Der Pfeil der Zeit kann im Glas in beide Richtungen gehen

Die Wahrnehmung der Zeitabfolge ist intuitiv; sie fließt stetig von der Vergangenheit in Richtung Zukunft. Doch die genauen Gründe für diese Einbahnstraße der Zeit bleiben mysteriös. Ein Schlüssel zum Verständnis dieses Phänomens liegt in dem Konzept der Entropie, einem Maß für die Unordnung in einem System. Mit der Zeit nimmt die Entropie in einem abgeschlossenen System zu, ein Prozess, der sich nicht umkehren lässt. Dieses Prinzip lässt sich anhand der natürlichen Alterung oder dem Zerbrechen eines Eis, das von der Arbeitsplatte fällt, beobachten. Dennoch gibt es Stoffe, die sich augenscheinlich diesem Trend widersetzen – wie Glas und Kunststoffe.

Nahaufnahme der Probe und des Laserstrahls, der zur Untersuchung der molekularen Dynamik der Probe durch Messung des gestreuten Lichts verwendet wird.

Diese Materialien bestehen aus verwickelten Molekülstrukturen, die meist zufällig verteilt sind. Selbst in festem Zustand bewegen sich diese Moleküle, wenn auch extrem langsam. Sie streben stets nach dem energetisch günstigsten Zustand, wodurch sich die Eigenschaften des Materials im Laufe der Zeit ändern. Bei Fensterglas kann dieser Prozess Milliarden Jahre dauern.

Um diesen Vorgang aus der Perspektive des Materials zu betrachten, ziehen Forscher die "Materialzeit" heran – eine innere Uhr, die im betreffenden Stoff tickt. Diese Zeit bemisst sich nach der Geschwindigkeit, mit der sich die Moleküle im Material neu anordnen, was zu einer sehr langen Materialzeit führen kann. Dennoch zeichnet die allgemeine Zeitrichtung unaufhaltsam in die Zukunft. Alles altert.

Die Erfassung der Materialzeit gestaltet sich schwierig. Wissenschaftler haben ein Experiment aufgebaut, um die Bewegung der Moleküle in einer Glasprobe zu untersuchen, und statistische Methoden, um deren Fluktuationen über die Zeit zu bestimmen. Die Analyse ergab, dass diese molekularen Fluktuationen zeitlich umkehrbar sind, das heißt, sie würden in der Zeit vorwärts und rückwärts betrachtet gleich erscheinen.

„Das bedeutet jedoch nicht, dass der Alterungsprozess von Materialien umkehrbar ist“, erklärte der Hauptautor Till Böhmer von der Technischen Universität Darmstadt.

Die mikroskopischen Bewegungen der Moleküle beeinflussen also nicht das Altern des Gesamtsystems. Sie bewegen sich und zappeln, ohne die Materialzeit zu beeinflussen. Was die Zeitrichtung angeht, könnten in Glas und Kunststoff die molekularen Veränderungen genauso gut rückwärts wie vorwärts laufen. Aus molekularer Sicht ist die Richtung der Zeitpfeils irrelevant. Dennoch altert das Glas weiterhin.

„Das hinterlässt uns mit einem Berg von unbeantworteten Fragen“, fügte Co-Autor Prof. Thomas Blochowicz hinzu.

Stammt die Umkehrbarkeit von umkehrbaren physikalischen Gesetzen? Wie unterscheidet sich die Materialzeit zwischen verschiedenen Stoffen? Lässt sich diese Entdeckung auf alle ungeordneten Materialien übertragen, wie das Team vermutet? Diese Fragen müssen durch zukünftige Forschungen geklärt werden.

Die Studie wurde in Nature Physics veröffentlicht.