(wragg/Getty Images) Den meisten Gesetzen der Physik ist es egal, in welche Richtung sich die Zeit bewegt. Vorwärts, rückwärts … so oder so funktionieren die Gesetze genau gleich. Newtonsche Physik, generelle Relativität - Zeit ist für die Mathematik irrelevant: Dies nennt man Zeitumkehrsymmetrie.
Im realen Universum wird es etwas chaotischer. Und jetzt hat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung der Astronomin Tjarda Boekholt von der Universität Aveiro in Portugal gezeigt, dass bereits drei gravitativ wechselwirkende Körper erforderlich sind, um die Zeitumkehrsymmetrie zu durchbrechen.
„Bisher war ein quantitativer Zusammenhang zwischen dem Chaos in stellaren dynamischen Systemen und dem Grad der Irreversibilität unbestimmt.“ sie schrieben in ihrer Zeitung .
„In dieser Arbeit untersuchen wir chaotische Dreikörpersysteme im freien Fall zunächst unter Verwendung des genauen und präzisen N-Körper-Codes.“ Brutus , was über die Standardarithmetik mit doppelter Genauigkeit hinausgeht. „Wir zeigen, dass der Anteil irreversibler Lösungen als Potenzgesetz mit numerischer Genauigkeit abnimmt.“
Das N-Körper-Problem ist ein bekanntes Problem in der Astrophysik. Es entsteht, wenn man einem gravitativ wechselwirkenden System weitere Körper hinzufügt.
Die Bewegungen zweier Körper vergleichbarer Größe auf einer Umlaufbahn um einen zentralen Punkt lassen sich gemäß den Newtonschen Bewegungsgesetzen und dem Newtonschen Gesetz der universellen Gravitation relativ einfach mathematisch vorhersagen.
Sobald Sie jedoch einen weiteren Körper hinzufügen, wird es schwierig. Die Körper beginnen, ihre Umlaufbahnen gegenseitig durch die Schwerkraft zu stören, was ein Element des Chaos in die Interaktion einbringt. Das bedeutet, dass es zwar Lösungen für Sonderfälle gibt, es aber weder in der Newtonschen Physik noch in der Allgemeinen Relativitätstheorie eine Formel gibt, die diese Wechselwirkungen mit völliger Genauigkeit beschreibt.
Selbst innerhalb des Sonnensystems, das wir ziemlich gut verstehen, können wir nur einige Millionen Jahre in die Zukunft vorhersagen. Chaos im Universum ist eine Funktion, kein Fehler.
Bei der Durchführung von N-Körper-Simulationen kehren Physiker in ihren Ergebnissen manchmal zu einer zeitlichen Irreversibilität zurück – mit anderen Worten: Wenn die Simulationen rückwärts ausgeführt werden, gelangen sie nicht zum ursprünglichen Ausgangspunkt.
Es ist unklar, ob dies auf das Chaos dieser Systeme oder auf Probleme mit den Simulationen zurückzuführen ist, die zu Unsicherheiten hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit führen.
Deshalb haben Boekholt und seine Kollegen einen Test entwickelt, um dies herauszufinden. Er und der Computerastrophysiker Simon Portegies Zwart von der Universität Leiden in den Niederlanden haben zuvor einen N-Körper-Simulationscode namens geschrieben Brutus Das nutzt Brute-Force-Rechenleistung, um das Ausmaß numerischer Fehler zu reduzieren.
Jetzt haben sie damit die Zeitreversibilität eines Dreikörpersystems getestet.
„Da Newtons Bewegungsgleichungen zeitlich umkehrbar sind, sollte eine Vorwärtsintegration, gefolgt von einer Rückwärtsintegration zur gleichen Zeit, die ursprüngliche Realisierung des Systems wiederherstellen (wenn auch mit einem Vorzeichenunterschied in den Geschwindigkeiten)“ sie schrieben in ihrer Zeitung .
„Das Ergebnis eines Reversibilitätstests ist somit genau bekannt.“
Die drei Körper im System sind Schwarze Löcher und sie wurden in zwei Szenarien getestet. Im ersten Fall begannen die Schwarzen Löcher aus dem Ruhezustand und bewegten sich auf komplizierten Umlaufbahnen aufeinander zu, bevor eines der Schwarzen Löcher aus dem System geschleudert wurde.
Das zweite Szenario beginnt dort, wo das erste endet, und wird zeitlich rückwärts abgespielt, wobei versucht wird, das System wieder in seinen ursprünglichen Zustand zu versetzen.
Sie fanden heraus, dass die Simulation in 5 Prozent der Fälle nicht rückgängig gemacht werden konnte. Alles, was es brauchte, war eine Störung des Systems in der Größe eines Planck-Länge , was bei 0,000000000000000000000000000000000016 Metern der ist kleinstmögliche Länge .
„Die Bewegung der drei Schwarzen Löcher kann so enorm chaotisch sein, dass etwas so Kleines wie die Planck-Länge die Bewegungen beeinflusst.“ Sagte Boekholt . „Die Störungen in der Größe der Planck-Länge wirken exponentiell und brechen die Zeitsymmetrie.“
Fünf Prozent scheinen nicht viel zu sein, aber da man nie vorhersagen kann, welche Ihrer Simulationen innerhalb dieser fünf Prozent liegen werden, sind die Forscher zu dem Schluss gekommen, dass N-Körper-Systeme daher „grundsätzlich unvorhersehbar“ sind.
Und sie haben gezeigt, dass das Problem doch nicht bei den Simulationen liegt.
„Die Zeit nicht zurückdrehen zu können, ist nicht mehr nur ein statistisches Argument“, Portegies Black sagte . „Es liegt bereits in den Grundgesetzen der Natur verborgen.“ „Kein einziges System aus drei sich bewegenden Objekten, ob groß oder klein, Planeten oder Schwarze Löcher, kann der Richtung der Zeit entkommen.“
Die Forschung wurde im veröffentlicht Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society .