Zeitkristalle: Physik-Nobelpreisträger will "Perpetuum mobile" testen

Cambridge (USA) - Wissenschaftler um den Physik-Nobelpreisträger Frank Wilczek wollen im Innern einer Ionen-Falle einen sogenannten "Zeitkristall", also ein Objekt erzeugen, das sich - ähnlichem etwa einem Uhrenzeiger - in einem sich stets wiederholenden Muster bewegt, ohne dabei Energie zu benötigen geschweige denn aufzubrauchen. Im Gegensatz zu Uhren oder anderen Objekten, beziehen Zeitkristalle ihre Bewegung jedoch nicht aus gespeicherter Energie sondern durch einen Bruch in der Symmetrie der Zeit, was ihnen einen besondere Form der unaufhörlichen, perpetuierlichen Bewegung ermöglicht.

Bereits im Februar 2012 hatte Wilczek seine ungewöhnliche Idee erstmals öffentlich erklärt: "Der Grossteil der Forschung auf dem Gebiet der Physik besteht aus einer Weiterführung von Dingen, die bereits erfolgt sind". Sein Plan hingegen sei in der Tat, "etwas unkonventionell", so der Professor am angesehenen Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Und tatsächlich stoßen Wilczeks Idee und Pläne in der Wissenschaftsgemeinde seither eher auf gedämpfte Reaktionen: Zwar gilt Wilczek als brillanter Physiker, dessen exotische Ideen nicht zum ersten Mal später Einzug in die Mainstream-Wissenschaft gehalten haben (darunter die Existenz von Axionen und Anionen und der Entdeckung der sogenannten asymptotischen Freiheit in der Theorie der Starken Wechselwirkung, für die er 2004 gemeinsam mit David Gross und David Politzer den Nobelpreis für Physik erhielt), doch perpetuierliche Bewegung gilt den meisten Naturwissenschaftlern aufgrund der fundamentalen physikalischen Wechselwirkungen als unmöglich.

Dank des technologischen Fortschritts sehen sich Physiker nun jedoch in der Lage, sowohl Wilczeks naturwissenschaftlich unorthodoxe Theorie zu überprüfen und damit zugleich auch die Frage zu beantworten ob seine Vision eine sensationelle wissenschaftliche Sensation darstellt oder - wie seine Kritiker ihm dies vorwerfen - auf falscher Logik basiert.

Die Wissenschaftler um Wilczek planen nun, einen solchen Zeitkristall zu erzeugen. Allerdings nicht in der Hoffnung, dass mit einem solchen Perpetuum mobile eine unerschöpfliche Energiequelle gefunden wird sondern, um damit die Theorie der Zeit selbst besser zu verstehen. Grundlage des theoretischen Konzepts von Zeitkristallen war für Wilczek die Frage, wie sich Kristalle statt im bekannten Raum in der Zeit verhalten.

Wenn Materie kristallisiert, so organisieren sich ihre Atome spontan selbst in Reihen, Säulen und Stapeln eines dreidimensionalen Gitterwerks. In diesem sogenannten Kristallgitter nimmt je ein Atom einen Gitterpunkt ein, während das Gleichgewicht zwischen den Atomen verhindert, dass sie den Raum zwischen den Gitterpunkten beanspruchen. Weil nun die Atome also plötzlich eine voneinander getrennte und nicht mehr gemeinsame Ortswahl haben, spricht man davon, dass sie die räumliche Symmetrie der Natur aufbrechen, in der für gewöhnlich alle Orte im Raum gleich sind.

Doch wie verhält es sich mit der zeitlichen Symmetrie der Natur, nach der sich gleich bleibende, feste Objekte auch immerfort derart verhalten sollten?

Nach monatelanger theoretische Arbeit kam Wilczek auf Gleichungen, die darauf hindeuten, dass Atome tatsächlich in der Zeit ein sich regelmäßig wiederholendes Gitternetzwerk bilden, innerhalb dessen sie - nach bestimmten eigenständigen satt gemeinsamen - Intervallen ihre ursprüngliche Anordnung einnehmen und dadurch, ganz wie im Raum die räumliche-, in der Zeit jedoch die Zeit-Symmetrie aufbrechen.

Bei diesem Vorgang wird keinerlei Energie verbraucht aber - leider - auch keinerlei Energie erzeugt. Zeitkristalle währen in ihrem physikalischen Grundzustand also stabil, wiesen aber zyklische Variationen in ihrer Struktur auf, die durchaus als perpetuierliche Bewegung interpretiert und definiert werden können.

"Für einen Physiker ist die Vorstellung des Konzepts eines zeitabhängigen Grundzustands wirklich ziemlich verrückt", kommentiert denn auch der Quantenphysiker Hartmut Häffner von der University of California in Berkeley. "Die Definition eines Grundzustands ist der, dass Energie gleich Null ist. Wenn aber dieser Zustand zeitabhängig ist, so legt das nahe, dass sich die Energie verändert oder sich etwas anderes verändern muss. Irgendetwas muss sich bewegen."

Etwas, das sich bewegt und sich für immer gleich bleibend fortbeweget, ohne dabei Energie zu verbrauchen, widerspricht jedoch allen bekannten und allgemein anerkannten Gesetzen der Physik. Dennoch überstanden Wilczeks Fachartikel und Paper über Quanten- und klassische Kristalle bislang alle Expertenbegutachtungen, nicht zuletzt im Fachjournal "Physical Review Letters" im Oktober 2012.

Während Wilczek bislang noch nicht vorherberechnen konnte, ob Objekte, die die Zeit-Symmetrie aufbrechen, auch tatsächlich in der Natur existieren, will er seine Theorien in Form von Experimenten nun in die Tat umsetzten und ein solches Objekt selbst erzeugen, berichtet die "Simons Foundation" die sich dem Fortschritt in Mathematik und der grundlegenden Wissenschaften verschrieben hat (simonsfoundation.org).

Schon im vergangenen Juni (2012) hatten Physiker um Xiang Zhang von der University of California in Berkeley die Herstellung eines Zeitkristalls in Form eines sich stets drehenden Ringes aus geladenen Atomen oder Ionen vorgeschlagen – eine Idee, die ein internationales Forscherteam um Zhang und Häffner in Berkeley nun in die Tat umsetzen will und hierfür derzeit ein hochkomplexes Labor aufbaut.

Die Hoffnung der Wissenschaftler ist die, dass Zeitkristalle der Physik neue Wege aufzeigen können, wie sie die zwar präzisen aber immer noch unvollständigen Gesetze der Quantenmechanik zu einer größeren Theorie erweitern könnten.

Laut Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie (über Gravitation und die Struktur des Universums) sind die Dimensionen von Zeit und Raum miteinander in einer Struktur verwoben, die wir als "Raum-Zeit" bezeichnen. Die Quantenmechanik (die Interaktionen auf subatomarer Ebene beschreibt), stellt die Zeit-Dimension in einer anderen Form da, wie die drei Dimensionen des Raumes und erzeugt so eine Asymmetrie.

Dieser unterschiedliche Umgang mit Zeit ist einer der Gründe für die Inkompatibilität zwischen Allgemeiner Relativitätstheorie und der Quantenmechanik. Um beide zusammenzubringen, muss mindestens eine der beiden verändern werden, um - so das Ziel theoretische Physiker - zu einer umfassenden Theorie über die Quanten-Gravitation werden zu können.

Wenn Zeitkristalle nun aber in der Lage wären, die Zeit-Symmetrie in gleicher Weise aufzubrechen, wie konventionelle Kristalle die Raum-Symmetrie, "so würde dies zeigen, dass in der Natur diese beiden Quantitäten ähnliche Eigenschaften haben und dass sich dieser Umstand auch in einer Theorie widerspiegeln sollte", erläutert Häffner. In einem solchen Fall wäre die Quantenmechanik inadäquat und es müsste eine bessere Quantentheorie gefunden werden, die Zeit und Raum sozusagen als zwei Fasern des gleichen Gewebes behandeln müsse.

In ihrem Experiment wollen die Forscher zukünftig versuchen, einen Zeitkristall dadurch zu erzeugen, dass sie 100 Kalzium-Ionen in eine kleine Kammer injizieren, die von Elektroden umgeben ist. Das von den Elektroden erzeugte elektrische Feld soll dann die Ionen in einer 100 Mikron (1/1000 mm = ca. Durchmesser eines menschlichen Haars) großen "Falle" einsperren.

Zunächst, so erwarten dies die Forscher, werden die Ionen in einem angeregten Zustand zu vibrieren beginnen. Mit Diodenlasern, wird dann die vorhandene kinetische Energie abgezogen. Danach, so die Berechnungen der Physiker, sollten sich die Ionen ringförmig und auf knapp über den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt, in ihren Grundzustand begeben. Als nächstes wird dann in der Ionen-Falle ein statisches Magnetfeld erzeugt, das – so zumindest de bisherige Theorie - die Ionen dazu bringt, endlos zu rotieren.

Sollte das Experiment erfolgreich sein, so werden die Ionen immer wieder im regelmäßigen Intervallen zu ihrem Ausgangspunkt zurückkehren und so ein sich regelmäßig wiederholendes Gitternetzwerk in der Zeit bilden, dass die temporäre Symmetrie aufbricht.

Um wirklich auch nachweisen zu können, dass sich der Ring auch dreht und dass die Ionen in regelmäßigen Intervallen an ihren Ausgangspunkt im Gebilde zurückkehren, wird eines der 1000 Ionen mit einem Laser anvisiert, wodurch dieses Ion in einen anderen elektronischen Zustand als seine 99 Gegenstücke versetzt wird. Wenn dieses Ion nun in dem Ringkonstrukt mit einer gleich bleibenden Rate rotiert, so wäre damit erstmals nachgewiesen, dass die Zeit-Symmetrie aufgebrochen werden kann. "Das würde dann unser bisheriges Verständnis von Zeit ziemlich in Frage stellen", so der an den Experimenten beteiligte Physiker Tongcang Li. "Zunächst müssen wir aber beweisen, dass dies tatsächlich überhaupt möglich ist.

Quelle: Grenzwissenschaft-aktuell
Original Quelle: simonsfoundation.org