"Zeit" – Die Zauberwelt der Physik

• Einstimmung

Beginnen wir mit einem stets aufs Neue überraschenden Sachverhalt: Wir messen Zeit, aber wir wissen nicht, worum es sich handelt bei dem, was wir da messen. Zeit, deren Verlauf wir mit Atomuhren mittlerweile so genau verfolgen können, dass deren Abweichung in einer Million Jahren nur etwa eine Sekunde ausmacht, ist in Wirklichkeit kein Gegenstand der Beobachtung. Keiner unserer fünf Sinne kann Zeit realisieren. Wir verfolgen lediglich Verläufe, Veränderungen, Entwicklungen. Die Veränderung unserer Haut in den Jahren, den Auf- und Untergang der Sonne, die Jahreszeiten. Daraus erschließen wir das, was wir Zeit nennen. Wir schreiben ihr sogar Eigenschaften und Handlungsvermögen zu. Sie vergeht, steht, eilt, dehnt sich. Zeit ist aber eine indirekte, mittelbare Realität. Derlei ist kein Einzelfall, sondern typisch für die wissenschaftliche Sicht der Welt. Nur drei Beispiele zur Vertiefung:

Gravitation

Seit Isaac Newton (1643-1726) kennen wir das sogenannte Gravitationsgesetz, das im makroskopischen Bereich unverändert Grundlage von Technik und Alltag ist. Damit werden Flugzeugbewegungen ebenso berechnet wie ballistische Raketen. Nur: Worum es sich bei der Gravitation handelt, wissen wir nicht. Das Gravitationsgesetz, das wir in der Schule im Physikunterricht (wenn es gut gegangen ist) gelernt haben, beschreibt die Verlaufsform von Ereignissen unter dem Einfluss von gravitierenden Massen – daraus ergibt sich die bekannte, einfache Formel mit der so genannten Gravitationskonstante. Dieser Formel entsprechend wirken die Kräfte, die mit den stellaren oder irdischen Gegenständen verbunden sind: Die Milchstraße mit ihren Milliarden Sonnen, die Sonne mit ihren Planeten, die Erde mit ihrem Mond, die Rakete mit der Erdmasse. 

Aber Gravitation ist strenggenommen das, was wir aus den Gleichungen als wirkende Kraft erschließen. Alle sogenannten Feldkräfte sind von dieser Qualität. Ob wir nun die Elektromagnetismus oder die wirkenden Kräfte im Atom betrachten: Stets handelt es sich, wie bei der Gravitation, um Hilfsvorstellungen, die zu verstehen geben sollen, was in der kosmologischen Dimension oder der Nanowelt vonstattengeht. Dass wir ungeachtet dieser abstrakten Wirklichkeitsbestimmung seit dem Beginn der Wissenschaften daran festhalten, so mit unserer Forschung zu verfahren, hat zwei sehr einfache Gründe: Erstens lassen sich durch Experimente diese Tatbestände zuverlässig und präzise wiederholen. Es handelt sich also nicht um willkürliche oder subjektiv gefärbte Annahmen, sondern um erhärtete und objektive Erkenntnisse. Und zweitens kann man damit arbeiten: Der stupende Erfolg der naturwissenschaftsbasierten Technik hat das Vertrauen in die Tragfähigkeit und den Realitätsgehalt der modernen Wissenschaft so sehr untermauert, dass die Physik als Kern der naturwissenschaftlichen Grundlagenforschung als Erkenntnisideal des Wissensbetriebes überhaupt zu stehen kommt.

Quarks

Ein zweites Beispiel: Die sogenannten Quarks, die Grundbausteine der Elementarteilchen. Ein wenig vereinfacht kann man sagen, dass die uns vertrauten Grundkomponenten, aus denen unsere Materie aufgebaut ist, also Protonen, Neutronen, Elektronen usw., ihrerseits eine Triple-Struktur besitzen, deren drei Elemente man wissenschaftlich als Quarks bezeichnet. Niemand hat diese Zauberwesen je isoliert betrachten können. Sie werden vielmehr samt ihren Eigenschaften aus den Ergebnissen der Kollisionsexperimente in den gewaltigen Teilchenbeschleunigungsanlagen wie CERN / CH erschlossen. Ihr Name verdankt sich einem Zitat aus „Finnegans wake“ von James Joyce, worauf einer der „Väter“ der Quark-Theorie, Murray Gell-Mann, selbst hinweist. Damit nicht genug der Kuriosität: Die sechs verschiedenen Quarks werden „flavours“ genannt, die sich in überaus abstrakten Eigenschaften unterscheiden. Ob es Quarks in einem gegenständlichen Sinne „gibt“, ist strenggenommen uninteressant. Man kann damit präzise rechnen, technische Anwendungen konstruieren und die Phänomene im „Teilchenzoo“ erklären. Um also ernstgenommen zu werden, reicht es allemal.

Licht

Ein letztes Beispiel: Das Photon und das Mysterium des Lichts. Mit dem Welle-Teilchen Dualismus des Lichts sind seit den 1970er Jahren deutsche Schülergenerationen im Physikunterricht, wenn nicht vertraut-, so doch bekannt gemacht worden. Ob das Licht, wissenschaftlich gesprochen, eine Wellenstruktur besitzt oder korpuskular zu verstehen ist, hängt von der Versuchsanordnung ab. Beides ist möglich und beides ist wirklich. Niemand kann sagen, worum es sich beim Licht „eigentlich“ handelt. Wissenschaftlich kann nur beschrieben werden, wie es sich unter welchen Umständen verhält, mehr nicht. Ja, zum Schluss, auch wenn es merkwürdig anmutet, noch dies: Selbst das Licht können wir nicht sehen. Was wir sehen, ist stets das, was vom Licht getroffen wird. Das Licht selbst ist unsichtbar. Wie die Gravitation. Wie die Quarks. Wie alles, wenn wir hinreichend genau in das hineinschauen, was wir unsere Welt nennen. Je feiner wir beobachten und messen, und je besser unser Auflösungsvermögen in den Instrumenten wird, um so überraschender und abstrakter wird das, was sich unserem Blick öffnet.

 

• Die „gute, alte“ Zeit

Nun zur Zeit selbst. Bis zum Beginn des 20. Jahrhundert stellte man sich die Zeit als eine naturgesetzliche Gegebenheit göttlichen Ursprungs vor, derzufolge sich alle Weltereignisse wie Perlen auf einer Schnur aneinanderreihen. Ähnlich wie der Raum, der, einem galaktisch großes Behältnis vergleichbar, als Schauplatz all dessen begriffen wurde, was der Fall war, ist oder jemals sein würde. Newton hat dies einen „absoluten Raum“ bzw. eine „absolute Zeit“ genannt. Die Raumzeit mit ihren vier Raumkoordinaten x, y, z und der Zeitkoordinate t bildete die mathematisch gefasste, feststehende Disposition der Welt, mit Beginn und Ende, Mitte und Grenze: x, y, z, t als objektive, isotrope und absolute Koordinaten für jeden einzelnen Weltpunkt. Im Prinzip sollte es darin möglich sein, zu jedem definierten Zeitpunkt t0 den Zustand aller Weltpunkte x, y, z angegeben werden kann. Dass in einem schon damals als ungeheurer Raum erkannten Universum von „Grenze“ und „Mitte“ nur in einem übertragenen Sinn gesprochen werde konnte, hindert nicht, dass man dabei eine stabile, dreidimensional und rechtwinklig organisierte kosmologische Architektur vor dem wissenschaftlichen Auge hatte. 

Allerdings hatte bereits Immanuel Kant in seiner „Kritik der reinen Vernunft“ in sehr klarer und präziser Form konstatiert, dass Raum und Zeit, philosophisch betrachtet, keine objektiven Größen seien, sondern unausweichliche und fundamentale „Anschauungsformen“ jeglicher menschlichen Erfahrung. Für ihn war das weniger ein skeptisches Notat zu wissenschaftlicher Arbeit als vielmehr die notwendige Folge einer ganz anderen Einsicht: Dass das menschliche Subjekt ganz grundsätzlich nicht über die Möglichkeit verfügt, die Wirklichkeit „an sich“ in ihrer gegenständlichen, „objektiven“ Existenz zu bestimmen. Für ihn stand das Interesse im Vordergrund, wie man zu sicheren Erkenntnissen „a priori“, also jeglicher empirischen Erfahrung vorauslaufend, kommen kann. Aber der Hinweis auf Raum und Zeit als Anschauungsformen lässt sich ohne Mühe als eine erste Relativierung der Raumzeit als objektiv gegebene Wirklichkeit lesen. Die Weitsicht dieser Feststellung zeigte sich gut 200 Jahre später.

 

• Der Systembruch: Einsteins Relativitätstheorie

Der Bruch mit dieser stabilen und kontinuierlich organisierten Welt vollzog sich mit den bahnbrechenden Veröffentlichungen Albert Einsteins (1879-1955) über die sogenannte Spezielle Relativitätstheorie von 1905 und, zehn Jahre später, die Allgemeine Relativitätstheorie. Die Konsequenzen dieser Erkenntnisse für das Verständnis von Raum und Zeit sind bis heute ebenso fundamental wie weithin unanschaulich. Nicht, dass es sich dabei um strittige Angelegenheiten handelte. Die Allgemeine Relativitätstheorie ist, ebenso wie die Quantentheorie, im vergangenen Jahrhundert und bis heute immer wieder eindrucksvoll und vielfach bestätigt worden. In allen Google Maps vergleichbaren Navigations-Apps sind die relativistischen Effekte berücksichtigt, die mit Einsteins Relativitätstheorien greifbar gemacht wurden. Moderne Weltraumfahrt und Kosmologie sind technisch und theoretisch Kinder der Einsteinschen Physik und ihrer Folgen. Unanschaulich bleiben die Konsequenzen aber vor allem deshalb, weil sie in bisweilen grotesker Weise der normalen Alltagserfahrung widersprechen und nicht Gegenstand geläufiger Weltbeobachtung sind. Im „gesunden Menschenverstand“ und den alltagsüblichen Dimensionen, weit jenseits von Lichtgeschwindigkeit und interstellaren Räumen, kommt all das nicht vor, womit wir es in der Relativitätstheorie zu tun bekommen: Auflösung von Gleichzeitigkeit, Zeitdilatation, gekrümmter Raumzeit und inversen Zeitpfeilen. 

Die großen Physiker der vorletzten Jahrhundertwende haben sich selbst schwer getan mit den Implikationen ihrer Entdeckungen. Das tröstet den Normalverbraucher wissenschaftlicher Aufklärung nicht besonders, macht aber deutlich, dass es nicht an unserem beschränkten Fassungsvermögen liegt, wenn wir gelegentlich ins Zweifeln geraten, ob all diese kuriosen relativistischen Effekte eigentlich „wirklich“ sind oder nur Ableitungen aus abstrakten Feldgleichungen von wunderlichen mathematischen Nerds, die den Kontakt mit dem realen Leben verloren haben.

Nein, haben sie nicht. Und die Experimente geben dazu eine klare Bestätigung. 

Die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit 

Am Anfang all dieser merkwürdigen Phänomene steht der schlichte Umstand, dass das Licht eine endliche Geschwindigkeit hat, etwa 300.000 km/h. Das ist so unfassbar schnell, dass es gegenüber allen Geschwindigkeiten, mit denen wir es im Alltag zu tun haben, wie „unendlich schnell“ aussieht. Wenn es aber an die Betrachtung und Erforschung ultrakleiner und galaktisch großer Phänomene geht, kommt es zu einer drastischen Veränderung der Zusammenhänge. Dann wird aus dem vormals absoluten Raum und der ebenso absoluten Zeit etwas, das sich eher wie eine magische Landschaft anfühlt denn wie ein naturgesetzlich eingeregeltes System. Zu Zeiten Isaac Newtons war man nicht von fern in der Lage, solche Beobachtungen überhaupt technisch zu bewerkstelligen. Durch die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit entsteht eine erste Kuriosität: die Zeitrelativierung.

Betrachten wir den Zeitablauf innerhalb eines bewegten Systems, sagen wir das System Weltraumstation (S1). Ein anderes, davon unabhängig bewegtes System, sagen wir: die Erde (S2), verfügt über einen eigenen Zeitablauf. In einem absoluten Raum, in der Lichtgeschwindigkeit unendlich groß ist, würden die beiden Eigenzeiten identisch sein. Man könnte vom System S1 aus den Zeitverlauf im System S2 messen und käme auf identische Werte. In zwei gegeneinander bewegten Systemen unter der Voraussetzung einer endlichen Lichtgeschwindigkeit ist das aber anders. Je schneller sich ein System gegen ein anderes bewegt, desto langsamer vergeht darin die Zeit. Dass das keine weltenferne Spekulation ist, belegt der kleine Korrekturfaktor, der bei den Navigationsgeräten berücksichtigt werden muss, weil die Bewegung der Satelliten gegen die Erde einen winzigen, aber wirkungsvollen Einfluss auf die tellurische Navigation ausübt.

Das aber hat eine fundamentale Konsequenz: Es ist das Ende des Konzeptes der Gleichzeitigkeit. Es kann, insbesondere in den Dimensionen des Universums, nicht mehr von einer Gleichzeitigkeit im strikten Sinne des Wortes gesprochen werden. Der Umstand, dass das Licht der milchstraßennächsten Spiralgalaxie, der sogenannte Andromeda-Nebel, etwa 2,5 Millionen Jahre benötigt, um von irdischen Detektoren aufgefangen zu werden, macht das Kernproblem deutlich. Was wir sehen, ist nach irdischer Zeitrechnung vor 2,5 Millionen Jahren geschehen, ist also nicht Gegenwart, sondern irdische Vergangenheit. Wir können nicht wissen, was dort jetzt geschieht. Das wird in 2,5 Millionen Jahren der Fall sein. Das „Jetzt“ des Universums ist nicht nur unvorstellbar – es ist nicht existent. Es gibt keine Möglichkeit, zu einem bestimmten Zeitpunkt so etwas wie einen Weltstatus zu formulieren. Das gilt aber schon im Falle des Sonnenlichts, das etwa acht Minuten benötigt, um uns zu erreichen. Entsprechend kleiner, aber immer noch messbar ist diese Differenz bei Satelliten, Flugzeugen oder Schnellzügen. Die Phänomene werden zwar unterhalb eines bestimmten Geschwindigkeitswertes unmessbar, sind aber nach wie vor vorhanden.

Strenggenommen stellen wir alle, als einzelne Menschen, jeweils ein gegenüber anderen Menschen bewegtes System mit spezifischer Eigenzeit dar, sind also in nanodimensionaler Differenz tatsächlich in verschiedenen Zeiten und Räumen unterwegs. Wir leben sprichwörtlich in unserer eigenen Welt. Das sollte man freilich nicht umgehend in solipsistischer Manier als existenzielle Einsamkeitsbedrohung auswerten oder aber als Beweis für die Existenz von Parallelwelten und -universen betrachten. Es macht aber deutlich, dass das, was wir unsere Welt nennen, tatsächlich mindestens so komplex ist, wie wir sie oft empfinden.

Aber damit nicht genug. Aus den Überlegungen zur Gravitation im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie ergibt sich noch eine verwunderlichere Konsequenz: Das Konzept der gekrümmten Raumzeit. Die Idee ist ebenso einfach wie naheliegend. Wenn in der „alten“ Welt gravitierende Massen wie Beschleuniger wirken und bei hinreichend großer Masse auch das Licht abzulenken oder gar zu verschlucken vermögen (die berühmten „Schwarzen Löcher“), dann lässt sich dieser Sachverhalt in der „neuen“ Welt auch umgekehrt „lesen“: Die Gravitation nicht als Kraft interpretieren, sondern als Geometrie. Der Lichtweg wird dann nicht im Raum gebeugt, sondern der Raum selbst wird gekrümmt, und das Licht läuft auf einer Art geodätischer Linie. Die Disposition der Massen strukturiert den Raum und die Zeit. 

Man merkt das praktisch daran, dass die gemessene Zeit auf Meeresniveau schneller verläuft als auf der Spitze des Matterhorns. Diese ca. 4.500 Meter Unterschied im Gravitationsfeld der Erde machen einen messbaren Unterschied, der ebenfalls bei jeder satellitengestützten Navigation zu berücksichtigen ist.

Spätestens hier versagt in der Regel das eigene Vorstellungsvermögen, weil wir uns eine vierdimensionale Raumzeit nicht anschaulich machen können. Mathematisch ist das kein nennenswertes Problem, weil es sich lediglich um vier statt um drei Koordinaten handelt, die in die Gleichungen eingehen. Einstein selbst hat als Veranschaulichung das Bild mit dem Trampolin gebraucht, in dem aufliegende Massen je nach Gewicht die zweidimensionale Oberfläche strukturieren. Viel weiter kommen wir mit unserer Anschauung in der Regel nicht. Dass diese Überlegungen aber nicht an den Haaren herbeigezogen sind, ist durch Experimente belegt, zuerst durch die berühmte Beobachtung der Positionsverschiebung sonnennaher Sterne bei einer Sonnenfinsternis 1919, unlängst durch den Nachweis sogenannter Gravitationswellen, die Einstein 1916 vorhergesagt hatte.

Der Zeitpfeil

Eine letzte Betrachtung. Für die Feldgleichungen der Relativitätstheorie wie für die Gleichungen der Quantentheorie ist die Zeitrichtung unerheblich. Sie funktionieren nach „rückwärts“ wie nach vorn. Die Frage, warum es in der Entwicklung der empirisch beobachtbaren Systeme, seien es Sterne, Menschen oder Gesellschaften, faktisch keine „Rückentwicklung“ gibt, warum, mit anderen Worten, der Zeitpfeil tatsächlich nur eine Richtung hat, ist keineswegs trivial. Die Ereignisse der Raumzeit könnten auch – theoretisch – den entgegengesetzten Verlauf nehmen. Aber stets wird beim Zusammenschütten von kaltem und warmem Wasser eine laue Temperatur das Ergebnis sein, nicht eine Intensivierung von Kälte und Hitze in zwei verschiedenen Bereichen des Beckens. Und nie wird die Erde sich in einen glutflüssigen Materieball zurückentwickeln, obwohl die Gleichungen das „hergeben“. Der Grund: Die Wahrscheinlichkeit, dass sich die Quantenbewegungen und Energiefluktuationen dergestalt ausrichten und koordinieren, ist extrem gering. Aber sie ist nicht Null!

Praktisch bedeutet all das für die Bewältigung des menschlichen Alltags fast nichts. Weder die Zeitdilatation noch die Raumkrümmung noch die theoretische Umkehrbarkeit des Zeitpfeils. Die Phänomene sind zu klein, zu schnell oder zu groß. Aber wir kennen sie und können sie berechnen. Zum Teil nutzbar machen. Verstehen schon weniger. Anschaulich machen kaum noch. Was das für das Verständnis der Welt bedeutet, in der wir leben, gehört freilich nicht mehr in den Bestimmungsbereich der Physik, sondern wird in anderen Denkräumen erwogen. Es ist wichtig, das zu tun.

Literatur

• Blankenheim, Thomas: Unterwegs in gekrümmter Raumzeit. Die Relativitätstheorie, Euskirchen 2018
• Gimmler, Antje / Sandbothe, Mike / Zimmerli, Walter Ch.: Die Wiederentdeckung der Zeit. Reflexionen, Analysen, Konzepte, Darmstadt 1997
• Jammer, Max: Das Problem des Raumes. 2. Aufl., Darmstadt 1980
• Mann, Frido / Mann, Christine (Hg.): Im Lichte der Quanten. Konsequenzen eines neuen Weltbildes, Darmstadt 2021
• Nagel, Thomas: Geist und Kosmos. Warum die materialistische neodarwinistische Konzeption der Natur so gut wie sicher falsch ist, Berlin 2013
• Zeilinger, Anton: Einsteins Schleier – Die neue Welt der Quantenphysik, München 2004