Ist Zeit nur das, was die Uhr anzeigt? Oder ist sie eine grundlegende Eigenschaft der Natur? Fragt man Igor Pikovski, dann ist das »eine der interessantesten Fragen der Physik«, denn sie berührt ihr Fundament selbst: Wie lassen sich Quantenmechanik und Relativitätstheorie miteinander vereinbaren? Bislang existieren beide Theorien nebeneinander – mit grundlegend unterschiedlichem Zeitbegriff. Während Zeit in Einsteins Theorie relativ ist, gilt sie in der Quantenmechanik als äußerer, unveränderlicher Parameter. »Es könnte natürlich sein, dass die Zeit nur dann da ist, wenn eine Uhr sie wahrnimmt«, sagt der theoretische Physiker, der in Berlin aufwuchs, aber inzwischen am Stevens Institute of Technology in New Jersey forscht. »Deswegen ist für mich die Forschung an den Quanteneigenschaften der Zeit so spannend.«

Bereits seit seiner Promotion an der Universität Wien will Pikovski diesem Mysterium auf die Spur kommen. In einer Arbeit, die im Fachmagazin »Physical Review Letters« erschienen ist, leitet er nun zusammen mit vier Kollegen her, dass eine neue Uhrengeneration erstmals Effekte nachweisen könnte, bei denen die Zeit selbst quantenmechanische Eigenschaften zeigt. Solche Uhren beruhen darauf, einzelne Aluminium- oder Ytterbium-Ionen in elektromagnetischen Fallen festzuhalten und mit Lasern anzuregen. Sie schwingen rund 100 000-mal schneller als gängige Cäsium-Atomuhren und erreichen somit eine enorme Genauigkeit. In einem Zeitraum vom Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren bis heute würden sie nur etwa eine Sekunde falsch gehen.

Das Brisante daran: Diese Uhren gibt es bereits, etwa an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig oder dem US-amerikanischen Pendant NIST. Damit rückt erstmals ein realer Test in Reichweite, bei dem Zeit nicht nur gemessen wird – sondern als quantenmechanisch wirksamer Bestandteil eines Systems selbst untersucht wird.

Bislang lieferte die Quantenmechanik die Uhr, spielte für das Zeitverständnis selbst aber keine fundamentale Rolle. So ließ sich mit Atomuhren bereits experimentell bestätigen, dass bewegte Uhren etwas langsamer gehen als ruhende. Diese sogenannte Zeitdilatation ist eine zentrale Vorhersage von Einsteins Relativitätstheorie. Bewegt sich ein Ion innerhalb einer Falle, läuft seine innere »Uhr« minimal langsamer – ein Effekt, der sich als Frequenzverschiebung nachweisen lässt. Bisher ließ sich diese Verlangsamung jedoch vollständig so erklären, als würde die Uhr einfach einer klassischen Eigenzeit folgen.

Schrödingers Katze ist zugleich alt und jung

Die neue Arbeit geht einen Schritt weiter. Die Forscher zeigen zunächst, dass Zeitdilatation sogar dann auftritt, wenn ein Ion bis in seinen quantenmechanischen Grundzustand abgekühlt ist – also scheinbar völlig ruht. Grund dafür sind nicht klassische Bewegungen, sondern unvermeidliche Quantenfluktuationen: Das Ion besitzt selbst im Vakuum eine minimale Bewegungsunschärfe. Diese reiche aus, so argumentieren die Forscher, um die Uhr messbar langsamer ticken zu lassen. Übliche relativistische Formalismen reichen zur Erklärung nicht mehr aus – die Quantenmechanik muss her.

Doch auch das Vakuum selbst lässt sich manipulieren. Dabei entstehen sogenannte gesqueezte Zustände, in denen sowohl Position als auch Geschwindigkeit der Uhr quantenmechanische Eigenschaften annehmen. Daraus erwächst eine neue Erscheinungsform relativistischer Zeit im Quantenbereich. Hier treten Überlagerungen und Verschränkungen der Zeit auf: Eine einzelne Uhr kann gleichzeitig schneller und langsamer ticken und sich zusätzlich mit der gesqueezten Bewegung verschränken.

Sollten künftige Experimente diese Vorhersagen bestätigen, hätte das weitreichende Konsequenzen. Es würde bedeuten, dass Zeit nicht nur relativ ist, sondern auch ein wahrhaftig quantenmechanisches Phänomen – mit allen Paradoxien, die Überlagerungen und Verschränkungen von Quantenzuständen mit sich bringen. Schrödingers Katze wäre also nicht nur tot und lebendig, sondern auch gleichzeitig jung und alt. Für die Grundlagenphysik wäre das ein bedeutsamer Befund an der Schnittstelle von Quantenmechanik und Relativitätstheorie. Und für Igor Pikovski der bislang greifbarste Hinweis darauf, dass Zeit nicht außerhalb der quantenmechanischen Naturgesetze steht, sondern ihnen selbst unterworfen ist.