Physiker errechnen Obergrenze für mögliche Quantelung der Zeit Wie schnell tickt die Universums-Uhr? - scinexx | Das Wissensmagazin
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Wie schnell tickt die Universums-Uhr?

Physiker errechnen Obergrenze für mögliche Quantelung der Zeit

Zeit
Ist die Zeit kontinuierlich oder gequantelt? Und wie lange dauert dann ein Zeitquant? © Nikki Zalewski/ iStock

Physiker streiten seit Jahrzehnten, ob die Zeit kontinuierlich ist oder ob es doch kleinste Zeiteinheiten gibt – eine Art universelles Grundticken. Wie lang einer dieser Ticks dann dauern dürfte, haben Forscher nun ausgerechnet. Demnach dürfte dieser universelle Grundtakt der Quantenzeit nicht länger als 10-33 Sekunden dauern. Das liegt weit jenseits dessen, was mit Atomuhren messbar ist – dennoch könnte es einen Weg geben, um die Existenz dieses Universaltakts zu belegen.

Seit Albert Einstein ist klar: Die Zeit ist eine kontinuierliche Größe, die je nach Gravitation und Beschleunigung mal langsamer und mal schneller vergehen kann – das gibt die Allgemeine Relativitätstheorie vor und das lässt sich auch mithilfe von Atomuhren messen. Doch in der Quantenmechanik gelten andere Regeln. Sie erfordert, dass die Zeit universell ist und mit stetigem Takt voran tickt.

Ist die Zeit gequantelt?

Wie aber lässt sich dieser Widerspruch vereinen? Eine Lösung wäre, von einer „gequantelten“ Raumzeit auszugehen, wie es unter anderem die Quantengravitation tut. Nach dieser ist die Raumzeit keine kontinuierliche Matrix, sondern in kleinste Einheiten unterteilt. Diese „Raumzeit-Pixel“ müssten dann der Planck-Länge von 10-35 Metern entsprechen – sie sind damit viel zu klein, um nachweisbar zu sein.

Doch was heißt das für die Zeit, die ja nach Einstein untrennbar mit dem Raum verknüpft ist? Die Quantelung der Raumzeit erfordert, dass auch die Zeit in diskreten „Paketen“ abläuft. Demnach müsste es eine Art Universums-Uhr geben, deren Ticken die kleinstmögliche Zeiteinheit im Kosmos markiert. Ein solcher universeller Zeitgeber würde ähnlich wie das massengebende Higgs-Feld das gesamte Universum durchdringen und mit der Materie wechselwirken.

Ein Tick dauert weniger als 10 hoch -33 Sekunden

Doch wie schnell tickt dann diese Universums-Uhr? Das haben nun Martin Bojowald und sein Team von der Pennsylvania State University versucht, theoretisch zu ermitteln. In ihrem Modell ist die Universums-Uhr ein Quanten-Oszillator, ein System, das regelmäßig zwischen zwei Zuständen wechselt. Um nun den Takt dieses Oszillators zu bestimmen, koppelten sie ihn mit einem zweiten weit langsameren Oszillator, ähnlich einer Atomuhr. Die Kopplung erforderte, dass die Nettoenergie der beiden zusammen immer gleich bleibt.

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Der Clou dabei: Diese Bedingung führt dazu, dass sich die beiden Oszillatoren im Laufe der Zeit desynchronisieren. Anhand dieses Auseinanderlaufens beider Modelluhren haben Bojowald und seine Kollegen ermittelt, dass der universelle Oszillator nicht langsamer ticken darf als 10-33 Sekunden. Ein Tick der Universal-Uhr ist demnach eine Billarde Mal kürzer als das Ticken der besten heutigen Atomuhren.

Desynchronisierung als Indikator?

Doch das ist noch nicht alles: Das neue Modell verrät auch, wie man die Existenz einer solchen Universal-Uhr vielleicht nachweisen könnte. Denn durch die physikalisch vorgegebene Desynchronisierung wäre es für jede normale Atomuhr schier unmöglich, auf Dauer ihren Takt konstant zu halten. Selbst wenn sie noch so präzise ist, wird ihr Gleichtakt durch die Wechselwirkung mit dem Universums-Taktgeber gestört, wie Bojowald und seine Kollegen erklären.

Das bedeutet, das es für solche Uhren eine absolute Grenze der Präzision gibt. Selbst mit allen vorstellbaren technischen Verbesserungen lassen sich keine Uhren konstruieren, die bis in alle Ewigkeit ihren Takt genau halten. Würde man nun zwei Atomuhren konstruieren, die ziemlich genau am Präzisionslimit laufen, könnte ihre Abweichung verraten, ob es den universellen Takt gibt oder nicht.

„Dieses Verhalten könnte Forschern erlauben zu bestätigen, dass die Zeit eine fundamentale Periode besitzt“, so Bojowald. Noch allerdings sind selbst die modernsten Atomuhren noch zu weit von dieser Präzisionsgrenze entfernt. Dennoch macht das Modell der Physiker zumindest Hoffnung darauf, dass das Rätsel der Zeit vielleicht doch eines Tages gelöst werden kann. (Physical Review Letters, 2020; doi: 10.1103/PhysRevLett.124.241301)

Quelle: American Physical Society APS

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