Die Suche nach einer Theorie von allem – Wissenschaftler stellen Einstein auf die Probe

Lange bevor Archimedes vorschlug, dass alle für uns beobachtbaren Phänomene durch Grundprinzipien verstanden werden könnten, stellten sich die Menschen die Möglichkeit einer Theorie von allem vor. Im letzten Jahrhundert sind Physiker der Lösung dieses Rätsels immer näher gekommen. Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie bietet eine solide Grundlage für das Verständnis des Universums im großen Maßstab, während die Quantenmechanik es uns ermöglicht, seine Funktionsweise auf subatomarer Ebene zu verstehen. Das Problem besteht darin, dass sich die beiden Systeme nicht darüber einig sind, wie die Schwerkraft funktioniert.

Heute bietet künstliche Intelligenz neue Hoffnung für Wissenschaftler, die sich den enormen Rechenherausforderungen stellen, die mit der Entschlüsselung der Geheimnisse von etwas so Komplexem wie dem Universum und allem darin einhergehen, sagt Kent Yagi, außerordentlicher Professor an der School of Arts and Graduate Studies der University of Virginia. Science leitet eine Forschungspartnerschaft zwischen theoretischen Physikern und Computerphysikern an der University of Virginia, die neue Einblicke in die Möglichkeit einer Theorie von allem oder zumindest ein besseres Verständnis der Schwerkraft, einer der Grundkräfte des Universums, liefern könnte . Diese Arbeit brachte ihm ein Karrierestipendium der National Science Foundation ein, eine der prestigeträchtigsten Auszeichnungen für die vielversprechendsten jungen Forscher und Pädagogen des Landes.

Durchbrüche bei der Beobachtung des Universums

Ein Aspekt von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie besteht darin, dass Objekte, die sich durch den Weltraum bewegen, Wellen erzeugen, wie ein Boot, das sich durch Wasser bewegt, aber selbst wenn diese Wellen von Planeten, Sternen, Galaxien oder sogar Schwarzen Löchern erzeugt werden, können sie die stärksten Gravitationsfelder erzeugen, die möglich sind , sie sind immer noch… Unglaublich klein. Es dauerte also fast hundert Jahre, nachdem Einstein seine Ideen erstmals veröffentlichte Gravitationswellen Es wurden technische Mittel entwickelt, um sie zu überwachen. Im Jahr 2015 wurde ein Programm namens Legooder Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, eines der größten Projekte, die jemals von der National Science Foundation finanziert wurden, entdeckte erstmals Gravitationswellen, was den Projektleitern den Nobelpreis für Physik einbrachte.

Der Physiker Kent Yagi, außerordentlicher Professor an der Graduate School of Arts and Sciences der University of Virginia, hat ein Karrierestipendium der National Science Foundation gewonnen, eine der prestigeträchtigsten Auszeichnungen für die vielversprechendsten jungen Forscher und Pädagogen des Landes. University of Virginia College und Graduate School of Arts and Sciences

„Diese Entdeckung war einer der wichtigsten Momente der Physik in den letzten 100 Jahren“, sagte Yagi.

Mit der Weiterentwicklung der Technologie zur Beobachtung subatomarer Phänomene hat sich auch die Rechenleistung weiterentwickelt, die zur Verarbeitung der riesigen Datenmengen erforderlich ist, die Astronomen über das Universum sammeln. Neben Neuentwicklungen in Maschinelles Lernen Künstliche Intelligenz ermöglicht es Wissenschaftlern in den letzten Jahren, komplexe mathematische Modelle zu erstellen und zu testen, die die von ihnen beobachteten Phänomene in einem Tempo beschreiben, das früher unvorstellbar war.

Yaghi untersucht massive Gravitationswellen, die von Paaren aus Schwarzen Löchern und binären Neutronensternen erzeugt werden – einige der dichtesten Objekte im Universum und die laut Yaghi bis zu 1.013 Mal stärker sind als ein typischer Kühlschrankmagnet – und nutzt diese Phänomene, um Einsteins Theorien zu testen über die Schwerkraft und die Erforschung grundlegender Gesetze. Zur Kernphysik auf der Suche nach Informationen, die dabei helfen könnten, die Diskrepanz zwischen Einsteins Theorie und der Quantenmechanik aufzulösen.

Bildungsfinanzierung und Öffentlichkeitsarbeit

Das CAREER-Stipendium, das dem College in den nächsten fünf Jahren 400.000 US-Dollar an Fördermitteln einbringen wird, bietet Möglichkeiten für aktuelle und zukünftige Doktoranden, die an der Entwicklung und Anwendung von Algorithmen für maschinelles Lernen interessiert sind, die dabei helfen, Gravitationswellenbeobachtungen zu erklären und vorherzusagen und uns tiefere Einblicke zu verschaffen Verständnis. Das Verhalten der Schwerkraft verstehen.

Sobald die Rechenalgorithmen fein abgestimmt sind – ein Prozess, der weniger als ein paar Wochen dauern dürfte – wird sein Team laut Yaghi in der Lage sein, die von LIGO gesammelten Daten zu verarbeiten, um Einsteins Theorie 100-mal schneller zu testen.

„Der Speicherplatz, den wir nach diesen Daten durchsuchen können, wird sich verzehnfachen“, sagte Yagi.

Eine der Anforderungen des CAREER Award besteht darin, dass die Empfänger in ihre Arbeit auch Bildungs- und Community-Outreach-Projekte einbauen. Ein Teil der Mittel wird Beschäftigungsmöglichkeiten für Studenten schaffen, die mit Yagi zusammenarbeiten, um Bildungsprogramme für Oberstufenschüler zu entwickeln, die sich für Physik interessieren , von dem Yagi hofft, dass er die nächste Generation von KARRIERE-gewinnenden Wissenschaftlern inspirieren wird. Nobelpreis.

Die Herausforderung, Theorien zu beweisen

Wie viel näher werden wir dadurch der Theorie von allem kommen?

„Es gibt noch viele Probleme zu lösen“, sagte Yaghi. „Ich hoffe, dass ich das noch zu meinen Lebzeiten erleben werde, aber ich möchte nicht zu optimistisch sein.“

„Der Beweis der Theorie ist nahezu unmöglich“, erklärte Yaghi. „In jedem Experiment wird es immer Messfehler geben, aber wir werden weiterhin versuchen herauszufinden, ob wir Beweise finden, die die allgemeine Relativitätstheorie widerlegen. Gleichzeitig entdecken wir immer wieder, wie schön und wahr sie aussieht.“

Yaghis Arbeit und die Aufmerksamkeit, die er erhält, wurden von Kollegen und Führungskräften der University of Virginia gelobt.

„In letzter Zeit gab es einen sehr großen Vorstoß in Richtung eines besseren Verständnisses von Gravitationswellen, nicht nur als theoretische Vorhersage oder Konzept, sondern auch, um sie direkt nachweisen zu können“, sagte Phil Arras, Vorsitzender der Astronomieabteilung der University of Virginia. „Diese Bemühungen haben ein völlig neues Fenster zum Universum geöffnet und uns eine neue Möglichkeit gegeben, unsere Theorien über die Entstehung von Sternen zu überprüfen. Kents Forschung war für unser Verständnis davon sehr wichtig.“

Despina Lucca, Vorsitzende des Fachbereichs Physik an der University of Virginia, beschrieb Yaghi als einen hoch angesehenen Astrophysiker mit einem umfangreichen Forschungsportfolio.

„Kent ist ein engagierter Lehrer und gefragter Mentor, dessen Arbeit enormen Einfluss auf viele Disziplinen der Physik hatte“, fügte Luca hinzu. „Er ebnet den Weg für den Einsatz maschinellen Lernens, um die allgemeine Relativitätstheorie zu testen und gleichzeitig die astrophysikalischen Eigenschaften von Neutronensternen zu erforschen, und seine Arbeit mit Studenten der University of Virginia bei der Entwicklung von Online-Spielen, die Forschung und Bildung integrieren, wird junge Menschen auf der ganzen Welt inspirieren.“

„Professor Yagis Arbeit ist herausragend und wir sind stolz, ihn an unserer Fakultät zu haben, nicht nur wegen der Anerkennung, die er erhalten hat, als er die Grenzen unseres Verständnisses des Universums vorantreibt, sondern auch wegen seines Engagements für Innovationen in der MINT-Ausbildung.“ sagte Christa Acampora, Dekanin des College und der Graduate School of Arts and Sciences.