Das Universum mag eine fundamentale Uhr haben. Sie tickt extrem schnell

So wie das Metronom dem Musiker das Tempo vorgibt, kann die fundamentale Weltraumuhr die Zeit im Universum vorgeben, behaupten theoretische Physiker in ihrer neuesten Veröffentlichung. Aber wenn eine solche Uhr existiert, dann tickt sie extrem schnell. In der Physik wird die Zeit normalerweise als vierte Dimension betrachtet, aber einige Physiker spekulieren, dass sie das Ergebnis eines physikalischen Prozesses sein kann, wie das Ticken einer eingebauten Uhr. Wenn das Universum eine solche elementare Uhr hat, muss sie schneller als ein Fünftel der Zeit pro Sekunde schlagen ((10(bis 33) - eine und 33 Nullen in der Dezimalschreibweise), so eine theoretische Studie, die in Physical Review Letters veröffentlicht wurde. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.241301

In der Teilchenphysik können kleine fundamentale Teilchen durch Wechselwirkung mit anderen Teilchen oder Feldern bestimmte Eigenschaften erreichen. Teilchen gewinnen Masse, zum Beispiel durch Wechselwirkung mit einem Higgs-Feld, einer Art Melasse, die den ganzen Raum durchdringt.
Vielleicht können auch Moleküle Zeit erfahren, indem sie mit einem ähnlichen Feldtyp wechselwirken", sagt der Physiker Martin Bojowald. Dieses Feld kann oszillieren (schwanken und schwingen), und jeder solche Zyklus dient als einfacher "Tick" - genau wie bei gewöhnlichen, traditionellen Uhren", meint Bojowald, Mitautor der Studie.

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Für Physiker ist die Zeit immer noch ein unerforschtes Mysterium, und zwei zentrale Theorien der Physik streiten sich darüber, wie sie zu definieren ist. In der Quantenmechanik, die winzige Atome und Teilchen beschreibt, "existiert die Zeit einfach, sie ist ein Hintergrund", sagt die Physikerin Flaminia Giacomini vom Perimeter Institute in Waterloo, Kanada.

Aber in der allgemeinen Relativitätstheorie, die die Schwerkraft beschreibt, verändert sich die Zeit auf eine seltsame Weise. Eine Uhr, die sich in der Nähe eines massiven Objekts befindet, tickt langsamer als eine andere, die weiter von ihm entfernt ist. Die Uhr auf der Erdoberfläche ist verzögert im Vergleich zu z.B. der Uhr an Bord eines Satelliten in der Umlaufbahn.

Bei dem Versuch, diese beiden Theorien in einer - der Theorie der Quantengravitation - zu vereinen, stellt sich das Problem der Zeitbeschreibung als "in der Tat ziemlich wichtig" heraus, sagt Giacomini, der nicht an der Forschung beteiligt war.

Die Untersuchung verschiedener Mechanismen der Zeit, einschließlich fundamentaler Uhren, kann den Physikern helfen, eine neue Theorie zu formulieren. Die Forscher haben untersucht, welche Auswirkungen eine fundamentale Uhr auf das Verhalten von Atomuhren, den präzisesten Uhren, die je geschaffen wurden, haben würde. Würde die Grunduhr zu langsam ticken, wären die Atomuhren unzuverlässig, weil sie sich nicht mit der Grunduhr synchronisieren würden.

Die Folge: Die Atomuhren würden sich in unregelmäßigen Abständen berühren, wie ein Metronom, das keinen konstanten Rhythmus einhalten kann. Doch bisher waren die Atomuhren sehr zuverlässig, so dass Bojowald und seine Mitarbeiter die Geschwindigkeit bestimmen konnten, mit der sich die Fundamentaluhr berühren muss - wenn überhaupt.

Physiker glauben, dass es eine endgültige Grenze für die Teilung einer Sekunde gibt. Die Quantenphysik lässt keinen Zeitabschnitt zu, der kürzer als etwa 10(bis -43) Sekunden ist, eine Zeitspanne, die Planck-Zeit genannt wird. Wenn es eine fundamentale Uhr des Universums gibt, kann die Plancksche Zeit eine vernünftige Rate sein, um sie zu messen.

Um diese Idee zu testen, müssten die Wissenschaftler ihr derzeitiges Limit für das Ticken der Uhr erhöhen - so dass sie in der Lage wäre, vierzig Mal pro Sekunde zu ticken. Dies scheint eine riesige Lücke zu sein, aber für einige Physiker ist es eine unerwartete Entdeckung.

- Das ist eine überraschende Theorie ähnlich dem Planckschen Regime", sagt die Physikerin Bianca Dittrich. Allerdings glaubt sie, dass es wahrscheinlich nicht die eine Grunduhr im Universum gibt, sondern viele verschiedene Prozesse, die zur Zeitmessung genutzt werden könnten. Allerdings liegt das neue Ergebnis näher an der Planck-Zeit als die Experimente mit dem größten Teilchenbeschleuniger der Welt, dem Great Hadron Collider", sagt Bojowald.
In Zukunft könnten noch präzisere Atomuhren weitere Informationen darüber liefern, was die Zeit im Universum beeinflusst.