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Kategorientheorie: Die Mathematik der Mathematik

Kommt man bei einem Problem nicht weiter, hilft es manchmal, Abstand zu nehmen und einen frischen Blick darauf zu werfen. So auch in der Mathematik: Die Vogelperspektive liefert neue Erkenntnisse, bringt aber Schwierigkeiten mit sich.
Mädchen mit Freude an Mathematik und Technik unter Hirn-Taschenrechner-Interface

An einem kühlen Herbsttag während meines Grundstudiums in Neuengland lief ich an einer U-Bahn-Station vorbei, als mir etwas ins Auge fiel. Da stand ein Mann neben einigen mathematischen Rätseln, die er an eine Wand gekritzelt hatte, und forderte die Passanten auf, sie zu lösen. Eines davon verlangte – mit nichts weiter als einem imaginären Lineal und Zirkel ausgestattet –, aus einem vorgegebenen Würfel einen mit doppelt so großem Volumen zu machen.

Das ließ mich innehalten, denn ich hatte diese Aufgabe schon einmal gesehen. Tatsächlich ist sie mehr als 2000 Jahre alt und wird Platon zugeschrieben. Mit Hilfe des Lineals kann man ein Liniensegment in jede beliebige Richtung verlängern, und der Zirkel ermöglicht es, einen Kreis von einem gewählten Mittelpunkt aus zu zeichnen. Der Knackpunkt des Rätsels: Alle gezeichneten Punkte und Geraden, die im Ergebnis auftauchen, müssen entweder schon im Ausgangswürfel enthalten sein oder sich daraus konstruieren lassen.

Wenn die Seitenlänge des zu verdoppelten Würfels eins beträgt, muss man die Seiten um den passenden Faktor verlängern. Dieser entspricht dem Wert ∛2. Das klingt zunächst vielleicht nicht besonders kompliziert, aber die Länge darf nur mit Hilfe eines Lineals und eines Zirkels abgemessen werden. Und das gestaltet sich extrem schwierig. Mehr als 2000 Jahre lang gelang es niemandem, das Rätsel zu lösen. 1837 lieferte der Mathematiker Pierre Laurent Wantzel schließlich die Erklärung dafür, indem er bewies, dass das Problem nicht zu knacken ist …

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Spektrum - Die Woche – Wie die Guinness-Brauerei den t-Test erfand

Wer hätte gedacht, dass eine Brauerei der Geburtsort für eine der wichtigsten mathematischen Methoden ist? Dem Guiness-Bier haben wir zu verdanken, dass Ergebnisse in der Wissenschaft als statistisch signifikant gewertet werden können. Außerdem in dieser »Woche«: Wie Rauchen das Immunsystem stört.

Spektrum der Wissenschaft – Fraktale

Seit Jahrzehnten arbeitet eine kleine Gruppe von Mathematikern an den letzten Geheimnissen des wohl bekanntesten Fraktals. Ihre Geschichte zeigt, wie technische Fortschritte selbst die abstraktesten mathematischen Gebiete voranbringen. Ein Durchbruch zur Entschlüsselung der Mandelbrot-Menge dürfte kurz bevorstehen. Außerdem im Heft: Bartenwale sind die Giganten der Meere. Ihre Nahrung besteht jedoch aus winzigen Planktonorganismen. Wie spüren die Wale das Futter in den Weiten des Ozeans auf? Drei Bierforscher interessieren sich für moderne und alte Hefestämme rund um das Brauen von Bier. Kryptografen und -innen arbeiten auf Hochtouren daran, neuartige Algorithmen zu entwickeln, die den Fähigkeiten künftiger Quantencomputer standhalten können. Es gibt einige vielversprechende Kandidaten, doch einige davon wurden bereits geknackt.

Sterne und Weltraum – Schwarze Löcher – Gibt es Singularitäten doch nicht?

Der Mathematiker Roy Kerr fand einen vermeintlichen Fehler in der Beschreibung schwarzer Löcher durch Roger Penrose und Stephen Hawking. Lesen Sie, weshalb seine Argumente nicht stichhaltig sind. Der Asteroid Apophis wird sich im April 2029 der Erde dicht annähern. Die ESA plant mit ihrer Mission RAMSES den etwa 350 Meter großen Gesteinsbrocken zu begleiten. Wir stellen die Initiative „Astronomie als Kickstarter“ in Schulen vor und komplettieren unsere Serie „Der Weg zum Deep-Sky-Foto“ anhand konkreter Arbeitsschritte in Bildbearbeitungsprogrammen.

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  • Quellen

Baez, J.: An introduction to n-categories. In: Moggi, E., Rosolini, G. (Hg.): Category Theory and Computer Science, Springer, 1997

Cheng, E.: How to Bake Pi: Easy Recipes for Understanding Complex Maths, Profile Books 2019

Riehl, E., Verity, D.: Infinity category theory from scratch. ArXiv 1608.05314, 2016

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