Standort: science.ORF.at / Meldung: ""Die Raumzeit ist wie ein Fahrplan""

Mess-Satellit und Erde in gekrümmter Raumzeit.

"Die Raumzeit ist wie ein Fahrplan"

In der Physik galt Zeit als etwas Absolutes - bis Albert Einstein kam. Einsteins relativer Zeitbegriff störte den Mathematiker Kurt Gödel so sehr, dass er die Existenz jeglicher Zeit abstritt. Ein Interview mit dem Physiker Peter Christian Aichelburg zur Frage: Was ist Zeit?

Physik 15.01.2010

Kann man überhaupt von der Zeit sprechen?

Nein, von der Zeit kann man nicht sprechen, zumindest nicht seit Einstein. Einstein hat gezeigt, dass Zeit ein relativer Begriff ist und dass sie individuell vergeht. Damit meine ich nicht die subjektive Zeit, sondern die Zeit, die man objektiv mittels Uhren messen kann.

In der Newtonschen Physik ist die Zeit hingegen nicht viel mehr als Teil einer physikalischen Kulisse.

Newton postulierte die absolute Zeit, die gleichmäßig verläuft, unabhängig von unserer Bewegung. Demgegenüber setzt er die praktische Zeit, die wir anhand von Uhren messen. Er war sich durchaus bewusst, dass die abstrakte, absolute Zeit gar nicht wirklich realisiert wird.

Ein gedankliches Kunstprodukt?

Peter Aichelburg

Peter Aichelburg

Peter Christian Aichelburg ist em. Professor für theoretische Physik an der Universität Wien. Sein Forschungsgebiet umfasst u.a. die Allgemeine Relativitätstheorie und die Theorie der Schwarzen Löcher.

Gastbeitrag von P.C. Aichelburg:

Newtons absolute Zeit ist ein Abstraktum, das aber äußerst erfolgreich war. Man bedenke nur die Berechnungen der Planetenbahnen, der Sonnenfinsternisse - sie alle werden mit der Newtonschen Zeit beschrieben. Man kann sagen, es ist fast ein Wunder, dass die Zeitmessung mit Uhren so konform mit der absoluten Zeit geht.

Die Gesetze der Newtonschen Mechanik gelten in beide Zeitrichtungen. Warum sind so viele physikalische Gesetze "invariant unter Zeitumkehr", wie das im Fachjargon heißt?

Invariant unter Zeitumkehr heißt, dass zu jeder Bewegung auch die umgekehrte Bewegung möglich ist. Die Beschreibung der Natur mit zeitinvarianten Gesetzen war äußerst erfolgreich, obwohl wir im täglichen Leben die meisten Prozesse nur in eine Richtung beobachten. Ein Glas kann zerbrechen - aber der umgekehrte Vorgang wurde noch nie beobachtet.

Wie aus zeitinvarianten Grundgesetzen unumkehrbare Phänomenen entstehen können, ist eine schwierige Frage. Der österreichische Physiker Ludwig Boltzmann hat sich sehr intensiv damit auseinandergesetzt.

Wie hat er diese Frage beantwortet?

Die Richtung der Zeit kommt daher, dass die meisten Prozesse abseits des thermodynamischen Gleichgewichts stattfinden. Ein Beispiel: Wenn man zwei unterschiedlich warme Flüssigkeiten zusammenschüttet, streben sie danach, ihre Temperatur auszugleichen. Anders gesagt: Es stellt sich immer der wahrscheinlichere Zustand ein.

Die spontane Entmischung zweier Flüssigkeiten ist physikalisch nicht verboten - nur extrem unwahrscheinlich.

Ja, sie ist nach Boltzmann im Prinzip möglich, aber so unwahrscheinlich, dass selbst das Alter des Universums nicht ausreicht, um sie eintreten zu lassen. Man kann natürlich fragen: Warum befinden wir uns noch immer abseits des Gleichgewichtszustandes, wenn das Universum schon so alt ist? Boltzmann wusste vom Urknall noch nichts. Er hat gesagt: Wir leben in einer Region, die sich durch eine Fluktuationen vom Gleichgewicht entfernt hat. Daher hat die Zeit eine Richtung.

Wie erklärt man das heute?

Die moderne Anschauung ist anders: Die Expansion des Universums gibt eine Zeitrichtung vor und wirkt sich mittelbar auch auf die Prozesse im Kleinen aus. Zunächst war die Temperatur im Universum auf zehntausendstel Grad einheitlich, im Laufe der Abkühlung hat sich dann Materie zusammengeballt und dadurch aufgeheizt.

Ein Beispiel ist unsere Sonne: Die mittlere Temperatur im Universum beträgt drei Kelvin, das ist die Hintergrundstrahlung. Die Sonne hat eine Temperatur von 6.000 Kelvin an der Oberfläche - und Millionen Kelvin in ihrem Inneren.

Wenn man Newton und Einstein vergleicht: Was war das Neue an der Speziellen Relativitätstheorie?

Einstein hat sich mit dem Begriff des Jetzt auseinandergesetzt. Er hat herausgefunden, dass Gleichzeitigkeit relativ ist, weil sie vom Bewegungszustand abhängig ist. Als Konsequenz daraus vergeht Zeit nicht mehr absolut. Beobachter, die sich gegeneinander bewegen und Uhren mitführen, messen Einstein zufolge unterschiedliche Zeiten.

Invariant ist bei Einstein nur mehr die Raumzeit. Die Raumzeit ist so etwas Ähnliches wie ein Fahrplan, alles ist vorgegeben, unveränderlich. Wie man den zeitlichen Aspekt in den Fahrplan bringt, ist allerdings willkürlich. Es liegt an uns.

Diese radikale Konsequenz hat den österreichischen Mathematiker Kurt Gödel so gestört, dass er den objektiven Zeitablauf überhaupt geleugnet hat. Gödel hat gesagt, Zeit ist ein scheinbarer Aspekt der Welt. Das hat eine gewisse Ähnlichkeit mit dem Standpunkt von Kant, der gemeint hat: Wir tragen die Zeit in die Welt hinein.

"Es scheint, dass man einen eindeutigen Beweis für die Ansicht jener Philosophen erhält, die, wie Parmenides, Kant und die modernen Idealisten, die Objektivität des Wechsels leugnen und diesen als eine Illusion oder als Erscheinung betrachten, die wir unserer besonderen Art der Wahrnehmung verdanken ..."

Aus: Kurt Gödel, "Eine Bemerkung über die Beziehungen zwischen der Relativitätstheorie und der idealistischen Philosophie"

Eine Leugnung der realen Zeit gibt es auch in einer anderen Theorie: im sogenannten Blockuniversum.

Dem Blockuniversum zufolge ist die Raumzeit etwas Festes, alle Zeitpunkte sind bereits festgeschrieben. Das Konzept beruht auf einer Idee der klassischen Physik, die lautet: Wenn wir den Zustand eines Systems in der Gegenwart kennen, können wir die Zukunft berechnen. Und weil die Gleichungen symmetrisch sind, gilt das auch für die Vergangenheit. Praktisch ist das natürlich nicht möglich.

Die Leugnung der Zeit rührt daher, dass der Unterschied zwischen Zukunft und Vergangenheit völlig willkürlich gewählt werden kann.

Der südafrikanische Physiker George Ellis hat nun ein neues Modell vorgestellt, das er kristallisierendes Blockuniversum nennt. Worum geht es darin?

Die Studie "Time and Spacetime: The Crystallizing Block Universe" von George Ellis wurde auf dem Preprintserver "arXiv" veröffentlicht.

Ellis sagt: Nein, wir leben in keiner Welt, die deterministisch ist. Er importiert den Zufall der Quantenwelt in die Raumzeit des Blockuniversums. Der Quantentheorie zufolge kann man keine beliebig genauen Vorhersagen treffen, sondern nur Wahrscheinlichkeiten angeben.

Zum Beispiel?

Etwa der spontane Zerfall eines radioaktiven Atoms. Oder die Aussendung eines Photons durch ein angeregtes Atom: Wir können die Frequenz und die Wahrscheinlichkeit berechnen, aber wir können nicht den Augenblick voraussagen.

Ellis schreibt, die Vergangenheit kristallisiert quasi aus der Zukunft.

Programmhinweis:
Mit Ellis' Blockuniversum beschäftigt sich auch ein Beitrag im aktuellen Dimensionen-Magazin.
Ö1, 15.1.10, 19.05 Uhr

Er meint damit, dass aus Möglichkeiten Bestimmtheiten werden. Das ist natürlich eine Metapher: In einer Flüssigkeit können sich die Moleküle zunächst in alle Richtungen bewegen. Kühlt man sie ab, können sie das nicht mehr. So ähnlich ist auch der Übergang von Zukunft zur Vergangenheit. Erstere ist aufgrund des Zufalls unbestimmt, letztere ist fixiert.

Eine ungeklärte Frage ist allerdings: Wie genau wird das Unbestimmte zum Bestimmten? Die Quantentheorie beschreibt diesen Übergang nicht direkt.

Interview: Robert Czepel

Mehr zu diesem Thema: