Eine von FQxI kofinanzierte Studie legt versteckte Zusammenhänge zwischen Quantenmechanik, Schwerkraft und Zeit nahe.
Wissenschaftler haben einen neuen Blick auf eines der seltsamsten Probleme der Quantenphysik geworfen und herausgefunden, dass die Antwort möglicherweise bis in die Zeit selbst reicht.
In der Quantenmechanik verhalten sich Teilchen nicht wie Alltagsgegenstände. Anstatt in einem klar definierten Zustand zu existieren, können sie mehrere mögliche Zustände gleichzeitig einnehmen, ein Phänomen, das als Überlagerung bekannt ist. Physiker beschreiben dieses verschwommene Quantenverhalten mit einem mathematischen Objekt, das als „Wellenfunktion“ bezeichnet wird.
Aber in der gewöhnlichen Welt scheinen die Dinge nicht so zu funktionieren. Ein Stuhl steht an einer Stelle, nicht an zwei. Eine Uhr zeigt einmal, nicht oft. Die Lücke zwischen der Quantenwelt und der täglichen Erfahrung zu schließen, stellt Physiker seit Jahrzehnten vor Herausforderungen.
Um diesen Unterschied auszugleichen, argumentieren Physiker typischerweise, dass, wenn ein Quantensystem mit einem Messgerät oder Beobachter interagiert, seine Wellenfunktion zu einem einzigen, eindeutigen Ergebnis „kollabiert“.
Mit Unterstützung des Foundational Questions Institute (FQxI) hat eine internationale Gruppe von Physikern nun eine Reihe unkonventioneller Ansätze für dieses Messproblem untersucht, die als „Quantenkollapsmodelle“ bekannt sind, und dabei gezeigt, dass sie erhebliche Auswirkungen darauf haben könnten, wie sich die Zeit verhält und wie genau sie gemessen werden kann. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht inForschung zur körperlichen Überprüfungschlagen außerdem eine neue Strategie vor, um diese Modelle experimentell von der Standardquantentheorie zu unterscheiden.
„Wir haben die Idee ernst genommen, dass Einsturzmodelle mit der Schwerkraft zusammenhängen könnten“, sagt Nicola Bortolotti, Doktorandin am Enrico Fermi Museum and Research Center (CREF) in Rom, Italien, die die Studie leitete. „Und dann stellten wir eine ganz konkrete Frage: Was bedeutet das für die Zeit selbst?“
Spontaner Zusammenbruch
In den 1980er Jahren begannen Forscher mit der Entwicklung von Quantenmodellen, bei denen der Zusammenbruch der Wellenfunktion spontan und unabhängig von Beobachtung oder Messung erfolgt. Im Gegensatz zu Standardinterpretationen der Quantenmechanik, bei denen es sich in der Regel um philosophische Rahmenwerke handelt, die experimentell nicht unterschieden werden können, liefern diese Kollapsmodelle spezifische Vorhersagen, die im Prinzip im Labor überprüft werden können.
„Wir haben die Idee ernst genommen, dass Kollapsmodelle mit der Schwerkraft zusammenhängen könnten. Und dann haben wir eine ganz konkrete Frage gestellt: Was bedeutet das für die Zeit selbst?“ sagt Nicola Bortolotti.
Um diese Idee zu untersuchen, haben Bortolotti und seine Kollegen Catalina Curceanu, Mitglied von FQxI und Forschungsdirektorin an den Laboratori Nazionali di Frascati des Nationalen Instituts für Kernphysik (INFN-LNF) in Frascati, Italien, Kristian Piscicchia am CREF und INFN-LNF, Lajos Diósi vom Wigner Research Center for Physics und der Eötvös-Loránd-Universität in Budapest, Ungarn, und Simone Manti von INFN-LNF untersuchte zwei führende Kollapsmodelle. Eines davon ist das Diósi-Penrose-Modell (benannt nach den FQxI-Mitgliedern Lajos Diósi und Sir Roger Penrose), das seit langem einen Zusammenhang zwischen Schwerkraft und Wellenfunktionskollaps vermutet. Das Team stellte außerdem zum ersten Mal eine quantitative Beziehung zwischen einem anderen Modell, der kontinuierlichen spontanen Lokalisierung, und Fluktuationen in der gravitativen Raumzeit her.
Die Studie zeigt, dass die Zeit selbst eine winzige intrinsische Unsicherheit mit sich bringen würde, wenn diese Kollapsmodelle die Natur genau beschreiben würden. Dies würde eine grundlegende Grenze für die Genauigkeit der Zeitmessung bedeuten, obwohl der Effekt außerordentlich gering ist. „Sobald man die Berechnung durchführt, ist die Antwort klar und überraschend beruhigend“, sagte Bortolotti.
Wichtig ist, dass diese vorhergesagte Unsicherheit keinen Einfluss auf die praktische Zeitmessung hat. Selbst die fortschrittlichsten Atomuhren würden jetzt oder in absehbarer Zukunft davon nicht betroffen sein. „Die Unsicherheit liegt um viele Größenordnungen unter dem, was wir derzeit messen können, sodass sie keine praktischen Konsequenzen für die alltägliche Zeitmessung hat“, sagt Curceanu. „Unsere Ergebnisse zeigen deutlich, dass moderne Zeitmesstechnologien davon völlig unberührt bleiben“, fügt Piscicchia hinzu.
Verknüpfung von Quantentheorie und Schwerkraft
Seit Jahrzehnten suchen Physiker nach einem einheitlichen Rahmen, der Quantenmechanik und Schwerkraft in Einklang bringen kann. Jede Theorie ist in ihrem eigenen Bereich bemerkenswert erfolgreich. Die Quantenmechanik regelt das Verhalten von Teilchen auf kleinsten Skalen, während Einsteins allgemeine Relativitätstheorie die Schwerkraft und die großräumige Struktur des Universums beschreibt. Allerdings behandeln die beiden Frameworks die Zeit auf grundlegend unterschiedliche Weise. „In der Standardquantenmechanik wird Zeit als externer, klassischer Parameter behandelt, der nicht vom untersuchten Quantensystem beeinflusst wird“, erklärt Curceanu. Im Gegensatz dazu sind Zeit und Raum in der Allgemeinen Relativitätstheorie dynamisch und können sich als Reaktion auf Masse und Energie verbiegen und verändern.
„Die Unsicherheit liegt um viele Größenordnungen unter dem, was wir derzeit messen können, sodass sie keine praktischen Konsequenzen für die alltägliche Zeitmessung hat“, sagt Catalina Curceanu.
Die neuen Ergebnisse basieren auf der Idee, dass die Quantenmechanik Teil einer tieferen und umfassenderen Theorie sein könnte. Indem die Arbeit einen möglichen Zusammenhang zwischen Kollapsmodellen, der Schwerkraft und dem Verhalten der Zeit aufdeckt, weist sie auf zuvor verborgene Zusammenhänge zwischen diesen grundlegenden Aspekten der Physik hin.
Curceanu betonte auch die Rolle von FQxI bei der Unterstützung unkonventioneller Forschungsrichtungen. „Es gibt nicht viele Stiftungen auf der Welt, die die Erforschung grundlegender Fragen dieser Art über das Universum, den Raum, die Zeit und die Materie unterstützen“, sagt Curceanu. „Unsere Arbeit zeigt, dass selbst radikale Ideen zur Quantenmechanik anhand präziser physikalischer Messungen überprüft werden können und dass die Zeitmessung beruhigenderweise eine der stabilsten Säulen der modernen Physik bleibt.“
Referenz: „Grundlegende Grenzen der Uhrengenauigkeit durch Raumzeitunsicherheit in Quantenkollapsmodellen“ von Nicola Bortolotti, Catalina Curceanu, Lajos Diósi, Simone Manti und Kristian Piscicchia, 13. November 2025,Forschung zur körperlichen Überprüfung.
DOI: 10.1103/p6tj-lg8l
Diese Arbeit wurde teilweise unterstützt durchFQxIs Programm „Bewusstsein in der physischen Welt“..
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Eine von FQxI kofinanzierte Studie legt versteckte Zusammenhänge zwischen Quantenmechanik, Schwerkraft und Zeit nahe.
Wissenschaftler haben einen neuen Blick auf eines der seltsamsten Probleme der Quantenphysik geworfen und herausgefunden, dass die Antwort möglicherweise bis in die Zeit selbst reicht.
In der Quantenmechanik verhalten sich Teilchen nicht wie Alltagsgegenstände. Anstatt in einem klar definierten Zustand zu existieren, können sie mehrere mögliche Zustände gleichzeitig einnehmen, ein Phänomen, das als Überlagerung bekannt ist. Physiker beschreiben dieses verschwommene Quantenverhalten mit einem mathematischen Objekt, das als „Wellenfunktion“ bezeichnet wird.
Aber in der gewöhnlichen Welt scheinen die Dinge nicht so zu funktionieren. Ein Stuhl steht an einer Stelle, nicht an zwei. Eine Uhr zeigt einmal, nicht oft. Die Lücke zwischen der Quantenwelt und der täglichen Erfahrung zu schließen, stellt Physiker seit Jahrzehnten vor Herausforderungen.
Um diesen Unterschied auszugleichen, argumentieren Physiker typischerweise, dass, wenn ein Quantensystem mit einem Messgerät oder Beobachter interagiert, seine Wellenfunktion zu einem einzigen, eindeutigen Ergebnis „kollabiert“.
Mit Unterstützung des Foundational Questions Institute (FQxI) hat eine internationale Gruppe von Physikern nun eine Reihe unkonventioneller Ansätze für dieses Messproblem untersucht, die als „Quantenkollapsmodelle“ bekannt sind, und dabei gezeigt, dass sie erhebliche Auswirkungen darauf haben könnten, wie sich die Zeit verhält und wie genau sie gemessen werden kann. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht inForschung zur körperlichen Überprüfungschlagen außerdem eine neue Strategie vor, um diese Modelle experimentell von der Standardquantentheorie zu unterscheiden.
„Wir haben die Idee ernst genommen, dass Einsturzmodelle mit der Schwerkraft zusammenhängen könnten“, sagt Nicola Bortolotti, Doktorandin am Enrico Fermi Museum and Research Center (CREF) in Rom, Italien, die die Studie leitete. „Und dann stellten wir eine ganz konkrete Frage: Was bedeutet das für die Zeit selbst?“
Spontaner Zusammenbruch
In den 1980er Jahren begannen Forscher mit der Entwicklung von Quantenmodellen, bei denen der Zusammenbruch der Wellenfunktion spontan und unabhängig von Beobachtung oder Messung erfolgt. Im Gegensatz zu Standardinterpretationen der Quantenmechanik, bei denen es sich in der Regel um philosophische Rahmenwerke handelt, die experimentell nicht unterschieden werden können, liefern diese Kollapsmodelle spezifische Vorhersagen, die im Prinzip im Labor überprüft werden können.
„Wir haben die Idee ernst genommen, dass Kollapsmodelle mit der Schwerkraft zusammenhängen könnten. Und dann haben wir eine ganz konkrete Frage gestellt: Was bedeutet das für die Zeit selbst?“ sagt Nicola Bortolotti.
Um diese Idee zu untersuchen, haben Bortolotti und seine Kollegen Catalina Curceanu, Mitglied von FQxI und Forschungsdirektorin an den Laboratori Nazionali di Frascati des Nationalen Instituts für Kernphysik (INFN-LNF) in Frascati, Italien, Kristian Piscicchia am CREF und INFN-LNF, Lajos Diósi vom Wigner Research Center for Physics und der Eötvös-Loránd-Universität in Budapest, Ungarn, und Simone Manti von INFN-LNF untersuchte zwei führende Kollapsmodelle. Eines davon ist das Diósi-Penrose-Modell (benannt nach den FQxI-Mitgliedern Lajos Diósi und Sir Roger Penrose), das seit langem einen Zusammenhang zwischen Schwerkraft und Wellenfunktionskollaps vermutet. Das Team stellte außerdem zum ersten Mal eine quantitative Beziehung zwischen einem anderen Modell, der kontinuierlichen spontanen Lokalisierung, und Fluktuationen in der gravitativen Raumzeit her.
Die Studie zeigt, dass die Zeit selbst eine winzige intrinsische Unsicherheit mit sich bringen würde, wenn diese Kollapsmodelle die Natur genau beschreiben würden. Dies würde eine grundlegende Grenze für die Genauigkeit der Zeitmessung bedeuten, obwohl der Effekt außerordentlich gering ist. „Sobald man die Berechnung durchführt, ist die Antwort klar und überraschend beruhigend“, sagte Bortolotti.
Wichtig ist, dass diese vorhergesagte Unsicherheit keinen Einfluss auf die praktische Zeitmessung hat. Selbst die fortschrittlichsten Atomuhren würden jetzt oder in absehbarer Zukunft davon nicht betroffen sein. „Die Unsicherheit liegt um viele Größenordnungen unter dem, was wir derzeit messen können, sodass sie keine praktischen Konsequenzen für die alltägliche Zeitmessung hat“, sagt Curceanu. „Unsere Ergebnisse zeigen deutlich, dass moderne Zeitmesstechnologien davon völlig unberührt bleiben“, fügt Piscicchia hinzu.
Verknüpfung von Quantentheorie und Schwerkraft
Seit Jahrzehnten suchen Physiker nach einem einheitlichen Rahmen, der Quantenmechanik und Schwerkraft in Einklang bringen kann. Jede Theorie ist in ihrem eigenen Bereich bemerkenswert erfolgreich. Die Quantenmechanik regelt das Verhalten von Teilchen auf kleinsten Skalen, während Einsteins allgemeine Relativitätstheorie die Schwerkraft und die großräumige Struktur des Universums beschreibt. Allerdings behandeln die beiden Frameworks die Zeit auf grundlegend unterschiedliche Weise. „In der Standardquantenmechanik wird Zeit als externer, klassischer Parameter behandelt, der nicht vom untersuchten Quantensystem beeinflusst wird“, erklärt Curceanu. Im Gegensatz dazu sind Zeit und Raum in der Allgemeinen Relativitätstheorie dynamisch und können sich als Reaktion auf Masse und Energie verbiegen und verändern.
„Die Unsicherheit liegt um viele Größenordnungen unter dem, was wir derzeit messen können, sodass sie keine praktischen Konsequenzen für die alltägliche Zeitmessung hat“, sagt Catalina Curceanu.
Die neuen Ergebnisse basieren auf der Idee, dass die Quantenmechanik Teil einer tieferen und umfassenderen Theorie sein könnte. Indem die Arbeit einen möglichen Zusammenhang zwischen Kollapsmodellen, der Schwerkraft und dem Verhalten der Zeit aufdeckt, weist sie auf zuvor verborgene Zusammenhänge zwischen diesen grundlegenden Aspekten der Physik hin.
Curceanu betonte auch die Rolle von FQxI bei der Unterstützung unkonventioneller Forschungsrichtungen. „Es gibt nicht viele Stiftungen auf der Welt, die die Erforschung grundlegender Fragen dieser Art über das Universum, den Raum, die Zeit und die Materie unterstützen“, sagt Curceanu. „Unsere Arbeit zeigt, dass selbst radikale Ideen zur Quantenmechanik anhand präziser physikalischer Messungen überprüft werden können und dass die Zeitmessung beruhigenderweise eine der stabilsten Säulen der modernen Physik bleibt.“
Referenz: „Grundlegende Grenzen der Uhrengenauigkeit durch Raumzeitunsicherheit in Quantenkollapsmodellen“ von Nicola Bortolotti, Catalina Curceanu, Lajos Diósi, Simone Manti und Kristian Piscicchia, 13. November 2025,Forschung zur körperlichen Überprüfung.
DOI: 10.1103/p6tj-lg8l
Diese Arbeit wurde teilweise unterstützt durchFQxIs Programm „Bewusstsein in der physischen Welt“..
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