Regeln im Chaos: Wie man das früheste Universum simulieren könnte

9. November 2018 - 10:41

Systeme mit vielen Teilchen sind zu kompliziert, um sie exakt zu berechnen - speziell, wenn sie sich rasch verändern. Ein solches Ungleichgewichts-System ist etwa das expandierende Universum kurz nach dem Urknall. Physiker in Wien und Heidelberg haben nun Regeln im Chaos solcher Prozesse entdeckt. Vielleicht lassen sich so einmal komplexe Systeme simulieren, berichten sie im Fachblatt "Nature".

Das expandierende Universum ist ein Ungleichgewichts-System
Das expandierende Universum ist ein Ungleichgewichts-System

"In der statistischen Physik gab es vor etwa 50 Jahren einen großen Durchbruch, als man verstanden hat, wie Phasenübergänge funktionieren", erklärte Jörg Schmiedmayer vom Atominstitut der Technischen Universität (TU) Wien gegenüber der APA. Der US-Physiker und Nobelpreisträger Kenneth Wilson fand damals heraus, wie man Phasenübergänge mathematisch beschreiben kann, also die Zustandsänderung eines Materials etwa von fest auf flüssig oder von flüssig auf gasförmig. Dabei zeigte sich, dass sich diese Übergänge in verschiedene Klassen ("Universalitätsklassen") einteilen lassen. Gehören Materialien der gleichen Klasse an, gehorchen sie denselben einfachen Gleichungen - auch wenn sie sehr unterschiedlich sind.

Theoretische Physiker der Universität Heidelberg haben in den vergangenen Jahren versucht, eine so allgemeine Beschreibung wie für die Phasenübergänge auch für Ungleichgewichts-Systeme zu finden. Diese stellen für die Physiker eine besonderen Herausforderung dar. Denn die Prozesse in solchen Systemen sind so komplex, dass man sie derzeit nicht nachvollziehen kann.

Wenn es drunter und drüber geht

Während sich ein System im Gleichgewicht ohne äußere Einwirkung nicht verändert, geht es bei Ungleichgewichts-Prozessen drunter und drüber. Das ist etwa in Teilchenbeschleunigern der Fall, wenn dort Partikel mit großer Energie zusammenstoßen und dabei zahlreiche neue, oft nur kurzlebige Teilchen entstehen. Oder es war im Universum kurz nach dem Urknall so, als sich die Materie rasch ausdehnte und dabei abkühlte.

Es gebe starke theoretische Hinweise, dass eine Vielzahl von Ungleichgewichts-Systemen in ihrer Entwicklung zeitlichen und räumlichen Regeln folgen - und zwar unabhängig von ihrem Anfangszustand oder ihren mikroskopischen Eigenschaften, schreiben die Forscher in ihrer Arbeit. Experimentelle Bestätigungen fehlten aber bisher. Den Experimentalphysikern in Wien und Heidelberg ist es nun gelungen, in zwei völlig unterschiedlichen, von einem Gleichgewichtszustand weit entfernten Quantensystemen ganz allgemeine Gesetzmäßigkeiten zu finden.

In beiden Fällen arbeiteten die Wissenschafter mit einem ultrakalten quantenartigen Gas. "Wir haben in Wien das Gas sehr weit aus dem Gleichgewicht gebracht, indem es in zwei Richtungen extrem kalt ist und in einer Richtung extrem warm ist", beschreibt Schmiedmayer die Atombewegungen in dem Gas. Durch Wechselwirkungen kommt es dabei zum Austausch von Energie zwischen den Atomen, was die Wissenschafter "Thermalisierung" nennen.

Auch die Heidelberger Kollegen brachten ihr Gas weit weg vom Gleichgewichtszustand. Dort war aber nicht die Geschwindigkeit der Atome das entscheidende Kriterium, sondern deren Spin, also deren Eigendrehmoment.

Universelle Formel bestimmt Verlauf und Veränderung

"Unser Experiment zeigt, dass der Verlauf der Thermalisierung einem ganz universellen Gesetz folgt und nicht von irgendwelchen Details abhängt", so Schmiedmayer. Und auch die zeitliche Veränderung im Experiment der Heidelberger Physiker lässt sich mit genau der selben Formel beschreiben. "Sollte sich herausstellen, dass das tatsächlich die allgemeine Beschreibung von Nicht-Gleichgewichtssystemen ist, kann man diese wahrscheinlich auch in allgemeine Universalitätsklassen einteilen, ähnlich wie die Phasenübergänge", so der Physiker.

Das würde ein Fenster in die scheinbar ungeordnete Welt von Nicht-Gleichgewichtssystemen aufstoßen. Denn zwei Systeme der gleichen Universalitätsklasse verhalten sich exakt gleich. Wenn man also zwei Ungleichgewichts-Systeme mit der gleichen Klasse hat, dann kann man eines mit dem anderen exakt simulieren.

"Wenn man etwa herausfindet, dass das frühe Universum einer bestimmten Universalitätsklasse angehört, kann man ein System mit ultrakalten Atomen der gleichen Klasse bauen und so jede Menge Physik aus dem frühen Universum im Labor exakt nachmachen", sagte Schmiedmayer. Er räumt ein, dass man da noch "sehr am Anfang steht", und er sei "sehr gespannt, ob wir in den nächsten Jahren herausfinden, dass das Eintagsfliegen waren, die wir da gesehen haben, oder ob das ein ganz ein allgemeines Verhalten ist - ich hoffe natürlich, dass es letzteres ist".

Service: http://dx.doi.org/10.1038/s41586-018-0667-0

(APA/red, Foto: APA/(AFP/ EUROPEAN SOUTHERN OBSERVATORY/L. Calçada & Olga Cucciati et al.))



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