Das Projekt betrifft spezifische, hochaktuelle Fragen zur Entstehung, Rolle und Aufdeckung von Struktur in einem weiten Bereich von Naturphänomenen, von der subatomaren Teilchenphysik zur Kosmologie, und von der fundamentalen Quantenphysik zur Neurowissenschaft, wie etwa: warum gibt es Planeten und nicht nur Staub in der Umgebung von Sternen, wie endete das ‚dunkle Zeitalter‘ des Universums durch die Entstehung der ersten Sterne, wie können wir neuronale Aktivitätsmuster besser verstehen, und wie funktioniert die Selbstorganisation in biophysikalischen Systemen und in Quantenmaterie?

Das Zusammenspiel physikalischer Prozesse, die auf ganz verschiedenen Längen und Zeitskalen wirken, bringt einen enormen Reichtum an Phänomenen hervor, erschwert aber eine quantitative Analyse. Es ist eine zentrale Idee von STRUKTUREN, dass diese unterschiedlichen Phänomene durch einheitliche Konzepte beschrieben werden können. Diese testen wir in kontrollierten Modellsystemen. Die Kombination mathematischer Theorie, numerischer Simulation und neuartiger analoger Rechner in Heidelberg ist hierfür einzigartig.

Die enge Zusammenarbeit von Physik, Mathematik und Informatik ist für den Cluster zentral. Wir wenden neue topologische und geometrische Konzepte auf Datenanalyse und Dynamik an und untersuchen große Netzwerke mit Methoden der Quantenfeldtheorie und statistischen Mechanik. So werden mathematische Prinzipien und Strukturen sichtbar, die vereinheitlichend hinter den Kulissen der Phänomene stehen.

Die Untersuchung mathematischer Objekte per se ist daher eine entscheidende Komponente der Forschung innerhalb von STRUKTUREN. Heidelberg ist der Ort für diese Forschungsprojekt – ein internationales Zentrum der Renormierungsgruppentheorie und Quantendynamik, der Entwicklung und Anwendung von Multiskalen-Simulationsmethoden, und einer von weltweit drei Orten, an denen funktionsfähige neuromorphe Hardware betrieben wird.

STRUKTUREN geht aus der interdisziplinären akademischen Umgebung hervor, die sich im Rahmen der Exzellenzinitiative entwickelt hat, und wird die Vernetzung von Physik, Mathematik und Informatik in Heidelberg auf eine neue Ebene heben. Das STRUCTURES College ist ein Fokus interdisziplinärer Forschung und Lehre in diesen Fachgebieten. Durch das STRUCTURES Training and Education Programm for Success (STEPS) fördern wir Menschen in frühen wissenschaftlichen Karrierephasen und erhöhen die Diversität und Familienfreundlichkeit unseres Umfelds. Indem wir große Fragen angehen, bilden wir auch eine neue Generation von Forscher*innen aus, die neue Ideen und Dynamik in Grundlagenforschung, Technik und Gesellschaft einbringen wird.

Beteiligte Institutionen:

• Zentralinstitut für Seelische Gesundheit
• Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS)
• Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA)
• Max-Planck-Institut für Kernphysik