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Internet-Zeitschrift für Kulturwissenschaften | 17. Nr. |
Februar 2010 |
| Sektion 7.2. |
Zeit, Verlauf und Bestimmung Sektionsleiter | Section Chair: Arnold Groh (TU Berlin, Deutschland) |
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Internet-Zeitschrift für Kulturwissenschaften | 17. Nr. |
Februar 2010 |
| Sektion 7.2. |
Zeit, Verlauf und Bestimmung Sektionsleiter | Section Chair: Arnold Groh (TU Berlin, Deutschland) |
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Hans-Eckhart Gumlich (Technische Universität Berlin) [BIO]
Email: hans-eckhart.gumlich@t-online.de
1. Einleitung
Die Antwort auf die Frage, was die Physiker über den Begriff "Zeit" zu sagen haben, ist oft erstaunlich vielschichtig. Selbst Einstein bemerkte einmal resignierend: "Zeit ist eine Illusion". Trotzdem ist die „Zeit“ durch alle Entwicklungen hindurch einer der wichtigsten Parameter geblieben, mit denen die Physiker rechnen. Allerdings haben sie dann oft die einfache Welt der Alltagserfahrungen verlassen.
2.1 Die absolute Zeit Newtons und unser Alltagsbewusstsein
Bis zum Ende de 19. Jahrhunderts war alles noch einfach. Es galt die Zeitvorstellung, die durch Newton definiert wurde und die unser Alltagsbewusstsein noch heute bestimmt:
" Die absolute, wahre und mathematische Zeit verfliesst an sich und vermöge ihrer Natur gleichförmig und ohne Beziehung auf irgend einen äußeren Gegenstand. Sie wird auch mit dem Namen Dauer belegt".
Niemand kann anscheinend diese Zeit verlangsamen oder schneller ablaufen lassen. Sie ist unabhängig vom Zustand der Dinge, die eben dieser absoluten Zeit unterworfen sind.
2.2 Die Spezielle Relativitätstheorie
Dies hat sich 1905 durch Einsteins Spezielle Relativitätstheorie dramatisch geändert.
Einstein zeigte durch theoretische Symmetrie-Überlegungen in der Elektrodynamik, dass es für alle irdischen Vorgänge eine Höchstgeschwindigkeit gibt. Wenn wir eine Nachricht, also ein irgendwie geartetes Signal, von einem Ort zum anderen schicken wollen, dann kann dabei nie eine Höchstgeschwindigkeit überschritten werden. Diese Höchstgeschwindigkeit ist vorgegeben durch die Geschwindigkeit, mit der das Licht sich im Vakuum ausbreitet.
Nach neueren Untersuchungen wissen wir, dass diese Aussage nur die vollständige Übertragung von Signalen betrifft. Teile des Signals können unter geeigneten Bedingungen auch schneller ans Ziel kommen, als es die Fortbewegung mit Lichtgeschwindigkeit erlauben würde. Unabhängig davon bleibt aber die Erkenntnis:
Es gibt keine absolute Zeit und es gibt deshalb auch keine absolute, unter allen Umständen gültige Gleichzeitigkeit .
2.2.1 Die klassische Addition von Geschwindigkeiten
Was bedeutet das für unseren Zeitbegriff?
In unserer irdischen Erfahrungswelt sind wir gewohnt, Geschwindigkeiten zu addieren. Wenn ein Boot mit 5 km/h auf dem Wasser fährt und der Bootsmann einen Stein mit 10 km/h in Fahrtrichtung wirft, dann sind wir sicher, dass die Geschwindigkeit des Steins 15 km/h betragen soll. Das gilt für den Bereich unserer Alltagserfahrung.
2.2.2 Die relativistische Addition von Geschwindigkeiten
Je mehr man sich aber der Lichtgeschwindigkeit nähert, desto weniger gilt die einfache Addition von Geschwindigkeiten.
Wenn die Lichtgeschwindigkeit eine äußerste Grenze hat, und die Physik unter diesen Umständen überhaupt noch einen Sinn haben soll, dann kann das für Systeme, die sich gegeneinander bewegen, nur heißen:
Der Raum schrumpft.
Die Zeit läuft unterschiedlich schnell, sie vergeht in einem System langsamer als im anderen und es gibt keine absolute Gleichzeitigkeit mehr.
2.2.3 Erstes Beispiel: Das "Zwillingsparadoxon"
Das bekannteste Gedankenexperiment zur Relativität der Zeit stammt von Einstein. Es wird als das sogenannte "Zwillingsparadoxon" in der Physikgeschichte geführt, obwohl es im strengen Sinn eigentlich kein Paradoxon ist.
Wir stellen uns Zwillinge vor, die 20 Jahre alt sein sollen.
Einer der Zwillinge wird in eine Rakete gesetzt und ins All geschossen. Er fliegt mit einer Geschwindigkeit, die 80% der Lichtgeschwindigkeit entspricht, in den Weltraum. Der andere Zwilling ist auf der Erde geblieben. Nach 10 auf der Erde gemessenen Jahren erreicht der Raumfahrer einen Stern und kehrt um.
Nach 20 Erden-Jahren kommt er zurück auf die Erde. Dann ist sein Bruder auf der Erde gerade 20 + 20, also 40 Jahre alt. Der Rückkehrer ist aber nur um 8 Jahre gealtert, also erst 28 Jahre alt. Das bedeutet: Die Zeit in der schnell fliegenden Rakete hat sich gedehnt, denn der Ablauf der Zeit hängt, ab von der Geschwindigkeit des Bezugssystems, also der Rakete.
2.2.4 Zweites Beispiel: Die verlängerte Lebensdauer der Myonen
Dies Gedankenexperiment wird wohl keiner je in die Realität umsetzen. Die Physik kennt aber eine Vielzahl von Beobachtungen, bei denen man den unterschiedlichen Ablauf der Zeit sehr genau messen kann.
Ein bekanntes Beispiel ist die Lebensdauer von Elementarteilchen, die man Myonen nennt. Man kennt deren mittlere Lebensdauer als ruhende Teilchen aus Experimenten, die man in irdischen Laboratorien ausführt. Sie beträgt unter diesen Bedingungen etwa 2 Mikrosekunden, also zwei Millionstel einer Sekunde.
Myonen entstehen aber auch, wenn Elementarteilchen aus dem Weltall in etwa 20 km Höhe auf die Erdatmosphäre stossen. Die dort entstandenen Myonen fliegen fast mit Lichtgeschwindigkeit in Richtung auf die Erde zu.
Wenn man nach den einfachen Sätzen der klassischen Newtonschen Mechanik die Lebensdauer und die Geschwindigkeit kennt, kann man leicht ausrechnen, wo sie auf ihrem Weg in Richtung Erde zerfallen und damit verschwunden sein müssten. Das bedeutet im Fall der Myonen: Nach ihrem Start in 20 km Höhe dürften auf der Erde nach der Newtonschen Physik keine Myonen mehr ankommen, sie müssten alle vor dem Erreichen der Erdoberfläche zerfallen sein.
Und so erlebt der klassische Physiker, der nach der Newtonschen Mechanik gerechnet hat, eine Überraschung: Die Teilchen kommen doch auf der Erde an. Des Rätsels Lösung: Die Zeit läuft nicht absolut weiter, wie es unserer Alltagserfahrung und der klassischen Physik entspricht, sondern sie wird für die schnell fliegenden Teilchen so gedehnt, wie Einstein es in seiner Zeit-Dilatations-Formel der Speziellen Relativitätstheorie vorgegeben hat. Sie leben länger.
Wir halten fest:
Zeit ist nichts absolutes, sondern ihr Ablauf hängt von der Geschwindigkeit des Objektes, genauer ausgedrückt: des Trägheitssystems, ab und es gibt deshalb keine absolute Gleichzeitigkeit.
2.2.5 Die Allgemeine Relativitätstheorie
Wenn zwei Systeme sich nicht nur gegeneinander bewegen, sondern sich auch im Verhältnis zueinander beschleunigen, relativiert sich der Begriff Zeit noch weiter. Einstein hat diesen Fall 1915 in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie berechnet. Die Allgemeine Relativitätstheorie behandelt Raum und Zeit und deutet vor allem die Gravitation, die Schwerkraft.
Der Raum in seinen drei Dimensionen und die Zeit als vierte Dimension werden dabei ein einheitliches System, in dem auch die Gravitation beschrieben wird.
2.2.5.1 Der Einfluss der Schwerkraft auf die Zeit.
Uns beschäftigt dabei die Frage: Beeinflusst die Schwerkraft den Ablauf der Zeit?
Die Allgemeine Relativitätstheorie antwortet mit ja: Die Schwerkraft beeinflusst den Ablauf der Zeit. Dieser Einfluss ist mit den Gleichungen Einsteins eindeutig berechenbar.
Wie sieht es aber mit der experimentellen Bestätigung dieser Rechenergebnisse aus? Wir stellen uns vor: Wir benützen zwei Atomuhren, die ja bekanntlich extrem genau gehen, und deponieren eine von ihnen in Meereshöhe und die andere in 9000m Höhe auf den Mount Everest. Wir lesen die dort jeweils abgelegten Uhren zu Beginn und dann wieder nach einem Jahr ab. Nach den Einsteinschen Formeln erhalten wir für ein Jahr eine Zeitdifferenz zwischen den beiden Uhren in unterschiedlichen Höhen. Sie beträgt unter dem Einfluss verschiedener Stärke der Gravitation in diesem Fall 32 Mikrosekunden. Das ist bequem messbar.
Zwischen den Uhren in Berlin und denen auf der Zugspitze beträgt die Zeitdifferenz unter dem Einfluss der verschieden stark wirkenden Schwerkraft nach 100 000 Jahren etwa eine Sekunde. Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie und nach entsprechenden Messungen können wir festhalten:
Die Schwerkraft beeinflusst den Ablauf der Zeit. Uhren gehen unter dem Einfluss unterschiedlicher Stärke der Gravitation verschieden schnell und Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie sagt den Zeitunterschied auch quantitativ richtig voraus.
Wir kennen im Universum Gegenden, in denen die Schwerkraft so stark ist, dass die Zeit dort dramatisch verlangsamt wird oder sogar zum Stillstand kommt. Einen Ort mit extremer Gravitation finden wir in der Nähe der Neutronensterne. Sie bestehen nur noch aus der dicht gepackten Materie von Kernbausteinen, den Neutronen.
Versuchen wir ein Zahlen-Beispiel: Ein Neutronenstern mit einer Masse von 2 mal 10 hoch 30 kg (...eine 10 mit 30 Nullen) und einem Radius von 10 km lässt die Uhren in seiner Nähe um 192 Jahre nachgehen, wenn in der gleichen Zeit auf der Erde 1000 Jahre vergangen sind.
Das wird bis an den Rand des Vorstellbaren gesteigert durch die Himmelskörper, die wir als "Schwarze Löcher" bezeichnen.
Wenn unsere Vorstellungen richtig sind muss es dort Bereiche geben, in denen die Zeit still steht. Es gibt kein "Vorher" und kein "Nachher" mehr.
2.3 Die Zeit in der Quantenmechanik
Unsere Alltagsvorstellung von der Zeit ist darüberhinaus außer Kraft gesetzt durch die Erkenntnisse der Quantenmechanik.
Die seit 1925 entwickelte Quantentheorie beschreibt unbestritten alle experimentellen Erfahrungen im atomaren Bereich richtig.
Was sagt die Quantenmechanik in Bezug auf die Zeit aus?
Die Quantenmechanik fordert, dass der alte Satz
"natura non facit saltum"
im atomaren Bereich nicht mehr allgemein gilt. Die Natur macht doch Sprünge. Das bedeutet: Viele Dinge können von einer bestimmten Grenze an nicht mehr sinnvoll in noch kleinere Elemente geteilt werden. Das gilt auch für die Zeit.
2.3.1 Der Einfluss der Heisenbergschen Unschärferelation
Der wichtigste Aspekt der Quantenmechanik in unserer Fragestellung ist durch die Heisenbergsche Unschärferelation gekennzeichnet.
Was sagt die Unschärferelation über die Zeit aus?
Auf eine knappe, etwas abstrakt klingende Formulierung gebracht sagt sie, dass man an einem Körper nie den zeitlichen Ablauf von Vorgängen und seine Energie gleichzeitig mit beliebiger Genauigkeit messen kann. Entweder man kennt die zeitliche Entwicklungen genau, dann weiß man nichts über die dabei verbrauchte oder gewonnene Energie. Kennt man die Energie genau, dann werden die Einsichten über den zeitlichen Ablauf unscharf.
Diese Verknüpfung von Zeit und Energie, nennen wir "Komplementarität".
2.3.2 Die Unterschiede zwischen Vergangenheit und Zukunft.
Die Quantenmechanik macht Aussagen zum Unterschied von Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft. Wie macht sich das bemerkbar?
Die Quantenmechanik erlaubt, dass wir über die Vergangenheit eines kleinen Teilchens ganz genau und in allen Einzelheiten Bescheid bekommen.
Wenn wir aber mit der Geschichte des Elementarteilchens in der Gegenwart angekommen sind und dessen Zukunft wissen möchten sagt die Quantenmechanik:
Wir können zwar alle Möglichkeiten, die für die Zukunft des Teilchens bestehen, darstellen, aber nicht voraussagen, welche von diesen Möglichkeiten wirklich realisiert werden wird.
Was wirklich geschieht wird erst im Augenblick der Messung oder durch eine andere Wechselwirkung mit der Umgebung entschieden. Dann schrumpft die Zahl der Möglichkeiten zu einer einzigen Realität. Alle anderen Möglichkeiten, deren Realisierung theoretisch bestanden hätte, verschwinden aus unserer Welt.
Die Quantenmechanik hat eine weitere verblüffende Konsequenz. Auch wenn wir aus den Relativitätstheorien unumstößlich beibehalten, dass die äußerste Grenze der Signalübertragung, also die Übermittlung von Informationen, die Lichtgeschwindigkeit ist, so können wir mit Hilfe eines Prinzips, dass die Physiker das „Pauli-Prinzip“ nennen, ein Wissen über Zustände übermitteln, das sich unabhängig von der Entfernung und ohne Rücksicht auf die Forderung Einsteins nach der Lichtgeschwindigkeit als höchster aller Geschwindigkeiten unmittelbar einstellt. Die Quantenmechanik erlaubt die Kenntnis von Zuständen, ohne dass die Entfernung zwischen den Partnern, die Zeit oder die Lichtgeschwindigkeit dabei eine Rolle spielen.
2.5 Über den Ursprung der Zeit: Kosmologische Perspektiven
Wenn wir fragen, seit wann es "Zeit" gibt, so muss nach unserer Kenntnis der Dinge die Antwort sein: Seit der Erschaffung des Universums, als die erste Ursuppe aus Strahlung und Materie gebildet wurde. Dabei müssen wir bedenken:
Wenn die Lichtgeschwindigkeit die höchst erreichbare Signal-Geschwindigkeit ist, so hat das auch Konsequenzen für unser Bild vom Kosmos. Alles, was wir am Himmel sehen können, mit allen Sternen und allen Galaxien, stellt ein Bild der Vergangenheit dar.
Von den am weitesten entfernten Sternen erfahren wir auch das, was vor 10 oder 12 Milliarden Jahren passiert ist, als die Erde noch nicht existierte. Wir bekommen in der Astronomie also eine Übersicht über Objekte und Vorgänge, die sich seit dem Urknall bis heute abgespielt haben. Die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit führt aber folgerichtig auch dazu, dass es Dinge in Raum und Zeit gibt, von denen wir nie etwas erfahren können.
Was wir derzeit über den Ursprung der Zeit zu wissen glauben erlangen wir nur durch Extrapolation von Beobachtungsergebnissen. Die Zusammenschau aller heute verfügbaren Beobachtungen und Rechnungen ergibt: Unsere Zeit begann vor 13,7 Milliarden Jahren.
Die Frage, was denn vor dem Urknall war, sollte man eigentlich weder einem Theologen noch einem Physiker stellen, auch wenn sich einige Theoretischen Physiker neuerdings wieder daran versuchen.
2.6 Das Ende der Zeit.
Wird es auch ein Ende der Zeit geben?
Bis vor etwa zehn Jahren hätten wir noch gedacht: Es ist ganz offen, wie es weiter geht mit dem Universum, so weit wir es übersehen.
Die Überlegungen der Kosmologen waren: Wir kennen zwei Kräfte, die im Weltall gegeneinander wirken,
Die unsere Kosmologie ändernde Beobachtung war: Ferne explodierende Sterne, die wir "Supernovae" nennen, erschienen in der irdischen Beobachtung wesentlich lichtschwächer als erwartet. Daraus schlossen die Astronomen, dass diese Sterne weiter entfernt sind als nach den klassischen Berechnungen erwartet. Unter Zuhilfenahme aller Gleichungen der Kosmologie heißt das nun:
Das Weltall dehnt sich schneller aus, als erwartet. Offensichtlich nimmt die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums weiter zu.
Dafür verantwortlich macht man eine "Dunkle Energie", ohne bis jetzt so recht zu wissen, was das ist. Diese bisher unbekannte Energie sorgt dafür, dass der große Kollaps des Universums mit dem Ende der Zeit nicht vorausgesagt werden muss.
2.8 Zeitpfeile.
Zu den ganz elementaren Fragen, die man sich stellt, wenn man sich mit dem Wesen der Zeit beschäftigt, gehört:
Warum läuft die Zeit nur in einer Richtung ?
Drauf gibt es keine generelle und wirklich grundlegende physikalische Antwort. Man ist angewiesen auf die empirische Erfahrung, die beispielweise in der Thermodynamik in Hauptsätzen zusammenfasst wird, und auf mehr oder weniger philosophische Spekulationen.
Es bleibt die Beschreibung von unzweifelhaft zeitlich gerichteten Vorgängen und das Nachdenken darüber, wie diese wohl in der Physik zusammenhängen mögen.
3. Zusammenfassung
Wir versuchen eine Zusammenfassung. Wenn wir antworten sollen auf die Frage, was denn die Zeit für die Physiker sei, dann kommen wir in Verlegenheit. Wir müssen in aller angemessener Bescheidenheit sagen: Eine kurze und noch dazu griffige Erklärung kennen wir nicht. Es geht uns nicht besser als weiland dem großen Augustinus. Augustinus schreibt in seinen "Confessiones" über die Zeit:
"Wenn niemand mich danach fragt, weiß ich es.
Wenn ich es jemand auf seine Frage hin erklären soll, weiß ich es nicht zu sagen".
Die Zeit hat auch in der Physik viele Gesichter. Sie kann gedehnt werden durch hohe Geschwindigkeit der Systeme und sie kann zum Stillstand kommen durch die Wirkung der Schwerkraft. Sie erlaubt nicht, dass man etwas gleichzeitig nennt, wenn man nicht von gleichen Trägheitssystemen spricht. Sie hat eine Richtung, die man beschreiben, aber nicht tiefsinnig begründen kann. Sie ist komplementär zur Energie. Sie begann mit dem Urknall, aber über ein mögliches Ende gibt es keine gesicherten Erkenntnisse.
So müssen wir resignierend feststellen: Die Physiker haben keine "Zeit", sie haben nur "Zeiten". Möglicherweise wird die große, allumfassende Theorie, die alle Kräfte der Physik vereint, ohne den Begriff „Zeit“ auskommen.
7.2. Zeit, Verlauf und Bestimmung
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