Physiker schaffen ein Universum ohne Uhr und finden trotzdem Zeit

Sekunden, Minuten und Stunden bestimmen unseren Alltag. In einigen Theorien der modernen Physik spielt Zeit jedoch überraschenderweise keine grundlegende Rolle. Dort erscheint das Universum als ein Gesamtsystem, das ohne eine externe Uhr beschrieben werden kann. Doch wie entstehen dann Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft?

Ein Forschungsteam der Universität Birmingham hat nun ein Experiment vorgestellt, das genau dieser Frage nachgeht. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Physical Review Research veröffentlicht. Im Zentrum steht ein künstlich erzeugtes „Mini-Universum“, in dem sich die Reihenfolge von Ereignissen bestimmen ließ – ganz ohne Bezug auf eine Uhr außerhalb des Systems.

Wenn die Zeit aus den Gleichungen verschwindet

Physikerinnen und Physiker suchen seit Jahrzehnten nach einer Theorie, die Quantenmechanik und Gravitation miteinander verbindet. In einigen Ansätzen der sogenannten Quantengravitation tritt dabei ein bemerkenswertes Problem auf: Die Zeit verschwindet aus den grundlegenden Gleichungen.

Ein bekanntes Beispiel ist die Wheeler-DeWitt-Gleichung. Sie beschreibt das Universum durch eine Wellenfunktion, ohne dass eine externe Zeitvariable vorkommt. Vereinfacht gesagt stellt sich dann die Frage, wie überhaupt eine zeitliche Reihenfolge von Ereignissen entstehen kann.

Genau dieses Problem wollte das Team um Professor Giovanni Barontini experimentell untersuchen.

Ein Universum aus 24.000 ultrakalten Atomen

Für ihren Versuch kühlten die Forschenden rund 24.000 Atome auf Temperaturen ab, die nur wenige Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt liegen. Unter solchen Bedingungen treten quantenmechanische Effekte besonders deutlich hervor.

Mithilfe zweier Laserstrahlen erzeugte das Team eine Barriere, die das System in zwei Bereiche teilte:

• einen beobachtbaren „hellen“ Sektor,
• einen unbeobachteten „dunklen“ Sektor.

Zwischen beiden Bereichen konnten Atome wandern. Gleichzeitig blieb das Gesamtsystem weitgehend von seiner Umgebung abgeschirmt.

Der helle Sektor durchlief wiederholt Phasen der Ausdehnung und der Kontraktion. Die Forschenden vergleichen dieses Verhalten mit stark vereinfachten kosmologischen Szenarien, in denen ein Universum expandiert und sich anschließend wieder zusammenzieht. Dabei handelt es sich allerdings um eine Analogie und nicht um eine direkte Nachbildung eines Urknalls oder eines sogenannten Big Crunch.

Zeit entsteht durch Veränderung

Der entscheidende Befund des Experiments: Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler konnten die zeitliche Reihenfolge der Vorgänge rekonstruieren, ohne auf eine externe Laboruhr zurückzugreifen. Stattdessen nutzten sie die Veränderungen innerhalb des Systems selbst.

Eine zentrale Rolle spielte dabei die Entropie. Sie beschreibt die Zahl möglicher mikroskopischer Zustände eines Systems und wird häufig vereinfacht als Maß für Unordnung bezeichnet.

Wenn Atome zwischen dem hellen und dem dunklen Bereich wechselten, veränderte sich die Entropie. Aus dieser Veränderung ließ sich eine innere Zeitachse ableiten.

Die Forschenden sprechen von einer „entropischen Zeit“.

Diese zeigte drei bemerkenswerte Eigenschaften:

• Sie besitzt eine eindeutige Richtung und erzeugt damit einen Zeitpfeil.
• Sie ordnet Ereignisse korrekt in ihrer zeitlichen Reihenfolge.
• Sie kann sich abhängig von der Entropieentwicklung schneller oder langsamer verändern.

Blieb die Verteilung der Atome unverändert, kam auch diese Form der Zeitentwicklung praktisch zum Stillstand.

Ein neuer Blick auf den Zeitpfeil

Professor Barontini erklärt: „In einigen Theorien des Universums, insbesondere in der Quantengravitation, erscheint Zeit nicht als fest integriertes Merkmal. Doch im Alltag fließt die Zeit von der Vergangenheit in die Zukunft – warum ist das so, wenn die meisten grundlegenden Gesetze der Physik vorwärts und rückwärts gleich funktionieren?“

Weiter sagt er: „Diese 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 betrachten.“

Die Ergebnisse sollten dennoch mit Vorsicht interpretiert werden. Das Experiment beweist nicht, dass Zeit grundsätzlich aus Entropie entsteht. Es zeigt vielmehr, dass sich in einem abgeschlossenen Quantensystem ein funktionierender Zeitbegriff aus dessen inneren Veränderungen ableiten lässt.

Die Schrödinger-Gleichung funktioniert weiterhin

Besonders interessant ist ein weiteres Ergebnis der Studie. Die Forschenden konnten zeigen, dass sich eine Version der Schrödinger-Gleichung auch mit dieser entropischen Zeit formulieren lässt.

Die Schrödinger-Gleichung gehört zu den wichtigsten Werkzeugen der Quantenmechanik. Mit ihrer Hilfe lässt sich berechnen, wie sich die sogenannte Wahrscheinlichkeitsverteilung eines Quantensystems entwickelt.

Dass dies auch mit der neu definierten Zeit möglich ist, deutet darauf hin, dass die entropische Zeit mehr ist als ein mathematischer Kunstgriff. Sie kann dieselbe Dynamik beschreiben wie eine herkömmliche Zeitvariable.