Wenn die Zeit vorwärts und zugleich rückwärts fließt

Pressemeldung der Universität Wien vom 26.11.2021

Zeitumkehr in der Quantenmechanik: Systeme können sich simultan in zwei – auch entgegengesetzte – Richtungen entwickeln

Ein Team von Physiker*innen der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften gemeinsam mit Wissenschafter*innen aus Bristol und von den Balearen hat gezeigt, wie sich Quantensysteme gleichzeitig entlang zweier entgegengesetzter Zeitpfeile (vorwärts und rückwärts in der Zeit) entwickeln können. Die Studie wurde in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift Communications Physics veröffentlicht.

Vorwärts und rückwärts fließende Zeitflüsse

Bei der Betrachtung von Himmelsbewegungen entsteht oft ein Gefühl der Ewigkeit, das uns zu der Frage verleiten könnte, ob die Zeit wirklich existiert. Blicken wir hingegen auf unser tägliches Leben, werden alle Zweifel ausgeräumt: Die Zeit existiert und bewegt sich vorwärts. Diese scheinbare Gewissheit ergibt sich aus der Tatsache, dass die meisten makroskopischen physikalischen Phänomene immer nur in einer Richtung ablaufen können. Nehmen wir zum Beispiel die Abfolge unserer morgendlichen Routine: Würde man uns zeigen, wie unsere Zahnpasta von der Zahnbürste zurück in die Tube wandert, wüssten wir zweifelsfrei, dass man uns gerade eine Aufzeichnung unseres Tages im Rücklauf zeigt. In der Physik ist diese Neigung bestimmter Phänomene, sich nur in eine Richtung zu entwickeln, mit der Erzeugung von „Entropie“ verbunden, einer physikalischen Größe, die den Grad der Unordnung in einem System definiert. In der Natur neigen Prozesse dazu, sich spontan von Zuständen mit weniger Unordnung zu Zuständen mit mehr Unordnung zu entwickeln, und diese Tendenz kann zur Identifizierung eines Zeitpfeils verwendet werden. Wenn also ein Phänomen eine große Menge an Entropie erzeugt, ist die Beobachtung seiner zeitlichen Umkehrung so unwahrscheinlich, dass sie praktisch unmöglich ist. Wenn die erzeugte Entropie jedoch klein genug ist, besteht eine nicht zu vernachlässigende Wahrscheinlichkeit, dass die Zeitumkehr eines Phänomens auf natürliche Weise erfolgt. Denken wir an das Beispiel mit der Zahnpasta zurück: Wenn wir die Tube nur leicht zusammendrücken und nur ein sehr kleiner Teil der Zahnpasta herauskommt, wäre es gar nicht so unwahrscheinlich, dass diese durch die Dekompression der Tube wieder in diese zurück gesaugt wird. Wird die Tube hingegen stärker zusammengedrückt, breitet sich die Zahnpasta unumkehrbar aus, so dass man sich sehr viel mehr anstrengen muss, um die gesamte Zahnpasta wieder in die Tube zu bekommen.

Die Grenze zwischen „vorwärts“ und „rückwärts“ verschwimmt in der Quantenmechanik

Ein Team von Physiker*innen der Universität Wien und des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften unter Leitung von Časlav Brukner sowie Kolleg*innen aus Bristol und den Balearen hat diese Idee auf den Quantenbereich angewandt. Die Forschenden versuchten, dadurch ein tieferes Verständnis dafür zu erlangen, wie Zeit in diesem Regime fließt. Eine der Besonderheiten der Quantenwelt ist das Prinzip der Quantensuperposition, das besagt, dass, wenn zwei Zustände eines Quantensystems möglich sind, dieses System auch in beiden Zuständen zugleich sein kann. Blickt man auf das System zurück, das sich in die eine oder andere zeitliche Richtung entwickelt (die Zahnpasta, die aus der Tube kommt oder wieder in die Tube zurückwandert), so folgt daraus, dass sich Quantensysteme auch zugleich in beide zeitliche Richtungen entwickeln können. Obwohl dieser Gedanke in Bezug auf unsere alltägliche Erfahrung eher unsinnig erscheint, beruhen die Gesetze des Universums auf ihrer grundlegendsten Ebene auf quantenmechanischen Prinzipien. Dies wirft die Frage auf, warum wir in der Natur nie auf solche Überlagerungen von Zeitflüssen stoßen. „In unserer Arbeit haben wir die Entropie quantifiziert, die von einem System erzeugt wird, das sich in Quantensuperposition von Prozessen mit entgegengesetzten Zeitpfeilen entwickelt. Wir fanden heraus, dass dies meist dazu führt, dass das System auf eine genau definierte Zeitrichtung projiziert wird, die dem wahrscheinlichsten Prozess der beiden Prozesse entspricht“, erklärt Gonzalo Manzano, ein Mitautor der Studie. Und doch kann man, wenn Entropie nur in geringem Ausmaß im Spiel ist (z. B. wenn so wenig Zahnpasta aus der Tube gedrückt wird, dass man sehen kann, wie sie wieder in die Tube zurückgesaugt wird), physikalisch beobachten, welche Folgen es hat, wenn sich das System gleichzeitig in der Vorwärts- und in der Rückwärtsrichtung der Zeit entwickelt. Wie Giulia Rubino, Hauptautorin der Veröffentlichung, betont, „wird die Zeit zwar oft als kontinuierlich zunehmender Parameter behandelt, doch unsere Studie zeigt, dass die Gesetze, die den Zeitfluss in quantenmechanischen Zusammenhängen regeln, viel komplexer sind. Dies könnte darauf hindeuten, dass wir die Art und Weise, wie wir diese Größe dort darstellen, wo Quantengesetze eine entscheidende Rolle spielen, überdenken müssen.“

Originalpublikation:
Communications Physics, Quantum superposition of thermodynamic evolutions with opposing time’s arrows, G. Rubino, G. Manzano and C. Brukner. Communications Physics (2021).

Externer Link: www.univie.ac.at

Neuer Sensor kann immer kleinere Nanoteilchen erkennen

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 04.11.2021

Neuartiger optischer Resonator bietet erstmals die Möglichkeit, die Bewegung von Nanoteilchen im Raum zu verfolgen

Nanoteilchen sind in unserer Umgebung allgegenwärtig: Viren in der Raumluft, Proteine im Körper, als Bausteine neuer Materialien etwa für die Elektronik oder in Oberflächenbeschichtungen. Wer die winzigen Partikel sichtbar machen will, hat ein Problem: Sie sind so klein, dass man sie unter einem optischen Mikroskop meist nicht sieht. Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben einen Sensor entwickelt, mit dem sie Nanoteilchen nicht nur aufspüren, sondern auch ihre Beschaffenheit bestimmen und ihre räumliche Bewegung nachverfolgen können. Ihren extrem empfindlichen und sehr kompakten Detektor, einen neuartigen Fabry-Pérot Resonator, präsentieren sie jetzt in der Fachzeitschrift Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-021-26719-5).

Gängige Mikroskope erzeugen stark vergrößerte Bilder von kleinen Strukturen oder Objekten mit Hilfe von Licht. Weil die Nanoteilchen aufgrund ihrer Winzigkeit aber kaum Licht absorbieren oder streuen, bleiben sie unsichtbar. Optische Resonatoren hingegen verstärken die Wechselwirkung zwischen Licht und Nanoteilchen: Sie halten Licht auf kleinem Raum gefangen, indem es tausende Male zwischen zwei Spiegeln reflektiert wird. Befindet sich ein Nanoteilchen in dem gefangenen Lichtfeld, dann wechselwirkt das Nanoteilchen tausende Male mit dem Licht, so dass die Änderung der Lichtintensität messbar wird. „Weil das Lichtfeld an verschiedenen Stellen im Raum unterschiedliche Intensitäten hat, können wir Rückschlüsse auf die Position des Nanoteilchens im dreidimensionalen Raum ziehen“, sagt Dr. Larissa Kohler vom Physikalischen Institut am KIT.

Resonator macht Bewegungen der Nanoteilchen sichtbar

Und nicht nur das: „Wenn sich ein Nanoteilchen in Wasser befindet, stößt es mit den Wassermolekülen zusammen, welche sich aufgrund von thermischer Energie in willkürliche Richtungen bewegen. Durch die Stöße führt das Nanoteilchen eine Art Zitterbewegung aus. Auch diese Brownsche Bewegung können wir nun nachvollziehen“, so die Expertin. „Bislang konnte mit einem optischen Resonator nicht die räumliche Bewegung eines Nanoteilchens nachverfolgt werden, sondern man konnte nur sagen, dass sich das Teilchen im Lichtfeld befindet oder nicht“, erläutert Kohler. Obendrein eröffne der neuartige faserbasierte Fabry-Pérot Resonator, bei dem sich die hochreflektierenden Spiegel auf den Endflächen von Glasfasern befinden, die Möglichkeit, aus der dreidimensionalen Bewegung den hydrodynamischen Radius des Teilchens, also die Dicke der es umgebenden Hülle aus Wasser, abzuleiten. Das ist entscheidend, weil diese die Eigenschaften des Nanoteilchens verändert. „Zum Beispiel können aufgrund der Hydrathülle noch Nanoteilchen detektiert werden, die ohne diese Hülle zu klein wären“, sagt Kohler. Ebenso könnte die Hydrathülle um Proteine oder andere biologische Nanoteilchen einen Einfluss bei biologischen Vorgängen haben.

Sensor ermöglicht Einblicke in biologische Vorgänge

Einsatzmöglichkeiten für ihren Resonator sehen die Forschenden bei der zukünftigen Detektion der dreidimensionalen Bewegung mit hoher zeitlicher Auflösung und der Charakterisierung der optischen Eigenschaften von biologischen Nanoteilchen, wie zum Beispielen Proteinen, DNA-Origami oder Viren. Der Sensor könnte damit Einblicke in noch nicht verstandene biologische Vorgänge ermöglichen. (mex)

Originalpublikation:
Larissa Kohler, Matthias Mader, Christian Kern, Martin Wegener, David Hunger: Tracking Brownian motion in three dimensions and characterization of individual nanoparticles using a fiber-based high-finesse microcavity. Nature Communications, 2021. DOI: 10.1038/s41467-021-26719-5

Externer Link: www.kit.edu

Bakterien als Klima-Helden

Presseaussendung der TU Wien vom 17.11.2021

Um in Zukunft eine kohlenstoffneutrale Kreislaufwirtschaft zu etablieren, werden Technologien benötigt, die als Rohstoff CO2 verwenden. In Form von Formiat kann CO2 von bestimmten Bakterien verstoffwechselt werden.

Acetogene sind eine Gruppe von Bakterien, die Formiat verstoffwechseln können. Sie bilden beispielsweise Essigsäure – eine wichtige Basischemikalie. Manipuliert man diese Bakterien dahingehend, dass sie Ethanol oder Milchsäure produzieren, ließe sich eine umfassende Kreislaufwirtschaft für das Treibhausgas CO2 realisieren. Damit der Prozess nachhaltig ist, wird das CO2 direkt aus der Luft gewonnen und unter Verwendung von erneuerbarer Energie zu Formiat umgewandelt.

Um herauszufinden, wie genau sich Formiat durch das Acetobakterium woodii (kurz A. woodii) verwerten lässt, untersuchte ein Team um Stefan Pflügl vom Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und technische Biowissenschaften der TU Wien, wie das Bakterium verschiedene Substrate – darunter auch Formiat – verstoffwechselt. Weiters schauten sich die Forschenden über ein metabolisches Modell an, wie sich A. woodii gentechnisch verändern ließe, um andere Substanzen als Essigsäure zu produzieren.

Kreislaufwirtschaft für CO2

„Die Wirtschaft der Zukunft muss kohlenstoffneutral sein“, fordert Stefan Pflügl. Da Kohlenstoff jedoch ein wichtiger Bestandteil vieler Produkte ist – wie beispielsweise Kraftstoff oder Plastik – sollte das vorhandene CO2 recycelt und in den Kreislauf zurückgeführt werden. Eine klimaneutrale Möglichkeit dazu ist, das CO2 aus der Luft zu fixieren und mithilfe erneuerbarer Energie in Formiat umzuwandeln. Diese Verbindung aus Kohlen-, Sauer- und Wasserstoff kann schließlich ein Grundbaustein der Bioökonomie sein. Vorteile von Formiat sind, dass es sich leicht transportieren lässt und flexibel für die Herstellung von Chemikalien und Treibstoffen verwendet werden kann. Die Herstellung dieser Stoffe kann mithilfe von acetogenen Bakterien erfolgen, die sich von Kohlenstoffverbindungen ernähren und daraus Essigsäure produzieren.

Formiatverwertung durch A. woodii

Um Acetogene für die Produktion von Rohstoffen zu nutzen, muss man deren Stoffwechsel und Physiologie verstehen. Zwar handelt es sich bei A. woodii um einen Modellorganismus, das heißt, das Bakterium wurde bereits umfangreich untersucht, doch wollte das Forschungsteam eine vergleichende Beobachtung durchführen. So untersuchten Stefan Pflügl und sein Team, wie sich Substrate wie Formiat, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid oder Fruktose auf den Stoffwechsel von A. woodii auswirken.

„Der größte Unterschied, hervorgerufen durch die unterschiedlichen Substrate, besteht in der Energiemenge, die A. woodii gewinnt“, beobachtet Stefan Pflügl. Dies erklärt er wie folgt: „Acetogene sind wahre Überlebenskünstler, die auch Substrate wie CO, CO2 oder Formiat verstoffwechseln können. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Acetogene den wahrscheinlich ältesten Stoffwechselweg für die CO2-Fixierung verwenden. So gelingt es ihnen auch, unter extremen Bedingungen und aus alternativen Nahrungsquellen genug Energie zum Überleben zu erzeugen.“

Damit sind Acetogene nicht nur dazu fähig, CO2 zu verwerten, auch gehen sie dabei sehr effizient vor. Folglich muss nur wenig Energie aufgewendet werden, um CO2 in Formiat umzuwandeln, das dann in die Basischemikalie Essigsäure umgewandelt wird.

Austausch Öl-basierter Produkte

Um das volle Potenzial von A. woodii auszuschöpfen, untersuchten die Forschenden außerdem, wie sich das Bakterium gentechnisch verändern lässt, um statt Essigsäure Ethanol oder Milchsäure zu produzieren. Während Ethanol die Basis für Kraftstoff bildet, lässt sich aus Milchsäure biologisch abbaubarer Kunststoff herstellen. Öl-basierte Stoffe könnten folglich durch nachhaltigere Alternativen ausgetauscht werden. „Dies wäre nicht nur im Sinne der Bioökonomie, auch könnten CO2 und Kohlenmonoxid, die bei der Verbrennung von Kraft- oder Kunststoff entsteht, wieder zum Ursprungsprodukt werden,“ stellt Stefan Pflügl in Aussicht.

Die Studie, die in der Fachzeitschrift „Metabolic Engineering“ erschienen ist, gibt somit Aufschlüsse über das, was Acetogene wie A. woodii unter bestimmten Bedingungen leisten können. Auf Basis der experimentellen Daten und unter Verwendung eines Modells entwickelten die Forschenden außerdem Strategien, wie sich A. woodii gentechnisch manipulieren und für die Produktion weiterer Stoffe nutzen lässt. (Sarah Link)

Originalpublikation:
Neuendorf, C. S., Vignolle, G. A., Derntl, C., Tomin, T., Novak, K., Mach, R. L., … & Pflügl, S. (2021). A quantitative metabolic analysis reveals Acetobacterium woodii as a flexible and robust host for formate-based bioproduction. Metabolic Engineering, 68, 68-85.

Externer Link: www.tuwien.at