Tag: Relativitätstheorie

 

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.

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.

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?

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.

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.

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 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.

Professor Barontini testete die Theorie der „entropischen Zeit“ anhand seines Universums im Labor und fand überraschend drei Phasen der Zeit:

„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.

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.