Unser Universum wird von Ursache und Wirkung bestimmt. Was jetzt passiert, führt direkt zu dem, was später passiert. Aus diesem Grund sind viele Dinge im Universum vorhersehbar. Wir können vorhersagen, wann eine Sonnenfinsternis eintritt oder wie man eine Rakete startet, die eine Raumsonde zum Mars bringt. Dies funktioniert auch umgekehrt. Wenn wir uns die Ereignisse jetzt ansehen, können wir rückwärts arbeiten, um zu verstehen, was vorher passiert ist. Wir können uns zum Beispiel heute die Bewegung von Galaxien anschauen und wissen, dass sich der Kosmos einst in dem heißen, dichten Zustand befand, den wir den Urknall nennen.
Dies ist möglich dank einer Eigenschaft der Physik, die als Zeitsymmetrie bekannt ist. Die Gesetze der Physik funktionieren unabhängig von der Zeitrichtung gleich. Wenn Sie sich eine Animation eines umkreisenden Planeten ansehen, können Sie nicht erkennen, ob er vorwärts oder rückwärts läuft. Die Kausalität der Physik lässt zu, dass Ursachen Wirkungen und Wirkungen Ursachen sind. Es gibt keine bevorzugte Richtung für die Zeit.
Läuft diese Animation zeitlich vorwärts oder rückwärts? Quelle: Wikipedia-Benutzer WillowW
Aber Moment mal, könnte man sagen, was ist mit Thermodynamik und Entropie? Mein Kaffee kühlt immer ab, wenn ich auf meinem Schreibtisch sitze, und wenn ich meine Tasse auf den Boden fallen lasse, kann ich sie nicht mehr zerbrechen. Gibt das der Zeit nicht eine einzigartige Richtung? Nicht ganz.
Thermodynamik ist statistischer Natur. Die Entropie wird zwar mit der Zeit tendenziell zunehmen, aber das liegt daran, dass es viel mehr mögliche ungeordnete als geordnete Zustände gibt. Das ist etwas zu stark vereinfacht, aber für den Alltag gut genug. Wenn ich eine Handvoll Sand in die Luft werfe, landen die Körner mit ziemlicher Sicherheit in einem zufälligen Muster auf dem Boden. Es besteht jedoch eine unendlich kleine Chance, dass sie in einem perfekten Kreis landen. Die Chancen stehen so gering, dass wir es nie erleben werden, aber das ist es nichtunmöglich. Chaotische Systeme sind fast unmöglich vorherzusagen, aber wir könnten sie (im Prinzip) mit genügend Informationen vorhersagen. Aufgrund der Zeitsymmetrie könnten wir auch auf den Anfangszustand eines chaotischen Systems zurück arbeiten.
Dies wird als Retrodiktion bezeichnet. Es ist die Fähigkeit, vergangene Ereignisse aus aktuellen Ereignissen „vorherzusagen“, und sie ist das Herzstück der fundamentalen Physik. Eine Sache, die wir über Quantenphysik, klassische Physik und Thermodynamik gelernt haben, ist, dass sie alle auf Informationen hinauslaufen. Der Zustand eines Systems enthält alle Informationen, die Sie benötigen, um vorherzusagen, was als nächstes passieren wird. Das bedeutet, dass Information eine Erhaltungsgröße ist und wie Energie nicht erzeugt oder zerstört werden kann.
Könnte ein Schwarzes Loch Ihre Geheimnisse bewahren? Bildnachweis: NASA
Das denken wir zumindest. Eine der großen unbeantworteten Fragen ist, ob die Informationserhaltung für Schwarze Löcher gilt oder nicht. Wenn ich mein persönliches Tagebuch in ein schwarzes Loch werfe, kann es nie entkommen. Sobald es den Ereignishorizont überschritten hat, kann das Tagebuch nie mehr entkommen. Bedeutet das, dass meine tiefsten Geheimnisse für immer sicher sind? Dies Informationsparadoxon hat enorme Auswirkungen auf die Quantengravitation, aber das ist eine Geschichte für ein anderes Mal.
Aber könnte Retrodiktion auch ohne Rückgriff auf Ereignishorizonte oder Quantenphysik scheitern? Da die klassische Physik deterministisch ist, sollte Retrodiktion immer möglich sein. Doch eine neue Studie spricht dagegen.
In dieser Arbeit ließ das Team Computermodelle von drei massiven Schwarzen Löchern in einem Gravitationstanz laufen. Bei jeder Simulation verschoben sie die Anfangspositionen der Schwarzen Löcher, um zu sehen, wie ähnlich oder unterschiedlich ihre Bewegungen im Laufe der Zeit waren. Diese Art von Drei-Körper-Problem ist ein klassisches Beispiel für ein chaotisches System. Es gibt keine genaue Lösung für Drei-Körper-Probleme, daher ist es eine großartige Möglichkeit, zu untersuchen, wie vorhersehbar ein System sein könnte.
Wie Sie vielleicht erwarten, können Sie sehr unterschiedliche Ergebnisse erzielen, wenn Sie die Anfangsbedingungen variieren. Kleine Unterschiede führen im Laufe der Zeit zu großen. Wir wissen das über chaotische Systeme seit Jahrzehnten. Das Team stellte jedoch fest, dass die kleinsten Verschiebungen zu großen Abweichungen führen können. Als sie die Verschiebungen so klein wie eine Plankenlänge machten, blieben die meisten Simulationen wirklich konsistent, aber etwa 5% von ihnen variierten immer noch stark.
Zwei Systeme (weiß und rot) unterscheiden sich um eine Planck-Länge, weichen aber dennoch voneinander ab. Bildnachweis: Astronomie.nl/Tjarda Boekholt
Dies ist interessant, weil eine Plank-Länge ungefähr die Skalengrenze für Quantensysteme ist. Kleiner als das und bekannte Gesetze der Physik brechen zusammen. Da die Körper im Modus große Schwarze Löcher sind, ist dies kein Effekt der Quantenunsicherheit. Es ist auch keine Unsicherheit in ihrer Simulation. Die Unberechenbarkeit dieses Drei-Körper-Systems scheint intrinsisch zu sein.
Daher können wir die Zukunft nicht immer vorhersagen. Was gibt es sonst Neues? Da die Gesetze der Gravitation jedoch zeitreversibel sind, bedeutet dies auch, dass wir für einige Systeme ihren Ursprung nicht kennen können. Auch nicht im Prinzip.
Bevor Sie denken, dass dies die gesamte Wissenschaft aus dem Fenster wirft, denken Sie daran, dass dies ungefähr die Grenze dessen ist, was man wissen kann. Wir können die Geschichte des Universums immer noch durch das verstehen, was wir heute sehen. Dies könnte jedoch dazu führen, dass Informationen selbst in einem einfachen klassischen System nicht immer erhalten bleiben. Wenn das stimmt, könnte es unser Verständnis der grundlegendsten Essenz der Physik verändern.
Referenz:Boekholt, T. C. N., S. F. Portegies Zwart und Mauri Valtonen. “ Riesige chaotische gravitative Dreikörpersysteme und ihre Irreversibilität auf die Planck-Länge . '
