Mehr als nur Atome

KAPITEL 1  
EXISTIERT DIE VERGANGENHEIT IM JETZT?
JETZT UND NIE

Zeit ist Geld. Und sie wird knapp. Es sei denn, sie ist auf Ihrer Seite. Die Zeit fliegt. Die Zeit ist um. Wir reden die ganze Zeit . über Zeit. Und dennoch bleibt die Zeit eine der am schwierigsten zu fassenden Eigenschaften der Natur.

Es half nicht, dass Albert Einstein die Zeit zu etwas Persönlichem machte. Vor Einstein verging jedermanns Zeit gleich schnell. Wir in der Nach-Einstein-Ära wissen hingegen, dass der Ablauf der Zeit davon abhängt, wie sehr wir uns bewegen. Und während der Zahlenwert, den wir jedem Moment zuordnen - beispielsweise 14:14 Uhr -, eine Frage der Konvention und der Messgenauigkeit ist, glaubten wir vor Einstein, Ihr Jetzt sei dasselbe wie mein Jetzt; es war ein universelles Jetzt, das kosmische Ticken einer unsichtbaren Uhr, das den gegenwärtigen Moment als etwas Spezielles kennzeichnete. Seit Einstein ist jetzt nicht mehr als ein bequemer Begriff, den wir benutzen, um unsere Erfahrung zu beschreiben. Der gegenwärtige Moment ist nicht länger von grundlegender Bedeutung, denn wie Einstein gezeigt hat, sind Vergangenheit und Zukunft genauso real wie die Gegenwart.

Das entspricht nicht meiner Erfahrung und der Ihren wahrscheinlich auch nicht. Die menschliche Erfahrung ist jedoch keine gute Richtschnur, wenn es um die fundamentalen Gesetze der Natur geht. Unsere Zeitwahrnehmung wird von zirkadianen Rhythmen und der Fähigkeit unseres Gehirns bestimmt, Erinnerungen zu speichern und wieder abzurufen. Diese Fähigkeit ist zweifellos für viele Dinge nützlich, doch um die Physik der Zeit von der Zeitwahrnehmung zu trennen, ist es besser, sich einfache Systeme wie schwingende Pendel, auf ihrer Umlaufbahn kreisende Planeten oder das Licht anzuschauen, das uns von fernen Sternen erreicht. Aus der Beobachtung solch simpler Systeme können wir die Natur der Zeit zuverlässig ableiten, ohne in der oft ungenauen Deutung stecken zu bleiben, mit der unsere Sinne die Physik ausschmücken.

Hundert Jahre Beobachtung haben bestätigt, dass Zeit die Eigenschaften aufweist, die Einstein zu Beginn des 20. Jahrhunderts vermutete. Einstein zufolge ist Zeit eine Dimension und bildet gemeinsam mit den drei Dimensionen des Raumes eine Einheit: die Raumzeit. Die Idee, Raum und Zeit zu einer Raumzeit zusammenzufügen, geht auf den Mathematiker Hermann Minkowski zurück, doch Einstein war es, der die vollen physikalischen Konsequenzen erkannte und in seiner Speziellen Relativitätstheorie zusammenfasste.

Der Begriff Relativität in der Speziellen Relativitätstheorie meint, dass es kein absolutes Ruhesystem gibt; man kann nur relativ zu etwas stillstehen. Beispielsweise befinden Sie sich wahrscheinlich gerade relativ zu diesem Buch in Ruhe; es bewegt sich weder von Ihnen weg noch auf Sie zu. Wenn Sie es jedoch in die Ecke werfen, gibt es zwei Möglichkeiten, die Situation zu beschreiben: Das Buch bewegt sich mit einer gewissen Geschwindigkeit relativ zu Ihnen und dem Rest des Planeten Erde, oder Sie und der Rest der Erde bewegen sich relativ zum Buch. Einstein zufolge sind das zwei äquivalente Möglichkeiten, die Physik zu beschrieben, die zu derselben Vorhersage führen sollten - dafür steht der Begriff Relativität. Das speziell bedeutet lediglich, dass die Theorie die Gravitation nicht einschließt. Die Gravitation kam erst später hinzu, in Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie.

Die Idee, dass wir in der Lage sein sollten, physikalische Phänomene auf dieselbe Weise zu beschreiben, ganz gleich, wie wir uns in Einsteins vierdimensionaler Raumzeit bewegen, erscheint ziemlich unverfänglich, doch sie hat unser Konzept von Zeit völlig verändert.

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In unserem gewöhnlichen dreidimensionalen Raum können wir mithilfe von drei Zahlen jedem Ort Koordinaten zuordnen. Wir könnten zum Beispiel die Entfernung zu Ihrer Wohnungstür in Richtung Ost-West, Nord-Süd und oben-unten benutzen. Falls Zeit eine Dimension ist, fügen wir lediglich eine vierte Koordinate hinzu, sagen wir, die Zeit, die seit 7:00 Uhr an Ihrer Eingangstür vergangen ist. Die vollständigen Koordinaten nennen wir dann ein Ereignis. Zum Beispiel: Das Raumzeitereignis bei 3 Meter östlich, 12 Meter nördlich, 3 Meter nach oben und 10 Stunden wäre dann Ihr Balkon um 17:00 Uhr.

Diese Koordinatenwahl ist willkürlich. Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, die Raumzeit mit Koordinaten zu versehen, und nach Einsteins Ansicht sollten die Bezeichnungen keine Rolle spielen. Die Zeit, die tatsächlich für ein Objekt vergeht, kann nicht von den gewählten Koordinaten abhängen. Und er zeigte, dass diese invariante, interne Zeit - die Eigenzeit, wie Physiker sie nennen - der Länge einer Kurve in der Raumzeit entspricht.

Stellen Sie sich vor, Sie reisen mit dem Auto von Los Angeles nach Toronto. Was für Sie zählt, ist nicht die kürzeste Entfernung (Luftlinie) zwischen diesen beiden Punkten, rund 3500 Kilometer, sondern die Entfernung längs Autobahnen und Landstraßen, die eher 4000 Kilometer beträgt. Wichtig ist die Länge der Reise, nicht die Entfernung zwischen den Koordinaten. Es gibt jedoch einen wichtigen Unterschied, denn in der Raumzeit gilt: Je länger die Kurve zwischen zwei Ereignissen, desto weniger Zeit vergeht auf ihr.

Wie verlängert man eine Kurve zwischen zwei Raumzeit-Ereignissen? Indem man seine Geschwindigkeit verändert. Je stärker Sie beschleunigen, desto langsamer vergeht Ihre Eigenzeit. Diesen Effekt nennt man Zeitdehnung oder Zeitdilatation. Und ja, das bedeutet tatsächlich, dass man langsamer altert, wenn man immer im Kreis läuft.[3] Doch dieser Effekt ist winzig, und ich kann das Verfahren nicht als Anti-Aging-Strategie empfehlen. Nebenbei gesagt, ist das auch der Grund, warum die Zeit in der Nähe eines Schwarzen Lochs langsamer vergeht als in weiterer Entfernung davon. Das ist so, weil ein starkes Gravitationsfeld in Einklang mit Einsteins Äquivalenzprinzip denselben Effekt hat wie eine hohe Beschleunigung.

Was bedeutet das? Stellen Sie sich vor, ich hätte zwei identische Uhren und gäbe Ihnen eine davon; dann gingen Sie Ihrer Wege und ich meiner. In der Prä-Einstein-Ära hätten wir angenommen, dass unsere Uhren, wann immer wir uns träfen, genau dieselbe Zeit anzeigen würden - das wäre der Fall, wenn Zeit ein universeller Parameter wäre. Aber seit Einstein wissen wir, dass das nicht stimmt. Wie viel Zeit auf Ihrer Uhr vergeht, hängt davon ab, wie viel und wie schnell Sie sich bewegen.

Woher wissen wir, dass das tatsächlich so ist? Nun, wir können es messen. Es würde uns zu weit vom Thema wegführen, im Detail zu erklären, welche Beobachtungen Einsteins Theorien bestätigt haben, doch ich werde Ihnen in den Anmerkungen Hinweise auf weiterführende Literatur geben.[4] Damit wir weiterkommen, lassen Sie mich lediglich zusammenfassend sagen: Die Hypothese, dass das Vergehen der Zeit davon abhängt, wie man sich bewegt, wird von einer Fülle solider Beweise gestützt.

Ich habe zur Illustration von Uhren gesprochen, doch die Tatsache, dass Beschleunigung die Zeit verlangsamt, hat nichts speziell mit den Geräten zu tun, die wir Uhren nennen; sie gilt für jedes beliebige Objekt. Ob es sich um Verbrennungszyklen, nuklearen Zerfall, das Rinnen von Sand in einem Stundenglas oder Herzschläge handelt, jeder Prozess hat seinen eigenen Zeitverlauf. Die Unterschiede zwischen individuellen Zeiten sind jedoch in der Regel winzig, darum bemerken wir sie im Alltag auch nicht. Sie werden aber deutlich, wenn wir die Zeit sehr präzise messen, wie beispielsweise in Satelliten, die Teil des Globalen Positionsbestimmungssystems (GPS) sind.

Das GPS, das Ihr Smartphone höchstwahrscheinlich als Navigationssystem benutzt, erlaubt einem Empfänger - wie Ihrem Handy -, seine Position mithilfe von Signalen mehrerer Satelliten zu berechnen, die die Erde umkreisen. Da Zeit nicht universell ist, vergeht sie auf diesen Satelliten ein klein wenig anders als auf der Erde; das liegt an der Bewegung der Satelliten relativ zur Erdoberfläche und an dem schwächeren Gravitationsfeld, dem die Satelliten auf ihrer Umlaufbahn ausgesetzt sind. Die Software Ihres Handys muss dies berücksichtigen, um dessen Position korrekt zu bestimmen, denn das etwas andere Vergehen der Zeit auf den Satelliten verzerrt die Signale um einen winzigen Betrag. Der Effekt ist wirklich klein, aber keine philosophische Haarspalterei; er ist physikalisch real.

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Dass die Zeit nicht überall gleich schnell vergeht, ist schon an sich ziemlich verblüffend, aber es kommt noch besser. Da die Lichtgeschwindigkeit sehr hoch, aber endlich ist, braucht das Licht Zeit, um uns zu erreichen; das heißt, wir sehen die Dinge streng genommen so, wie sie etwas früher aussahen. Aber auch das nehmen wir im Alltag normalerweise nicht wahr. Licht bewegt sich so schnell, dass dies für die kurzen Distanzen auf der Erde keine Rolle spielt....