Forscher erschaffen "Mini-Universum", um Zeit zu messen

Eigentlich ist eine Uhr für die meisten Forschungsexperimente zwingend erforderlich. Sie gibt vor, wie lange Teilchen mit einem Laser beschossen werden oder wie lange sie für Veränderungen brauchen. Doch ein neues Experiment zeigt jetzt, dass diese Zeitmessung auch ohne eine Uhr möglich ist. 

Dafür hat ein Team der University of Birmingham um Giovanni Barontini 24.000 Rubidium-Atome in einer Glaszelle gefangen. Diese wurden fast auf den absoluten Nullpunkt gekühlt, um ein hermetisch abgeriegeltes Quantensystem zu erschaffen, das ein einfaches "Mini-Universum" simuliert. 

Mit 2 Laserstrahlen wurden dann ein heller, beobachteter und ein dunkler, nicht beobachteter Bereich geschaffen. Der helle Bereich expandiert und zieht sich wieder zusammen, was die Phasen eines Urknalls und eines potenziellen "Big Crunch" simuliert, also dem hypothetischen zeitlichen Ende des Universums. 

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Veränderungen werden zum Zeitmesser

Statt die Veränderungen des Mini-Universums anhand einer externen Labor-Uhr zu messen, werden die Veränderungen selbst zum Zeitmesser. Dabei wurden die Atome zunächst auf engem Raum gehalten und dann "losgelassen". Anschließend stieg die Entropie an, also das Naturgesetz, wonach Systeme mit der Zeit immer ungeordneter werden. 

Je stärker diese Entropie also voranschreitet, desto mehr Zeit ist vergangen. Dafür wird der Zustand in der Glaszelle in regelmäßigen Abständen fotografiert. Die Aufnahmen werden mithilfe eines Algorithmus verglichen und so lässt sich der zeitliche Ablauf anhand des Grades der Entropie statt mit einer Uhr bestimmen. 

"Entropische Zeit" für Schrödingergleichung

Wenn Partikel den hellen Bereich verlassen oder wieder in ihn zurückkehren, zeigt diese Bewegung an, dass man sich in der Zeit nach vorn bewegt. Sobald die Atome ihre Verteilung stoppen, stoppt auch die Zeit. Barontini nennt diesen Prozess "entropische Zeit". Sie hat 3 Eigenschaften: 

• Sie fließt in eine klare Richtung und bildet damit einen "Zeitpfeil".
• Sie ordnet Ereignisse auch in einem Mini-Kosmos korrekt chronologisch.
• Ihr Fluss beschleunigt und verlangsamt sich, je nachdem wie stark oder schwach die Unordnung der Atome zunimmt.

"Die Studie liefert den ersten experimentellen Beweis dafür, dass "Zeit" als Veränderung innerhalb eines Systems definiert werden kann, statt als die externe tickende Uhr, die wir uns als Zeit vorstellen", sagt Barontini in einem Statement. Die Forscher konnten mit dem Experiment die Schrödingergleichung anpassen. Sie beschreibt die zeitliche Veränderung des quantenmechanischen Zustands in einem physikalischen System. Statt einer externen Uhr im Labor nutzten sie das System selbst als Zeitmesser und konnten die modifizierte Gleichung so lösen. 

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Big Bang und Schwarze Löcher untersuchen

Die Ergebnisse liefern eine Antwort auf eine lang diskutierte Frage: Woher weiß man, was zuerst da war, wenn es keine externe Uhr gibt, um den Verlauf zu messen? Das künstliche Mini-Universum soll dabei helfen, u.a. Fragen über das frühe Universum und den Big Bang zu beantworten. Damit könnten aber auch Schwarze Löcher simuliert werden und man kann untersuchen, wie überhaupt Zeit im Universum entsteht. Die Ergebnisse der Forschung wurden im Fachmagazin Physical Review Research veröffentlicht.