Den meisten Gesetzen der Physik ist es egal, in welche Richtung sich die Zeit bewegt. Vorwärts, rückwärts … Gesetze funktionieren sowieso genauso. Newtonsche Physik, allgemeine Relativitätstheorie – Zeit hat nichts mit Mathematik zu tun: Dies nennt man Zeitumkehrsymmetrie.
Im realen Universum werden die Dinge etwas kompliziert. Und jetzt hat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung des Astronomen Tjard Beckholt von der Universität Aveiro in Portugal bewiesen, dass nur drei gravitativ wechselwirkende Körper erforderlich sind, um die Zeitumkehrsymmetrie zu durchbrechen.
“Bis jetzt ist die quantitative Beziehung zwischen dem Chaos in dynamischen Sternensystemen und dem Grad der Irreversibilität ungewiss geblieben”, schrieben sie in ihrem Artikel.
'In diesem Artikel untersuchen wir chaotische Dreikörpersysteme im freien Fall, wobei zunächst ein genauer und präziser n-Körper-Code verwendet wird, der über die Standardarithmetik mit doppelter Genauigkeit hinausgeht. Wir zeigen, dass der Anteil irreversibler Lösungen als numerisches Potenzgesetz abnimmt. '
Das n-Körper-Problem ist ein bekanntes Problem in der Astrophysik. Es tritt auf, wenn Sie einem gravitativ interagierenden System mehr Körper hinzufügen.
Die Bewegungen zweier Körper vergleichbarer Größe in der Umlaufbahn um einen zentralen Punkt sind für die mathematische Modellierung nach den Newtonschen Bewegungsgesetzen und dem Newtonschen Gesetz der universellen Gravitation relativ einfach.
Sobald Sie jedoch einen weiteren Körper hinzufügen, werden die Dinge komplizierter. Die Körper beginnen sich gegenseitig durch die Gravitation zu stören und bringen ein Element des Chaos in die Interaktion ein. Dies bedeutet, dass es zwar Lösungen für Sonderfälle gibt, es jedoch keine Formel innerhalb der Newtonschen Physik oder der allgemeinen Relativitätstheorie gibt, die diese Wechselwirkungen präzise beschreibt.
Das Chaos im Universum ist ein Merkmal, kein Fehler.
Bei n-Körpersimulationen erhalten Physiker manchmal zeitliche Irreversibilität in ihren Ergebnissen – mit anderen Worten, wenn Simulationen in die entgegengesetzte Richtung ausgeführt werden, kehren sie nicht zu ihrem ursprünglichen Ausgangspunkt zurück.
Ob dies auf das Chaos dieser Systeme oder auf Simulationsprobleme zurückzuführen ist, die zu Unsicherheiten hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit führen, ist noch nicht bekannt.
Deshalb haben Beckholt und seine Kollegen einen Test entwickelt, um dies herauszufinden.
“Da Newtons Bewegungsgleichungen zeitlich reversibel sind, sollte die direkte Integration, gefolgt von der umgekehrten Integration zur gleichen Zeit, die ursprüngliche Implementierung des Systems wiederherstellen (wenn auch mit unterschiedlichen Vorzeichen der Geschwindigkeiten)”, schrieben sie in ihrer Arbeit.
“Das Ergebnis des Reversibilitätstests ist also mit Sicherheit bekannt.”
Die drei Körper im System sind Schwarze Löcher und wurden in zwei Szenarien getestet. Im ersten Fall bewegten sich Schwarze Löcher in komplexen Bahnen aufeinander zu, bevor eines der Schwarzen Löcher das System verließ.
Das zweite Szenario beginnt dort, wo das erste endet, läuft zeitlich rückwärts und versucht, das System in seinen ursprünglichen Zustand zurückzusetzen.
Sie fanden heraus, dass in 5 Prozent der Fälle keine Simulation durchgeführt werden konnte. Alles, was es brauchte, war eine Störung des Systems von der Größe der Planck-Länge, wobei 0,00000000000000000000000000000000000016 Meter die kürzest mögliche Länge waren.
“Die Bewegung von drei Schwarzen Löchern kann so chaotisch sein, dass die Bewegung von etwas weniger als der Länge des Planck beeinflusst wird”, sagte Beckholt. “Störungen von der Größe der Planck-Länge wirken sich exponentiell aus und brechen die Symmetrie der Zeit.”
Fünf Prozent mögen nicht so viel sein, aber da Sie nie vorhersagen können, welche Ihrer Simulationen in die fünf Prozent fallen werden, kamen die Forscher zu dem Schluss, dass n-Körpersysteme „grundsätzlich unvorhersehbar“ sind.
“Die Unfähigkeit, die Zeit zurückzudrehen, ist kein statistisches Argument mehr”, sagte Portegis Zwart. 'Dies ist bereits in den Grundgesetzen der Natur verborgen. Kein System von drei sich bewegenden Objekten, großen oder kleinen, Planeten oder Schwarzen Löchern, kann der Richtung der Zeit entkommen. '
Die Studie wurde in den Monthly Notices der Royal Astronomical Society veröffentlicht.
