Eine neue Studie legt nahe, dass Zeit möglicherweise kein grundlegendes Element des Universums ist, sondern eher eine Illusion, die aus der Quantenverschränkung entsteht.
Zeit ist für Physiker ein heikles Problem; Sein inkonsistentes Verhalten zwischen unseren besten Theorien des Universums trägt zu einem Stillstand bei, der Forscher daran hindert, eine „Theorie von allem“ oder einen Rahmen zur Erklärung der gesamten Physik im Universum zu finden.
Aber in der neuen Studie vermuten die Forscher, dass sie möglicherweise einen Hinweis zur Lösung dieses Problems gefunden haben: indem sie die Zeit zu einer Folge der Quantenverschränkung machen, der seltsamen Verbindung zwischen zwei weit voneinander entfernten Teilchen. Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse am 10. Mai in der Zeitschrift Physical Review A.
„Es gibt eine Möglichkeit, Zeit einzuführen, die sowohl mit klassischen Gesetzen als auch mit Quantengesetzen im Einklang steht und eine Manifestation der Verschränkung ist“, sagte Erstautor Alessandro Coppo, ein Physiker am Nationalen Forschungsrat Italiens, gegenüber WordsSideKick.com. „Die Korrelation zwischen der Uhr und dem System führt zur Entstehung der Zeit, einem grundlegenden Bestandteil unseres Lebens.“
Es ist Zeit
In der Quantenmechanik, unserer besten Theorie der mikroskopischen Welt, ist Zeit ein festes Phänomen – ein unaufhaltsamer, unidirektionaler Fluss von der Vergangenheit in die Gegenwart. Es bleibt außerhalb der bizarren und sich ständig verändernden Quantensysteme, die es misst, und kann nur durch die Beobachtung von Veränderungen an externen Einheiten, wie etwa den Zeigern einer Uhr, gesehen werden.
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Doch gemäß Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie – die größere Objekte wie unsere Körper, Sterne und Galaxien beschreibt – ist die Zeit mit dem Raum verwoben und kann bei hohen Geschwindigkeiten oder in Gegenwart der Schwerkraft verzerrt und gedehnt werden. Dies führt dazu, dass unsere beiden besten Realitätstheorien in einer grundsätzlichen Sackgasse stecken. Ohne ihre Lösung bleibt eine kohärente Theorie von allem unerreichbar.
„Es scheint, dass es eine ernsthafte Inkonsistenz in der Quantentheorie gibt“, sagte Coppo. „Das nennen wir das Problem der Zeit.“
Um dieses Problem zu lösen, wandten sich die Forscher einer Theorie namens Page- und Wootters-Mechanismus zu. Die 1983 erstmals vorgeschlagene Theorie besagt, dass die Zeit für ein Objekt durch seine Quantenverschränkung mit einem anderen Objekt entsteht, das als Uhr fungiert. Für ein entflochtenes System hingegen existiert keine Zeit und das System nimmt das Universum als eingefroren und unveränderlich wahr.
Durch die Anwendung des Page- und Wootters-Mechanismus auf zwei miteinander verschränkte, aber nicht wechselwirkende theoretische Quantenzustände – einer ist ein schwingender harmonischer Oszillator und der andere ein Satz winziger Magnete, die als Uhr fungieren – stellten die Physiker fest, dass ihr System perfekt durch die Schrödinger-Gleichung beschrieben werden konnte sagt das Verhalten von Quantenobjekten voraus. Doch statt der Zeit orientierte sich ihre Version der berühmten Gleichung an den Zuständen der winzigen Magnete, die als Uhr fungierten.
Diese Erkenntnis ist nicht neu, aber der nächste Schritt des Teams war. Sie wiederholten ihre Berechnungen zweimal und gingen zunächst davon aus, dass die Magnetuhr und dann der harmonische Oszillator makroskopische (größere) Objekte seien. Ihre Gleichungen wurden zu denen der klassischen Physik vereinfacht, was darauf hindeutet, dass der Zeitfluss selbst bei Objekten auf großen Skalen eine Folge der Verschränkung ist.
„Wir glauben fest daran, dass die richtige und logische Richtung darin besteht, von der Quantenphysik auszugehen und zu verstehen, wie man zur klassischen Physik gelangt, und nicht umgekehrt“, sagte Coppo.
Andere Physiker haben Vorsicht geäußert. Obwohl sie den Page- und Wootters-Mechanismus für eine faszinierende Idee für die Quantenursprünge der Zeit hielten, sagten sie, er habe noch nichts Überprüfbares hervorgebracht.
„Ja, es ist mathematisch konsistent, sich die universelle Zeit als die Verschränkung zwischen Quantenfeldern und Quantenzuständen des 3D-Raums vorzustellen“, sagte Vlatko Vedral, Professor für Quanteninformationswissenschaft an der Universität Oxford, der nicht an der Arbeit beteiligt war Live-Wissenschaft. „Allerdings weiß niemand, ob aus diesem Bild etwas Neues oder Fruchtbares hervorgehen wird – etwa Modifikationen der Quantenphysik und der Allgemeinen Relativitätstheorie sowie entsprechende experimentelle Tests.“
Trotz dieser Zweifel könnte die Entwicklung grundlegender Zeittheorien auf der Grundlage der Quantenmechanik dennoch ein vielversprechender Ausgangspunkt sein – solange sie an Experimente angepasst werden können.
„Vielleicht gibt es etwas an der Verschränkung, wo sie eine Rolle spielt“, sagte Adam Frank, ein theoretischer Physiker an der University of Rochester in New York, der nicht an der Studie beteiligt war, gegenüber WordsSideKick.com. „Vielleicht ist der einzige Weg, die Zeit zu verstehen, nicht aus der Perspektive Gottes, sondern aus der inneren Perspektive, aus der Perspektive der Frage, was es mit dem Leben auf sich hat, das eine solche Erscheinung der Welt manifestiert.“
