Die Standardisierung der Zeit
Die Wirklichkeit entsteht in unseren Händen. Wenn wir an der Existenz von etwas zweifeln, strecken wir den Zeigefinger aus und berühren es. Die Tastatur Ihres Computers oder das Glas Ihres Mobiltelefons sind real, sie existieren. Ihre Finger können es eindeutig bestätigen. Wir selbst wissen, dass wir in dieser Welt existieren. Falls Sie Zweifel haben, können Sie es auf zwei Arten überprüfen: Die erste besteht darin, sich in den Arm zu kneifen, eine sehr verbreitete Technik. Sie können auch genau jetzt die Person, die Ihnen am nächsten ist, fragen, ob sie existiert. Warten wir ab. War die Antwort ja? Dann existiert sie. War sie nein? Prüfen Sie, ob die Person neben Ihnen wirklich existiert, strecken Sie den Zeigefinger aus und berühren Sie sie. Existiert sie? Die Schlussfolgerung des Experiments überlassen wir Ihnen. Unsere Hände scheinen somit die Wiege der Wirklichkeit zu sein. Ist das wirklich so?
Alles, was wir tun, tun wir in unserer Welt; wir können nicht den Zeigefinger ausstrecken und andere Welten berühren oder sie gar betreten. Vielleicht ist es gerade deshalb so schwer, an die Existenz von Welten jenseits der unseren zu glauben. Nach einer der wenigen Theorien, die uns darüber aufzuklären versuchen, gibt es andere Welten, in denen auch wir selbst existieren. Die Physiker haben diese Theorie vom schwindelerregenden Gipfel ihrer Kreativität aus auf den Namen „Viele-Welten-Interpretation“ getauft. Urheber der Idee ist Hugh Everett III. Mit zwölf Jahren schrieb Hugh Everett III einen Brief an Albert Einstein, um eine Frage zu klären: Was würde geschehen, wenn eine unaufhaltsame Kraft auf einen unbeweglichen Gegenstand einwirkte? Die Antwort lautete:
„Lieber Hugh: Es gibt so etwas wie eine unwiderstehliche Kraft und einen unbeweglichen Körper nicht. Aber es scheint einen sehr hartnäckigen Jungen zu geben, der sich siegreich einen Weg durch seltsame Schwierigkeiten gebahnt hat, die er eigens zu diesem Zweck selbst geschaffen hat. Mit freundlichen Grüßen, A. Einstein“.
Vielleicht war es diese Antwort des größten Genies der Physik, die ihn dazu bewog, Physiker zu werden, vielleicht waren es die Geschichten seiner Mutter oder vielleicht seine Studien über die Geschosse aus dem Gewehr seines Vaters. Wir werden es nicht erfahren. Was wir wissen, ist, dass Hugh Everett III selbst ein Genie auf mehreren Gebieten war und eine der interessantesten Lösungen entwickelte, um uns die Funktionsweise der Quantenmechanik zu erklären. Seine Viele-Welten-Interpretation ist heute in der Physik als eine der wichtigsten Theorien der Quantenmechanik anerkannt, doch das war nicht immer so.
DIE KOPENHAGENER DEUTUNG
Im Jahr 1912 rief der belgische Unternehmer Ernest Solvay die Solvay-Konferenzen (1) ins Leben, die alle drei Jahre stattfanden. Die fünfte Konferenz, die im Oktober 1927 über Elektronen und Photonen abgehalten wurde, war eine der bedeutendsten aller Zeiten. An ihr nahmen 29 Wissenschaftler teil, von denen 17 den Nobelpreis erhalten hatten oder noch erhalten sollten. Unter ihnen waren bekannte Namen wie Albert Einstein, Niels Bohr, Max Planck, Erwin Schrödinger. Auf dieser Konferenz wurde die neu formulierte Quantentheorie erörtert, vor allem in einer berühmten Debatte zwischen Einstein und Bohr über das Verhalten des Elektrons. Aus dieser Konferenz ging die berühmte „Kopenhagener Deutung“ hervor. Um sie zu verstehen, müssen wir zunächst die Entdeckung Schrödingers kennen, die zwei Jahre zuvor, 1925, gemacht wurde.
Schrödinger zeigte mit seiner Gleichung, dass das zweite Newtonsche Gesetz (F = ma) zwar in einer makroskopischen Sicht der Welt gute Ergebnisse lieferte, dies auf Quantenebene jedoch nicht der Fall war.
Die Schrödinger-Gleichung erlaubt es also, die Energie der Elektronenorbitale zu berechnen, und zeigt, dass sich die genaue Position eines Elektrons nicht vorhersagen lässt. Diese Unmöglichkeit rührt daher, dass sich Elektronen in Superpositionen befinden, also an mehreren Orten gleichzeitig. Wenn sie sich an mehreren Orten gleichzeitig befinden, kann man sagen, dass sie sich nicht wie Teilchen, sondern wie Wellen verhalten. Wenn wir jedoch ein Elektron beobachten, sehen wir es so, als handle es sich um ein Teilchen. Die Kopenhagener Deutung vertritt daher die Auffassung, dass sich ein Elektron wie eine Welle verhält, seine Wellenfunktion aber kollabiert, sobald es beobachtet wird, und es sich dann als Teilchen zeigt. Genau dieser Idee Bohrs widersprach Einstein. Man erzählt, dass Einstein im Anschluss an diese Debatte seinen berühmten Satz gesagt haben soll:
„Gott würfelt nicht“
Damit spielte er darauf an, dass die von Bohr vorgelegte Lösung zur Erklärung des Übergangs zwischen Welle und Teilchen auf einer Wahrscheinlichkeit beruhte und zudem von einem Beobachter abhing. Bohrs Antwort war einfach:
„Einstein, hören Sie auf, Gott vorzuschreiben, was er zu tun hat“.
Nachdem sie die Welt jahrelang mit den Augen der klassischen Physik Newtons betrachtet hatten, standen diese Genies vor einer Wirklichkeit, die sich nicht bestätigen ließ. Der Urheber der Gleichung, die diese ganze Kontroverse ausgelöst hatte, Schrödinger, hielt die Idee vom Kollaps der Wellenfunktion selbst für unsinnig. So sehr, dass er eines der geistreichsten Experimente der Physik vorschlug, das heute als das Experiment von Schrödingers Katze bekannt ist.
SCHRÖDINGERS KATZE
Das Experiment von Schrödingers Katze soll veranschaulichen, wie widersinnig es ist, die Kopenhagener Deutung auf gewöhnliche Gegenstände des Alltags anzuwenden. Es besteht schlicht darin, eine Katze zusammen mit einem Fläschchen Zyanid, einer radioaktiven Substanz und einem Strahlungsmessgerät in eine Kiste zu setzen. Nach der Quantenphysik können die Atome der radioaktiven Substanz während der Dauer des Experiments zerfallen – oder auch nicht. Zerfallen die Teilchen der radioaktiven Substanz und setzen somit Strahlung frei, wird das Giftfläschchen zerbrochen und die Katze stirbt. Zerfallen die Teilchen nicht, lebt die Katze. Nach der Kopenhagener Deutung ist die Katze, bis die Kiste geöffnet wird, gleichzeitig lebendig und tot. Öffnet man die Kiste jedoch, sieht der Beobachter nur entweder eine lebende oder eine tote Katze. Obwohl diese Theorie, wie Einstein bemerkte, nicht leicht zu akzeptieren ist, wird sie bis heute weithin anerkannt.
DIE VIELE-WELTEN-INTERPRETATION
Dreißig Jahre nach der fünften Solvay-Konferenz verteidigte Hugh Everett seine Doktorarbeit, in der er auf heroische Weise eine Lösung für das Problem des damals weltweit anerkannten Bohr vorschlug. Nach der Verteidigung erreichte Everetts Doktorvater, dass Bohr sich bereit erklärte, ihn zu empfangen. Laut dem Bericht von Everetts Ehefrau weigerte sich Bohr jedoch, das Thema überhaupt anzusprechen, und empfing ihn nicht einmal.
Everetts Vorschlag war recht einfach: Er schlug vor, zur Erklärung des Verhaltens der Elektronen ausschließlich die Schrödinger-Gleichung heranzuziehen – bis hierhin nichts Besonderes. Die nächste Idee war jedoch etwas kühner.
Angesichts des Problems der Messung der Position des Elektrons schlug Everett vor, dass schon die bloße Beobachtung eines Elektrons eine neue Welt erschaffe, in der dasselbe Elektron als Teilchen erscheine.
Diese Welt wäre eine andere als die vorherige, in der sich das Teilchen noch wie eine Welle verhielt. Everetts Vorschlag erhielt den fantasievollen Namen Viele-Welten-Theorie. Nach der Viele-Welten-Interpretation befinden sich sowohl Schrödingers Katze als auch der Beobachter und die ganze Welt in einer Superposition, was offensichtlich schlüssiger ist. Aus diesem Grund muss man natürlich die Existenz mehrerer Welten in Betracht ziehen. Bis heute ist die Viele-Welten-Interpretation eine der wenigen Theorien, die eine Lösung für das Problem der Messung der Position von Elektronen in der Quantenphysik bieten. Anerkannt wird sie nicht nur von Science-Fiction-Begeisterten, sondern auch von renommierten Physikern wie Sean Carroll.
DIE HÄNDE UND DIE WIRKLICHKEIT
Die Vorstellung, dass wir gleichzeitig in mehreren Welten existieren, ist verstörend. Die Weite des Unbekannten, die die Quantenphysik offenbart hat, ist beängstigend. Wir verstehen nicht einmal mehr, was die Wirklichkeit selbst ist. Uns bleibt nur die Annahme, dass die Wirklichkeit allein in unserem Denken entsteht, lebt und stirbt. Schließlich beginnen wir im Denken unserer Eltern zu existieren, noch bevor wir geboren werden. Wir werden nicht dadurch real, dass uns jemand berührt. Unsere Hände machen die Welt, die unsere Füße betreten, nicht real. Es ist nicht möglich, die Wirklichkeit zu berühren, geschweige denn das real zu machen, was wir berühren.
Wir wissen nun, dass uns die Wirklichkeit aus den Händen gleitet und an existenziellen Problemen leidet. Und seit dem vergangenen Wochenende wissen wir, dass die Zeit an ähnlichen Übeln leidet. Was die Wirklichkeit betrifft, können wir wenig tun. Was die Zeit betrifft, so haben wir, da das IPR eine Uhrmacherschule ist, zumindest die Pflicht, sie zu erhellen zu versuchen — auch wenn, so absurd es scheinen mag, die Auffassung besteht, dass sie gar nicht existiert.
WAS IST ZEIT
In der Welt der Uhrmacherei ist die Zeit nicht nur eine philosophische Abstraktion oder ein emotionaler Wert: Sie ist eine physikalische Größe, die exakt gemessen werden muss. Die Geschichte der Standardisierung der Zeit verläuft auf einem bemerkenswerten Weg, auf dem die Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) hervorsticht — das internationale Gremium, das für die offizielle Definition der Basiseinheiten des Internationalen Einheitensystems (SI) zuständig ist, darunter die Sekunde.
Die Meterkonvention: die Geburtsstunde der Standardisierung
Am 20. Mai 1875 unterzeichneten zwanzig Staaten — darunter Portugal — in Paris die Meterkonvention. Dieser internationale Vertrag legte die Grundlagen für eine weltweite Vereinheitlichung der Maßeinheiten und führte zur Gründung des Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) mit Sitz in Sèvres bei Paris.
Ursprünglich auf die Definition des Meters und des Kilogramms ausgerichtet, weitete sich die Arbeit des BIPM auf die übrigen physikalischen Größen aus — darunter die Zeit. Die Koordinierung dieser Tätigkeiten übernahm die Generalkonferenz für Maß und Gewicht, die seit 1889 regelmäßig zusammentritt, um Definitionen zu verabschieden, Normen zu überarbeiten und die Kohärenz des internationalen Einheitensystems zu gewährleisten.
Die astronomische Sekunde: eine instabile Definition
Jahrhundertelang wurde die Zeit anhand astronomischer Beobachtungen gemessen.
Die Sekunde war definiert als der 1 ⁄ 86400. Teil des mittleren Sonnentages — also der vierundzwanzigste Teil einer Erdumdrehung, geteilt durch 3600.
Es zeigte sich jedoch, dass die Erdrotation nicht konstant ist. Sie unterliegt kleinen, unvorhersehbaren Schwankungen geologischen, atmosphärischen und gravitativen Ursprungs.
Diese Instabilität wurde für Anwendungen, die eine extreme Präzision erfordern, wie die Satellitennavigation, die Synchronisierung von Telekommunikationsnetzen oder die wissenschaftliche Zeitmessung, untragbar. Man musste eine unveränderliche Referenz finden, die in der gesamten Natur vorhanden ist.
Die Atomsekunde: die Revolution der Genauigkeit
Die Antwort kam aus der Spektroskopie und der Quantenphysik. Atome senden beim Übergang zwischen Energieniveaus Strahlung mit einer bestimmten Frequenz aus. Beim Cäsium-133 ist diese Frequenz bemerkenswert stabil.
1967 verabschiedete die 13. Generalkonferenz für Maß und Gewicht eine neue Definition der Sekunde:
„Die Sekunde ist die Dauer von 9 192 631 770 Perioden der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands des Atoms Cäsium-133 entspricht.“
Dieser Moment markierte einen historischen Meilenstein. Zum ersten Mal hing die Zeiteinheit nicht mehr von den Gestirnen ab, sondern von einem unveränderlichen Phänomen der Atomphysik. Seitdem sind Atomuhren der höchste Maßstab für Präzision.
Von Paris in die Welt: Uhren im Takt des Cäsiums
Die CGPM überwacht weiterhin die Entwicklung der SI-Definitionen. 2019 definierte sie das Kilogramm, das Ampere, das Kelvin und das Mol auf der Grundlage universeller Konstanten neu. Die Zeiteinheit blieb jedoch an die Strahlung des Cäsiums gebunden, auch wenn der Weg für künftige, noch präzisere Standards bereitet wird — wie die optischen Gitteruhren.
Optische Gitteruhren
In den letzten Jahren sind die sogenannten optischen Gitteruhren zu den präzisesten Zeitmessinstrumenten geworden. Sie unterscheiden sich von Cäsium-Atomuhren dadurch, dass sie neutrale Atome verwenden, die in einem optischen Gitter gefangen sind – einer Struktur aus Laserlicht, die die Atome an festen Positionen hält.
Diese Atome werden durch optische Strahlung angeregt, deren Frequenzen weit über denen der beim Cäsium verwendeten Mikrowellen liegen, was eine unvergleichliche zeitliche Auflösung ermöglicht.
Die Präzision dieser Systeme ist so hoch, dass der aufsummierte Fehler nach neuesten Daten weniger als eine Sekunde in 30 Milliarden Jahren betragen würde.
Obwohl das Cäsium als Referenz des Internationalen Einheitensystems noch nicht offiziell abgelöst wurde, sind die optischen Gitteruhren die aussichtsreichsten Kandidaten für die künftige Neudefinition der Sekunde und werden derzeit in nationalen Metrologieinstituten auf der ganzen Welt erprobt.
Portugal: ein Land ohne gesetzliche Zeit
In Portugal kann man heute mit mehr Berechtigung als in anderen Ländern sagen, dass die Zeit nicht existiert, denn nach 145 Jahren im Dienst des Landes ist das Astronomische Observatorium Lissabon nicht mehr die Stelle, die die gesetzliche Zeit verbreitet.
Seit 2019 haben gesetzliche und institutionelle Änderungen ein Kompetenzvakuum geschaffen, sodass die Bestimmungen des Gesetzesdekrets Nr. 279/79 nicht mehr erfüllt werden können. Die Zuständigkeit für die Verbreitung der amtlichen Zeit soll auf das Instituto Português da Qualidade übergehen, doch das Gesetzgebungsverfahren ist weiterhin offen.
Bis dahin bleibt das Land ohne aktive verbreitende Stelle und ohne eine einzige öffentliche Uhr, die offiziell die Zeit anzeigt.
Portugal, das einst eines der angesehensten Observatorien Europas besaß, verfügt somit nicht mehr über eine eigene gesetzliche Zeit.
ANMERKUNGEN:
(1) Die Solvay-Konferenzen entstanden aus der Vision und Großzügigkeit von Ernest Solvay (1838–1922), einem belgischen Industriellen und Chemiker, der mit der Entwicklung des chemischen Verfahrens zur Herstellung von Natriumcarbonat ein Vermögen gemacht hatte. Überzeugt davon, dass der wissenschaftliche Fortschritt den Dialog zwischen den größten Denkern seiner Zeit erforderte, gründete Solvay 1911 eine Reihe hochrangiger wissenschaftlicher Konferenzen, die die einflussreichsten Physiker der Welt in einer Atmosphäre freier und strenger Debatte zusammenführten. Seine Initiative gipfelte in der berühmten fünften Konferenz von 1927, die der Quantentheorie gewidmet war und bei der zwei Auffassungen der Wirklichkeit aufeinanderprallten: Einsteins deterministische Sicht und Bohrs probabilistische Deutung. Ernest Solvay war nicht nur ein Mäzen: Er war der Architekt eines Raumes, in dem die Wissenschaft die Freiheit hatte, ihre eigenen Grundlagen zu hinterfragen. Obwohl diese Konferenzen keine metrologischen Normen festlegten, waren sie entscheidend für das theoretische Gebäude, auf dem die heutige Zeitmessung beruht — insbesondere durch die Quantenphysik, auf der die Atomuhren basieren.
Quellen
Bücher
Kragh, H. (1999). Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century. Princeton University Press.
Carroll, S. (2019). Something Deeply Hidden: Quantum Worlds and the Emergence of Spacetime. Dutton Books.
Byrne, P. (2010). The Many Worlds of Hugh Everett III. Oxford University Press.
Heisenberg, W. (1958). Physics and Philosophy. Harper.
Quinn, T. J. (2012). From Artefacts to Atoms. Oxford University Press.
Rovelli, C. (2017). The Order of Time. Allen Lane.
Pais, A. (1982). Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein. Oxford University Press.
Institutionelle und wissenschaftliche Websites
Kommentare