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Einsteinfeier 2010 - Verleihung der Einstein-Medaille

Am 28. Mai 2010 erhielt der theoretische Physiker Hermann Nicolai die Einsteinmedaille für seine fundamentalen wissenschaftlichen Beiträge zum Verständnis der Symmetrien der Einsteinschen Gravitationstheorie und seine Forschung auf dem Gebiet der Quantengravitation. Im Auditorium maximum der Universität Bern hielt der 1952 geborene Preisträger einen Vortrag zum Thema „Singularitäten, Symmetrien und die (De-)Emergenz von Raum und Zeit“. Der Direktor des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik nahm vom Präsident der Albert Einstein Gesellschaft Hans-Rudolf Ott die Einstein-Medaille in Empfang. Die Laudatio hielt Philippe Jetzer, Präsident des Kuratoriums.

Professor Hermann Nicolai

Am Anfang seiner Rede bedankt sich Hermann Nicolai bei der Albert Einstein Gesellschaft für die hohe Auszeichnung. Er fühle sich sehr geehrt, in Zukunft  auf der Liste mit all den berühmten Medaillenempfängern zu stehen. Hermann Nicolai ist gerne in der Schweiz, die er während seiner Zeit als Fellow und Staff  Member am CERN kennenlernte. Im Einsteinjahr 2005 unternahm er zusammen mit seiner Gattin und Thibault Damour eine eigentliche „Einstein-Wallfahrt“ mit Stationen beim ehemaligen Patentamt und beim Zytglogge. Die Wohnung an der Kramgasse apostrophierte er kurzerhand zur heiligen Stätte aller Physiker; und nur in Begleitung des Einstein-Medaillenträgers Damour getraute er sich, auf dem Einstein-Sofa Platz zu nehmen!

H. Nicolai mit Gattin und T. Damour im Einstein-Haus 2005

Nicolai schickt seinem Vortrag die Bemerkung voraus,  dass es wohl für viele theoretische Physiker heikel ist, über ihre Arbeit zu berichten. Sei man zu einfach, dann verstünden zwar die unbedarften Zuhörer, um was es geht, inhaltlich sei das dann aber oft so simpel, dass man sich frage, was ein solcher Wissenschaftler wohl den ganzen Tag treibe. Gehe der Redner dann zu sehr ins Detail, könne man schon nach zwei Sätzen nicht mehr folgen. Er beruhigte uns Laien damit, dass er so einfach wie möglich bleibe, es aber ab und zu nicht verkneifen könne, Informationen komplexerer Art für die anwesenden Insider zu geben. Diese Gratwanderung, der sich wohl schon Einstein bewusst war, hat der Laureat in seinem Vortrag hervorragend gemeistert!

Hermann Nicolai stellt seinen Vortrag unter das Leitmotiv Symmetrie, von dem er findet, sie sei möglicherweise das erfolgreichste Prinzip der Physik. Was versteht man unter Symmetrie? Die Raum-Zeit-Symmetrie in der Newtonschen Physik bedeutet, dass die Kraftgesetze gleich bleiben, egal in welchem irgendwie verschobenen Koordinatensystem man sie verwendet. Eine solche Galilei-Transformation, d.h. eine Verschiebung mit konstanter Geschwindigkeit lässt die Kräfte im betrachteten System unverändert. Die Newtonsche Mechanik ist bezüglich aller Galileitransformationen symmetrisch und „sieht gleich aus“, genauso wie eine Kugel deshalb symmetrisch ist, weil sie unter jeder Drehung um ihr Zentrum gleich aussieht. Untersucht man nun alle möglichen Transformationen, dann lassen sich diese als Elemente einer Menge auffassen, die ihrerseits eine innere Struktur aufweist. Diese Menge hat nämlich die Eigenschaften einer so genannten Gruppe, einem Begriff aus der Mathematik. In der Speziellen Relativitätstheorie  sorgen die Eigenschaften der Poincaré-Gruppe dafür, dass bei Koordinaten-Transformationen das Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit beibehalten wird. Schliesslich ist die Allgemeine Relativitätstheorie im oben beschriebenen Sinn symmetrisch, da ihr zufolge die Gesetze der Physik nicht davon abhängen, in welchen Koordinaten sie formuliert werden. Insbesondere lässt sich in einem abgeschlossenen System nicht unterscheiden, ob es unter dem Einfluss eines Gravitationsfeldes steht oder einer beschleunigten Bewegung unterworfen ist.

Das Konzept der Symmetrie hat seinen Siegeszug durch die theoretische Physik angetreten, als Heisenberg in den dreissiger Jahren des letzten Jahrhunderts den so genannten Isospin in die Teilchenphysik eingebracht hat. Die Isospin-Symmetrie mit dem heutigen technischen Namen SU(2) ist nach ihm eine abstrakte Transformation, die aus einem Proton ein Neutron macht. Diese Symmetrie, die ein Teilchen je nach Ansicht bald als Proton bald als Neutron erscheinen lässt, gilt in guter Näherung für die starken Kernkräfte und erleichtert damit deren mathematische Beschreibung sehr. Im Verlauf der letzten 80 Jahre konnte nicht zuletzt mittels solcherart erweiterten Symmetrien das Standardmodell der Teilchenphysik formuliert werden; durch die SU(3)xSU(2)xU(1) lassen sich alle bekannten Teilchen vom Elektron bis zum Top-Quark und vom Photon bis zu den Gluonen klassifizieren.  

Der Erfolg darf jedoch nicht darüber hinwegtäuschen, dass das allgemein akzeptierte Standardmodell Mängel aufweist. So versteht man nicht, weshalb die Massen der Teilchen so sind wie sie sind, man kann nicht entscheiden, ob das Proton zerfällt, usw. Insbesondere ist das Standardmodell auch nicht in der Lage, die Vorgänge nahe des Urknalls befriedigend zu erklären und schon gar nicht erhellt es die Rolle der Gravitation als besondere Wechselwirkung neben starker und elektro-schwacher Wechselwirkung. Hermann Nicolai führte nun aus, dass man mit einer weiter voran getriebenen Symmetrisierung der Natur die Wechselwirkungen „verheiraten“ könnte. Noch komplexere Symmetrie-Gruppen als die dem Standardmodell zugrundeliegende mit illustren Namen wie SU(5), SO(10), E6 usw. könnten helfen, die Leptonen (wie das Elektron und das Neutrino) mit den Quarks gleichzuschalten. Eine völlig neue Art von Symmetrie bildet die Supersymmetrie, welche eine Beziehung zwischen Bosonen und Fermionen herstellt. Und schliesslich stellt sich die Frage, ob noch allgemeinere Symmetriekonzepte sogar die Vorgänge in der Gegend der Planckzeit erhellen könnten. 

Konzepte, wie eine solche Grosse Vereinheitlichung der Wechselwirkungen aussehen könnte, gibt es viele, mit der Superstringtheorie als prominentestem Vertreter. Eine Theorie, an der der Laureat mitgearbeitet hat, stellt die Anfang der achtziger Jahre publizierte „de Wit-Nicolai N = 8 Supergravitation“ dar. Als symmetrischste feldtheoretische Erweiterung der Einstein-Theorie in vier Raum-Zeit-Dimensionen ist sie möglicherweise die einzige solche Theorie, welche die Unendlichkeiten der Quantenfeldtheorie zähmen kann – eine Erwartung, die jüngst durch aufsehenerregende Rechnungen bestätigt werden konnte. Darüber hinaus  erzeugt sie in der vollständig gebrochenen Phase genau 48 Fermionen, welche mit den drei Fermionen-Familien mit ihren jeweils 16 Mitgliedern in Verbindung gebracht werden könnten. Es bleibt jedoch ungewiss, ob diese Theorie in ihrer gegenwärtig vorliegenden Form die beobachteten Quantenzahlen und die Chiralität  der Elementarteilchen erklären kann.

 

Darstellung der durch die "de Wit-Nicolai N=8 - Supergravitation" erzeugten Teilchen

Auf der Suche nach maximal supersymmetrischen Theorien ergab sich überraschenderweise, dass die von Killing und Cartan Anfang des 20sten Jahrhunderts gefundenen so genannten exzeptionellen Lie-Gruppen „wie von selbst“ in diesen Modellen auftauchen. Eine (unendlich-dimensionale) Erweiterung dieser exotischen mathematischen Strukturen mit Namen E10(10) führt dabei auf eine Physik in der Zeit ohne Raum, d.h. eindimensionaler Raumzeit! Dies würde bedeuten, dass ein geometrischer Bezug in der unmittelbaren Nähe des Urknalls gar nicht mehr gegeben ist. Das Universum würde sich demnach von einem rein abstrakten mathematischen „Raum“ in die uns vertraute Raum-Zeit verwandeln. Diese Metamorphose bezeichnet Nicolai als ‚Emergenz' von Raum und Zeit aus einer prä-geometrischen Phase nahe der Anfangssingularität.

 

Der nach hinten abgestrahlte Lichtkegel eines Prozesspunktes überlagert sich anfänglich nicht mit dem Kegel des Nachbarn, eine Wechselwirkung ist noch nicht möglich

Das tönt nun wirklich äusserst skurril, Professor Nicolai weist aber darauf hin, dass in der Zeit zwischen T=0 und T=T(Planck), die Raumpunkte noch nicht miteinander wechselwirken können, und das Universum deshalb als Superposition von solcherart gestalteten eindimensionalen Systemen aufgefasst werden kann. E10 hat überdies eine so vielfältige innere Struktur, dass sie viele zentrale Ergebnisse von 40 Jahren Supersymmetrieforschung umfasst und in sich vereinigt.

Professor Hermann Nicolai machte jedenfalls klar, dass sich auch nach 80 Jahren die Beschäftigung mit Symmetrie-Konzepten und mit so abstrakten mathematischen Gebilden wie SU(5), E6 oder E10 weiterhin lohnt und diese – wer weiss – in zukünftigen Physikbüchern mit der grössten Selbstverständlichkeit erklärt werden.

Hansjörg Friedli

 

 

Hermann Nicolai, Einstein-Medaille 2010

 

Vorstellung des Laureaten

Empfänger der Einstein-Medaille 2010 ist der renommierte deutsche theoretische Physiker Hermann Nicolai. Mit der Verleihung der Einstein-Medaille an Hermann Nicolai würdigt die Albert Einstein-Gesellschaft einerseits seine fundamentalen wissenschaftlichen Beiträge zum Verständnis der Symmetrien der Einsteinschen Gravitationstheorie und ihrer Erweiterungen und seine Forschung auf dem Gebiet der Quantengravitation.

Hermann Nicolai wurde am 11. Juli 1952 in Friedberg (Hessen) geboren. Er studierte Mathematik und Physik an der Universität Karlsruhe und promovierte 1978 bei Julius Wess. Er arbeitete von 1979 bis 1986 als fellow und staff member am CERN (Genf), und habilitierte sich 1983 im Fach Theoretische Physik an der Universität Heidelberg.
1986 nahm er eine C3-Professur an der Universität Karlsruhe an und 1988 wurde er auf eine C4-Professur an der Universität Hamburg berufen. Seit 1997 ist er Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam-Golm. Darüber hinaus ist er auch leitender Herausgeber der Zeitschrift General Relativity and Gravitation.

Hermann Nicolai ist Autor von über 150 wissenschaftlichen Publikationen. Im Zentrum seiner Arbeit steht die Suche nach einer konsistenten Quantisierung der Einsteinschen Gravitationstheorie, insbesondere im Rahmen einer vereinheitlichten Beschreibung der fundamentalen Wechselwirkungen wie der Stringtheorie und darüber hinaus gehender nicht-perturbativer Ansätze.
Sein Name ist mit zahlreichen grundlegenden und wegweisenden Entwicklungen auf diesen Gebieten verbunden, von der Nicolai-Abbildung in supersymemtrischen Feldtheories über die Formulierung und Konstruktion der maximal-erweiterten N=8 Nicolai–de Witt Supergravitation zur Entwicklung der sogenannten Membran- und Supermembrantheorie und der daraus hergeleiteten Matrixmodelle der M-Theorie.

Seine gegenwärtige Forschung befasst sich insbesondere mit den in diesen Modellen auftretenden unendlich-dimensionalen Dualitäts-Symmetriegruppen (Verallgemeinerungen der aus der Allgemeinen Relativitätstheorie bekannten Geroch-Gruppe) und ihrer Rolle in der Beschreibung der chaotischen Dynamik der Metrik nahe kosmologischer raumartiger Singularitäten (Verallgemeinerung der klassischen BKL (Belinskii-Khalatnikov-Lifshitz) Analyse). Insbesondere führen diese Überlegungen zu einem neuen Zugang zur Quantenkosmologie der Anfangssingularität (d.h. des sogenannten “Big Bang”), in der der Raum der Raum-Zeit nicht mehr fundamental sondern ein emergentes Phänomen ist.

Darüber hinaus hat sich Hermann Nicolai als Direktor der Abteilung “Quantengravitation und vereinheitlichte Feldtheorien” des Albert-Einstein-Instituts (AEI) um die Förderung der Forschung und der Forschungsgemeinschaft auf den Gebieten der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantengravitation im deutschsprachigen Raum und international verdient gemacht. Insbesondere ist hier sein undogmatisch-interdisziplinäres Vorgehen zu würdigen und hervorzuheben, das Vertretern der verschiedensten aktuellen Strömungen der Quantengravitatonsforschung die Möglichkeit bietet, am AEI zu arbeiten. Hierdurch und durch die Organisation von interdisziplinären Quantengravitations-Konferenzen hat er einen wesentlichen Beitrag dazu geleistet, die Kommunikation zwischen den verschiedenen “Lagern” (z.B. Stringtheorie und loop quantum gravity (Schleifenquantengravitation)) innerhalb der Quantengravitationsforschung zu fördern.

Matthias Blau

 
 
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