Zeit: Warum wir über das wertvolle Gut so gut wie nichts wissen

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“Was ist also die Zeit? Wenn mich niemand darüber fragt, so weiß ich es; wenn ich es aber jemandem auf seine Frage erklären möchte, so weiß ich es nicht.” Dieses Zitat des Philosophen Augustinus beschreibt unser Verhältnis zur Zeit so gut wie kaum ein anderes. Wir alle spüren, wie die Zeit mal dahinkriecht, mal verfliegt. Wir wissen intuitiv, dass jeder Moment von der Zukunft in die Vergangenheit fließt und dabei kurz von unserer Wahrnehmung erfasst wird: Das ist die Gegenwart. Doch sobald wir versuchen, diese gefühlten Wahrheiten in Worte zu fassen, tun sich Widersprüche auf. “Ich weiß, dass es keine vergangene Zeit gäbe, wenn nichts vorüberginge, keine zukünftige, wenn nichts da wäre. Wie sind nun aber jene beiden Zeiten, die Vergangenheit und die Zukunft, da ja doch die Vergangenheit nicht mehr ist und die Zukunft noch nicht ist?”, klagt Augustinus. Die Zeit kann einem ordentlich die Hirnwindungen verdrehen.

Seit der Antike streiten Philosophen und Wissenschaftler um die Zeit. Hat sie einen Beginn? Warum vergeht sie? Existiert sie überhaupt?

In der Physik führt die Jagd nach dem Wesen der Zeit geradewegs zu den Meilensteinen in unserem Verständnis der Welt. Die Mechanik, die Thermodynamik, die Relativitätstheorie und die Quantenphysik liefern jeweils Puzzleteile. Dabei berauben sie die Zeit aller Eigenschaften, die unser Gefühl für sie prägen. Was bleibt, ist ein verwirrendes, fremdartiges Konstrukt. In seinem Buch “Die Ordnung der Zeit” schreibt der Physiker Carlo Rovelli: “Die Zeit zu untersuchen ist so, als halte man eine Schneeflocke in den Händen: Je länger wir sie betrachten, desto mehr schmilzt sie dahin, bis sie schließlich ganz verschwunden ist.”

“Die Zeit spielt überall hinein, aber wir verstehen sie nirgends ganz”, sagt auch Renato Renner, Professor für Theoretische Physik an der ETH Zürich. Er ist einer von zahlreichen Forschern, die sich diesem Rätsel widmen. Wer es löst, dem wird sich ein neuer, vollständigerer Blick auf die Wirklichkeit offenbaren. Sollten wir die Zeit jemals wirklich zu fassen kriegen, weist sie den Weg zur Zukunft der Physik: zu jener heiß ersehnten Theorie, die das gesamte Universum beschreibt.

1687: Die absolute Zeit

Was weiß die Physik über die Zeit? Um das herauszufinden, lohnt sich eine Reise in die Geschichte der Wissenschaft. Sie führt uns zu vier Theorien, die unser Verständnis der Welt Schritt für Schritt revolutioniert haben. Am 5. Juli 1687 veröffentlichte der britische Gelehrte Isaac Newton eines der bedeutendsten Werke in der Geschichte der Naturwissenschaft: die “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica”. Darin formulierte er eine Theorie der Schwerkraft sowie mathematische Gesetze zur Bewegung von Körpern. Doch Newton tat noch mehr: Im Handstreich erhob er Raum und Zeit zur großen Bühne des Weltgeschehens. “Die absolute, wahre und mathematische Zeit fließt an sich und ihrer Natur nach gleichmäßig, ohne Beziehung auf äußere Gegenstände”, schrieb er. Im Verborgenen ticke demnach unaufhaltsam eine kosmische Uhr, die der Welt den Takt vorgab und allen Dingen eine präzise Dauer und Reihenfolge verlieh.

Dieses Verständnis von Zeit erscheint uns sofort einleuchtend. Doch Newtons Gleichungen sagen auch etwas sehr Erstaunliches über das Wesen der Zeit. Denn seine Mechanik unterscheidet nicht zwischen Vergangenheit und Zukunft. Würde jemand eine kosmische Rückspultaste betätigen – Newtons Gesetze der Bewegung hätten unverändert Gültigkeit.

Das klingt seltsam, ist aber leicht zu veranschaulichen. Denken Sie an die Erde, die um die Sonne kreist. Zwei Prinzipien der klassischen Mechanik bestimmen die Reise von Planeten. Auf der einen Seite drängt sie die Masseträgheit dazu, auf geradem Wege ins All hinauszufliegen. Auf der anderen Seite zerrt die Schwerkraft sie (vor allem) in Richtung Sonne. Dieser Widerstreit zwingt auch die Erde auf ihre Bahn. Angenommen, wir könnten nun den Lauf der Zeit umkehren: Was würde sich an ihrem Orbit ändern? Die Antwort lautet: nicht das Geringste. Alle Gesetze, die ihre Flugbahn bestimmen, gälten nach wie vor. Die Erde würde nur ihre Flugrichtung ändern.

1850: Die fließende Zeit

Für einen Himmelskörper, der durchs All rast, spielt die Richtung der Zeit also keine Rolle. Für eine Kugel, die über einen Billardtisch rollt, tut sie das sehr wohl. Planet und Kugel folgen zwar beide den Gesetzen der Mechanik. Doch während der Himmelskörper über Jahrtausende unbeeindruckt seine Bahnen zieht, geht der Billardkugel schon nach wenigen Augenblicken der Schwung aus: Sie bleibt liegen. Würde sich der Zeitfluss umkehren, würde sich die zur Ruhe gekommene Kugel wie von Geisterhand in Bewegung setzen und immer schneller werden. Jedem Betrachter wäre klar, dass hier etwas nicht stimmt.

Den entscheidenden Unterschied macht die Reibung. Wenn die Billardkugel über den grünen Filz rollt und sich durch ein Meer aus Luftteilchen drängt, wird ihre Bewegungsenergie durch die Reibung unerbittlich in Wärme umgewandelt und geht dabei verloren.

Hier ist ein Naturgesetz am Werk, dem in diesem Artikel eine besondere Bedeutung zukommt: der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik. Er besagt, dass bestimmte Prozesse ohne äußere Einwirkung nur in eine Richtung ablaufen, so gut wie nie in die andere. Reibung bremst Billardkugeln aus. Wärme fließt vom Heißen zum Kalten. Herabstürzende Tassen zerbrechen, aber sie setzen sich niemals spontan wieder zusammen. Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik, erstmals 1850 vom deutschen Physiker Rudolf Clausius formuliert, ist der einzige Grundsatz der klassischen Physik, in dem die Zeit nicht umkehrbar ist. Schon bald kam deshalb die Idee auf, er könne auf den Ursprung des Zeitpfeils verweisen.

Werfen wir einen genaueren Blick auf die Vorgänge, die der Zweite Hauptsatz beschreibt. Sie haben eine Gemeinsamkeit: In ihrem Verlauf nimmt die Entropie zu. Diese von Clausius erdachte Größe wird umgangssprachlich gern als Maß der Unordnung bezeichnet. Der Zweite Hauptsatz besagt: In der Vergangenheit waren die Dinge geordneter. In Zukunft werden sie ungeordneter sein.

Schauen wir uns die Entropie an einem Beispiel an: Gießt man Milch in eine Tasse Kaffee, schwebt sie kurz als helle Wolke in der braunen Brühe. Die Bestandteile von Milch und Kaffee sind säuberlich getrennt. Zu diesem Zeitpunkt ist die Entropie niedrig. Doch die Ordnung hält nicht lange an: Die Moleküle zappeln hin und her, kollidieren und vermischen sich zusehends. Bald ist die Milch im Kaffee verteilt. Die Entropie hat zugenommen. Ein Sieg der Wahrscheinlichkeit: Es gibt nur wenige Möglichkeiten, die Moleküle von Milch und Kaffee so anzuordnen, dass sie getrennt sind. Doch es gibt viele Möglichkeiten, sie so anzuordnen, dass wir eine gleichmäßig hellbraune Flüssigkeit sehen.

Die Entropie steigt nicht nur im Durcheinander von Milchkaffee. Sie steigt auch im Scherbenhaufen einer kaputten Tasse. Sie steigt in einer von Reibung aufgewärmten Billardkugel, in der sich die Moleküle nun stärker bewegen. Mehr noch: Sie steigt im ganzen Universum. In der Welt der Entropie gibt es kein Zurück. Dämmen wir die Unordnung an einem Ort ein, nimmt sie anderswo umso stärker zu. Ein Gefrierschrank, in dem sich geordnete Eiskristalle bilden, erzeugt mehr Wärme (und damit Entropie), als er dem Wasser entzieht.

Also ist die Zunahme der Entropie dafür verantwortlich, dass Zeit nur in eine Richtung fließt? Manche Physiker sind dieser Meinung. Doch die Theorie hat zwei entscheidende Schwächen. Erstens trifft sie keine Vorhersagen über das Verhalten der Zeit, die sich experimentell überprüfen lassen – ein wichtiges Gütekriterium in der Physik.

Zweitens nimmt die Entropie nicht immer und überall mit konstanter Geschwindigkeit zu. Es gibt zahlreiche Situationen, in denen sie örtlich abnimmt. Wenn die Erde nachts abkühlt, sinkt die Entropie an der Oberfläche; stattdessen erhöhen die entfleuchenden Wärmestrahlen die Unordnung im All. Auf den Gang der Uhren hat das keinen Einfluss. “Lokal kann die Entropie abnehmen, ohne dass die Zeit rückwärts läuft”, sagt Renner.

1905: Die relative Zeit

Vielleicht können örtliche Gegebenheiten den Lauf der Zeit gar nicht verändern? Das könnte man glauben, wenn nicht ein Physiker namens Albert Einstein zwischen 1905 und 1915 das Gegenteil gezeigt hätte. Seine Gedankenexperimente führten ihn zu der Erkenntnis, dass die Zeit von Ort zu Ort sehr wohl unterschiedlich schnell vergehen kann. Newton hatte sich geirrt: Zeit ist nicht absolut, sie ist relativ. Aber es ist nicht die Entropie, die ihre Geschwindigkeit beeinflusst. Es sind Schwerkraft und Bewegung.

Die Relativitätstheorie macht jede Vorstellung zunichte, die wir uns intuitiv vom Wesen der Zeit machen. Wir müssen den Glauben aufgeben, dass für uns alle eine einheitliche Zeit existiert. Das Gegenteil ist der Fall: Jeder Punkt im Raum hat seine eigene Zeit. Selbst für Ihren Kopf vergeht die Zeit anders als für Ihre Füße. Es gibt keine “Ur-Zeit”, an der wir die Dinge messen können. Ob eine Uhr schnell oder langsam geht, lässt sich erst sagen, wenn wir sie mit einer anderen Uhr vergleichen. In der Welt der Relativität brauchen wir stets ein Bezugssystem.

Einsteins erste geniale Erkenntnis war, dass bewegte Uhren langsamer gehen als ruhende Uhren. Veranschaulicht wird das im berühmten Zwillingsparadoxon: Darin bleibt ein Zwilling auf der Erde (dem Bezugssystem), während der andere ins All reist. Weil sich das Raumschiff aus Erd-Perspektive sehr schnell bewegt, dehnt sich für den Raumfahrer die Zeit. Er selbst merkt davon nichts: Aus seiner Sicht tickt die Uhr im Raumschiff mit unveränderter Geschwindigkeit. Doch als er nach vielen Jahren zur Erde zurückkehrt, stellt er erstaunt fest, dass sein Zwilling stärker gealtert ist als er selbst. Für den Daheimgebliebenen ist seit dem Abschied mehr Zeit vergangen als für den Reisenden.

Wie stark dieser Effekt ausfällt, hängt von der Geschwindigkeit ab. Der Physiker Richard Muller liefert in seinem Buch “Jetzt” folgendes Rechenbeispiel: Die Uhr eines GPS-Satelliten, der mit 14 000 km/h um die Erde rast, geht am Ende eines Tages gegenüber irdischen Uhren um 7,2 Mikrosekunden nach. Klingt nach einer Winzigkeit. Aber würde das Navigationssystem diese aus Einsteins Formeln sich ergebende Verzögerung nicht berücksichtigt, läge die berechnete GPS-Position nach 24 Stunden schon um 2,2 Kilometer daneben.

Den Extremfall der Zeitdehnung erleben Lichtteilchen. Mit rund 300 000 Kilometern pro Sekunde erreichen sie die zulässige Höchstgeschwindigkeit im Universum. Hätte ein Lichtteilchen eine Uhr im Gepäck, würde sie aus unserer Sicht stillstehen. Wäre es möglich und von den Gesetzen der Natur erlaubt, sich mit Überlichtgeschwindigkeit zu bewegen, könnte man sogar in der Zeit zurückreisen.

Doch damit nicht genug der Merkwürdigkeiten. Einsteins zweite geniale Erkenntnis lautete: Auch große Massen verlangsamen die Zeit – und zwar umso mehr, je stärker ihre Schwerkraft wirkt. Auf dem Berg, weiter entfernt vom Erdmittelpunkt, vergeht die Zeit deshalb schneller als im Tal. Auf Kopfhöhe vergeht sie schneller als auf Höhe der Füße. Auf der Erde vergeht sie schneller als auf der massereicheren Sonne.

Warum beeinflusst die Schwer kraft den Gang der Uhren? Dieser Effekt rührt daher, dass Raum und Zeit nicht unabhängig voneinander existieren. Sie sind zu einer vierdimensionalen Raumzeit verwoben, einem elastischen Gebilde, so elastisch wie die Oberfläche eines Luftballons. Große Massen verursachen Dellen in dieser kosmischen Gummihaut. Sie dehnen buchstäblich die Zeit.

In Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie sind Raum und Zeit zwei Seiten einer Medaille. Sie werden mathematisch als ein Ganzes beschrieben. Die Formeln geben beiden keinerlei Marschrichtung vor. Das wirft die Frage auf: Warum verhalten sie sich so offensichtlich unterschiedlich? “Dass die Zeit fließt, der Raum aber nicht, ist sehr mysteriös”, sagt Dieter Lüst, Direktor des Max-Planck-Instituts für Physik in München. Einstein selbst zog sich elegant aus der Affäre, indem er den Unterschied zum Trugbild erklärte. “Für uns gläubige Physiker hat die Scheidung zwischen Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft nur die Bedeutung einer, wenn auch hartnäckigen, Illusion”, schrieb er in einem Kondolenzbrief an die Schwester eines verstorbenen Freundes.

Die Relativitätstheorie wirft nicht nur unser Bild einer gleichmäßig fließenden, für alle geltenden Zeit über den Haufen. Sie raubt uns auch die Vorstellung, es gäbe eine allgemeingültige Gegenwart. Erinnern wir uns an die beiden Zwillinge: Einer ist im All, einer auf der Erde. Wie kann der Daheimgebliebene wissen, was sein Bruder im Raumschiff “jetzt” macht? Wir haben bereits festgestellt, dass die Zeit für beide unterschiedlich vergeht. Angaben wie “fünf Jahre nach Abreise” haben für die Brüder also unterschiedliche Bedeutungen.

Und wenn der eine den anderen anfunkt, um zu fragen, was er gerade treibt? Auch das funktioniert nicht: Kommunikation kann höchstens mit Lichtgeschwindigkeit vonstattengehen. Falls der Raumfahrer in der Nachbargalaxie unterwegs ist, braucht das Signal Jahre, um zu ihm und wieder zurückzulaufen. Genau wie das Wort “hier”, so ergibt auch “jetzt” ab einer gewissen Entfernung keinen Sinn. “Unsere Gegenwart erstreckt sich nicht auf das gesamte Universum”, schreibt Carlo Rovelli. “Sie ist wie eine Blase, die uns relativ eng umgibt.”

Was haben wir also gelernt? Die Zeit in der Natur ist nicht so, wie sie uns erscheint. Sie vergeht nicht gleichmäßig, sondern unterschiedlich schnell. Sie ist mit dem Raum verwoben. Sie hat keine einheitliche Gegenwart. Dies sind die Konsequenzen, die Einsteins Theorien für das Wesen der Zeit haben. Sie sind befremdlich, sind aber unter Physikern unumstritten. Diese Einigkeit geht verloren, wenn wir die Weiten des Kosmos verlassen und in die Welt des Mikroskopischen eintreten.

1926: Quantenzeit

Das Modell der Quantenmechanik beschreibt das Verhalten kleinster Teilchen wie Atome, Elektronen oder Lichtteilchen. Ihre Gleichungen wurden in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts entwickelt und gehören zu den am besten belegten Theorien der Physik. Unzählige Experimente bestätigen ihre Vorhersagen. Doch obwohl die Formeln offenbar korrekt sind, streiten Forscher seit ihrer Niederschrift darüber, wie die Nanowelt, die sie ordnen, tatsächlich aussieht.

Quanten legen allerlei exotische Eigenschaften an den Tag. Sie können scheinbar aus dem Nichts entstehen und spurlos wieder verschwinden. Sie befinden sich im selben Moment an unterschiedlichen Orten. Sie nehmen gleichzeitig gegensätzliche Zustände ein. Sobald wir jedoch eine Messung durchführen, scheinen sie sich willkürlich für einen Ort oder einen Zustand zu entscheiden. Was in diesem Moment geschieht, ist bis heute Gegenstand hitziger Debatten.

Die Zeit verhält sich in diesem Wirrwarr auf den ersten Blick unauffällig. In der ursprünglichen Quantenmechanik entspricht sie Newtons Vorstellungen. Wie in der klassischen Mechanik haben Vorgänge eine Dauer – nicht mehr und nicht weniger. “Die Bewegungsgesetze der Teilchen laufen in beide Richtungen gleich ab”, sagt Dieter Lüst. Es gibt keinen vorgeschriebenen Zeitpfeil und auch keine verwirrende, verwobene, gummiartige Raumzeit. Stattdessen gibt es wohl etwas noch Seltsameres. Was, wenn die Zeit sich so verrückt verhält wie die Elementarteilchen selbst?

Viele Größen im Reich des Allerkleinsten sind gequantelt – sie bestehen aus kleinen, nicht weiter teilbaren Einheiten. Materie und Strahlung setzen sich beispielsweise aus Elementarteilchen zusammen. Auch die Energie ist gequantelt: Teilchen müssen sie stets in winzigen Paketen aufnehmen oder abgeben. Sie verhalten sich dabei, als würden sie eine unsichtbare Treppe erklimmen. Reicht die Energie nicht aus, um auf die nächsthöhere Stufe zu hüpfen, fallen sie auf ihr vorheriges Niveau zurück.

Warum sollte nicht auch die Zeit aus kleinsten Einheiten bestehen? Dann würde sie nicht kontinuierlich fließen, sondern rieseln, wie die Körner einer Sanduhr. Fest steht immerhin, dass es ein kleinstes Zeitintervall gibt, jenseits dessen die Gesetze der Physik nicht mehr gelten. Seine Dauer ergibt sich aus den Gleichungen der Quantenphysik und drei Naturkonstanten. Dieses kleinste Zeitintervall beträgt 5,39116 •10¯44 Sekunden. Das ist über zehn Billionen Billionen (1025) mal kürzer als das, was die genauesten Atomuhren noch messen können.

Die Zukunft der Zeit

Mit der Körnung der Zeit verlassen wir die Welt der experimentell gesicherten Erkenntnisse und betreten das Reich der Spekulationen. Es existieren verschiedene Auslegungen und Weiterentwicklungen der Quantenphysik; sie alle beschreiben die Rolle der Zeit ein wenig unterschiedlich. Für unsere Geschichte ist lediglich eines von Bedeutung: Die Zeit hat in der Quantenphysik andere Eigenschaften als in der Relativitätstheorie. Sie ist dort nicht mit dem Raum verquickt, sondern vergeht unabhängig.

Damit markiert die Zeit einen von vielen Widersprüchen zwischen zwei Theorien, die unsere Welt beide hervorragend beschreiben – die Quantenphysik im Kleinen, die Relativitätstheorie im Großen. Das ungelöste Rätsel der Zeit erinnert Forscher schmerzlich daran, dass sie mit beiden Theorien nur zwei Zipfel des Weltengewebes erfasst haben.

Doch vielleicht kann die Zeit gerade deshalb den Weg zu einem umfassenderen Bild der Natur weisen – zu einer Theorie, die das gesamte Universum einheitlich beschreibt, vom kleinsten Elementarteilchen bis zum größten Galaxiehaufen. “Wenn wir Quantenphysik und Relativität zusammenbringen möchten, brauchen wir ein gemeinsames Verständnis der Dinge, über die sie sprechen”, sagt Renato Renner. Seine Forschungsgruppe an der ETH Zürich versucht, mit Gedankenexperimenten zu einem Begriff von Zeit zu gelangen, der in beiden Welten gleichermaßen gültig ist. Dazu berechnet sie beispielsweise das Verhalten imaginärer Quantenuhren. Die Physiker wollen wissen: Gehen große Uhren anders als kleine, weil sie aus dem Hoheitsgebiet der Quantenmechanik in das der Relativitätstheorie wechseln?

Es gibt bereits konkrete Ansätze, um Quantenphysik und Relativitätstheorie zu vereinen. Einer davon postuliert die Existenz von Raumzeit-Atomen: winzigen, unteilbaren Bausteinen von Raum und Zeit. Falls solche Gebilde existieren, verhalten sie sich vermutlich so, wie Physiker es von kleinsten Teilchen erwarten. Doch diese Teilchen existieren nicht in Raum oder Zeit: Sie bilden erst Raum und Zeit. Unvorstellbar – und doch vielleicht real. “Winzige Quantenfluktuationen der Raumzeit könnten für die Strukturbildung im frühen Universum verantwortlich sein,” sagt Dieter Lüst.

Solche Gedankenexperimente haben die Macht, verborgene Aspekte der Wirklichkeit zutage zu fördern. Was sie uns über die Zeit gelehrt haben, ist noch Stückwerk. Die überwältigende Mehrheit der Naturgesetze unterscheidet nicht zwischen Vergangenheit und Zukunft: ein Puzzleteil. Es gibt keine allgemeingültige Gegenwart: ein weiteres Puzzleteil. Die Zeit fließt nicht gleichmäßig, sondern von Ort zu Ort unterschiedlich schnell: ein drittes Puzzleteil. Die Zeit ist, zumindest auf der großen Bühne, nicht unabhängig, sondern mit dem Raum verwoben: ein viertes Puzzleteil. Womöglich besteht die Zeit, genau wie die Materie, aus winzigen Bausteinen: ein fünftes Puzzleteil.

Um alle Teile zusammenzusetzen, muss man bereit sein, sich von lieb gewonnenen Überzeugungen zu trennen. “Der Zeitbegriff ist so fundamental, dass es schwierig ist, darüber zu sprechen, ohne ihn vorwegzunehmen”, sagt Renato Renner. Unsere Sprache, unsere Logik, unsere Intuition: Sie alle sind davon durchdrungen. “Die Genialität der Relativitätstheorie lag darin, selbstverständliche Vorstellungen über den Haufen zu werfen. Was wir nun brauchen, ist ein noch radikalerer Schritt.”

Renner glaubt, dass der dazu nötige Paradigmenwechsel in der Wissenschaft bereits im Gange ist. Die Zeit, sagt er, sei reif für ein neues Verständnis von Zeit.


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