Verwaschener Zeitfluss

  • 10. March 2017

Kombination von Quantenmechanik und Allgemeiner Relativitätstheorie weist auf fundamentale Beschränkung der Zeitmessung hin.

Aus dem Alltag sind wir damit vertraut, dass wir Eigenschaften eines bestimmten Objekts mit beliebiger Genauigkeit bestimmen können. In der Quanten­mechanik existiert nach der Heisenbergschen Unschärfe­relation eine grundsätzliche Grenze der Genauigkeit, mit der bestimmte physikalische Eigenschaften, etwa die Energie und die Zeitangabe einer Uhr, gepaart sind: Je genauer eine Uhr geht, desto größer ist die Unschärfe in ihrer Energie. Eine beliebig genaue Uhr würde daher eine unbeschränkte Unschärfe in ihrer Energie aufweisen.

Abb.: Das idealisierte Bild von Raum und Zeit in Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie ordnet jedem Punkt im Raum eine ideale Uhr zu. (Bild: J. C. Palomino, U. Wien)

Abb.: Das idealisierte Bild von Raum und Zeit in Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie ordnet jedem Punkt im Raum eine ideale Uhr zu. (Bild: J. C. Palomino, U. Wien)

Ein weiteres Phänomen, das Energie und Zeit verbindet, wird von Einsteins Allgemeiner Relativitäts­theorie, der anderen grundlegenden Theorie der Physik, vorhergesagt. In der Allgemeinen Relativitäts­theorie wird der Zeitfluss durch vorhandene Massen oder Energie­quellen verändert. Dieser Effekt – die gravitations­bedingte Zeit­dilatation – hat zur Folge, dass die Zeit nahe eines Objekts mit großer Energie langsamer läuft als in der Nähe eines Objekts mit kleinerer Energie.

Durch die Kombination dieser Grundsätze aus der Quanten­mechanik und der Allgemeinen Relativitäts­theorie konnten Forscher unter der Leitung von Časlav Brukner von der Universität Wien und dem Institut für Quanten­optik und Quanten­information der ÖAW einen neuen Effekt in diesem Wechsel­spiel aufzeigen. Gemäß der Quanten­mechanik weist eine sehr genaue Uhr eine sehr große Unschärfe in ihrer Energie auf: Je größer die Unschärfe in ihrer Energie ist, desto größer ist die Unschärfe im Zeitfluss nahe der Uhr – so die Allgemeine Relativitäts­theorie. Die Forscher fügten diese Puzzle­steine zusammen und zeigten dadurch, dass sich nebeneinander angeordnete Uhren zwangs­läufig gegenseitig stören müssen, was zu einem „verwischten” Zeitfluss führt.

Diese Einschränkung in der Genauigkeit der Zeitmessung ist unabhängig vom zugrunde­liegenden Mechanismus oder vom Material der Uhren und ist in diesem Sinne allgemein gültig. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass wir unsere Vorstellungen über die Natur der Zeit neu überdenken müssen, sobald Quanten­mechanik und Allgemeine Relativitäts­theorie gemeinsam berücksichtigt werden”, fasst Esteban Castro zusammen.

U. Wien / DE

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