Grenzenlose Vielfalt

Über die Vereinbarkeit von Astronomie, Big Data und Neurowissenschaften

5. September 2019 Einheit in der Vielfalt

Die Überschrift klingt unglaubwürdig? Ganz und gar nicht: Am Heidelberger Exzellenzcluster "Emergenz in Natur, Mathematik und komplexen Daten (STRUCTURES)" beschäftigen sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit unterschiedlichsten physikalischen Phänomenen, die auf den ersten Blick gar nichts miteinander gemein haben. Und doch ist da etwas - die Einheit in der Vielfalt.

Wie entstehen Struktur, kollektive Phänomene und Komplexität aus den Grundgesetzen der Physik? Diesen Fragen geht der 2018 bewilligte Heidelberger Exzellenzcluster „STRUCTURES“ nach.

Warum gibt es Planeten und nicht nur Staub in der Umgebung von Sternen? Wie entstehen Strukturen in Zellen und wie findet man Strukturen in großen Datensätzen? Diese Unvereinbarkeit von Astronomie, Big Data und Neurowissenschaften ist nur vordergründig.

„Es ist eine der zentralen Ideen im Cluster, dass jeder physikalischen Struktur eine mathematisch abstrakte Struktur zugrunde liegt“, erklärt Clustersprecherin Anna Wienhard vom Mathematischen Institut der Universität Heidelberg. „Und diese abstrakten mathematischen Strukturen erlauben es, die Vielfalt an Phänomenen überhaupt vergleichen zu können. Und ihr Kollege Manfred Salmhofer vom Institut für Theoretische Physik, ebenfalls Clustersprecher, ergänzt, dass der Exzellenzcluster untersuchen will, „wie Struktur, kollektive Phänomene und Komplexität aus den Grundgesetzen der Physik entstehen.“ Ergründen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beispielsweise eines der Phänomene, lassen sich die Ergebnisse möglicherweise auf andere Phänomene übertragen. „STRUCTURES“ hat sich aus der interdisziplinären akademischen Umgebung entwickelt, die im Zuge der Exzellenzinitiative an der Universität Heidelberg entstanden ist. Der Cluster hebt die Vernetzung von Physik, Mathematik und Informatik auf eine neue Ebene. „Um einen vereinheitlichenden Ansatz für die Phänomene aus physischer Welt, Mathematik und komplexen Daten zu finden, benötigen wir die enge Verzahnung von Mathematik, Informatik und Physik“, erklärt Wienhard.

Die Kombination mathematischer Theorie, numerischer Simulation und neuartiger analoger Rechner in Heidelberg sei in diesem Zusammenhang einzigartig. „Wir wenden neue topologische und geometrische Konzepte auf Datenanalyse und Dynamik an und untersuchen große Netzwerke mit Methoden der Quantenfeldtheorie und statistischen Mechanik“, sagt Salmhofer. So werden mathematische  Prinzipien und Strukturen sichtbar, die vereinheitlichend hinter den Kulissen der Phänomene stehen.

Gemeinsames Vokabular unterschiedlicher Fachrichtungen

Diese Vielfalt an Phänomenen und Disziplinen beinhaltet aber auch eine große Herausforderung: „Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der verschiedenen Fachrichtungen müssen eine gemeinsame Sprache entwickeln, um hoch aktuelle Fragen zur Entstehung, Rolle und Aufdeckung von Struktur in einem weiten Bereich von Naturphänomenen beantworten zu können“, erläutert Ralf S. Klessen vom Zentrum für Astronomie als dritter Clustersprecher. Dabei helfen sollen Seminare, Workshops und Jours fixes: „So hat beispielsweise kürzlich ein Kollege aus der Topologie seinen Forschungsgegenstand vorgestellt“, führt Klessen weiter aus. „Der findet jetzt unmittelbar Anwendung in der Experimentalphysik mit ultrakalten Quantengasen.“

Damit der wissenschaftliche Nachwuchs von Beginn an lernt, die Verknüpfungen zwischen den Disziplinen herzustellen – und über ein gemeinsames Vokabular gar nicht mehr nachdenken muss –, wurde das „STRUCTURES College“ eingerichtet. „Indem wir große Fragen interdisziplinär angehen, bilden wir eine neue Generation von Forscherinnen und Forschern aus, die neue Forschungsförderung Ideen und Dynamiken in die Grundlagenforschung, Technik und Gesellschaft einbringen wird“, hofft Anna Wienhard.