Quelle: Universität Wien.

26. November 2021 – Ein Team von Physiker*innen der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften gemeinsam mit Wissenschaftler*innen aus Bristol und von den Balearen hat gezeigt, wie sich Quantensysteme gleichzeitig entlang zweier entgegengesetzter Zeitpfeile (vorwärts und rückwärts in der Zeit) entwickeln können. Die Studie wurde in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift Communications Physics veröffentlicht.

Vorwärts und rückwärts fließende Zeitflüsse
Bei der Betrachtung von Himmelsbewegungen entsteht oft ein Gefühl der Ewigkeit, das uns zu der Frage verleiten könnte, ob die Zeit wirklich existiert. Blicken wir hingegen auf unser tägliches Leben, werden alle Zweifel ausgeräumt: Die Zeit existiert und bewegt sich vorwärts. Diese scheinbare Gewissheit ergibt sich aus der Tatsache, dass die meisten makroskopischen physikalischen Phänomene immer nur in einer Richtung ablaufen können. Nehmen wir zum Beispiel die Abfolge unserer morgendlichen Routine: Würde man uns zeigen, wie unsere Zahnpasta von der Zahnbürste zurück in die Tube wandert, wüssten wir zweifelsfrei, dass man uns gerade eine Aufzeichnung unseres Tages im Rücklauf zeigt. In der Physik ist diese Neigung bestimmter Phänomene, sich nur in eine Richtung zu entwickeln, mit der Erzeugung von „Entropie“ verbunden, einer physikalischen Größe, die den Grad der Unordnung in einem System definiert. In der Natur neigen Prozesse dazu, sich spontan von Zuständen mit weniger Unordnung zu Zuständen mit mehr Unordnung zu entwickeln, und diese Tendenz kann zur Identifizierung eines Zeitpfeils verwendet werden. Wenn also ein Phänomen eine große Menge an Entropie erzeugt, ist die Beobachtung seiner zeitlichen Umkehrung so unwahrscheinlich, dass sie praktisch unmöglich ist. Wenn die erzeugte Entropie jedoch klein genug ist, besteht eine nicht zu vernachlässigende Wahrscheinlichkeit, dass die Zeitumkehr eines Phänomens auf natürliche Weise erfolgt. Denken wir an das Beispiel mit der Zahnpasta zurück: Wenn wir die Tube nur leicht zusammendrücken und nur ein sehr kleiner Teil der Zahnpasta herauskommt, wäre es gar nicht so unwahrscheinlich, dass diese durch die Dekompression der Tube wieder in diese zurück gesaugt wird. Wird die Tube hingegen stärker zusammengedrückt, breitet sich die Zahnpasta unumkehrbar aus, so dass man sich sehr viel mehr anstrengen muss, um die gesamte Zahnpasta wieder in die Tube zu bekommen.

Die Grenze zwischen „vorwärts“ und „rückwärts“ verschwimmt in der Quantenmechanik
Ein Team von Physiker*innen der Universität Wien und des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften unter Leitung von Časlav Brukner sowie Kolleg*innen aus Bristol und den Balearen hat diese Idee auf den Quantenbereich angewandt. Die Forschenden versuchten, dadurch ein tieferes Verständnis dafür zu erlangen, wie Zeit in diesem Regime fließt. Eine der Besonderheiten der Quantenwelt ist das Prinzip der Quantensuperposition, das besagt, dass, wenn zwei Zustände eines Quantensystems möglich sind, dieses System auch in beiden Zuständen zugleich sein kann. Blickt man auf das System zurück, das sich in die eine oder andere zeitliche Richtung entwickelt (die Zahnpasta, die aus der Tube kommt oder wieder in die Tube zurückwandert), so folgt daraus, dass sich Quantensysteme auch zugleich in beide zeitliche Richtungen entwickeln können. Obwohl dieser Gedanke in Bezug auf unsere alltägliche Erfahrung eher unsinnig erscheint, beruhen die Gesetze des Universums auf ihrer grundlegendsten Ebene auf quantenmechanischen Prinzipien. Dies wirft die Frage auf, warum wir in der Natur nie auf solche Überlagerungen von Zeitflüssen stoßen. „In unserer Arbeit haben wir die Entropie quantifiziert, die von einem System erzeugt wird, das sich in Quantensuperposition von Prozessen mit entgegengesetzten Zeitpfeilen entwickelt. Wir fanden heraus, dass dies meist dazu führt, dass das System auf eine genau definierte Zeitrichtung projiziert wird, die dem wahrscheinlichsten Prozess der beiden Prozesse entspricht“, erklärt Gonzalo Manzano, ein Mitautor der Studie. Und doch kann man, wenn Entropie nur in geringem Ausmaß im Spiel ist (z. B. wenn so wenig Zahnpasta aus der Tube gedrückt wird, dass man sehen kann, wie sie wieder in die Tube zurückgesaugt wird), physikalisch beobachten, welche Folgen es hat, wenn sich das System gleichzeitig in der Vorwärts- und in der Rückwärtsrichtung der Zeit entwickelt. Wie Giulia Rubino, Hauptautorin der Veröffentlichung, betont, „wird die Zeit zwar oft als kontinuierlich zunehmender Parameter behandelt, doch unsere Studie zeigt, dass die Gesetze, die den Zeitfluss in quantenmechanischen Zusammenhängen regeln, viel komplexer sind. Dies könnte darauf hindeuten, dass wir die Art und Weise, wie wir diese Größe dort darstellen, wo Quantengesetze eine entscheidende Rolle spielen, überdenken müssen.“

Publikation
Quantum superposition of thermodynamic evolutions with opposing time’s arrows, G. Rubino, G. Manzano and C. Brukner. Communications Physics (2021).
DOI: 10.1038/s42005-021-00759-1
https://www.nature.com/articles/s42005-021-00759-1
pdf: https://www.nature.com/articles/s42005-021-00759-1.pdf

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• Kosmologie

Der Beitrag Wenn die Zeit vorwärts und zugleich rückwärts fließt erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Axel Orth. Quelle: New Scientist Space/University North Carolina.

Es wird noch Dutzende von Milliarden Jahren dauern und selbst unser Sonnensystem wird dann nicht mehr existieren, aber eines Tages ist der Tag: Dann wird unser Universum aufhören zu existieren. Welches grauenvolle Schicksal erwartet das Universum? Einige Physiker sind der Ansicht, dass es von seiner eigenen „dunklen Energie“ in Stücke gerissen werden wird. Andere denken, dass es in einer endlosen Serie von Urknallen und Endcrashs gefangen ist – dass es also ein um´s andere Mal in sich zusammenfallen wird, nur um gleich wieder im nächsten Urknall neu geboren zu werden.
Die Kosmologen Lauris Baum und Paul Frampton von der Universität von North Carolina in Chapel Hill haben diese beiden Ideen nun in einer neuen, noch unvorstellbareren Möglichkeit kombiniert: Demnach zerplatzt unser Universum schlussendlich in Milliarden von Teile, deren jedes seinerseits zu einem neuen Universum wird. Dieses Modell könnte das Rätsel lösen, warum unser frühes Universum so überraschend wohl geordnet war.
Denn eines der Probleme, die kosmologische Modelle erklären müssen, dreht sich um den Grad der „Unordnung“ im Universum. Diese Unordnung bezieht sich auf die Art und Weise, in der die Partikel im Universum angeordnet sind. Sie wird mit einer Größe namens Entropie bezeichnet, die auch aus der Thermodynamik und anderen Disziplinen bekannt ist und dort teilweise ähnliche Bedeutungen hat. Kosmologen gehen davon aus, dass das Universum nach dem Urknall in einem geordneten Zustand niedriger Entropie startete und sich dann allmählich in den vermischteren, höher entropischen Zustand entwickelte, wie wir es heute kennen. Das ist insofern überraschend, als es sowohl für Partikel als auch für Energie wahrscheinlicher ist, in einem Zustand größerer Unordnung erzeugt zu werden. Wie das Universum unter solchen Umständen so wohl geordnet beginnen konnte, das genau ist für Kosmologen ein ziemliches Rätsel.

Die Antwort könnte mit der Art zusammhängen, wie Universen entstehen und vergehen. Das Schicksal des Universums hängt davon ab, wie sich die dunkle Energie – die Kraft, von der man annimmt, dass sie das Universum auseinander treibt – mit der Zeit ändert. Wenn sie unbegrenzt zunimmt, dann wird sie schließlich alles auseinander reißen. Sie wird das Universum in einem Ereignis zerstören, das Kosmologen schon als „Big Rip“ bezeichnen, also das „Große Zerreißen“. Und Lauris Baum und Paul Frampton berufen sich auf genau diesen Effekt, um zu erklären, warum sich die Entropie des frühen Universums in Grenzen hielt.

In ihrem neuen Modell wird die dunkle Energie (deren Existenz ihrerseits noch längst nicht bewiesen ist) sehr dicht und lässt das Universum derart schnell expandieren, dass es sich schließlich dem „Big Rip“ nähert. Das Universum beginnt in Flecken oder „Scherben“ zu zerreißen, die sich mit mehr als Lichtgeschwindigkeit voneinander entfernen. Aber die Zerstörung kommt gerade noch – Sekunden vor dem „Big Rip“ – zum Stehen, da die Dichte der dunklen Energie nun gleich der des Universums wird. An diesem Punkt fällt jeder einzelne Fleck in sich selbst zusammen. „All´ die Flecken, von denen es sehr viele gibt, kontrahieren jeder für sich in ein eigenes Universum„, sagt Frampton. Und nachdem sie zusammen gefallen sind, bersten diese Universen wieder auseinander, und jedes von ihnen startet mit einem eigenen Raum und einer eigenen Zeit.

Entscheidend bei diesem Modell ist nun Folgendes: Jeder Fleck soll nur einen Bruchteil der Gesamtentropie des „Mutteruniversums“ enthalten. Damit wäre erklärt, warum jedes Universum in einem niedrig entropischen Zustand beginnt. Die Arbeit wird in den „Physical Review Letters“ erscheinen.

Paul Steinhard, Kosmologe an der Princeton-Universität, würde das Modell gerne weiterentwickelt sehen. „Ich bin neugierig zu sehen, wie weit sie diese Idee treiben können“, sagt er.

Diese und andere kosmologische Modelle können ab Juli 2008 auf den Prüfstand gestellt werden, wenn der Satellit Planck der ESA gestartet wird. Dieser Satellit soll die dunkle Energie, auf Basis der real messbaren kosmischen Hintergrundstrahlung, weiter erforschen und könnte so klären helfen, inwieweit das neue Modell im Unterschied zum Standard-Urknall-Modell zutreffen könnten. Fakt ist: Egal welches Modell nun zutrifft, ist es bis zum Ende des Universums, wie wir es kennen, noch sehr, sehr, sehr lange hin.

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Ein Beitrag von Julian Schlund. Quelle: universetoday.

Physiker rätseln seit über einem Jahrhundert über die Natur der Zeit. Wieso fließt sie nur in eine Richtung? Zeit könnte genauso gut rückwärts laufen, die physikalischen Gesetze würden auch dann noch vollständig funktionieren. Forscher der Universität Chicago glauben eine Antwort gefunden zu haben: Wir leben in einem Universum sich ewig ausdehnender Entropie! Anstatt von einem Urknall auszugehen, mit dem sich das Universum ewig immer weiter ausdehnt und immer mehr abkühlt, so wäre es auch möglich, dass kleine Schwankungen in fast leerem Raum neue Big Bangs auslösen. Das Weltall würde niemals völliges Gleichgewicht erreichen.

„Wir wagen es zu behaupten, dass der Urknall nichts besonderes in der Entwicklungsgeschichte unseres Universums darstellt“, sagte Sean Carroll, helfender Physik-Professor an der Universität Chicago.

Die Forschungen von Caroll und Chen widmen sich zwei grundlegenden Fragen: Wieso dehnt sich Zeit nur in eine Richtung aus und könnte der Urknall von energetischen Schwankungen in leerem Raum hervorgerufen worden sein?

Die Frage über die „Richtung“ der Zeit beschäftigt die Physiker bereits ein Jahrhundert lang, denn größtenteils unterscheiden die fundamentalen physikalischen Gesetze nicht zwischen Zukunft und Vergangenheit. „Sie sind Zeit-symmetrisch“, so Caroll.

Nahe verbunden mit der Streitfrage der Zeit ist das Konzept der Entropie, einer Einheit für das Maß an Unordnung im Universum. Wie der Physiker Ludwig Boltzmann vor einem Jahrhundert gezeigt hat, steigt die Entropie natürlicherweise mit der Zeit an. „Man kann ein Ei in ein Omelett verwandeln, aber nicht ein Omelett in ein Ei,“ veranschaulicht Carroll.

Aber die Frage bleibt, warum die Entropie im anfänglichen Universum so gering war. Die Schwierigkeit dieser Frage hat Forscher schon seit längeren beschäftigt, wobei die meisten es als Puzzle bestehen haben lassen, das sich in Zukunft lösen wird.

Caroll und Chen haben nun einen Ansatz gefunden, um die Frage zu beantworten: Vorherige Forschungen haben versucht, die Fragen über den Urknall zu beantworten, indem sie angenommen haben, dass die Entropie im Universum endlich ist. Carroll und Chen gehen genau vom Gegenteil aus. „Wir postulieren, dass die Entropie des Universums unendlich ist. Sie könnte für immer anwachsen,“ sagt Chen.

Um erfolgreich zu erklären, warum das Universum so aussieht wie wir es heute kennen, müssen beide Annäherungen den Prozess der Inflation, welcher eine Erweiterung der Urknall Theorie ist, mit einbeziehen. Astrophysiker haben die sogenannte Inflationstheorie eingeführt, um das Universum, so wie es heute aussieht, erklären zu können. Demnach machte das Universum innerhalb eines Bruchteils einer Sekunde nach dem Urknall eine Phase unvorstellbarer Expansion durch.

Allerdings gibt es da ein Problem: Um in die Phase der Inflation einzutreten, hätte das Universum einen mikroskopisch kleinen Pfad in einer extrem unwahrscheinlichen Konfiguration beschreiten müssen, nicht gerade das, was Wissenschaftler von einer zufällig gewählten Anfangsbedingung erwarten würden. Carroll und Chen sagen, dass solch eine generische Anfangsbedingung eher dafür sorgen würde, einen kalten, leeren Raum zu produzieren – offensichtlich nicht der ideale Startpunkt für den Beginn der Inflation.

Physiker hatten folgendes vorgeschlagen: Eine zufällige Fluktuation (Schwankung) in einem Universum endlicher Entropie wäre in der Lage den Prozess der Inflation zu starten. Dies würde jedoch wiederum voraussetzen, dass die Moleküle im Universum von einem Zustand hoher Entropie in einem Zustand niedriger Entropie überwechseln, ein statistisch sehr gewagtes Spiel.

Carroll und Chen’s Szenario der unendlichen Entropie wird durch die Entdeckung im Jahre 1998 angespornt, nämlich dass unser Universum aufgrund einer geheimnisvollen Kraft, der dunklen Energie, für immer expandieren wird. „Unter diesen Bedingungen ist die natürliche Konfiguration unseres Universums eine fast völlige Leere. „Im gegenwärtigen Universum wächst die Entropie und das Universum dehnt sich aus und wird leerer,“ erklärt Carroll.
Aber selbst im leeren Raum lassen sich schwache Spuren von Energie ausmachen, die im subatomaren Bereich schwanken. Wie in der Vergangenheit von Jaume Garriga von der Universitat Autonoma de Barcelona und Alexander Vilenkin von der Tufts University vorgeschlagen wurde, können diese Fluktuationen ihren eigenen Urknall in winzigen Bereichen, die sich räumlich und zeitlich in großer Entfernung zueinander befinden, erzeugen. Carroll und Chen erweitern diese Idee auf dramatische Art und Weise und schlagen vor, dass die Inflation in der entfernten Vergangenheit „im Rückwärtsgang“ begonnen haben könnte, so dass die Zeit für jene Beobachter rückwärts zu laufen scheint, die sich weit in unserer Vergangenheit befinden.

Egal aus welcher Richtung betrachtet: In diesen neuen Universen, die bei den erwähnten Urknallen erzeugt wurden, würde die Entropie wachsen. In diesem unendlichen Kreislauf würde das Universum niemals ins Gleichgewicht kommen. Wenn es im Gleichgewicht wäre, würde niemals etwas passieren. Es gäbe keine Richtung der Zeit.

„Es gibt keinen Zustand, in dem die Entropie maximal ist. Man kann die Entropie immer erhöhen, indem man ein neues Universum erzeugt und ihm erlaubt sich auszudehnen und abzukühlen,“ so Carroll.

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