Zurück in die Zukunft – Unser physikalisches Weltbild

Sie ist nicht zu sehen, nicht greifbar und doch allgegenwärtig, die Zeit. So sagte schon Augustinus (354 bis 430 n. Chr.), einer der großen Kirchenlehrer des frühen Christentums: „Schwer zu fassen ist der Begriff der Zeit. Solange mich niemand danach fragt, ist mir, als wüsste ich es; doch fragt man mich und soll ich es erklären, so weiß ich es nicht“ (aus: Confessiones, Lib. 11). Aber von einem war er dann doch überzeugt, nämlich, dass die Zeit eine Eigenschaft des von Gott geschaffenen Universums sei und vor dessen Beginn nicht existiert habe.

Und so, wie wir es heute noch tun, unterschied er zwischen einer subjektiven und erlebnisbezogenen Zeit („Mein Gott, wie schnell die Zeit vergeht“), mit der wir uns auch an die Vergangenheit erinnern und die Zukunft voraus denken; und zweitens einer kosmologischen Zeit, die wir exakt messen können und die heute eine bedeutende Rolle in unserem physikalischen Weltbild spielt.
Hierin und für unsere alltägliche Welt ist die Zeit eine Messgröße für den Ablauf von Ereignissen und Bewegungen. Die Einheit für die Messung der Zeit ist eine Sekunde. Sie leitet sich von der Erdumdrehung und von der Umlaufbahn der Erde um die Sonne ab. Eine Erdumdrehung entspricht 24 Stunden, und in einem Jahr wandert die Erde einmal um die Sonne. Jede Messung der Zeit setzt eine irgendwie geartete Bewegung im Raum voraus. Wenn sich nichts bewegt, können wir auch keine Zeit messen.
Bild von der Milchstraße

Vorstellungen über die Zeit von der Antike bis heute

Große Denker von der Antike bis in die Neuzeit, wie Aristoteles (384 bis 322 v. Chr.) oder Newton (1642 bis 1726 n. Chr.), glaubten an eine absolute Zeit, die von Ewigkeit zu Ewigkeit, also von der unendlichen Vergangenheit bis zur unendlichen Zukunft dahinfließt. Newton ging zum Beispiel davon aus, dass die Zeit unbeeinflussbar und „gleichförmig ohne Beziehung auf irgendeinen äußeren Gegenstand verfließt“ und zwar durch einen absoluten Raum, der unveränderlich feststehe. Das Weltbild der damaligen Zeit war statisch, das heißt, das gesamte Weltall hielt man für festgefügt und keinen Veränderungen unterworfen. Die Zeit war darin eine absolute Größe.

Diese Vorstellungen sollten sich ändern, nachdem der amerikanische Astronom Edwin Hubble 1929 festgestellt hatte, dass die fernen Galaxien sich alle von uns fortbewegen und dass sich der Weltraum demnach ausdehnt. Vor langer Zeit muss also alles näher beieinander gewesen sein. Die weiteren Forschungen haben ergeben, dass der Weltraum mitsamt seiner in ihm enthaltenen Materie aus einem unendlich kleinen und unendlich dichten Punkt, den man Singularität nennt, hervorgegangen ist. Ein unendlich kleiner und unendlich dichter Punkt hat keine Ausdehnung und ist daher mit dem Nichts gleichzusetzen.

Die Zeit hat einen Anfang…

Heute nimmt man als gesichert an, dass sich vor 13,7 Milliarden Jahren in der unvorstellbar kurzen Zeit eines Bruchteils
einer milliardstel Sekunde der Phasenübergang vom Nichts zu einem Etwas vollzogen hat und dass sich dieses Etwas in derselben Zeit um den ebenfalls unvorstellbaren Faktor von 1050 aufgebläht hat. Wir nennen das den Urknall, der gleichsam in der ersten Sekunde der kosmischen Zeitrechnung stattgefunden hat. Vor ihm gab es kein Gestern, denn in einem Nichts gibt es keine Bewegung und damit, wie schon gesagt, auch keine Zeit, die messbar gewesen wäre.

Somit hat Augustinus im Nachhinein mit seiner These von einem Anfang der Zeit recht bekommen. Der Gläubige sieht in diesem Anfang Gottes Akt der Schöpfung, wer nicht daran glaubt, wie der bekannte Physiker Stephen Hawking, sieht darin einen mathematisch-physikalisch erklärbaren spontanen Ursprung unseres Universums, mit dem die Zeit sozusagen uno actu entstanden ist. Lapidar stellt Hawking fest: „Vor dem Urknall existierte keine Zeit. Folglich gab es auch keine Zeit, in der Gott das Universum hätte erschaffen können.“ Zur Erklärung des Ursprungs der Welt bedürfe es der Zusammenführung der Einsteinschen Relativitätstheorie und der Planckschen Quantenmechanik in eine so genannte Weltformel. Davon ist die Wissenschaft aber noch weit entfernt. Zur Erläuterung: In der Welt der kleinsten Dinge, der „Quanten“, die am Anfang der Welt standen, gelten andere Gesetze als in der uns geläufigen Makrowelt der Materie, beispielsweise das Gesetz der Wahrscheinlichkeit im Gegensatz zum Gesetz von Ursache und Wirkung.
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…und nur eine Richtung

Auf jeden Fall hat die Zeit also einen Anfang und sie setzt sich in eine Richtung fort, und zwar immer in die Zukunft. Aus der Vielzahl möglicher zukünftiger Zustände ergibt sich einer, der zur Gegenwart wird. Und was eben noch Gegenwart war, ist im nächsten Augenblick Vergangenheit. Diese Projektion ist nicht mehr zurückzuführen, sie ist irreversibel, und deshalb prägt sie dem Geschehen eine Richtung auf, auch Zeitpfeil genannt.
Diese Richtung nach vorn in die Zukunft bleibt als unverrückbar fest bestehen.

Aber wir können in die Vergangenheit blicken…

Und das hängt mit der Lichtgeschwindigkeit zusammen, die eine feste Größe ist und rd. 300.000 km/sec beträgt. Das heißt, ein Lichtstrahl legt in einer Sekunde eine Entfernung zurück, die der 7,5-fachen Länge des Äquators entspricht. Die un­vorstellbar großen Entfernungen im Weltraum messen wir nicht in Kilometern, sondern in Lichtjahren, umgerechnet aus den Kilometern, die das Licht in einem Jahr zurücklegt. Einige Beispiele: Der Durchmesser unserer Galaxie, der Milchstraße, beläuft sich auf etwa 100.000 Lichtjahre. Wir befinden uns in einem Seitenarm, etwa 20.000 Lichtjahre vom Zentrum entfernt. Wenn wir einen Stern am Rand der Milchstraße beobachten, dann sehen wir ihn, wie er vor etwa 30.000 Jahren ausgesehen hat. Vor kurzem wurde ein Stern entdeckt, dessen Licht 13 Milliarden Jahre zu uns gebraucht hat. Damit haben wir also in die Anfangszeit unseres Universums geblickt. Wenn wir uns gedanklich auf einen Stern stellen würden, der „nur“ 76 Lichtjahre von uns entfernt ist, dann könnten wir theoretisch noch die Schlacht um Berlin im Zweiten Weltkrieg beobachten.

Die Zeit ist relativ

Aber damit nicht genug. Nun kommt noch eine neue Erkenntnis hinzu, nämlich die, dass die Zeit auch nicht unbeeinflussbar und gleichmäßig fortschreitet, wie noch Newton annahm, also dass sie nicht absolut, sondern relativ ist. Ihr Ablauf ist abhängig davon, wo sich das von der Zeit betroffene Objekt gerade aufhält und welcher Art seine Bewegung ist. Mit anderen Worten: Der Ablauf der Zeit wird beeinflusst durch die Gravitation und durch die relative Geschwindigkeit, mit der sich ein Objekt durch den Raum bewegt. Je mehr sich ein Objekt einem Gravitationsfeld oder je mehr es sich der Lichtgeschwindigkeit nähert, desto langsamer läuft seine individuelle Zeit. Das alles hat Einstein mit seiner speziellen Relativitätstheorie herausgefunden.

Wer im Tal lebt, altert lang­samer …

So unglaublich es klingt, aber die Uhr geht im Tal eines Gebirges langsamer als auf dem Gipfel, weil unten die Gravitation stärker ist. Es würde also jemand, der auf einer Höhe lebt, schneller altern als einer in der Tiefebene. Aber keine Angst, es handelt sich nur um Bruchteile von Sekunden, aber immerhin. Für die Genauigkeit der Navigationsmessung von Satelliten wird diese Abweichung berücksichtigt.

… und Zeitreisen sind theo­retisch möglich

Machen wir noch ein Experiment. Stellen wir uns vor, wir setzen uns in eine Rakete, die in der Lage ist, uns mit 90 % der Lichtgeschwindigkeit in den Weltraum zu befördern. In diesem Falle würde die Zeit für uns, also unsere individuelle Zeit, um die Hälfte langsamer verlaufen als auf der Erde. Kämen wir nach 20 auf der Erde vergangenen Jahren zurück, dann wären wir nur um zehn Jahre gealtert. Damit hätten wir eine Reise in die Zukunft unternommen. Bei Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit können wir sogar 1000 Jahre vorankommen. Wie gesagt, rein theoretisch, praktisch natürlich nicht machbar, weil massebehaftete Körper nicht auf solche Geschwindigkeiten gebracht werden können. Und damit sind wir wieder bei Einstein: Bei Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit würde die Masse eines Körpers unendlich groß werden, und eine unendlich große Masse kann man nicht mehr beschleunigen. Das steckt in der berühmten Formel E=mc2.

Aber es kommt noch besser: Auf Grund der von Einstein festgestellten Raumzeitkrümmung könnte ab einer bestimmten Krümmung (wie sie zum Beispiel in der Nähe von Schwarzen Löchern vorkommt) sogar theoretisch eine Reise in die Vergangenheit möglich sein. Es entstehen nämlich Zeitschleifen, bei denen man durch so genannte Wurmlöcher quasi eine Abkürzung zeitlich nach hinten vornehmen kann, um in der Vergangenheit zu landen. Dazu muss man allerdings die Lichtgeschwindigkeit überschreiten. Wie gesagt, theoretisch ist alles möglich, aber gegen die Durchführbarkeit stehen nicht nur die physikalischen Gesetze, sondern es gibt auch noch Probleme der Logik. So wird in der Wissenschaft das so genannte Großvaterparadoxon diskutiert: Es könnte ja ein Zeitreisender in die Vergangenheit seinen Großvater umbringen. Das wäre dann die Tat eines Menschen, der nach dieser Tat gar nicht existieren könnte. Also absurd.

Fazit: Wir können auch weiterhin beruhigt unsere Uhren nach der Sonne stellen und bei unseren Höhenunterschieden und vergleichsweise geringen Geschwindigkeiten auch in Raumfahrzeugen die individuellen Zeitverschiebungen als für uns nicht messbar vernachlässigen.

Manfred Plath