Physiker erzeugen Mini-Universum, in dem Zeit entsteht

Was ist Zeit? Diese Frage treibt Physiker seit Jahrhunderten um. Einige Theorien, wie die Wheeler-DeWitt-Gleichung, legen nahe, dass Zeit gar keine grundlegende Eigenschaft des Universums ist, sondern erst durch Veränderungen innerhalb eines Systems entsteht. Bislang ließ sich diese Idee nur mathematisch beschreiben – doch nun haben Forscher der University of Birmingham ein winziges „Mini-Universum“ im Labor erschaffen, in dem die Zeit tatsächlich ohne äußere Uhr zu fließen beginnt.

Das Team um Professor Giovanni Barontini kühlte dazu 24.000 Atome auf wenige Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt ab. Die Teilchen wurden in einem isolierten System eingeschlossen und durch zwei Laserstrahlen unterschiedlicher Frequenz in zwei Bereiche geteilt: eine beobachtete „helle“ und eine unbeobachtete „dunkle“ Region. Innerhalb dieses Mini-Universums dehnte sich die helle Region immer wieder aus und zog sich zusammen – ähnlich einem vereinfachten Urknall, gefolgt von einem „Big Crunch“, also einer Kontraktion.

Weil das System vollständig von der Außenwelt abgeschirmt war, konnten die Forscher den Ablauf der Ereignisse nur mit Informationen aus dem Inneren rekonstruieren – ohne Rückgriff auf eine externe Laboruhr. Dabei zeigte sich: Die Zeit entstand aus der Veränderung der Unordnung, also der Entropie, der Atome, während sie zwischen heller und dunkler Region wechselten. Sobald die Teilchenverteilung aufhörte, sich zu ändern, kam die Zeit praktisch zum Stillstand.

Barontini nennt dieses Konzept „entropische Zeit“. Sie fließt in eine konsistente Richtung, ordnet Ereignisse korrekt und kann sich beschleunigen oder verlangsamen, je nachdem, wie sich die Entropie verteilt. „In manchen Theorien des Universums, besonders in der Quantengravitation, taucht Zeit nicht als eingebaute Eigenschaft auf“, erklärt der Physiker. „Doch im Alltag fließt Zeit von der Vergangenheit in die Zukunft – warum ist das so, wenn die meisten physikalischen Gesetze vorwärts und rückwärts gleich funktionieren?“

Die Studie, veröffentlicht in Physical Review Research, liefert den ersten kontrollierten experimentellen Beleg dafür, dass Zeit durch Veränderungen innerhalb eines Systems definiert werden kann – und nicht als extern tickende Uhr existieren muss. Die Forscher fanden zudem heraus, dass sich die Schrödinger-Gleichung, die fundamentale Gleichung der Quantenmechanik, auch mit entropischer Zeit formulieren lässt. Das bedeutet: Physiker können die Entwicklung eines Quantensystems weiterhin vorhersagen, selbst wenn die Zeit nicht von außen kommt.

Das Mini-Universum eröffnet völlig neue experimentelle Möglichkeiten. Statt sich nur auf mathematische Modelle zu verlassen, könnten Wissenschaftler nun Konzepte aus der Quantenkosmologie und Quantengravitation im Labor testen – etwa die Physik des Urknalls, des Big Crunch oder simulierte Schwarze Löcher. „Dieser Ansatz könnte auf komplexere Quantensysteme ausgeweitet werden“, so Barontini, „und uns helfen, die Natur der Zeit selbst zu verstehen.“