Forschungsmagazin der Universität Bielefeld // Bielefeld University Research News. Die Welt: Ein Zahlenrätsel. The World: A Number Puzzle

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1 Forschungsmagazin der Universität Bielefeld // Bielefeld University Research News Die Welt: Ein Zahlenrätsel The World: A Number Puzzle

2 // INHALT // CONTENT 04 Manufaktur für mathematische Modelle // A mathematical models manufacturer 32 Von Agenten und Bauchgefühl // Agents and gut feelings 10 Die Welt: ein Zahlenrätsel? // The world: a number puzzle? 36 Am Gen die Evolution ablesen // Reading off evolution from the gene 12 Bildrauschen adé // No more noise 40 Autos und Vögel in der Matrix // Cars and birds in the matrix 16 Eine Suppe aus Quarks und Gluonen // A soup of quarks and gluons 44 Aus Aktienkursen den Zufall filtern // Filtering randomness from share prices 20 Selbstverschuldete Risiken bestrafen // Penalizing self-created risks 48 Im Streitfall spielend zur Lösung // Play your way out of conflict 24 Abkürzung oder Umweg // Short cut or diversion 52 Kurz gemeldet Nachrichten aus der Bielefelder Forschung // In short Bielefeld research news 28 Der Blick aus der Distanz // Viewed from a distance 55 Impressum BI.RESEARCH // INHALT 02

3 // EDITORIAL Liebe Leserinnen und Leser, Tag für Tag machen sie sich aufs Neue daran, die Rätsel unserer Welt zu lösen Forscherinnen und Forscher aus dem Profilschwerpunkt Theoretische Wissenschaften der Universität Bielefeld. Mit ihren Gleichungen beschreiben sie Teile unserer Welt und machen sie so mehr und mehr begreifbar. Die vorliegende Ausgabe von BI.research gibt Ihnen einen Einblick in diese Forschung, in der Mathematik, Physik, Wirtschaftswissenschaften, Informatik, Biologie und Chemie interdisziplinär an einem Strang ziehen. Eine Dachorganisation für die Graduiertenausbildung in diesem für die Universität strategisch wichtigen Forschungsbereich feierte im November 2012 ihre Eröffnung: die Bielefelder Graduiertenschule in Theoretischen Wissenschaften (Bielefeld Graduate School in Theoretical Sciences BGTS). Theoretische Wissenschaften das mag zunächst sehr abstrakt klingen. Ich verspreche Ihnen: Nach der Lektüre dieses Magazins werden Sie darüber anders urteilen. Sie lernen beispielsweise unsere spannende Forschung zu Quarks und Gluonen kennen, für die Bielefelder Physiker mit der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) in Genf und dem Brookhaven National Laboratory in New York kooperieren. Sie erfahren, wie man nur anhand einer Stadtkarte berechnen kann, welche Straßen und Plätze isoliert und welche gut frequentiert sind. Sie lesen, wie sich mit einer mathematischen Gleichung das Bildrauschen aus Satellitenbildern tilgen lässt. Neugierig geworden? Die Theoretischen Wissenschaften können noch mehr: Eine Biomathematikerin fahndet zum Beispiel nach dem Zufall in der Evolution. Außerdem im Fokus: Wie die Politik Banken mit neuen Spielregeln dazu bringen könnte, weniger riskant zu spekulieren. Und wir wenden uns der Ökonophysik zu einem Forschungszweig, der Methoden aus der Physik auf die Finanzmärkte anwendet. Von Finanzwirtschaft und Städteplanung bis zu Teilchenphysik und Kosmologie: So unterschiedlich die Themenfelder sind, mit den angemessenen Methoden lassen sich in ihnen Strukturen, Muster und Ähnlichkeiten feststellen, um zu neuen Erkenntnissen zu gelangen. Sie werden sehen: Die Theoretischen Wissenschaften haben für viele Dinge eine Lösung. Ich wünsche Ihnen viel Spaß beim Lesen. Professor Dr. Martin Egelhaaf Prorektor für Forschung, wissenschaftlichen Nachwuchs und Transfer der Universität Bielefeld Dear Reader, Day after day, they set about trying to solve the puzzles in our world researchers at Bielefeld University s Strategic Research Area on Theoretical Sciences. They use their equations to describe parts of our world and make them increasingly accessible to our understanding. The present issue of BI.research offers you an insight into this interdisciplinary field of research in which mathematics, physics, economics, computer science, biology, and chemistry act in concert. An umbrella organization for postgraduate training in this fascinating research area celebrated its inauguration in November 2012: the Bielefeld Graduate School in Theoretical Sciences (BGTS). Theoretical Sciences at first, that may all sound very abstract. However, I promise you, reading this magazine will soon make you change your mind. For example, you will learn about our exciting research on quarks and gluons in which physicists in Bielefeld cooperate with the European Organization for Nuclear Research (CERN) in Geneva and the Brookhaven National Laboratory in New York. You will find out about how a street map can be used to calculate which streets and squares are isolated and which are well frequented. You will read how a mathematical equation can be used to eradicate the noise in satellite images. Have I made you curious? Theoretical Sciences can do even more: a biomathematician, for example, searches for chance in evolution. A further focus is on how politics can use new game rules to persuade the banks to engage in less risky speculation. And we shall take a look at econophysics a branch of research that applies the methods of physics to financial markets. From finance and urban planning to particle physics and cosmology: as different as these topics are, applying the appropriate methods reveals how they possess structures, patterns, and similarities that enhance our knowledge. You will s ee: Theoretical Sciences offer a wide range of solutions. I hope you will enjoy reading this issue. Professor Dr. Martin Egelhaaf Vice-rector for research, young researchers and transfer of Bielefeld University BI.RESEARCH // EDITORIAL 03

4 MANUFAKTUR FÜR MATHEMATISCHE MODELLE // A MATHEMATICAL MODELS MANUFACTURER Bielefelder Theoretische Wissenschaften suchen nach Wegen, die Welt in Gleichungen zu erfassen // Bielefeld s Theoretical Sciences seek ways of understanding the world through equations Text: Jörg Heeren BI.RESEARCH // MANUFAKTUR FÜR MATHEMATISCHE MODELLE 04

5 Auf dem Papier und im Computer bauen sie die Welt nach, um sie zu verstehen: Im Profilschwerpunkt Theoretische Wissenschaften der Universität Bielefeld machen sich Forscherinnen und Forscher mit mathematischen Methoden daran, Ausschnitte unserer Wirklichkeit zu beschreiben, zu erklären und mitunter vorauszusagen: wie Elementarteilchen aufeinander einwirken, wie das Universum entstand und sich entwickelt, wie Konsumenten, Unternehmen und der Staat in einem Wirtschaftssystem handeln oder wie sich Epidemien ausbreiten. Sie stellen solche Abläufe mit Modellen dar zusammengesetzt aus mathematischen Gleichungen. Ziel ist es, Gesetzmäßigkeiten zu entdecken, sagt Professor Dr. Michael Röckner von der Fakultät für Mathematik. Dafür muss man beobachtbare Prozesse mit eindeutigen Aussagen beschreiben, die Voraussetzungen einbeziehen und sauber formulieren. Röckner ist einer von Dutzenden Wissenschafterinnen und Wissenschaftlern der Universität, die über Jahre an der Konstruktion des Profilbereichs Theoretical Sciences gearbeitet haben. Diese Forscher kommen aus den Fakultäten für Mathematik, Wirtschaftswissenschaften, Biologie, Chemie, Physik und der Technischen Fakultät. Für den Profilbereich haben sie sich über einen erweiterbaren Stamm von Themen und Methoden verständigt. Inzwischen sind die Theoretical Sciences ein Markenzeichen der Universität Bielefeld, neben vier weiteren Profilbereichen. Mit Physik-Methode Bewegungen von Fischschwärmen berechnen Den Antrieb für die Entwicklung des Profils gab die Bedeutung der Mathematik in den Theoretischen Wissenschaften: Mehr und mehr Forscher in Disziplinen außerhalb der Mathematik nutzen in ihren Untersuchungen mathematische Methoden, sagt der Wirtschaftswissenschaftler Professor Dr. Frank Riedel. Dabei sind es nicht nur Mathematiker, die die benötigten Methoden ausarbeiten. Selbstverständlich entwickeln auch Naturwissenschaftler neue Rechentechniken und insbesondere Modelle, sagt der Physiker Professor Dr. Edwin Laermann. Populäres Beispiel ist das schon 1925 konzipierte Ising-Modell. Es stammt aus der Physik und wird inzwischen in den Wirtschaftswissenschaften oder der Biologie genutzt. Ursprünglich war es dafür gedacht, Magnetismus in Kristallen zu erfassen. Ökonomen verwenden es heute etwa, um den Aktienmarkt zu modellieren. Manche Biologen nutzen es, wenn sie sich mit sozialer Imitation bei Fischschwärmen befassen. Ein anderes Beispiel ist die Brownsche Bewegung, die beschreibt, wie Teilchen sich abhängig von der Temperatur in Flüssigkeiten und Gasen They reconstruct the world on paper and in the computer in order to understand it. In Bielefeld University s Strategic Research Area on Theoretical Sciences, researchers apply mathematical methods to describe, explain, and sometimes even predict parts of our reality: how elementary particles influence each other; how the universe originated and is expanding; how consumers, companies, and the state act within an economic system; or how epidemics spread. They display such processes with models made up of mathematical equations. The goal is to discover the underlying laws, says Professor Dr. Michael Röckner from the Faculty of Mathematics. To do this, you have to describe observable processes through unequivocal statements, to include their preconditions, and to combine all this in a precise formulation. Röckner is just one of dozens of scientists at the university who have spent years helping to build up the Strategic Research Area on Theoretical Sciences. These researchers come from the Faculties of Mathematics, Business Administration and Economics, Biology, Chemistry, Physics, and Technology. They have agreed on an extendable stock of topics and methods for this research area. Nowadays, the Theoretical Sciences have become a trademark of Bielefeld University along with its four other Strategic Research Areas. Computing the movements of fish shoals with methods from physics The motive for developing this main research area came from the importance of mathematics in the Theoretical Sciences. More and more researchers in disciplines outside of mathematics apply mathematical methods in their studies, says the economist Professor Dr. Frank Riedel. And it is not just mathematicians who work out the necessary methods. Of course, natural scientists also develop new computing techniques and particularly new models, says the physicist Professor Dr. Edwin Laermann. One popular example is the Ising model conceived way back in Although it comes from physics, it is now used in economics and even in biology. Originally, it was formulated to assess magnetism in crystals. Nowadays, economists use it to model, for example, the stock market; and some biologists use it to study social imitation in fish shoals. Another example is Brownian motion that describes how particles move in fluids and gases as a function of temperature. Professor Röckner says, you can use it to describe, if not to predict, how stock market processes develop. It is applied just as much in economics as in physics. BI.RESEARCH // A MATHEMATICAL MODELS MANUFACTURER 05

6 bewegen. Professor Röckner: Mit ihr kann man beschreiben, wenn auch nicht vorhersagen, wie sich Aktienkurse entwickeln. Sie wird in den Wirtschaftswissenschaften ebenso angewandt wie in der Physik. Das mathematische Modell diskutierte Röckner schon vor 20 Jahren mit seinem chinesischen Kollegen Professor Dr. Zhi-Ming Ma von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Zhi-Ming Ma und Röckner gründeten 2006 in Bielefeld das internationale Graduiertenkolleg Stochastik und Modellierung Realer Systeme, in dem Mathematiker und Physiker des Forschungszentrums BiBoS (Bielefeld-Bonn Stochastics) und Ökonomen des Instituts für Mathematische Wirtschaftsforschung (IMW) der Universität Bielefeld gemeinsam Doktorandinnen und Doktoranden ausbilden. Neue Dachorganisation verbindet Graduiertenkollegs Sechs Jahre später, im November 2012, wird die Bielefelder Graduiertenschule in Theoretischen Wissenschaften (Bielefeld Graduate School in Theoretical Sciences BGTS) eröffnet. Sie bringt disziplinenüber- Röckner was already discussing the mathematical model 20 years ago with his Chinese colleague Professor Dr. Zhi-Ming Ma from the Chinese Academy of Sciences. In 2006, Zhi-Ming Ma and Röckner founded Bielefeld s international Research Training Group Stochastics and Real World Models in which mathematicians and physicists at the Research Center BiBoS (Bielefeld Bonn Stochastics) join together with economists at Bielefeld University s Center for Mathematical Economics (IMW) to train doctoral students. New umbrella organization for Research Training Groups It is now six years later, and the university has the new Bielefeld Graduate School in Theoretical Sciences (BGTS) founded in November This brings together young academics from different disciplines whose interdisciplinary doctoral projects involve work on mathematical models and simulations. The BGTS serves as an umbrella organization for Research Training Groups and comparable programmes in the theoretical sciences, says Michael Röckner, speaker of the BGTS. The Ein Aufbauvorstand aus Professoren begleitet die Anfangsphase der Bielefelder Graduiertenschule in Theoretischen Wissenschaften (von links nach rechts): Henning Krause, Michael Röckner, Gernot Akemann, Frank Riedel, Edwin Laermann und Herbert Dawid. // A founding board of professors is watching over the beginnings of the Bielefeld Graduate School in Theoretical Sciences (from left to right): Henning Krause, Michael Röckner, Gernot Akemann, Frank Riedel, Edwin Laermann, and Herbert Dawid. BI.RESEARCH // MANUFAKTUR FÜR MATHEMATISCHE MODELLE 06

7 greifend Nachwuchsforscherinnen und -forscher zusammen, die in ihren Promotionsprojekten an mathematischen Modellen und Simulationen arbeiten. Die BGTS dient als Dachorganisation für Graduiertenkollegs und vergleichbare Programme in den Theoretischen Wissenschaften, sagt Michael Röckner, Sprecher der BGTS. Gründer der neuen Graduiertenschule sind die Fakultäten für Mathematik, Physik und Wirtschaftswissenschaften sowie das IMW. Wir sind kein geschlossener Kreis, sondern verstehen die BGTS als offene Struktur, die in viele Richtungen weiterentwickelt werden kann und soll. Von dieser Struktur profitieren zuerst Doktoranden der internationalen Bielefelder Graduiertenkollegs Ökonomisches Verhalten und Interaktionsmodelle (EBIM) und Stochastik und Modellierung Realer Systeme sowie der Bielefelder Graduiertenschule in Ökonomie und Management (Bielefeld Graduate School in Economics and Management BiGSEM). Nachwuchsforscher des im September 2012 ausgelaufenen Graduiertenkollegs Quantenfelder und stark wechselwirkende Materie nutzen die BGTS ebenfalls. new Graduate School has been founded by three Faculties Mathematics, Physics, and Business Administration and Economics along with the IMW. However, we do not view the BGTS as a closed unit, but as an open structure that can and should expand further in a range of directions. The first to profit from this structure are the doctoral students in the international Bielefeld Research Training Groups Economic Behaviour and Interaction Models (EBIM) and Stochastics and Real World Models, along with those in the Bielefeld Graduate School in Economics and Management (BiGSEM). Young academics in the Research Training Group Quantum Fields and Strongly Interacting Matter that ended in September 2012 also use the BGTS. Graduate School takes an interdisciplinary approach to teaching mathematical methods About 30 professors and their teams spent two years preparing the BGTS. They presented a first concept in 2010 in a proposal submitted to the Excellence Initiative by the German federal and state Neue Graduiertenschule Die Schwerpunkte der neuen Bielefelder Graduiertenschule in Theoretischen Wissenschaften (BGTS) sind Simulation, Modellierung und Analyse komplexer Systeme, Stochastische Dynamik sowie Symmetrie, Geometrie und Universalität. Die Forschungsthemen reichen dabei von den kleinsten Bausteinen der Materie bis zur Analyse von ökonomischem Verhalten, Märkten und Finanzwirtschaft. Die BGTS setzt besonders auf die Vermittlung von Wissen und Methoden, die Mathematik, Wirtschaftswissenschaften und theoretische Physik verbinden: Sie bietet ihren Doktorandinnen und Doktoranden ein Rahmenprogramm, das neben Lehrveranstaltungen auch ein Kolloquium, internationale Workshops und Sommerschulen umfasst. Trainings in Soft Skills wie Gruppenleitung, kulturelle und gemeinschaftliche Aktivitäten stehen den Promovenden ebenfalls offen. Darüber hinaus haben sie die Möglichkeit zu mehrmonatigen Forschungsaufenthalten an BGTS-Partnereinrichtungen in der ganzen Welt, um ihre wissenschaftlichen Kompetenzen auszubauen. Am Programm können auch Forscherinnen und Forscher teilnehmen, die frei promovieren die also nicht in einem Promotionsstudiengang der Fakultäten eingeschrieben sind und auch keinem der beteiligten Graduiertenkollegs angehören. New Graduate School The new Bielefeld Graduate School in Theoretical Sciences (BGTS) specializes in simulation; modelling and analysing complex systems; stochastic dynamics; and symmetry, geometry, and universality. Research topics range from the smallest particles of matter to the analysis of economic behaviour, markets, and finance. The BGTS particularly emphasizes teaching knowledge and methods that link together mathematics, theoretical physics, and business administration and economics. It offers its doctoral students a supporting programme that includes not only lecture courses but also a colloquium, international workshops, and summer schools. They also have access to training in soft skills such as group management along with a range of cultural and social activities. Above all, they have the opportunity to complement their scientific skills by spending several months doing research at one of the many BGTS partner institutes located throughout the world. Researchers engaged in independent doctorates that is, who are not enrolled in a postgraduate course at one of the faculties and do not belong to one of the Research Training Groups are also welcome to participate in the programme. BI.RESEARCH // A MATHEMATICAL MODELS MANUFACTURER 07

8 Graduiertenschule vermittelt mathematische Methoden fachübergreifend Zwei Jahre haben rund 30 Professorinnen und Professoren und ihre Teams investiert, um die BGTS vorzubereiten. Ein Konzept dafür hatten sie erstmals 2010 vorgelegt in einem Antrag für die Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder zur Förderung von Wissenschaft und Forschung an deutschen Hochschulen. Die drei bislang nicht an der BGTS beteiligten Fakultäten aus dem Profilbereich Theoretische Wissenschaften seien eingeladen, die Graduiertenschule weiter mit aufzubauen, erklärt Röckner, der am Gründungstag in den Aufbauvorstand der BGTS gewählt wurde ebenso wie seine fünf Professoren-Kollegen Dr. Frank Riedel, Dr. Herbert Dawid (beide IMW und Fakultät für Wirtschaftswissenschaften), Dr. Henning Krause (Fakultät für Mathematik), Dr. Gernot Akemann und Dr. Edwin Laermann (beide Fakultät für Physik). Sie und ihre Kollegen sehen die BGTS als Teil eines internationalen Netzwerks, zu dem neben der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking und der Central China Normal University in Wuhan unter anderem die US-amerikanischen Universitäten von Berkeley, Chicago, Princeton und Yale gehören, ebenso wie das Brookhaven National Laboratory (New York, USA), die japanischen Universitäten von Kyoto, Tokyo und Tsukuba und drei Pariser Universitäten. Nährboden für überraschende Forschungsrichtungen Die BGTS baut darauf auf, dass es einen Grundstock an Methoden gibt, die alle Forscher brauchen, die in den theoretischen Wissenschaften benutzt werden, sagt Edwin Laermann. Diese Methoden erlernen Doktoranden aus den Wirtschaftswissenschaften, der Physik, der Mathematik und weiterer Disziplinen in der BGTS künftig in gemeinsamen Seminaren. Gleichzeitig geht es auch darum, dass die Promovenden Modelle aus anderen Disziplinen kennenlernen, sagt der Mathematiker Dr. Guido Elsner. Der Gegenstand der Promotion ist gewöhnlich sehr fokussiert auf das eigene Fach. Die Nachwuchsforscher sollen ermuntert werden, Erkenntnisse aus anderen Disziplinen aufzugreifen. Das schließt ein, dass sie für Modelle aus ihrem Fach Anwendungen in den Disziplinen von Kommilitonen suchen. Umgekehrt heißt das, dass sie auch lernen, fachfremde Modelle für ihre eigenen Analysen einzusetzen und abzuwandeln, sagt Laermann. BGTS-Sprecher Röckner ist sicher: Durch diese interdisziplinäre Ausbildung entstehen neue theoretische Konzepte. Die BGTS ist ein ideales Umfeld für überraschende Forschungsrichtungen und -perspektiven. governments to promote top-level research at German universities. Other faculties in the Strategic Research Area of Theoretical Sciences that are so far not participating in the BGTS are welcome to join and help further develop the Graduate School, explains Röckner, who was elected to the founding board of the BGTS at its opening ceremony just like his five professorial colleagues Dr. Frank Riedel, Dr. Herbert Dawid (both IMW and Faculty of Business Administration and Economics), Dr. Henning Krause (Faculty of Mathematics), and Dr. Gernot Akemann and Dr. Edwin Laermann (both Faculty of Physics). They and their colleagues view the BGTS as part of an international network including not only the Chinese Academy of Sciences in Beijing and the Central China Normal University in Wuhan but also the Universities of Berkeley, Chicago, Princeton, and Yale as well as the Brookhaven National Laboratory (New York) in the United States; the Universities of Kyoto, Tokyo, and Tsukuba in Japan; and three Parisian universities. A nucleus for surprising lines of research The BGTS is founded on the existence of a basic stock of methods that all researchers need to use in the theoretical sciences, says Edwin Laermann. In the future, doctoral students in business administration and economics, physics, mathematics, and further disciplines will learn these methods together in joint seminars. At the same time, they should get to know models from other disciplines, says the mathematician Dr. Guido Elsner. The topic of a doctoral thesis is usually focused very narrowly on one s own subject. The young academics should be encouraged to adopt knowledge from other disciplines. This also includes looking for ways to apply the models from their own subject in the disciplines of their colleagues. Vice versa, this means that they also learn to apply and transform models from other disciplines in their own analyses, says Laermann. The BGTS speaker Röckner is confident that this interdisciplinary training will lead to the development of new theoretical concepts. The BGTS is an ideal environment for surprising lines of research and new perspectives. BI.RESEARCH // MANUFAKTUR FÜR MATHEMATISCHE MODELLE 08

9 Theoretical Sciences at Bielefeld University who is involved? 2 Central Academic Institutes Research Centre for Mathematical Modelling (RCM 2 ) Center for Mathematical Economics (IMW) Chemistry Biology Business Administration and Economics 6 Faculties Mathematics 4 International Graduate Programmes Physics Technology Bielefeld Graduate School in Theoretical Sciences (BGTS) Probabilistic Structures in Evolution (SPP 1590) Stochastics and Real World Models (igrk 1132) Bielefeld Graduate School for Economics and Management (BiGSEM) Economic Behaviour and Interaction Models (EBIM-iGRK 1134) Spectral Structures and Topological Methods in Mathematics (CRC 701) Theoretische Wissenschaften an der Universität Bielefeld wer ist beteiligt? 2 Research Networks BI.RESEARCH // A MATHEMATICAL MODELS MANUFACTURER 09

10 DIE WELT: EIN ZAHLENRÄTSEL? // THE WORLD: A NUMBER PUZZLE? BI.research hat nachgefragt: Wie kann die Mathematik helfen, die Welt zu erklären? // BI.research has made inquiries : how can mathematics help to explain the world? Aufgezeichnet von Jörg Heeren // Recorded by Jörg Heeren BI.RESEARCH // DIE WELT: EIN ZAHLENRÄTSEL? Professorin Dr. Lore Benz, Fakultät für Linguistik und Literaturwissenschaft: Größere Hochseeschiffe zu bauen, belastbarere Flugzeuge, schnellere Züge, höhere Wolkenkratzer, beeindruckende Brückenkonstruktionen und so weiter erfordert hoch trainierte, begabte Mathematiker, die sich kompliziertesten Optimierungsfragen, auch statischen Fragen, aber keineswegs nur solchen stellen müssen. Hilft diese Art von Mathematik nun, die Welt zu erklären? Ich würde sagen, sie hilft Geld zu sparen, und sie hilft ganz sicher auch, den Horizont zu erweitern. Was für eine philosophische Revolution, was für ein gewaltiger Beitrag zur Erklärung der Welt, dass ein Mensch die Erde vom Mond aus sieht und damit aus eigener Anschauung bestätigt, was Wissenschaftler wie Kopernikus erdacht haben und solche wie Galilei noch vor der Kirche als falsch abschwören mussten. Professor Dr. Lore Benz, Faculty of Linguistics and Literary Studies: Building ever larger ocean-going ships, planes that carry more passengers, faster trains, higher skyscrapers, impressive bridge constructions, and the like requires highly trained and gifted mathematicians mathematicians who have to deal with the most complicated optimization questions, also static questions, and many other questions besides. However, does this type of mathematics help to explain the world? I would say it helps to save money and it certainly also helps to expand horizons. What a philosophical revolution, what a tremendous contribution to explaining the world when humans view our earth from its moon and confirm with their own eyes what scientists like Copernicus had worked out and scientists like Galileo still had to renounce as lies before the church. Professor Dr. Rudolf vom Hofe, Institut für Didaktik der Mathematik (IDM): Nicht alles, was uns bewegt, was wir wünschen, glauben oder lieben, lässt sich mit Mathematik erfassen oder erklären. Aber bei vielen Fragen kann die Mathematik uns helfen, eine rationale Grundlage für unser Denken zu gewinnen und Licht in diffuse Ahnungen oder Vermutungen zu bringen dies gilt zum Beispiel für folgende Bereiche: Zählen und Messen ( Welche Ausmaße hat unsere materielle Welt? ), Muster und Strukturen ( Gibt es einen Bauplan für menschliche Zellen und wie lässt er sich entschlüsseln? ), Gesetzmäßigkeiten und Funktionen ( Wie funktioniert eine Suchmaschine im Internet? ) und Wahrscheinlichkeit und Prognosen ( Wie groß ist die Weltbevölkerung und wie wird sie sich in den nächsten Jahren entwickeln? ). Professor Dr. Rudolf vom Hofe, Institute for Didactics of Mathematics (IDM): It is not that everything that moves us, everything that we wish for, believe in, or love is simply grasped or explained by the use of mathematics. However, there are many issues in which mathematics can help us to gain a rational basis for our thoughts and clarify vague intuitions or conjectures this applies, for example, to the following domains: counting and measuring ( what are the dimensions of our material world? ), patterns and structures ( is there a blueprint for human cells, and how can it be decoded? ), regularities and functions ( how does a search engine work in the Internet? ), and probability and predictions ( how large is the world population and how will it develop over the next few years? ). 10

11 Professor Dr. Ingo Reichard, Fakultät für Rechtswissenschaft: Mathematik ist dem Namen entsprechend die Urform exakter Wissenschaft. Das Wunder besteht darin, dass sie nicht in jüngeren Disziplinen aufgegangen ist, sondern autonom fortlebt, auch soweit sie deren Lehrmeisterin oder deren Gehilfin geworden ist. Als einzige exakte Wissenschaft ist sie bis heute autonom auch im Sinne von vollkommener Selbstbezüglichkeit und Selbstzweckhaftigkeit. Mathematiker sind wirklich zu beneiden. Professor Dr. Ingo Reichard, Faculty of Law: Mathematics is, as its name indicates, the archetypically exact science. What is amazing is that it has not been absorbed into younger disciplines but lives on autonomously, regardless of how far it has become their teacher or their helper. As the only exact science, it has remained autonomous to this day also in the sense of being completely self-referential and autotelic. Mathematicians are truly enviable. Professorin Dr. Bärbel Fromme, Fakultät für Physik: Ohne Mathematik würden wir selbst die elementarsten, uns betreffenden Vorgänge im Weltall wie die Bewegung der Erde und der anderen Planeten um die Sonne nicht verstehen. Vermutlich würden wir immer noch annehmen, dass sich die Sonne um die Erde bewegt. Professor Dr. Bärbel Fromme, Faculty of Physics: Without mathematics, we wouldn t understand the most elementary processes in space that influence our lives - such as the movement of the earth and the other planets around the sun. Probably, we would still assume that the sun goes round the earth. Professorin Dr. Elke Wild, Fakultät für Psychologie und Sportwissenschaft, Abteilung für Psychologie: Die beste Antwort darauf gibt meines Erachtens Smilla Jaspersen in dem wunderbaren Roman Fräulein Smillas Gespür für Schnee von Peter Høeg. Sinngemäß beschreibt sie Mathematik als eine besonders reine, von kulturellen Voreingenommenheiten und persönlichen Erfahrungen weitgehend losgelöste Sprache. Weil sich mit ihr abstrakte und gerade auch komplexe Phänomene sehr gut beschreiben und modellieren lassen, spielt Mathematik nicht nur in den Naturwissenschaften, sondern auch in vielen sozialwissenschaftlichen Disziplinen eine große Rolle - in der Psychologie etwa wird sie genutzt, um Gesetzmäßigkeiten aufzudecken, denen das menschliche Erleben und Verhalten folgt. Professor Dr. Elke Wild, Faculty of Psychology and Sports Science, Psychology Department: In my opinion, Smilla Jaspersen gives one of the best answers to this in Peter Høeg s wonderful novel Miss Smilla s Feeling for Snow. Using an analogy, she describes mathematics as a particularly pure language that is broadly free from cultural biases and personal experiences. Because it can be used to describe and model abstract and also particularly complex phenomena so very well, mathematics is not just important in the natural sciences. It also plays a major role in many social science disciplines psychology, for example, uses it to uncover the regularities in human experience and behaviour. Professor Dr. Martin Carrier, Fakultät für Geschichtswissenschaft, Philosophie und Theologie, Abteilung Philosophie: Die Mathematik hilft auf zweierlei Weise bei der Welterklärung. Erstens gehen viele Physiker und Mathematiker davon aus, dass die grundlegenden Naturgesetze die Form mathematischer Beziehungen besitzen: Grundlagentheorien in der Physik von der klassischen Mechanik bis zum Standardmodell der Elementarteilchenphysik sind von mathematischer Beschaffenheit. Aber auch wenn die Wirklichkeit nicht von mathematischer Struktur ist, kann die Mathematik von großem Nutzen sein. Zum Beispiel hilft in der Biologie Mathematik bei der Beobachtung, beim Experimentieren oder bei der Computersimulation. Dieser Einsatz von Mathematik als Hilfswissenschaft ist unabhängig von der objektseitigen Mathematisierung. Professor Dr. Martin Carrier, Faculty of History, Philosophy, and Theology, Philosophy Department: Mathematics helps us to explain the world in two ways. First, many physicists and mathematicians assume that the fundamental laws of nature take the form of mathematical relationships: basic theories in physics ranging from classical mechanics to the standard model of elementary particle physics are all formulated mathematically. However, even if reality does not have a mathematical structure, mathematics can still be very useful. In biology, for example, mathematics is an aid to observation, experimentation, or computer simulations. This application of mathematics as an auxiliary science is independent from the mathematical nature of the relevant objects. BI.RESEARCH // THE WORLD: A NUMBER PUZZLE? 11

12 BILDRAUSCHEN ADÉ // NO MORE NOISE Neue stochastische Theorie hilft, undeutliche Bildpartien wieder erkennbar zu machen // Fuzzy parts of images can become recognizable again with a new stochastic theory Text: Rebecca Struck BI.RESEARCH // BILDRAUSCHEN ADÉ 12

13 Mehrere hundert Kilometer schweben Umweltsatelliten über der Erde. Auf den Bildern, die sie von Gebäuden, Orten und Landschaften machen, ist wegen Bildrauschens oftmals kaum etwas zu erkennen. Mit Bildrauschen beschreibt man störende Pixel, die mit dem eigentlichen Bildsignal nichts zu tun haben und als farbige, schwarze oder weiße Bildpunkte das Bild verfälschen. Schuld ist der Sensor, der bei zu wenig Licht Störsignale erzeugt. Mit verschiedenen technischen Verfahren kann dieses Problem jedoch behoben werden. Professor Dr. Michael Röckner von der Fakultät für Mathematik und sein Kollege Professor Dr. Viorel Barbu, Vizepräsident vom Octav Mayer Institut für Mathematik in Iaşi (Rumänien), haben sich dem Thema Bilderkennung mathematisch genähert und eine neue Lösungstheorie zur Rauschreduzierung aufgestellt. Ihre Gleichung kann nun genutzt werden, damit Computerprogramme das Bildrauschen wegrechnen. Voraussagen, wie sich ein Foto durch Bilderkennung verändert Mehr als ein Jahr haben sich die beiden international bekannten Mathematiker im Sonderforschungsbereich 701 der Universität Bielefeld Zeit genommen, um an dem Beweis und dessen Näherungsverfahren zu feilen. Sie gehen mit stochastischer Mathematik an das Problem heran, schauen also auf zeitlich geordnete zufällige Prozesse. Unsere Gleichung beschreibt den sogenannten totalen Variationsfluss, sagt Michael Röckner. Mit Hilfe der von Barbu und ihm entwickelten Evolutionsgleichung kann man voraussagen, wie sich die Pixel eines Bildes zu einem bestimmten Zeitpunkt entwickeln und was am Ende ihrer Bearbeitung zu einem anderen Zeitpunkt herauskommt. Wir können so feststellen, ob das Bild durch die Bearbeitung kräftiger oder schwächer wird, ob die Farben deutlicher oder matter werden und ob das Rauschen reduziert wird. Auch in der Physik werden Gleichungen dieses Typs angewandt, wenn man zum Beispiel Voraussagen treffen will, wie die Bahnen der Planeten um die Sonne verlaufen oder sich Luft- und Gasströme unter verschiedensten Bedingungen und Geschwindigkeiten verhalten. Das beste Beispiel hierfür ist der Windkanal in der Autoindustrie, sagt der 56-Jährige, der die Ergebnisse seiner Studie bereits an den Universitäten Cambridge, Okayama, Minneapolis und Pisa vorgestellt hat. Gleichung glättet Fotos Röckner und Barbu bauen mit ihrer Gleichung auf einer Arbeit des französischen Mathematikers Pierre Louis Lions auf. Dessen 1997 auf- Environmental satellites orbit several hundred kilometres above the earth. However, because of noise, you can often hardly recognize anything from the pictures they take of buildings, towns, and landscapes. Noise is what we call those little coloured or black-and-white points known as pixels when they distort the image even though they have nothing to do with the actual image signal. They are there because of the sensors: if they do not have enough light, they generate interference. A variety of technical procedures have been developed to overcome this problem. Professor Dr. Michael Röckner from the Faculty of Mathematics and his colleague Professor Dr. Viorel Barbu, Vice-President of the Octav Mayer Institute of Mathematics in Iaşi (Romania), have approached the topic of image recognition mathematically and proposed a new theory to solve the problem and reduce the noise. Computer programmes can now apply their equation to erase noise. Predicting how a photograph will be changed through image recognition The two internationally renowned mathematicians spent more than a whole year at Bielefeld University s Collaborative Research Centre 701 on refining their proof and the approximation method. They tackle the problem with stochastic mathematics, that is, they look at the temporally ordered random processes. Our equation depicts what is called the total variation flow, says Michael Röckner. With the help of the evolution equation developed jointly with Barbu, you can predict how the pixels in an image will develop at a certain point in time and the end-product of their processing at another point in time. That way, we can determine whether processing has made the image stronger or weaker, whether the colours are brighter or more subdued, and whether there is less noise. This type of equation is also used in physics, for example, to predict how planets orbit the sun or how streams of air and gas act under a range of different conditions and speeds. The best example of this is wind tunnels in the motor car industry, says the 56-year-old, who has already presented the results of the study at the Universities of Cambridge, Okayama, Minneapolis, and Pisa. Equation smoothes out the images Röckner and Barbu s equation is based on the work of the French mathematician Pierre Louis Lions. However, his equation from 1997 BI.RESEARCH // NO MORE NOISE 13

14 Michael Röckner hat zusammen mit einem Kollegen eine neue Lösungstheorie zur Rauschreduzierung aufgestellt. Die Gleichung kann in Computerprogramme integriert werden, um Bildstörungen wegzurechnen. // Together with a colleague, Michael Röckner presented a new theory to solve the problem of reducing noise. The equation can be integrated into computer programs and compute away the interference with the image. BI.RESEARCH // BILDRAUSCHEN ADÉ gestellte Gleichung ist deterministisch, lässt also Zufallseinflüsse außen vor. Michael Röckner und Viorel Barbu haben Lions Gleichung um eine stochastische Komponente erweitert. Der Grund: Neben dem Bildrauschen den störenden Pixeln, die in Farbe und Helligkeit von den eigentlichen Bildinformationen abweichen ist ein Bild immer auch beeinflusst von zufälligen Faktoren. Im Fall von Satellitenbildern treten diese schon bei deren Übertragung aus dem Orbit auf, selbst die bloße Darstellung einer Aufnahme auf dem Computerbildschirm wird davon beeinflusst. All diese wahrscheinlichen Störund Einflussfaktoren modellierten Röckner und Barbu in Form einer stochastischen Größe, die sie zu der Gleichung von Lions addierten. Das Ergebnis: Die Krater in der Landschaft von Bilddaten werden mathematisch gefüllt, die Abbildung geglättet. Es ist möglich, dass Bilder durch das Einbauen einer stochastischen Störung auch qualitativ schlechter werden, nicht so bei unserem Lösungsweg. Brownsche Bewegung macht realistischere Berechnungen möglich Was Röckner und sein Kollege addierten, um die zufälligen Einflüsse auf die Bilddaten zu beschreiben, ist auf dem Gebiet der Wahrscheinlichkeitsrechnung auch als Brownsche Bewegung bekannt: Es ist schier unheimlich, bei wie vielen Phänomenen sie auftritt, die sich dynamisch in der Zeit entwickeln wie in der Klimaforschung, der Quantenphysik oder zur Beschreibung von Zinskurven. Michael Röckners anschaulichstes Beispiel: die Eiszeit. Dem Milanković-Zyklus nach treten auf der Erde etwas alle Jahre Klimaschwankungen auf. Die Gleichung berücksichtigt aber keine zufälligen Störeinflüsse wie Vulkanausbrüche, Erdbeben oder die Treibhausgase. Bezieht man diese Variablen in Form einer Brownschen Bewegung wie im Beispiel der Bildbearbeitung mit ein, werden die Berechnungen laut Michael Röckner realistischer. Bilder können auch totgerechnet werden Ein besonderes Phänomen konnten Röckner und sein rumänischer Kollege jedoch auch durch die Addition einer stochastischen Störung nicht aus der Welt schaffen: Es kann passieren, dass die Bilddaten, die man anfänglich in die Gleichung einbringt, in endlicher Zeit komplett verloren gehen, wenn man zu lange rechnet. Es kommt zur Auslöschung der Lösung, die Berechnungen müssen von vorne gemacht werden. Die Bilddaten verschwinden auch trotz stochastischer Störung Röckner und Barbu brachten mit ihrer Lösung den is deterministic and therefore does not consider random effects. Michael Röckner and Viorel Barbu added a stochastic component. They did this because an image is always influenced by random factors alongside the noise the interfering pixels that deviate in colour and brightness from the actual information in the image. In satellite images, these random factors already interfere during the transmission from space; they even influence the display of a photo on a computer screen. Röckner and Barbu have modelled all these probable causes and perturbations in the form of a stochastic quantity, and added this to Lions equation. It fills in the craters in the landscape of the image data mathematically and smoothes out the image. Including a stochastic perturbation can lower the quality of images, but this is not the case with our approach. Brownian motion permits more realistic computations What Röckner and his colleague added to describe the random effects on the image data is known as the Brownian motion in the field of probability theory. It is almost uncanny to see how this emerges in so many phenomena that develop dynamically across time in, for example, climatology, quantum physics, or the description of interest rate curves. Michael Röckner uses ice ages to illustrate this. According to the Milanković cycles, climate variations occur on our earth once every 100,000 years. However, the equation does not consider random perturbations due to volcanic eruptions, earthquakes, or greenhouse gases. If you include these variables in the form of a Brownian motion as in the example of image processing, says Röckner, computations become more realistic. Images can also be calculated to death However, there is one particular phenomenon that Röckner and his Romanian colleague were unable to overcome by adding a stochastic effect: Sometimes, if you carry on calculating for too long, the image data you initially entered into the equation will become completely lost in finite time. The solution is erased, and you have to start your calculations all over again. The image data also disappear despite the stochastic perturbation Röckner and Barbu confirm this with their equation. In future, this could be relevant for image processing programmes. As a member of Bielefeld University s Cognitive Interaction Technology Cluster of Excellence (CITEC), Michael Röckner hopes he will be able to introduce similar mathematical methods in the field of robotics. 14

15 Die Brownsche Bewegung im Bild als grafische Lösung einer Gleichung dient dazu, zufällige Bewegungen darzustellen. Die Mathematiker Michael Röckner und Viorel Barbu haben sie benutzt, um in ihrer Theorie zufällige Einflüsse auf Bilddaten einzubeziehen. // The Brownian motion depicted here as a graphical solution to an equation is a way of depicting random movements. The mathematicians Michael Röckner and Viorel Barbu used it to integrate random influences on image data into their theory. Beweis. Dieser könnte in Zukunft für Bildbearbeitungsprogramme von Relevanz sein. Als Mitglied im Exzellenzcluster Kognitive Interaktionstechnologie (CITEC) der Universität Bielefeld hofft Michael Röckner, ähnliche mathematische Methoden auch im Bereich der Robotik einbringen zu können. Bisher können allerdings allein empirische Schätzungen und Wiederholungen Erkenntnisse liefern, innerhalb welcher Zeit Informationen unter stochastischem Einfluss schier totgerechnet werden. Aber an dem mathematischen Problem arbeiten wir bereits, lächelt Röckner. Denn sobald man sich ausruht, so der Mathematiker, hat man schon wieder das Gefühl, faul zu sein. Up to now, however, evidence on how much time it takes for the stochastic effect to calculate information to death can only be gained from empirical estimates and replications. But we are already working on the mathematical problem, says Röckner with a smile. Because as soon as you start relaxing, the mathematician says, you begin to feel lazy again. BI.RESEARCH // NO MORE NOISE 15

16 BI.RESEARCH // EINE SUPPE AUS QUARKS UND GLUONEN 16 EINE SUPPE AUS QUARKS UND GLUONEN // A SOUP OF QUARKS AND GLUONS Text: Jens Burnicki

17 Teilchenphysiker auf den Spuren des frühen Universums // Particle physicists on the trail of the early universe Der Weltraum: unendliche Weiten so kennen wir ihn heute. Doch werfen wir einen Blick zurück, wie alles begann. Unser ganzes Universum war in einem heißen, dichten Zustand, als vor fast 14 Milliarden Jahren die Ausdehnung begann. Der Urknall war der Startschuss. Ein spannendes Ereignis, auch für die Forscher Professor Dr. Edwin Laermann und Professor Dr. Frithjof Karsch von der Fakultät für Physik. Sie widmen sich der Frage: Welche Bedingungen herrschten unmittelbar nach dem großen Knall? Mithilfe eines 1,1 Millionen Euro teuren Hochleistungscomputers berechnen die Wissenschaftler das Wechselspiel von Quarks und Gluonen die elementaren Bausteine der Materie, aus der die Welt, wie wir sie kennen, besteht. Alles begann mit dem Urknall Für Forscher ist vor allem die Zeitspanne unmittelbar nach dem Urknall interessant, doch muss man mit dem Begriff Urknallforschung vorsichtig umgehen: Es werden verschiedene Phasen betrachtet, die für das normale Verständnis sehr kurz sind, erklärt Professor Laermann. Ihn und seine Kollegen interessiert vor allem, welche Zustände eine hunderttausendstel Sekunde nach dem Urknall herrschten. Für uns weniger als ein Wimpernschlag, aber in der Geschichte des Universums eine halbe Ewigkeit in der bereits viel passiert ist. Das Spannende an genau diesem Zeitpunkt: Dies ist der Moment, in dem Materie entsteht. Vereinfacht gesehen, ist dieser Vorgang vergleichbar mit dem Übergang von Wasser zu Eis. Laermann: Vorher gab es eine Suppe aus Quarks und Gluonen, die dann aufgrund der rapide sinkenden Temperaturen in die Form von Materie übergegangen ist, wie wir sie heute beobachten. Es entstehen Protonen und Neutronen, also feste Zusammenschlüsse von Quarks Jahre später wurden daraus im Zusammenspiel mit den Elektronen Atome und Moleküle, sagt Professor Karsch. Erst ab hier wurde das Universum durchsichtig. Zuvor machten die elektrisch geladenen Kerne und die Elektronen jeglichen Weitblick unmöglich: Alles war bis dahin ionisiert, da konnte man nicht durchschauen. Ein Supercomputer für numerische Simulationen Die Teilchenphysiker wollen erklären, wie das Universum seinen Anfang nahm. Irgendwann müssen die Kerne der leichten Elemente Space: infinite distances that s how we know it today. But let s go back and take a look at how it all began. When it started to expand almost 14 billion years ago, our entire universe was in a hot dense state. The Big Bang was the starting signal. An exciting event especially for the two researchers Professor Dr. Edwin Laermann and Professor Dr. Frithjof Karsch at the Faculty of Physics. They are asking: What conditions prevailed immediately after the Big Bang? With the help of a 1.1 million Euro high-performance computer, the scientists are investigating the interaction of quarks and gluons the elementary building blocks of matter from which the world as we know is composed. Everything began with the Big Bang For researchers, it is the timespan immediately following the Big Bang that is particularly interesting. Nonetheless, it is necessary to handle a term like Big-Bang research with caution. We are observing a variety of phases that are extremely short from a layperson s perspective, explains Professor Laermann. Together with his colleague, he is particularly interested in those states that existed onehundred-thousandth of a second after the Big Bang. For us, less than a blink of the eye; but in the history of the universe, half of eternity and in which a great deal had already happened. What is so exciting about precisely this point in time is that it is the moment when matter emerged. Viewed simply, what happened is comparable to the transformation from water to ice. Laermann says: Beforehand, there was a soup of quarks and gluons, but the rapid drop in temperature then transformed this into the type of matter we see today. Protons and neutrons emerge, that is, solid combinations of quarks. 300,000 years later, these interacted with electrons to become atoms and molecules, says Professor Karsch. It was only from this time onwards that the universe became transparent. Until then, the electrically charged nuclei and the electrons prevented any distant view: Until then, everything was ionized, you couldn t see through it. A supercomputer for numerical simulations The particle physicists want to explain how the universe began. At some stage, the nuclei of the light elements such as hydrogen and helium must have formed, says Laermann, the foundations were BI.RESEARCH // A SOUP OF QUARKS AND GLUONS 17

18 Edwin Laermann und sein Team setzen einen Hochleistungscomputer ein, um die Eigenschaften von Elementarteilchen zu berechnen. // Edwin Laermann and his team use a high-performance computer to work out the properties of elementary particles. BI.RESEARCH // EINE SUPPE AUS QUARKS UND GLUONEN wie Wasserstoff und Helium ja entstanden sein, sagt Laermann, die Grundlagen werden in der von uns betrachteten Quark-Gluon- Plasma-Phase gelegt. Aber wie das ganz genau geschah, das weiß man noch nicht. Um Aussagen über den von Laermann und Karsch gewählten Zeitpunkt treffen zu können, reichen Bleistift und Papier nicht aus. Die betrachteten Objekte sind nicht nur extrem klein und bewegen sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit, sondern üben auch starke Kräfte aufeinander aus. Hierfür braucht es numerische Simulationen, erklären die Physiker. Und an dieser Stelle kommt der Supercomputer ins Spiel. Das Vorgehen der Wissenschaftler basiert auf einer wesentlichen Grundbedingung: Der normale Raum ist kontinuierlich, so Laermann, immer wenn man etwas numerisch berechnen will, muss man aber diskretisieren. Das heißt: Zwischen einem Ort A und einem Ort B gibt es unendlich viele Punkte, deren Zahl endlich gemacht werden muss, damit ein Computer damit rechnen kann. Die Meteorologen machen das ganz genauso, sagt der Forscher. Ganz Deutschland ist im Wettercomputer mit einem Netz überzogen. Vor 20 Jahren waren die Maschen ungefähr 30 Kilometer weit. Die numerischen Computerberechnungen waren dementsprechend ungenau und konnten zum Beispiel nicht den Steigungsregen des Teutoburger Waldes berechnen, dafür waren die Netzknoten zu weit entfernt. Wie bei der Wetterberechnung gilt auch in der Physik: Je feiner man das Netz webt, desto präziser werden die Rechnungen. Der Grad der Präzision hängt unmittelbar mit der Leistung der Computer zusammen. Das aktuelle Rechnermodell, das Laermann und Karsch seit Anfang 2012 zur Verfügung steht, hat 400 Grafikprozessoren verbaut und eine Leistung von circa herkömmlichen PCs. Jüngste Ergebnisse sorgten für Überraschung Die Masse der Quarks zum Beispiel ist verhältnismäßig gering, sie sind also recht leicht. Je leichter ein betrachtetes Teilchen ist, desto schwieriger ist es, seinen Einfluss zu berechnen. Dafür war vor fünf Jahren die technische Ausrüstung noch nicht vorhanden. Erst im Laufe der letzten Jahre konnte man die Parameter der Quarks so im Rechner einstellen, wie sie wirklich gemessen wurden da hat sich so manche Überraschung gezeigt, sagt Laermann. Die wirklichkeitsnahe Rechnung kam zum Beispiel zu dem Ergebnis, dass die herrschenden Temperaturen direkt nach dem Urknall um etwa zwanzig Prozent unter denen lagen, die in bisherigen Rechnungen ermittelt laid in the quark-gluon-plasma phase we are studying. However, we still do not know what happened exactly. You need more than paper and a pencil to make statements about the point in time that Laermann and Karsch are focusing on. The objects they are analysing are not just extremely small and moving at almost the speed of light; they also exert strong forces on each other. This calls for numerical simulations, the physicists explain. And this is where the supercomputer comes in. The scientists approach is based on one essential precondition. Normal space is continuous, according to Laermann, however, whenever you want to calculate something numerically, you have to make it discrete. This means that there are an infinite number of points between a location A and a location B, but that this number has to be rendered finite before a computer can work with it. Meteorologists take exactly the same approach, the researcher says. The weather computer spans a grid over the whole of Germany. Twenty years ago, every square in the grid was about 30 kilometres across. The numerical computations were correspondingly imprecise and were unable to predict, for example, the rainfall on the windward side of the Teutoburg forest. The net nodes were simply too far apart. The same applies to physics: the finer the grid the more precise the computations. The level of this precision depends directly on the power of the computer. The current computer model available to Laermann and Karsch since the beginning of 2012 has 400 graphic processors and is as powerful as approximately 10,000 standard PCs. Latest findings cause a stir For example, quarks have a relatively low mass. In other words, they are very light. The lighter an observed particle is, the more difficult it is to calculate its influence. Five years ago, the necessary technical equipment was simply not available. It s only over the last few years that we have been able to use the quark masses as measured when setting their parameters in the computer and that led to a few surprises, says Laermann. The much more realistic calculation revealed, for example, that the prevailing temperatures immediately after the Big Bang were about twenty per cent lower than those ascertained in previous calculations. Karsch, Laermann, and their team have shown that the temperature was 1.78 trillion degrees that is about 100,000 times hotter than the interior of our sun. Naturally, this finding also influences our understanding of what must have happened before this point in time, Frithjof Karsch adds. 18

19 wurden. Karsch, Laermann und ihr Team zeigten, dass die Temperatur bei 1,78 Billionen Grad lag das ist etwa Mal höher als im Inneren der Sonne. Diese Erkenntnis beeinflusst natürlich auch das Verständnis davon, was vor diesem Zeitpunkt passiert sein muss, ergänzt Frithjof Karsch. Bielefelder Analysen werden mit Teilchenbeschleunigern geprüft Die Bielefelder Physiker arbeiten international mit den Kollegen der Europäischen Organisation für Kernforschung CERN in Genf und denen des Brookhaven National Laboratory in New York zusammen. Die Teilchenbeschleuniger LHC und RHIC an diesen Instituten spielen für die Forschung von Laermann und Karsch eine essentielle Rolle. Die Beschleuniger schaffen für kurze Zeit auf kleinstem Raum Zustände, wie sie im frühen Universum herrschten. Wir entwickeln Vorhersagen für die Experimente, die am CERN durchgeführt werden, sagt Laermann. Hier wird die Theorie dann bewiesen oder eben nicht. Das Ganze ist ein stetiges Wechselspiel. Wenn die Experimente zu anderen Ergebnissen als die der Theorie führen, dann wird die Theorie angepasst, und es werden anschließend neue Versuche unternommen. Kleinste Abweichungen in Berechnungen haben große Folgen Die Forschungsergebnisse der Bielefelder Teilchenphysiker liefern wichtige Informationen für das Verständnis des frühen Universums. Minimal präzisere Ergebnisse über den Ursprungs unseres Universums können zu weit auseinanderklaffenden Konsequenzen führen. Viele Fragen müssen noch geklärt werden. Professor Laermann: Unsere Resultate sind zum Beispiel für die Betrachtung des Inneren von real existierenden Sternen relevant. Aber wir sind von einer guten Theorie noch weit entfernt. Konkrete Nebenprodukte dieses Forschungszweiges findet man heute in beinahe jedem Krankenhaus: Teilchenbeschleuniger, deren Vorläufer am CERN entwickelt wurden. Sie werden heute in der Krebsforschung und der Therapie eingesetzt. Professor Karsch: Manchmal muss man sich mit den kleinen Dingen beschäftigen, um die großen Zusammenhänge zu begreifen. Ergebnis einer Kollision von Schwer-Ionen im Teilchenbeschleuniger am CERN. In der Forschungsanlage werden die Vorhersagen der Bielefelder Teilchenphysiker geprüft. // Outcome of a collision of heavy ions in the CERN particle accelerator. The research facility is testing the predictions of the Bielefeld particle physicists. Analyses from Bielefeld are being tested in particle accelerators Laermann and Karsch are cooperating internationally with colleagues at the European Centre for Nuclear Research CERN in Geneva and the Brookhaven National Laboratory in New York. The LHC and RHIC particle accelerators at these institutes are essential for the Bielefeld physicists research. These accelerators create the sort of states that prevailed in the early universe but only for a very short time in a very small space. We are formulating predictions for experiments that will be carried out at CERN, says Laermann. These will either confirm the theory or not. It s all a continuous interplay. If the results of the experiments differ from the theoretical predictions, then the theory will be adjusted and new experiments will be launched. Even the slightest deviations in calculations have major consequences The research findings of Bielefeld s particle physicists are making major contributions to our understanding of the early universe. Minimally more precise findings on the origins of our universe can have highly diverging consequences. Many questions still need to be answered. As Professor Laermann says, Our results are relevant if you want to know about, for example, the insides of real stars. But we are still far from having a good theory. Nonetheless, concrete byproducts of this line of research can be found today in almost every hospital: particle accelerators based on models developed at CERN. Nowadays, they are used in cancer research and treatment. As Professor Karsch tells us, Sometimes you have to look at the small things if you want to understand the broader contexts. Frithjof Karsch und seine Kollegen zeigten, dass die Temperatur direkt nach dem Urknall bei 1,78 Billionen Grad lag. // Frithjof Karsch and his colleagues demonstrated a temperature of 1.78 trillion degrees immediately after the Big Bang. BI.RESEARCH // A SOUP OF QUARKS AND GLUONS 19

20 BI.RESEARCH // SELBSTVERSCHULDETE RISIKEN BESTRAFEN SELBSTVERSCHULDETE RISIKEN BESTRAFEN // PENALIZING SELF-CREATED RISKS Interview: Jens Burnicki 20