Rätsel der Zeit

Zeit war schon immer ein Problem. Erstens war es selbst für die brillantesten Köpfe schwierig zu verstehen, was Zeit wirklich war. Heute, wo es uns scheint, dass wir das einigermaßen verstehen, glauben viele, dass es ohne es, zumindest im traditionellen Sinne, komfortabler sein wird.

„“ Geschrieben von Isaac Newton. Er glaubte, dass die Zeit nur mathematisch wirklich verstanden werden könne. Für ihn waren die eindimensionale absolute Zeit und die dreidimensionale Geometrie des Universums unabhängige und getrennte Aspekte der objektiven Realität, und in jedem Moment der absoluten Zeit ereigneten sich alle Ereignisse im Universum gleichzeitig.

Mit seiner speziellen Relativitätstheorie beseitigte Einstein das Konzept der gleichzeitigen Zeit. Nach seiner Idee ist Gleichzeitigkeit keine absolute Beziehung zwischen Ereignissen: Was gleichzeitig in einem Bezugssystem ist, muss nicht unbedingt gleichzeitig in einem anderen sein.

Ein Beispiel für Einsteins Zeitverständnis ist das Myon aus der kosmischen Strahlung. Es handelt sich um ein instabiles subatomares Teilchen mit einer durchschnittlichen Lebensdauer von 2,2 Mikrosekunden. Es entsteht in der oberen Atmosphäre, und obwohl wir davon ausgehen, dass es nur 660 Meter zurücklegt (bei einer Lichtgeschwindigkeit von 300 km/s), bevor es zerfällt, ermöglichen Zeitdilatationseffekte, dass kosmische Myonen über 000 Kilometer bis zur Erdoberfläche wandern. und weiter. . Im Bezugssystem mit der Erde leben Myonen aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit länger.

Im Jahr 1907 führte Einsteins ehemaliger Lehrer Hermann Minkowski Raum und Zeit als ein. Die Raumzeit verhält sich wie eine Szene, in der sich Teilchen im Universum relativ zueinander bewegen. Allerdings war diese Version der Raumzeit unvollständig (siehe auch: ). Die Schwerkraft wurde nicht berücksichtigt, bis Einstein 1916 die allgemeine Relativitätstheorie einführte. Das Gefüge der Raumzeit ist kontinuierlich, glatt, verformt und verformt sich durch die Anwesenheit von Materie und Energie (2). Schwerkraft ist die Krümmung des Universums, die durch massive Körper und andere Energieformen verursacht wird und den Weg bestimmt, den Objekte nehmen. Diese Krümmung ist dynamisch und bewegt sich mit der Bewegung von Objekten. Wie der Physiker John Wheeler sagt: „Die Raumzeit übernimmt die Masse, indem sie ihr sagt, wie sie sich bewegen soll, und die Masse übernimmt die Raumzeit, indem sie ihr sagt, wie sie sich krümmen soll.“

2. Einsteins Raumzeit

Zeit und die Quantenwelt

Die allgemeine Relativitätstheorie betrachtet den Zeitablauf als kontinuierlich und relativ und betrachtet den Zeitablauf im ausgewählten Abschnitt als universell und absolut. In den 60er Jahren führte ein erfolgreicher Versuch, zuvor unvereinbare Ideen, Quantenmechanik und allgemeine Relativitätstheorie zu kombinieren, zur sogenannten Wheeler-DeWitt-Gleichung, einem Schritt in Richtung der Theorie Quantengravitation. Diese Gleichung löste ein Problem, schuf aber ein anderes. Zeit spielt in dieser Gleichung keine Rolle. Dies hat zu einer großen Kontroverse unter Physikern geführt, die sie als Zeitproblem bezeichnen.

Carlo Rovelli (3) Ein moderner italienischer theoretischer Physiker hat zu diesem Thema eine eindeutige Meinung. “, schrieb er in dem Buch „Das Geheimnis der Zeit“.

3. Carlo Rovelli und sein Buch

Diejenigen, die der Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik zustimmen, glauben, dass Quantenprozesse der Schrödinger-Gleichung gehorchen, die zeitlich symmetrisch ist und aus dem Wellenkollaps einer Funktion entsteht. In der quantenmechanischen Version der Entropie fließt bei einer Entropieänderung nicht Wärme, sondern Information. Einige Quantenphysiker behaupten, den Ursprung des Zeitpfeils gefunden zu haben. Sie sagen, dass Energie zerstreut wird und Objekte sich ausrichten, weil sich Elementarteilchen bei ihrer Wechselwirkung in einer Form der „Quantenverschränkung“ verbinden. Einstein hielt dieses Verhalten zusammen mit seinen Kollegen Podolsky und Rosen für unmöglich, da es der lokalen realistischen Sichtweise der Kausalität widersprach. Wie können weit voneinander entfernte Teilchen gleichzeitig miteinander interagieren, fragten sie.

1964 entwickelte er einen experimentellen Test, der Einsteins Behauptungen über sogenannte versteckte Variablen widerlegte. Daher wird allgemein davon ausgegangen, dass sich Informationen zwischen verschränkten Partikeln möglicherweise schneller ausbreiten, als Licht sich ausbreiten kann. Soweit wir wissen, gibt es keine Zeit verschränkte Teilchen (4).

Eine Gruppe von Physikern der Hebräischen Universität unter der Leitung von Eli Megidish in Jerusalem berichtete 2013, dass es ihnen gelungen sei, Photonen zu verschränken, die nicht rechtzeitig koexistierten. Zunächst erzeugten sie im ersten Schritt ein verschränktes Photonenpaar, 1-2. Kurz darauf maßen sie die Polarisation von Photon 1 (eine Eigenschaft, die die Richtung beschreibt, in der Licht schwingt) – und „töteten“ es damit (Stufe II). Photon 2 wurde auf die Reise geschickt und es bildete sich ein neues verschränktes Paar 3-4 (Schritt III). Photon 3 wurde dann zusammen mit dem wandernden Photon 2 so gemessen, dass sich der Verschränkungskoeffizient von den alten Paaren (1-2 und 3-4) zu den neuen kombinierten 2-3 „änderte“ (Schritt IV). Einige Zeit später (Stufe V) wird die Polarität des einzigen überlebenden Photons 4 gemessen und die Ergebnisse mit der Polarisation des längst toten Photons 1 (zurück in Stufe II) verglichen. Ergebnis? Die Daten zeigten das Vorhandensein von Quantenkorrelationen zwischen den Photonen 1 und 4, „zeitlich nicht lokal“. Dies bedeutet, dass es zu einer Verschränkung in zwei Quantensystemen kommen kann, die zeitlich nie nebeneinander existiert haben.

Megiddish und seine Kollegen kommen nicht umhin, über mögliche Interpretationen ihrer Ergebnisse zu spekulieren. Vielleicht steuert die Messung der Polarisation von Photon 1 in Schritt II irgendwie die zukünftige Polarisation von 4, oder die Messung der Polarisation von Photon 4 in Schritt V überschreibt irgendwie den vorherigen Polarisationszustand von Photon 1. Sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung Quanten Korrelationen breiten sich bis zur kausalen Lücke zwischen dem Tod eines Photons und der Geburt eines anderen aus.

Was bedeutet das auf der Makroebene? Wissenschaftler sprechen bei der Diskussion der möglichen Auswirkungen über die Möglichkeit, dass unsere Beobachtungen des Sternenlichts vor 9 Milliarden Jahren irgendwie die Polarisation von Photonen diktierten.

Ein Paar amerikanischer und kanadischer Physiker, Matthew S. Leifer von der Chapman University in Kalifornien und Matthew F. Pusey vom Perimeter Institute for Theoretical Physics in Ontario, bemerkten vor einigen Jahren, dass wir uns nicht an die Tatsache halten, dass Einstein. An einem Teilchen durchgeführte Messungen können sich in der Vergangenheit und Zukunft widerspiegeln, was in dieser Situation irrelevant wird. Nachdem sie einige Grundannahmen neu formuliert hatten, entwickelten die Wissenschaftler ein Modell, das auf dem Bellschen Theorem basiert und Raum in Zeit umwandelt. Ihre Berechnungen zeigen, warum wir, wenn wir davon ausgehen, dass die Zeit immer voraus ist, über Widersprüche stolpern.

Laut Carl Rovelli ist unsere menschliche Zeitwahrnehmung untrennbar mit dem Verhalten thermischer Energie verbunden. Warum kennen wir nur die Vergangenheit und nicht die Zukunft? Der Schlüssel, so der Wissenschaftler, unidirektionaler Wärmefluss von wärmeren Objekten zu kälteren. Ein in eine heiße Tasse Kaffee geworfener Eiswürfel kühlt den Kaffee ab. Aber der Prozess ist irreversibel. Der Mensch als eine Art „thermodynamische Maschine“ folgt diesem Zeitpfeil und ist nicht in der Lage, eine andere Richtung zu verstehen. „Aber wenn ich einen mikroskopischen Zustand beobachte“, schreibt Rovelli, „verschwindet der Unterschied zwischen Vergangenheit und Zukunft … in der elementaren Grammatik der Dinge gibt es keinen Unterschied zwischen Ursache und Wirkung.“

Zeit gemessen in Quantenbruchteilen

Oder kann die Zeit vielleicht quantisiert werden? Eine kürzlich aufkommende neue Theorie legt nahe, dass das kleinste denkbare Zeitintervall ein Millionstel eines Milliardstels einer Milliardstel Sekunde nicht überschreiten darf. Die Theorie folgt einem Konzept, das zumindest die Grundeigenschaft einer Uhr darstellt. Theoretikern zufolge können die Konsequenzen dieser Argumentation dazu beitragen, eine „Theorie von allem“ zu erstellen.

Das Konzept der Quantenzeit ist nicht neu. Modell der Quantengravitation schlägt vor, die Zeit zu quantisieren und eine bestimmte Tick-Rate zu haben. Dieser tickende Zyklus ist die universelle Mindesteinheit und keine Zeitdimension kann kleiner als diese sein. Es wäre, als gäbe es auf der Grundlage des Universums ein Feld, das die minimale Bewegungsgeschwindigkeit aller Dinge darin bestimmt und anderen Teilchen Masse verleiht. Im Fall dieser universellen Uhr „gibt sie keine Masse, sondern Zeit“, erklärt Martin Bojowald, ein Physiker, der vorschlägt, die Zeit zu quantisieren.

Durch die Modellierung einer solchen Universaluhr zeigten er und seine Kollegen am Pennsylvania State College in den Vereinigten Staaten, dass sie bei künstlichen Atomuhren, die Atomschwingungen nutzen, um die genauesten bekannten Ergebnisse zu erzielen, einen Unterschied machen würde. Zeitmessungen. Nach diesem Modell war die Atomuhr (5) manchmal nicht mit der Weltuhr synchronisiert. Dies würde die Genauigkeit der Zeitmessung auf eine einzelne Atomuhr beschränken, was bedeutet, dass zwei verschiedene Atomuhren am Ende möglicherweise nicht mit der Länge des verstrichenen Zeitraums übereinstimmen. Angesichts der Tatsache, dass unsere besten Atomuhren miteinander konsistent sind und Ticks bis zu 10–19 Sekunden oder einem Zehntel eines Milliardstels einer Milliardstel Sekunde messen können, kann die Grundzeiteinheit nicht mehr als 10–33 Sekunden betragen. Dies sind die Schlussfolgerungen eines Artikels zu dieser Theorie, der im Juni 2020 in der Zeitschrift Physical Review Letters erschien.

5. Lutetium-basierte Atomuhr an der National University of Singapore.

Zu testen, ob eine solche Basiszeiteinheit existiert, übersteigt unsere derzeitigen technischen Möglichkeiten, scheint aber immer noch zugänglicher zu sein als die Messung der Planck-Zeit, die 5,4 × 10–44 Sekunden beträgt.

Der Schmetterlingseffekt funktioniert nicht!

Zeit aus der Quantenwelt zu entfernen oder sie zu quantifizieren, kann interessante Konsequenzen haben, aber seien wir ehrlich, die populäre Vorstellungskraft wird von etwas anderem angetrieben, nämlich von Zeitreisen.

Vor etwa einem Jahr sagte der Physikprofessor der University of Connecticut, Ronald Mallett, gegenüber CNN, dass er eine wissenschaftliche Gleichung geschrieben habe, die als Grundlage für verwendet werden könne Echtzeitmaschine. Er baute sogar ein Gerät, um ein Schlüsselelement der Theorie zu veranschaulichen. Er glaubt, dass es theoretisch möglich ist Die Zeit in eine Schleife verwandelnwas eine Zeitreise in die Vergangenheit ermöglichen würde. Er hat sogar einen Prototyp gebaut, der zeigt, wie Laser dabei helfen können, dieses Ziel zu erreichen. Es ist anzumerken, dass Malletts Kollegen nicht davon überzeugt sind, dass seine Zeitmaschine jemals Wirklichkeit werden wird. Sogar Mallett gibt zu, dass seine Idee an dieser Stelle völlig theoretisch ist.

Ende 2019 berichtete New Scientist, dass die Physiker Barak Shoshani und Jacob Hauser vom Perimeter Institute in Kanada eine Lösung beschrieben hätten, bei der eine Person theoretisch von dort aus reisen könnte Newsfeed zum zweiten, vorbei durch ein Loch hinein Raum-Zeit oder ein Tunnel, wie man sagt, „mathematisch möglich“. Dieses Modell geht davon aus, dass es verschiedene Paralleluniversen gibt, in denen wir reisen können, und hat einen gravierenden Nachteil: Zeitreisen haben keinen Einfluss auf die eigene Zeitachse der Reisenden. Auf diese Weise können Sie andere Kontinuen beeinflussen, aber das Kontinuum, von dem aus wir die Reise begonnen haben, bleibt unverändert.

Und da wir uns in Raum-Zeit-Kontinuen befinden, dann mit Hilfe von Quantencomputer Um Zeitreisen zu simulieren, haben Wissenschaftler kürzlich bewiesen, dass es im Quantenreich keinen „Schmetterlingseffekt“ gibt, wie er in vielen Science-Fiction-Filmen und -Büchern zu sehen ist. In Experimenten auf Quantenebene beschädigt, scheinbar fast unverändert, als ob sich die Realität selbst heilt. Eine Abhandlung zu diesem Thema erschien diesen Sommer in den Psychical Review Letters. „Auf einem Quantencomputer gibt es weder Probleme, die entgegengesetzte zeitliche Entwicklung zu simulieren, noch den Prozess zu simulieren, der den Prozess in die Vergangenheit zurückversetzt“, erklärt Mikolay Sinitsyn, theoretischer Physiker am Los Alamos National Laboratory und Co- Autor der Studie. Arbeiten. „Wir können wirklich sehen, was mit der komplexen Quantenwelt passiert, wenn wir in der Zeit zurückgehen, etwas Schaden hinzufügen und zurückgehen. Wir stellen fest, dass unsere Urwelt überlebt hat, was bedeutet, dass es in der Quantenmechanik keinen Schmetterlingseffekt gibt.“

Das ist ein schwerer Schlag für uns, aber auch eine gute Nachricht für uns. Das Raum-Zeit-Kontinuum behält seine Integrität bei und lässt nicht zu, dass kleine Änderungen es zerstören. Warum? Das ist eine interessante Frage, aber ein etwas anderes Thema als die Zeit selbst.