US-Wissenschaftler zeigen in Ionen-Uhr-Experimenten, dass die Zeit quantenmechanisch verläuft

Wir alle nutzen Zeit jeden Tag, sogar in den präzisesten Anwendungen wie dem GPS. Aber unser Verständnis des Konzepts ist noch relativ gering.

Große Köpfe wie Einstein haben versucht, uns über die Zeit und wie ihr Fluss ängt, zu informieren. Aber man fügt eine Schicht Quantentheorie hinzu, und der Fluss der Zeit wird kontraintuitiv.

Wie kann Zeit quantenhaft sein? Gemäß der Relativitätstheorie erlebt jede Uhr ihren eigenen Zeitfluss.

Was die Studie zeigt

Dieser hängt ab. Beispielsweise haben Forscher des NIST gezeigt, dass eine Uhr, die mit ultrapräzisen Uhren bei 10 Metern pro Sekunde für 57 Millionen Jahre läuft, hinter einer ruhenden Uhr um 1 Sekunde zurückliegen würde.

Bekannt als das Zwillingsparadoxon entspricht dies dem Szenario, dass identische Zwillinge unterschiedlich altern würden, wenn einer würde als der andere. Wenn jedoch die Bewegung der Uhr aus einer Perspektive der Quantenmechanik betrachtet wird, kann sie in einer Superposition existieren, und damit auch der Zeitverlauf.

Vereinfacht gesagt, ist dies kontraintuitiv im Vergleich zu Schrödingers berühmtem Gedankenexperiment mit der Katze. Während in diesem Fall die Katze gleichzeitig tot und lebendig ist, ist sie im Laufe der Zeit gleichzeitig jung und alt.

Technik und Auswirkungen

„Zeit spielt in der Quantentheorie und in der Relativitätstheorie sehr unterschiedliche Rollen“, sagte Igor Pikovski, Assistenzprofessor für theoretische Physik am Stevens Institute of Technology, in einer Pressemitteilung.

„Was wir zeigen, ist, dass die Zusammenführung dieser beiden Konzepte verborgene Quantensignaturen des Zeitflusses aufdecken kann, die nicht mehr durch die klassische Physik beschrieben werden können.“ Zeit in Superposition Vor einem Jahrzehnt hatte Pikovski vorgeschlagen, dass die Zeit gemäß der Quantentheorie in Superposition sein sollte.

Die experimentelle Demonstration dessen war jedoch schwierig. Nun sind die Forscher zuversichtlich, dass die neu entwickelte Generation dies demonstrieren können.

Was die Studie zeigt

Die Zusammenarbeit in Atomuhren. Nachdem die Forscher Atomuhren gekühlt hatten, die einzelne Ionen wie Aluminium und Ytterbium einfangen, manipulierten sie deren Quantenzustände mit Laserpulsen.

„Atomuhren sind mittlerweile so empfindlich, dass sie winzige Zeitunterschiede erkennen können, die durch bloße thermische Schwingungen bei winzigen Temperaturen verursacht werden“, fügte Gabriel Sorci, ein Doktorand am Stevens Institute of Technology, der an der Arbeit beteiligt war, hinzu.

„Aber selbst bei der Temperatur des absoluten Nullpunkts, im Grundzustand, wird die Taktfrequenz allein durch Quantenfluktuationen beeinflusst.“ Die Forscher gingen noch einen Schritt weiter und manipulierten sogar das Vakuum selbst und erzeugten so sogenannte „squeezed states“, in denen die Position und Geschwindigkeit der Uhr quantenmechanisches Verhalten zeigen können.

Das Ergebnis war eine Manifestation der relativistischen Zeit, in der Überlagerung und Verschränkung entstehen, und eine einzelne Uhr misst gleichzeitig, wie sie schneller oder langsamer tickt. Der theoretische Aufsatz wurde in Physical Review Letters veröffentlicht, und das Team wird voraussichtlich bald Laborexperimente durchführen, um dies zu überprüfen.