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Physiker demonstrieren, wie man den Pfeil der Zeit umkehrt
Eine der merkwürdigeren Herausforderungen in der Physik ist es, die Natur der Zeit zu verstehen. Auf mikroskopischer Ebene sind die Gesetze der Physik zeitsymmetrisch – sie funktionieren genauso gut, ob die Zeit vorwärts oder rückwärts läuft. Aber auf makroskopischer Ebene haben alle Prozesse eine Vorzugsrichtung. Der große Physiker Arthur Eddington nannte dies den Pfeil der Zeit.
Warum dieser Pfeil in die eine Richtung zeigt, aber nicht in die andere, ist eines der großen wissenschaftlichen Rätsel. Die Standardantwort lautet, dass der Zeitpfeil aus dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik folgt – dass die Unordnung oder Entropie in einem geschlossenen System immer zunimmt.
Das ist der Grund, warum sich Milch leicht in Tee mischt, aber niemals aus einem Aufguss auftaucht, warum sich Rühreier nie spontan auflösen und warum Ihre morgendliche Tasse Kaffee Ihre Hände erwärmt, während Sie sie halten, und nicht umgekehrt.
Aber es gibt noch einen anderen Faktor, der am Werk ist – die Anfangsbedingungen des Universums. Aus unbekannten Gründen war das frühe Universum heiß und seine Energie gleichmäßig verteilt. Dies ist ein Zustand niedriger Entropie für ein System, das von der Schwerkraft dominiert wird.
Im Laufe der Zeit hat die Entropie kontinuierlich zugenommen, was den Zeitpfeil weitgehend bestimmt hat.
Aber das wirft eine interessante Möglichkeit auf. Wenn die Anfangsbedingungen den Zeitpfeil bestimmen, ist es vielleicht möglich, auf der Erde Systeme mit Anfangsbedingungen zu schaffen, die den Zeitpfeil dazu zwingen, in die entgegengesetzte Richtung zu laufen. In diesen Systemen Eier könnten spontan entschlüsseln und erhitzen könnten fließen von kalten Objekten zu heißen.
Heute haben Kaonan Micadei von der Federal University of ABC in Brasilien und ein paar Kumpels zum ersten Mal ein solches System gebaut. In ihrem Experiment läuft der Zeitpfeil rückwärts, sodass sie beobachten können, wie ein kaltes Objekt ein heißeres aufheizt. Die Arbeit wirft die Möglichkeit einer neuen Generation von Geräten auf, bei denen der Zeitpfeil rückwärts läuft.
Das exotische neue System ist eine Mischung aus Chloroform, gelöst in Nagellackentferner oder Aceton. Chloroform – CHCl3 – besteht aus einem einzelnen Kohlenstoffatom, einem einzelnen Wasserstoffatom und drei Chloratomen.
Dies schafft eine perfekte Spielwiese für Quantenphysiker, die in der Lage sind, die Kernspins einzelner Kohlenstoff- und Wasserstoffkerne mit einer Technik namens Kernspinresonanz zu manipulieren.
Die Idee ist, die Kerne mit einem starken Magnetfeld auszurichten. Physiker verwenden dann Radioimpulse, um einen oder beide Spins umzudrehen, wodurch sie korreliert oder verschränkt werden. Und indem sie die von den Kernen ausgesandten Radiosignale abhören, können die Physiker herausfinden, wie sich die Quantenzustände der Kerne entwickeln.
Gleichzeitig stehen die Kohlenstoff- und Wasserstoffkerne in thermischem Kontakt, sodass Wärmeenergie von einem zum anderen fließen kann. Das Team kann die Temperatur beider Kerne steuern, indem es sie mithilfe der Kernspinresonanz selektiv erhitzt. Wenn ein Kern heißer als der andere ist, fließt Wärme natürlich vom heißen zum kälteren.
In dem neuen Experiment haben Micadei und Co das Gegenteil beobachtet. Und der Schlüssel ist, die Kerne im Voraus zu verschränken. Verschränkung ist der seltsame Quantenprozess, bei dem zwei Quantenteilchen dieselbe Existenz teilen. Es ist dieses Phänomen, das Micadei und Co. ausgenutzt haben, um die einzigartigen Anfangsbedingungen zu schaffen, die es der Zeit ermöglichen, rückwärts zu laufen.
Wenn die Kerne verschränkt sind, setzt die Korrelation dem Verhalten der Teilchen zusätzliche Grenzen, was zu einer Art Motor führt, der Wärmeenergie in die entgegengesetzte Richtung treibt. Wir beobachten einen spontanen Wärmefluss vom kalten zum heißen System, sagt das Team.
Das hat wichtige Implikationen für unser Verständnis von Zeit und ihrer Beziehung zu Verschränkung und Entropie. Unsere Ergebnisse zum thermodynamischen Zeitpfeil könnten auch stimulierende Konsequenzen für den kosmologischen Zeitpfeil haben, sagen Micadei und Co., was darauf hindeutet, dass ähnliche Korrelationen für die Anfangsbedingungen des Universums verantwortlich sein könnten.
Ein wesentlicher Punkt dieser Arbeit ist, dass das Phänomen nicht auf mikroskopische Systeme beschränkt ist. Tatsächlich arbeiten diese NMR-Experimente auf einer Makroebene, in der eine große Anzahl von Molekülen zum beobachteten Signal beitragen. Das Ergebnis könnte also auch eine neue Generation von Geräten ermöglichen, die Wärme aus kalten Regionen in heiße Regionen treiben.
Interessante Arbeit über die Grundlagen der Zeit.
Ref: arxiv.org/abs/1711.03323 : Umkehrung des thermodynamischen Zeitpfeils mithilfe von Quantenkorrelationen