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25 Milliarden Neutronen sollen Existenz einer Spiegelwelt belegen

Würde die Theorie der Spiegelwelt stimmen, gäbe es für jede Art Elementarteilchen einen entsprechenden „Zwilling“. - Foto: bestdesigns/iStock

In Kürze:

  • Laut einer Hypothese könnte im Weltall eine für uns unsichtbare Spiegelwelt existieren.
  • Sich dabei verwandelnde Elementarteilchen könnten so Erscheinungen wie die Dunkle Materie erklären.
  • Physiker aus der Schweiz sind dieser Idee nachgegangen und haben dafür 25 Milliarden ultrakalten Neutronen untersucht.
  • In ihrem Experiment konnten die Forscher keine Verwandlung in Spiegelneutronen feststellen und halten die Hypothese daher für unwahrscheinlich.
 
Es klingt wie eine Idee aus der Science-Fiction, doch sie stammt von renommierten Forschern aus der theoretischen Physik: Neben unserer gewöhnlichen Realität könnte es eine sogenannte Spiegelwelt geben. Dabei besäße jede Art Elementarteilchen einen entsprechenden „Zwilling“, sodass es Spiegelelektronen genauso wie Spiegelprotonen oder Spiegelneutronen gäbe.
Laut dieser Hypothese sind allerdings kaum Wechselwirkungen zwischen normalen und Spiegelteilchen zu erwarten. „Im Wesentlichen spüren sich beide Teilchensorten gegenseitig über die Gravitationskraft“, erklärte Geza Zsigmond, Wissenschaftler am Zentrum für Neutronen- und Myonenforschung des Paul Scherrer Instituts (kurz PSI) in der Schweiz.
Trotz jahrzehntelanger Suche konnten diese mysteriösen Spiegelteilchen nie nachgewiesen werden. Ergebnisse von jüngsten Experimenten in Frankreich haben die Hoffnung auf Spiegelneutronen leben lassen. Doch nun sehen PSI-Forscher mit ihrem neuen Experiment, das weltweit unübertroffene Präzision erzielt hat, die Sache anders: Mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit kann man die Verwandlung von Neutronen in ihre Spiegelversion ausschließen.

Die Suche nach dem Unmöglichen?

Gerade weil Spiegelteilchen fast keine Wechselwirkung mit normaler Materie eingehen, ist die Suche nach ihnen sehr schwierig. Sie treten nur auf zwei Weisen mit unserer bekannten Materie in Kontakt: entweder über die Schwerkraft oder über seltene Oszillationen neutraler Teilchen.
Deshalb gelten Spiegelteilchen auch als Kandidaten für die sogenannte Dunkle Materie. Denn diese macht zwar wesentlich mehr Masse im Universum aus als unsere gewöhnliche Materie, aber ihre Natur ist völlig unverstanden. Gerade weil Spiegelteilchen so schwach mit unserer Welt wechselwirken, könnten sie für die Dunkle Materie verantwortlich sein.
„Es gibt keine Chance, die Existenz von Spiegelteilchen rein über die Schwerkraft nachzuweisen“, sagt Forschungsleiter Bernhard Lauss vom PSI. „Wir haben uns deshalb auf die andere Eigenschaft von Spiegelteilchen konzentriert, nämlich dass neutrale Teilchen gemäß dieser Hypothese zwischen unserer normalen Materie und der Spiegelwelt hin und her oszillieren könnten.“
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Ein neutrales Teilchen wie das Neutron könnte also – sehr selten – einfach von unserer Weltbühne verschwinden und sich in ein Spiegelteilchen verwandeln. Nach einiger Zeit könnte es dann wie aus dem Nichts wieder auftauchen.
„Neutronen bieten sich für diese Untersuchung an, weil sie erstens elektrisch neutral sind und weil sie zweitens eine seltsame Eigenschaft besitzen“, ergänzt Zsigmond. „So scheinen Neutronen unterschiedliche Lebensdauern zu besitzen, je nachdem auf welche Weise man diese misst.“ Ein Teil dieser Diskrepanz könnte daran liegen, dass manche Neutronen während der Messung in die Spiegelwelt „abtauchen“.

Keine Hinweise auf eine Spiegelwelt gefunden

Um diesem eigenartigen Verhalten auf die Schliche zu kommen, haben die PSI-Forscher zusammen mit internationalen Kollegen ein ausgeklügeltes Experiment ersonnen. Sie haben Neutronen stark abgebremst und auf diese Weise sogenannte ultrakalte Neutronen erzeugt. Diese haben sie dann in einem speziellen, unmagnetischen Vakuum-Edelstahltank gefangen.
Auf diese Weise hat das Team alle fünf Minuten rund 1,5 Millionen Neutronen in dem Edelstahltank gespeichert. Nach jeweils rund 200 Sekunden wurde er entleert und die Forscher ermittelten, wie viele Neutronen noch erhalten waren. Würden Neutronen in dieser Zeit in die Spiegelwelt verschwinden, würden sie der Leerung entgehen und in der anschließenden Zählung fehlen. Dies wurde über mehrere Monate hinweg wiederholt, um alle relevanten Bereiche abzuscannen, bei denen Oszillationen zwischen Neutronen und Spiegelneutronen zu erwarten gewesen wären – doch ohne Erfolg.
„Mit diesen Ergebnissen lassen sich alle bisherigen Spekulationen zur Verwandlung in Spiegelteilchen mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit ausschließen“, so die Forscher.
Die Studie erschien am 28. Juli 2026 im Fachmagazin „Physical Review Letters“.
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Experiment im Labor: Zeit läuft vorwärts, langsamer oder steht still

Einstein könnte recht gehabt haben, als er sagte: Zeit ist relativ. - Foto: FlashMovie/iStock

In Kürze:

  • „Was ist Zeit?“ ist eine der ältesten Fragen, der Menschen seit mehr als 2.000 Jahren nachgehen.
  • Ein britischer Forscher hat in seinem Labor ein kleines Universum erschaffen und erstmals Zeit ohne Uhr gemessen.
  • Anhand 24.000 ultrakalter Atome erkannte er, dass Zeit vorwärts und langsamer laufen, aber auch stillstehen kann – je nachdem, wie viel Aufmerksamkeit wir ihr schenken.
 
Kennen Sie auch diesen Moment? Sie sitzen vor einer unangenehmen Aufgabe oder sehnen sich nach etwas, ein Blick zur Uhr, doch die Zeiger wollen sich einfach nicht bewegen. Es scheint fast, als stünde die Zeit still. Andererseits verfliegt sie, wenn man nicht ihr, sondern den schönen Dingen seine Aufmerksamkeit schenkt. Als wäre die Zeit, wie Albert Einstein glaubte, relativ.
Doch was ist eigentlich Zeit? Dies ist eine der größten Fragen der Wissenschaft, auf die Naturforscher, Philosophen und Theologen seit Jahrtausenden eine Antwort suchen. Um aus physikalischer Sicht einen Beitrag zu dieser Thematik zu liefern, hat ein Wissenschaftler der Universität Birmingham in seinem Labor ein „Mini-Universum“ erschaffen. Damit zeigt er, wie man den Fluss der Zeit messen kann, ohne dabei eine Uhr zu verwenden, und indirekt, wie sie sich verhält.

Die Frage aller wissenschaftlichen Fragen

Seit der Mensch seine Umgebung und ihre Gesetze erforscht, gibt es unterschiedliche Vorstellungen vom Wesen der Zeit. Zunächst sahen Gelehrte wie Platon (427–347 v. Chr.) oder Augustinus von Hippo (354–430) darin eine irdische „Erfindung“, womit die Zeit mit der Welt entsteht und vergeht. Diese Vorstellung ist auch im christlichen Glauben mit dem Tag des Jüngsten Gerichtes vertreten.
Später entwickelte sich die Idee hin zu einer absoluten Zeit, wie Isaac Newton (1643–1727) und Immanuel Kant (1724–1804) sie vertraten, wonach diese unabhängig von Mensch und Erde existiert.
Mit den technischen Fortschritten lieferten Naturwissenschaftler zahlreiche neue Theorien zur Zeit. Einer von ihnen war der Schweizer Physiker Albert Einstein mit seiner Relativitätstheorie. Er entdeckte, dass aufgrund unterschiedlich starker Bewegungen oder Gravitationsfelder die Zeit gefühlt und je nach Blickpunkt mal langsamer und mal schneller laufen kann.
Albert Einstein um 1921 in Wien

Für Albert Einstein war Musik ein wichtiger Teil in seinem Leben. Nicht nur ihr Empfinden, sondern auch ihre zeitliche Abfolge ist relativ.

Foto: gemeinfrei

Die Quantenmechanik scheint diese Theorie, dass Zeit relativ ist, zu unterstützen. So vergeht das Leben eines Menschen, der aus unzähligen Atomen besteht, im Laufe eines Jahrhunderts, während die winzigen Atome selbst nicht altern und zeitlos sind. Doch wie sieht das außerhalb der Erde aus?
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Besitzt das Universum so etwas wie Zeit?

Einige physikalische Theorien, wie etwa die Wheeler-DeWitt-Gleichung (eine Kombination aus Quantenmechanik und Relativitätstheorie), legen nahe, dass dem Universum auf seiner tiefsten Ebene keine Zeit innewohnt.
Stattdessen existiere der Kosmos als einziger, unveränderlicher Quantenzustand, wo Teilchen sowohl wellenartige als auch teilchenartige Eigenschaften aufweisen. Dabei wird das Universum als Ganzes ohne externe Uhr betrachtet.
Jegliches Zeitgefühl müsse sich demnach aus den internen Beziehungen zwischen den Teilen ergeben, was auch als relationale Zeit bezeichnet wird. Diese Theorie war zwar nicht neu, jedoch noch nie direkt im Labor getestet worden. Das wollte Giovanni Barontini, Professor für Physik an der Universität Birmingham in England, mit seinem Mini-Universum im Labor ändern.
Giovanni Barontini, Professor für Physik an der Universität Birmingham, hat in seinem Labor ein „Mini-Universum“ erschaffen und erstmals Zeit ohne Uhr gemessen. Foto: University of Birmingham

Giovanni Barontini, Professor für Physik an der Universität Birmingham, hat in seinem Labor ein „Mini-Universum“ erschaffen und erstmals Zeit ohne Uhr gemessen.

Foto: University of Birmingham

Mini-Universum im Labor

Prof. Barontini nutzte dafür eine Wolke aus 24.000 ultrakalten Atomen, auch Bose-Einstein-Kondensat genannt. Sie weist eine Temperatur von nur wenigen Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt auf. Damit erschuf der Physiker ein hermetisch abgeschlossenes Quantensystem, das ein einfaches „Universum“ nachahmt.
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Die Teilchen wurden mit einer durch einen Laserstrahl gebildeten dünnen Barriere eingefangen und geteilt, um einen beobachteten („hellen“) und einen unbeobachteten („dunklen“) Bereich zu erzeugen. Die Atome konnten sich zwischen dem „hellen“ und dem „dunklen“ Bereich bewegen, ansonsten war das System jedoch von der Außenwelt isoliert. Damit hatte es auch nichts, was als Uhr dienen konnte.

Die „Wolke“ im Inneren der Glaszelle ist eine magnetooptische Falle für Atome. Hier herrschen Temperaturen von etwa 0,0001 Grad über dem absoluten Nullpunkt.

Foto: University of Birmingham

Die Atome im „hellen“ Bereich bewegten sich in der Falle hin und her und flossen in regelmäßigen Abständen über die Barriere hinaus. Barontini bezeichnete diese Momente als „Urknall“. Kamen die Atome jedoch wieder zurück in die Barriere, bezeichnete der Physikprofessor dies als „Big Crunch“. Dabei handelt es sich um ein hypothetisches Szenario, bei dem sich die Expansion des Kosmos umkehrt.
Anschließend verfolgte er, wie Entropie – ein Maß für Unordnung oder Streuung der Atome und ihrem Verhalten innerhalb eines Systems – zwischen den beiden Hälften ausgetauscht wurde, während die Atome die Barriere überquerten. Anstatt eine Uhr im Labor zur Ordnung der Ereignisse heranzuziehen, entwickelte er eine „entropische Zeit“. Diese war ausschließlich dadurch definiert, wie viel Entropie zwischen den beiden Hälften des Systems floss.

Die drei Phasen der Zeit

Professor Barontini testete die Theorie der „entropischen Zeit“ anhand seines Universums im Labor und fand überraschend drei Phasen der Zeit:
  • floss Entropie, also nahm die Streuung der Teilchen im hellen Bereich zu oder ab, lief die Zeit vorwärts
  • verlangsamte sich der Austausch der Atome, verlangsamte sich auch die Uhr
  • erreichten beide Hälften ein Gleichgewicht, also gab es keinen Entropiefluss mehr, stand die Zeit still
„Die Studie liefert den ersten kontrollierten experimentellen Beweis dafür, dass ‚Zeit‘ durch Veränderungen innerhalb eines Systems definiert werden kann und nicht als die externe ‚tickende Uhr‘, die wir als Zeit verstehen“, erklärte Prof. Barontini.

Zeitgefühl erklärt durch Unwissenheit oder Schrödingers Katze

Sowohl die Zeit selbst als auch die Richtung, in die eine Zeit fließt (sogenannte Zeitpfeil), könnten demnach aus einer Quelle stammen: einem Beobachter, der auf Informationen verzichtet.
Als Barontini beschloss, den dunklen Bereich nicht zu betrachten, verzichtete er auf das Wissen über diese Hälfte des Systems. Dieser Akt der Unwissenheit, der in der Entropie kodiert ist, war es, der in der anderen Hälfte die Zeit entstehen ließ. Dies erinnert stark an Schrödingers Katze, die gleichzeitig tot und lebendig ist – je nachdem, ob man in den Karton sieht oder nicht.
„Sowohl die Zeit als auch der Pfeil der Zeit – vielleicht entstehen sie einfach aus Unwissenheit“, resümiert Barontini. „Um Zeit zu haben und zu beobachten, muss man auf gewisse Freiheitsgrade verzichten.“
Schenken wir in unliebsamen Momenten den Uhren also keine Aufmerksamkeit, können wir uns vielleicht künftig schneller den schönen Momenten im Leben widmen.
Die Studie erschien am 11. Juni 2026 in der Fachzeitschrift „Physical Review Research“.
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