Ist die Zeit überall im Universum gleich? - Das Problem der Zeit zwischen Relativitätstheorie und Quantenmechanik | Fakten zum Einschlafen - Das Universum

0:04 Willkommen bei Fakten zum Einschlafen. Das Universum. Die meisten von uns haben gelernt, dass die Zeit wie ein Fluss fließt, überall und für jeden gleich. Doch die moderne Physik zeigt, dass diese vertraute Vorstellung unvollständig ist. Isaac Newton prägte das Bild einer absoluten universellen Zeit, die unabhängig von allem existiert. Albert Einstein löste dieses Fundament auf, als er zeigte, dass die Lichtgeschwindigkeit für alle Beobachter konstant ist. Zeit wurde zu einer relativen geometrischen Eigenschaft der Raumzeit, in der es kein Universelles jetzt gibt, und Uhren je nach Bewegung und Gravitation unterschiedlich ticken. Diese Episode untersucht, wie sich die Definition der Zeit von den Newton'schen

0:58 Gesetzen über Einsteins Relativitätstheorie bis hin zur modernen Quantenmechanik gewandelt hat. Wir betrachten das Hafele -Keating -Experiment mit Atomuhren in Flugzeugen, die präzise Definition der Sekunde durch Cäsium -133 und die tiefgreifenden Konflikte zwischen der dynamischen Raumzeit und der Quantenmechanik, die in der zeitlosen Vela Devit -Gleichung gipfeln. Bei der Arbeit an dieser Episode kehrte ich immer wieder zu einer einfachen Frage zurück. Was bedeutet es, wenn unsere präziseste physikalische Größe möglicherweise gar nicht fundamental ist? Mich fasziniert, wie die Physik unsere Alltagserfahrung nicht nur erklärt, sondern sie auch radikal infrage stellt.

1:46 Ich lade Sie ein, sich diesen leisen, aber tiefgreifenden Wandel unseres Zeitverständnisses anzuhören. Die meisten von uns haben gelernt, dass die Zeit wie ein Fluss fließt, überall gleich für jeden. Das Überraschende ist nicht, dass sich das als falsch herausgestellt hat. Das Überraschende ist, dass die präzisere Definition so viel seltsamer und so viel strenger begrenzt ist als die vertraute.

2:17 Zwei perfekt synchronisierte Uhren. Eine steht im Royal Observatory in Greenwich. Die andere segelt an Bord eines Schiffes Richtung Kalibik. Im Jahr 1687 hätte Isaac Newton gesagt, dass diese beiden Uhren eine einzige absolute Zeit teilen. Sie ticken im Gleichklang. Nicht, weil sie gut gebaut sind, sondern weil das Universum selbst überall mit derselben Art fließt. Newton nannte dies die absolute, wahre und mathematische Zeit. Er definierte sie als etwas, das an sich und aus seiner eigenen Natur heraus gleichmäßig fließt, ohne Beziehung zu irgendetwas Äußerem.

3:01 Sie war kein Ding, das man direkt berühren oder sehen konnte. Sie war die unsichtbare Bühne, auf der alle Bewegung sich abspielte. Sie war der universelle Parameter, der seine Bewegungsgesetze zum Funktionieren brachte. Kraft ist gleich Masse mal Beschleunigung. Und Beschleunigung ist die Änderungsrate der Position in Bezug auf die Zeit.

3:24 Damit diese Gleichung für jeden Beobachter dasselbe Ergebnis liefert, musste die Zeit selbst für alle dieselbe sein. Das war nicht bloß praktisch. Es war grundlegend. Newton brauchte eine Variable bezeichnet mit dem schlichten Buchstaben T, auf die sich alle Beobachter einigen konnten. Ein Moment in London war ein Moment auf See. Eine Sekunde hier war eine Sekunde dort. Die kosmische Uhr tickte einmal für das gesamte Universum.

3:56 Die Vorstellung passte so vollkommen zur Alltagserfahrung, dass sie unsichtbar wurde. Wir leben unser Leben nach lokalen Uhren, die alle übereinstimmen. Die Sonne geht auf, die Arbeit beginnt, Mahlzeiten finden statt, der Schlaf kommt. Der Fluss fühlt sich universell an. Newton selbst zog eine feine Unterscheidung, die spätere Generationen vergessen sollten. Er trennte die absolute Zeit, die nicht direkt wahrgenommen werden kann, von der relativen, scheinbaren Zeit, die von tatsächlichen Uhren und Himmelsbewegungen gemessen wird. Doch die Vorhersagekraft seiner Mechanik war so außergewöhnlich, dass diese Unterscheidung verblasste. Was im allgemeinen Bewusstsein blieb, war die kosmische Uhr, der Fluss der Zeit, das Universelle jetzt.

4:50 Mehr als zwei Jahrhunderte lang schien diese Erklärung nicht nur ausreichend, sondern vollständig. Sie baute Brücken, sackte Finsternisse voraus, schickte Schiffe über Ozeane. Doch unter dem Erfolg lag eine stille Spannung. Eine, die Newton bemerkt, aber nicht auflösen konnte. Im Jahr 1676. hatte der dänische Astronom Ole Römer die endliche Lichtgeschwindigkeit gemessen, indem er die Monde des Jupiter beobachtete. Licht brauchte Zeit, um zu reisen. Das bedeutete, dass Information sich nicht unendlich schnell durch den Raum bewegen konnte. Und wenn Information sich nicht unendlich schnell bewegen konnte, wie konnten dann alle Uhren im Universum ein einziges Absolutes jetzt teilen? Die Frage blieb unbeantwortet. Ein kleiner

5:44 Riss in einem ansonsten perfekten Fundament. Der Riss weitete sich im 19. Jahrhundert. James Clerk Maxwell formulierte seine Gleichungen, die Licht als elektromagnetische Welle beschrieben, die sich mit einer bestimmten endlichen Geschwindigkeit ausbreitet. Diese Geschwindigkeit erschien als eine Naturkonstante, aber konstant in Bezug darauf.

6:10 Die Newton'sche Mechanik nahm an, dass Geschwindigkeiten sich einfach addieren. Wenn man auf einem fahrenden Schiff nach vorn geht, ist die Geschwindigkeit relativ zum Ufer die Summe der beiden Bewegungen. Bewegt man sich auf eine Lichtquelle zu, sollte das Licht schneller erscheinen. Bewegt man sich von ihr weg, langsamer. Doch Maxwells Gleichungen enthielten keinen Term für die Bewegung des Beobachters.

6:38 Die Lichtgeschwindigkeit war einfach, fest und unveränderlich, eingebettet in die Struktur der Gleichungen selbst. Das erzeugte eine echte Mehrdeutigkeit. Entweder lag Maxwell falsch oder Newtons Konzept der absoluten Zeit war unvollständig. Physiker versuchten verschiedene Reparaturen. Einige schlugen vor, dass Licht sich durch ein Medium namens Lichtäther bewegte. Und dass Maxwells konstante Geschwindigkeit relativ zu diesem Äther gemessen wurde. Doch Experimente, vor allem das Michelson Mawley -Experiment im Jahr 1887, konnten keine Bewegung durch diesen vermeintlichen Äther nachweisen.

7:21 Der Riss im Fundament wurde unübersehbar. Die Auflösung kam im Jahr 1905. Und sie war radikaler, als irgendjemand erwartet hatte. Albert Einstein justierte Newtons Zeit nicht nach. Er löste ihr Fundament vollständig auf. Einstein erkannte, wenn die Lichtgeschwindigkeit wirklich für alle Beobachter konstant ist, dann muss sich die Art ändern, wie wir Zeit messen. Man stelle sich zwei Beobachter vor. Einer steht auf einem Bahnsteig.

7:56 Der andere sitzt in einem Zug, der am Bahnsteig vorbeifährt. Zwei Blitze schlagen in die Gleise ein, einer an jedem Ende des Bahnsteigs, genau in dem Moment, in dem die Mitte des Zugs die Mitte des Bahnsteigs passiert. Für den Beobachter auf dem Bahnsteig kommen die Blitze gleichzeitig an. Doch für den Beobachter im Zug, der sich auf den einen Blitz zubewegt und vom anderen entfernt, kommt das Licht des vorderen Blitzes vor dem Licht des hinteren Blitzes an. Beide Beobachter messen dieselbe Lichtgeschwindigkeit.

8:34 Beide haben Recht. Es gibt keine absolute Gleichzeitigkeit. Es gibt kein universelles Jetzt. Das war keine Frage optischer Täuschung oder unvollkommener Messung. Es war eine geometrische Notwendigkeit, eingebaut in die Struktur von Raum und Zeit selbst. Im Jahr 1908 formalisierte Hermann Minkowski diese Einsicht, indem er die Zeit mit den drei Raumdimensionen zu einer einzigen vierdimensionalen Struktur vereinte, der Raumzeit. Die Zeit war keine separate Bühne mehr, auf der Ereignisse stattfanden. Sie war eine Dimension, verwoben mit dem Raum und die Trennung zwischen ihnen hing vom Bewegungszustand des Beobachters ab.

9:25 Man stelle sich einen Leib rot vor. Man kann ihn auf viele Arten schneiden, senkrecht zu seiner Länge, schräg, ganz wie man will. Jede Schnittführung steht für die Aufteilung der Raumzeit in Raum und Zeit durch einen anderen Beobachter. Keine einzelne Schnittführung ist richtiger als eine andere. Der Leib selbst, die vollständige vierdimensionale Raumzeit, ist das, was wirklich ist. Aus dieser Formalisierung entstand ein neues, präzises Konzept, die Eigenzeit. Man kann sie sich wie einen Kilometerzähler für die Raumzeit vorstellen. So wie der Kilometerzähler eines Autos die entlang der Straße zurückgelegte Strecke misst, misst eine Uhr die Eigenzeit, die sich entlang ihres Weges durch die Raumzeit

10:15 ansammelt. Das ist das einzige physikalisch invariante Maß für Dauer. Die Koordinatenzeit, die Beschriftung, die ein bestimmter Beobachter vergibt, wurde vom Bezugssystem abhängig. Sie wurde eine Sache der Konvention statt der physikalischen Notwendigkeit. Eine bewegte Uhr tickt langsamer im Verhältnis zur Koordinatenzeit eines ruhenden Beobachters.

10:42 Das ist keine mechanische Fehlfunktion, keine Frage seltsam arbeitender Zahnräder. Es ist eine geometrische Eigenschaft der Raumzeit selbst. Es ist so real wie die Tatsache, dass ein Gewundener weg durch eine Landschaft mehr Stärke zurücklegt, als die Luftlinie vermuten lässt. Das Newton'sche Konzept einer absoluten universellen Zeit, die gleichmäßig fließt ohne Beziehung zu irgendetwas Äußerem, wurde ausdrücklich verworfen. Was überlebte, war bescheidener und exakter. Die Zeit wurde lokal, Geometrisch, relational. Die Grenze wurde scharf gezogen, das Konzept eines universellen Jetzt ist physikalisch bedeutungslos für räumlich getrennte Ereignisse. Nicht. Die Newton'sche Zeit wurde nicht vollständig verworfen, sondern

11:35 eingegrenzt. Sie bleibt eine gültige Näherung, wenn Geschwindigkeiten klein sind im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit und Gravitationsfelder schwach. Unter diesen Bedingungen ist der Fehler der Annahme einer absoluten Zeit vernachlässigbar. Aber die Näherung ist nicht die Wirklichkeit. Im Jahr 1915 erweiterte Einstein diese Einsichten in seiner allgemeinen Relativitätstheorie. Die Zeit wurde nicht nur relativ zur Bewegung, sondern reagierte auf die Verteilung von Masse und Energie.

12:10 Eine Uhr auf Meereshöhe tickt langsamer als eine Uhr, Auf einem Berggipfel. Die Uhr, die tiefer im Gravitationsfeld sitzt, näher an der Masse, die die Raumzeit krümmt, sammelt weniger Eigenzeit an. Das ist kein mechanischer Effekt. Es ist die Geometrie der Raumzeit selbst. Die Krümmung der Raumzeit in der Nähe eines massereichen Objekts bedeutet, dass die Zeit in verschiedenen Höhen unterschiedlich schnell fließt. Die geometrische Struktur wurde komplexer. Aber die Kerneinsicht blieb, die Zeit ist kein unabhängiger, absoluter Hintergrund. Genau dieser Erfolg erzeugte eine neue, konzeptionelle Spannung. Während die allgemeine Relativitätstheorie die Zeit dynamisch und geometrisch machte, behandelte eine andere, fundamentale

13:01 Theorie, die in den 1920er Jahren entwickelt wurde, die Zeit ganz anders. Die Quantenmechanik der Rahmen für atomare und subatomare Phänomene behielt die Zeit als äußeren, absoluten, nicht dynamischen Parameter bei. In der Schrödinger Gleichung erscheint die Zeit als klassische Uhr, gegen die sich der Quantenzustand entwickelt.

13:23 Sie ist nicht Teil des Quantensystems. Sie wird von außen auferlegt. Das ist der Kern dessen, was Physiker das Problem der Zeit nennen. Allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik, die beiden Säulen der modernen Physik, weisen der Zeit unvereinbare Rollen zu. In der einen ist die Zeit relational gekrümmt, aus der Geometrie hervorgehend. In der anderen ist sie fest, äußerlich, absolut. Wenn Physiker versuchen, diese Theorien zu einer Quantentheorie der Gravitation zu verbinden, wird die Spannung akut. Die Wieler -De Witt -Gleichung, eine zentrale Gleichung der kanonischen Quantengravitation, enthält überhaupt keine Zeitvariable. Sie beschreibt das Universum als zeitloses Quantensystem. Die

14:14 Frage wird unausweichlich, wenn das Universum ein geschlossenes Quantensystem ist, was bedeutet dann Zeit? Wie entsteht eine zeitabhängige Wirklichkeit aus einer zeitlosen, fundamentalen Gleichung? Die Definition der Zeit verengte sich in ihrem Umfang, statt sich auszuweiten. Das Konzept zerfiel in verschiedene operationale Bedeutungen innerhalb unterschiedlicher theoretischer Rahmen. In der Relativitätstheorie ist die Zeit eine geometrische Dimension der Raumzeit mit der Eigenzeit als invariantem Maß. In der Quantenmechanik ist sie ein äußerer Entwicklungsparameter. In der Thermodynamik erhält die Zeit eine Richtung durch die Zunahme der Entropie. Das ist ein Pfeil, der von der Vergangenheit in die Zukunft zeigt und in den

15:06 fundamentalen mikroskopischen Gesetzen fehlt. In der Metrologie wird die Sekunde operational durch atomare Übergänge definiert, mit expliziten relativistischen Korrekturen, um Uhren an verschiedenen Orten und in verschiedenen Gravitationspotentialen zu vergleichen. Die operationale Definition zeigt, Wie theoriebeladen unsere präzisesten Messungen geworden sind. Eine Atomuhr misst die Eigenzeit entlang ihrer eigenen Weltlinie. Um einen Koordinatenzeitstandard wie die internationale Atomzeit zu konstruieren, müssen Physiker sowohl die relativen Geschwindigkeiten der Uhren auf der Erdoberfläche als auch die Variation des Gravitationspotenzials in verschiedenen Höhen berücksichtigen. Die Zeit, die man auf

15:55 dem Telefon abliest, ist keine einfache universelle Ablesung, sondern ein konstruierter Standard. Sie ist korrigiert durch die allgemeine Relativitätstheorie, synchronisiert durch komplexe Protokolle. Die kosmische Uhr ist ersetzt worden durch ein Netzwerk lokaler Uhren, von denen jede ihre eigene Eigenzeit misst, verbunden durch geometrische Gesetze.

16:22 Ein bestimmtes Experiment machte dies sichtbar auf eine Weise, die abstrakte Theorie nicht konnte. Im Jahr 1971 setzten die Physiker Josef Hafele und Richard Keating Atomuhren in Verkehrsflugzeuge und flogen sie um die Welt, ostwärts und westwärts. Als die Uhren zurückkehrten und mit Ätherenzuhren am Boden verglichen wurden, zeigten sie unterschiedliche Zeiten. Die ostwärts fliegenden Uhren, die sich mit der Erdrotation bewegten, hatten Zeit verloren aufgrund ihrer höheren Relativgeschwindigkeit.

16:58 Die westwärts fliegenden Uhren, die sich gegen die Erdrotation bewegten, hatten Zeit gewonnen. Ihre langsamere Nettogeschwindigkeit relativ zum Erdmittelpunkt bedeutete, dass die gravitative Zeitdilatation dominierte. Die gemessenen Unterschiede, obwohl in Nanosekunden gemessen, stimmten präzise mit den theoretischen Vorhersagen überein. Die Newton'sche Zeit wurde enger eingegrenzt als eine Näherung für niedrige Geschwindigkeiten und schwache Gravitation. Im Jahr 2019 vollendete die Neudefinition der Sibasis -Einheiten eine lange Entwicklung. Die operationale Definition der Sekunde wurde von jedem physischen Artefakt gelöst und vollständig an eine Naturkonstante gebunden. Diese Konstante ist die ungestörte

17:50 Hyperfeinübergangsfrequenz des Grundzustands des Kelsium -133 -Atoms, festgelegt auf 9, 192 ,631 und 770 Schwingungen pro Sekunde. Die präziseste menschliche Zeitmessung bezog sich nicht mehr auf die Bewegung der Erde oder das Schwingen eines Pendels. Sie bezog sich auf die innere Struktur eines Atoms, korrigiert durch relativistische Geometrie. Was ungewiss bleibt, ist erheblich.

18:23 Das Problem der Zeit in der Quantengravitation bleibt ungelöst. Es gibt keinen Konsens darüber, wie die Zeit aus einer zeitlosen, fundamentalen Gleichung hervorgeht oder ob sie überhaupt fundamental ist. Der Ursprung des thermodynamischen Zeitpfeils aus zeitsymmetrischen mikroskopischen Gesetzen bleibt heizelhaft. Warum begann das Universum in einem außerordentlich niedrigen Entropiezustand?

18:51 Ob die Zeit fundamental, kontinuierlich oder diskret ist auf der Planck -Skala, ungefähr 10 hoch minus 43 Sekunden, ist unbekannt. Das Gefühl, dass die Zeit fließt, Dass der gegenwärtige Moment sich bewegt, ist eine menschliche Erfahrung, keine physikalische Messung. Die Physik beschreibt, was Uhren tun, nicht, was der Geist fühlt. Die Verbindung zwischen beidem ist noch nicht verstanden.

19:19 Und sie markiert eine Grenze, über die die physikalische Definition nicht hinausreicht. Mehrere konkurrierende Interpretationen bestehen fort, was die tiefere Natur der Zeit betrifft. Die Blockuniversumsicht, stark gestützt durch den Formalismus der Relativitätstheorie, behandelt alle Ereignisse als gleichermaßen real.

19:44 Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft existieren in einer festen, vierdimensionalen Struktur. Die präsentistische Sicht, eher im Einklang mit der menschlichen Erfahrung, hält daran fest, dass nur der gegenwärtige Moment real ist. Das wachsende Blockuniversum versucht einen Kompromiss. Keine dieser Interpretationen hat innerhalb der Physik selbst formale Stabilisierung erreicht.

20:13 Sie bleiben konzeptionelle Rahmen, um zu verstehen, was die Mathematik beschreibt. Sie sind nicht Schlussfolgerungen, die von der Mathematik erzwungen werden. Was aus früheren Definitionen verworfen wurde, ist erheblich. Die Vorstellung von Zeit als Substanz oder Flüssigkeit, die fließt, hat keinen Platz in der modernen Physik. Die Idee einer einzigen objektiven Rate für das gesamte Universum ist bedeutungslos. Der gegenwärtige Moment ist nicht global definiert. Diese Quenzen sind ebenso wichtig wie die positiven Definitionen.

20:52 Sie verhindern, dass das Konzept sich in Mystik oder philosophische Spekulation jenseits seines physikalischen Gehalts aufbläht. Das Konzept wurde im Lauf der Zeit nicht großartiger. Es wurde enger und exakter. Was einst als universeller, absoluter Fluss beschrieben wurde, wird heute verstanden als lokale geometrische Eigenschaft, als bezugssystemabhängige Koordinate, Als äußerer Parameter in der einen Theorie und als emergentes Phänomen in der anderen. Die Struktur, die von Newton überlebte, ist die Erkenntnis, dass die Physik einen Parameter braucht, um Veränderung und Entlicklung zu benennen. Aber die Natur dieses Parameters hat sich verwandelt. Präzision ist stiller als Spekulation. Was die Zeit in ihrer

21:46 modernen Exaktheit wirklich erfasst, ist kein kosmischer Fluss, sondern eine Menge strukturierter Beziehungen. Die Eigenzeit misst die Dauer entlang eines Weges durch die Raumzeit. Die Koordinatenzeit benennt Ereignisse für einen gewählten Beobachter. Die thermodynamische Zeit markiert die Richtung zunehmender Entropie. Die operationale Zeit ist das, was unsere besten Uhren messen. korrigiert durch unsere besten Theorien. Jede davon ist exakt innerhalb ihres Bereichs. Jede hat Grenzen, die verhindern, dass sie in Bereiche übergreift, in denen sie nicht gilt. Was ungelöst bleibt, ist kein Versagen des Konzepts, sondern ein Zeichen aktiver Forschung. Wie die Zeit aus der Quantengravitation hervorgeht, ob sie fundamental oder emergent

22:39 ist, warum das Universum in einem niedrigen Entropiezustand begann, Das sind Fragen an der Grenze des gegenwärtigen Wissens. Sie sind keine Geheimnisse im Sinne unzugänglicher Rätsel. Sie sind technische Probleme, die von bestimmten theoretischen Rahmen bearbeitet werden, jeder mit eigenen Annahmen und Vorhersagen.

23:00 Man stelle sich eine Atomuhr vor, die still ihre Eigenzeit tickt, korrigiert durch die Relativitätstheorie, synchronisiert durch Protokolle, die Gravitation und Bewegung berücksichtigen. Das ist die präziseste Definition von Zeit, die wir haben. Und sie ist möglicherweise nicht fundamental. Irgendwo in den Gleichungen, die Quantenmechanik und allgemeine Relativitätstheorie vereinen würden, könnte die Zeitvariable vollständig verschwinden und eine zeitlose Beschreibung hinterlassen, aus der unsere Erfahrung von Dauer irgendwie hervorgehen muss.

23:38 Die Uhr tickt weiter. während die Frage offen bleibt.