gut. Doch schnell fiel Fachleuten auf, dass sich einige Phänomene nicht auf diese Weise erklären lassen. Ein Beispiel dafür ist die spontane Emission, die Albert Einstein bereits 1917 vorhersagte und die Grundlage für Laser bildet …

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Spektrum der Wissenschaft – Quantengravitation im Labor: Experimente könnten die Quantennatur der Raumzeit enthüllen

Zwei Artikel in dieser Ausgabe stellen neue Experimente und Versuchsideen vor, die das postulierte Quantenteilchen der Schwerkraft, das Graviton, sowie die die Quantennatur der Raumzeit nachweisen sollen. Aktuell werden die ersten Versuche dieser Art umgesetzt und von der Fachwelt mit Spannung verfolgt. Daneben berichten wir über Tensornetzwerke, die klassische Computer leistungsfähiger machen als gedacht und so eine Konkurrenz für Quantencomputer darstellen. Außerdem: wie gentechnisch maßgeschneiderte Phagen – Viren, die Bakterien befallen – in der Medizin eine wichtige Rolle übernehmen könnten, neue Erkenntnisse über die neolithische Revolution am Amazonas und die Diskussion, ob auch in der Ökologie eine Replikationskrise besteht.

Spektrum - Die Woche – Wie ein Elementarteilchen unser Weltbild auf die Probe stellte

Das magnetische Moment des Myons stellte das Standardmodell in Frage. Doch Fortschritte bei theoretischen Berechnungen konnten die Unstimmigkeiten zu den hochpräzisen Experimenten nun ausräumen. Darüber hinaus: Wie wirkt sich unsere Darmflora auf die Wirksamkeit von Krebsbehandlungen aus?

Spektrum der Wissenschaft – Der Beweis: 1000 Seiten für die mathematische Weltformel

Das Langlands-Programm verknüpft Gebiete der Mathematik, die auf den ersten Blick nichts miteinander zu tun haben. Wie eine Art Wörterbuch soll es zwischen verschiedenen mathematischen Disziplinen übersetzen. Nach Jahrzehnten wurde nun die geometrische Version bewiesen. Weitere Themen in der Ausgabe sind: Erkenntnisse aus der Verhaltensbiologie von Nutztieren rufen nach stärkeren Maßnahmen zum Tierwohl, Myonenbeschleuniger, die bei Verwirklichung die Teilchenforschung revolutionieren könnten, und eine überraschende Bestätigung, woher Rückstände des umstrittenen Unkrautvernichters Glyphosat in Gewässern stammen.

  • Quellen

Haymaker, R. W.: Confinement studies in lattice QCD. Physics Report 315, 1999

LHCb collaboration: Observation of an exotic narrow doubly charmed tetraquark. ArXiv 2109.01038, 2021

Niedermaier, M., Reuter, M.: The asymptotic safety scenario in quantum gravity. Living Review Relativity 9, 2006

Wetterich, C.: Exact evolution equation for the effective potential. Physical Letters B 301, 1993

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