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Richard A. Muller

• Herausgeber: FISCHER E-Books
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 519

Veröffentlichungsjahr: 2018

Beschreibung

Sie lesen jetzt das Wort »jetzt« – und schon ist es vergangen. Das flüchtige Dasein der Gegenwart hat Philosophen und Physiker vor die größten Rätsel gestellt: Was ist die Zeit? Und warum fließt sie? Generationen von Wissenschaftlern haben sich vergeblich um Antworten bemüht, einige haben es aufgegeben. Nicht so Richard A. Muller. Er hat eine Theorie der Zeit aufgestellt, die neu ist und experimentell überprüfbar. Um sie vorzustellen, erklärt er zunächst mit großem Geschick die physikalischen Grundkonzepte wie Relativität, Entropie, Verschränkung, Antimaterie und Urknall. Darauf aufbauend entfaltet er seine provozierend neue Sicht mit all ihren Folgen für die Philosophie oder die Frage nach der Willensfreiheit. Eine kraftvolle und überzeugende Vision für die Lösung des alten Rätsels der Zeit. »Muller hat einen bemerkenswert frischen und aufregenden Ansatz für die Erklärung der Zeit.« Saul Perlmutter, Physik-Nobelpreisträger »Ein provokatives und gut argumentiertes Buch über die Natur der Zeit.« Lee Smolin

Leseprobe

Richard A. Muller

Jetzt

Die Physik der Zeit

Aus dem Amerikanischen von Sebastian Vogel

Über dieses Buch

Sie lesen jetzt das Wort »jetzt« – und schon ist es vergangen. Das flüchtige Dasein der Gegenwart hat Philosophen und Physiker vor die größten Rätsel gestellt: Was ist die Zeit? Und warum fließt sie? Generationen von Wissenschaftlern haben sich vergeblich um Antworten bemüht, einige haben es aufgegeben. Nicht so Richard A.Muller. Er hat eine Theorie der Zeit aufgestellt, die neu ist und experimentell überprüfbar. Um sie vorzustellen, erklärt er zunächst mit großem Geschick die physikalischen Grundkonzepte wie Relativität, Entropie, Verschränkung, Antimaterie und Urknall. Darauf aufbauend entfaltet er seine provozierend neue Sicht mit all ihren Folgen für die Philosophie oder die Frage nach der Willensfreiheit. Eine kraftvolle und überzeugende Vision für die Lösung des alten Rätsels der Zeit.

Weitere Informationen finden Sie auf www.fischerverlage.de

Biografie

Richard A. Muller, geb. 1944, ist Professor für Physik an der Universität von California in Berkeley. Für seine Forschungen in experimenteller Kosmologie wurde er 1982 mit dem renommierten MacArthur-Genius-Fellowship ausgezeichnet. Muller ist Autor zweier Bestseller, Physics for Future Presidents. The Science Behind the Headlines sowie Energy for Future Presidents. The Science Behind the Headlines und hat sich in der wissenschaftlichen Debatte um den Klimawandel engagiert. Für seine Lehre und seine beliebten Physikvorlesungen für ein allgemeines Publikum erhielt er 1999 von der Universität Berkeley den Distinguished Teaching Award.

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Impressum

Erschienen bei FISCHER E-Books

Die Originalausgabe erschien unter dem Titel »Now. the Physics of Time« im Verlag W.W. Norton, New York/London 2016

© 2016 by Richard A.Muller

Für die deutschsprachige Ausgabe:

© 2018 S. Fischer Verlag GmbH, Hedderichstr. 114, D-60596 Frankfurt am Main

Für die Verwendung des Auszugs aus »As Time Goes By« von Herman Hupfeld dankt der Verlag der Bienstock Publishing Company o/b/o Redwood Music Ltd.

Covergestaltung: buxdesign, München

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Dieses E-Book ist urheberrechtlich geschützt.

ISBN 978-3-10-403822-3

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Inhalt

Einleitung

Teil I Verblüffende Zeit

Kapitel 1 Das verschränke Rätsel

Das unbeschreibliche Jetzt

Gebrochene Symmetrie

Kapitel 2 Einsteins Regression in die Kindheit

Die Relativitätstheorie

Die Zeit verlangsamt sich

Ruhesysteme

Zeitreise in die Zukunft

Kapitel 3 Das springende Jetzt

Zusammengepresster Raum und Crêpe-Protonen

Das Michelson-Morley-Experiment

Zeit, Energie und Schönheit

Was ist das Besondere an der Lichtgeschwindigkeit?

Schwarze Löcher

Kapitel 4 Widersprüche und Paradoxa

Das Scheunenparadoxon

Das Zwillingsparadoxon

Der Tachyonenmord

Freier Wille ist überprüfbar

Kapitel 5 Grenze Lichtgeschwindigkeit, Schlupfloch Lichtgeschwindigkeit

Einsteins Äquivalenzprinzip

Die Lichtgeschwindigkeit erreichen

Im oberen Stockwerk fließt die Zeit schneller

Kapitel 6 Imaginäre Zeit

Null, irrationale und imaginäre Zahlen

Imaginäre Zeit und vierdimensionale Raumzeit

Die großartigste Arbeit meines Lebens

Raumzeit

Kapitel 7 Bis zur Unendlichkeit und noch viel weiter

Schwarze Löcher saugen nicht

Das Erreichen der Lichtgeschwindigkeit und der Weg über die Unendlichkeit hinaus

Eigentlich gibt es keine schwarzen Löcher

Lichtgeschwindigkeit: noch ein Schlupfloch

Wurmlöcher

Teil II Ein gebrochener Pfeil

Kapitel 8 Ein Pfeil der Verwirrung

Kapitel 9 Die Entmystifizierung der Entropie

Die Motivationskraft des Feuers

Entropie aus Wärmeströmung

Entropie der Mischung

Kapitel 10 Die Mystifizierung der Entropie

Die Physik der vielen Dinge

Entropie – was ist das eigentlich?

Die Tyrannei der Entropie

Entropie ist Durcheinander

Entropie und Quantenphysik

Kapitel 11 Die Zeit wird erklärt

Das Einzige, was wir haben

Filme, rückwärts abgespielt

Primäre und sekundäre physikalische Gesetze

Warum ist das Universum so unwahrscheinlich?

Kapitel 12 Unser unwahrscheinliches Universum

Eine Kruste wird nicht gebraucht

Am Anfang …

Des Rätsels Lösung

Kapitel 13 Das Universum bricht aus

Der Feuerball des Urknalls

Die Suche nach dem Anbeginn der Zeit

Wir sind eine Quantenfluktuation

Das Thurston-Universum

Kapitel 14 Das Ende der Zeit

Die Suche nach dem Ende der Zeit

Das beschleunigte Universum und dunkle Energie

Einsteins größte Eselei

Inflation

Kapitel 15 Die Entropie kommt unter die Räder

Die erfolgreiche Prüfung einer Theorie

Die Entropie des Universums

Das Gottesteilchen durchbricht den Entropiepfeil

Wie hat Eddington uns hinters Licht geführt?

Kapitel 16 Der Zeitpfeil: Alternativen

Der Zeitpfeil der abnehmenden Entropie

Der Zeitpfeil der schwarzen Löcher

Der Strahlungspfeil

Feynmans Fortschritte

Der psychologische Zeitpfeil

Der anthropische Zeitpfeil

Verletzung der Zeitumkehr

Der Quantenpfeil

Der kosmologische Zeitpfeil

Teil III Gespenstische Physik

Kapitel 17 Eine Katze, tot und lebendig

Schrödingers Katze

Die Kopenhagener Interpretation

Das Gespenst hinter der Realität

Die Quantentheorie verletzt die Relativitätstheorie

Kapitel 18 Das Quantengespenst wird gekitzelt

Pwaves und Wavicles

Den Abfluss hinunter

Vom Wesen her unscharf

Die kleinste Entfernung

Die Unsicherheit des Chaos

Das Skelett im Quantenschrank

Kapitel 19 Einstein bekommt Angst

Der Verborgene-Variablen-Killer

Verschränkung

Botschaften, schneller als das Licht

Krücken

Was ist falsch an »spukhaft«?

Rechnen mit Gespenstern

Kapitel 20 Die Rückwärts-Zeitreise wird beobachtet

Die absurdeste Theorie in diesem Buch

Dirac sagt widerwillig die Antimaterie vorher

Die Wiedergeburt des Äthers

Feynman kehrt die Zeit um

Wir sind alle Eins

Können Menschen in der Zeit rückwärts reisen?

Teil IV Physik und Realität

Kapitel 21 Über die Physik hinaus

Die Grenzen der Naturwissenschaft

Ein Schock von Gödel

Wie sieht Blau aus?

Beam mich hoch, Scotty

Was ist Wissenschaft?

Kapitel 22 Cogito ergo sum

Physikalismus

Empathie

Cogito ergo sum

Kapitel 23 Freier Wille

Damals in meinem Labor …

Der klassische freie Wille

Der Entropie eine Richtung geben

Wir halten diese Wahrheiten für offensichtlich

Freier Wille und Verschränkung

Egoistische Gene

Teil V Jetzt

Kapitel 24 Der 4-D-Urknall

Die vorderste Front der Zeit

Sind alle Jetzts gleichzeitig?

Die Wahrnehmung des Jetzt

Die Widerlegung eines kosmologischen Ursprungs der Zeit, Teil 1

Die Widerlegung eines kosmologischen Ursprungs der Zeit, Teil 2

Die Zukunft der Physik

Kapitel 25 Die Bedeutung des Jetzt

Anhang 1 Die Mathematik der Relativität

Zeitdilatation

Längenkontraktion

Gleichzeitigkeit

Geschwindigkeiten und die Lichtgeschwindigkeit

Zeitumkehr

Die Mathematik des Scheunenparadoxons

Die Mathematik des Zwillingsparadoxons

Mathematik des Tachyonenmordes

Mathematik der Wirkung der Gravitation auf die Zeit

Anhang 2 Zeit und Energie

Anhang 3 Der Beweis, dass eine irrationale Zahl ist

Anhang 4 Die Schöpfung

Anhang 5 Die Mathematik der Unschärfe

Anhang 6 Physik und Gott

Ich selbst

Danksagungen

Abbildungsnachweise

Register

Einleitung

Jetzt – jener rätselhafte, flüchtige Zeitpunkt, der seine Bedeutung in jedem Augenblick ändert – verwirrt seit jeher Priester, Philosophen und Physiker, und das aus gutem Grund. Um das Jetzt zu verstehen, braucht man Kenntnisse über Relativitätstheorie, Entropie, Quantenphysik, Antimaterie, Zeitreisen in die Vergangenheit, Verschränkung, den Urknall und dunkle Energie. Erst jetzt verfügen wir über alle physikalischen Kenntnisse, um das Jetzt zu verstehen.

Die schwer fassbare Bedeutung von Jetzt war ein Stolperstein für die Entwicklung der Physik. Wir verstehen die Zeitdehnung durch Geschwindigkeit und Gravitation und sogar die Umkehr der Zeit in der Relativitätstheorie, aber wir haben keine Fortschritte gemacht, wenn es darum geht, die verblüffendsten Aspekte der Zeit zu verstehen: ihr Fließen und die Bedeutung des Jetzt. Das grundlegende Zeichenbrett der Physik, Raum-Zeit-Diagramm genannt, geht über solche Fragen hinweg; Physiker halten dieses Fehlen unsinnigerweise manchmal für eine Stärke und gelangen zu dem Schluss, das Fließen der Zeit sei eine Illusion. Aber das ist rückständig. Solange wir die Bedeutung des Jetzt nicht dingfest machen können, werden weitere Fortschritte in der Erforschung der Zeit – jenes Schlüsselaspekts der Realität – weiterhin auf Hindernisse stoßen.

Mit diesem Buch verfolge ich das Ziel, die wesentlichen physikalischen Aspekte zusammenzusetzen wie Puzzlesteine, bis sich ein eindeutiges Bild des Jetzt herauskristallisiert. Damit das klappt, müssen wir auch diejenigen Puzzlesteine finden und entfernen, die an den falschen Orten eingesetzt wurden.

Dass das Rätsel bisher so schwer zu lösen war, liegt daran, dass dazu ein breites Spektrum physikalischer Kenntnisse erforderlich ist. Physik ist weder einfach noch geradlinig, und deshalb behandelt dieses Buch eine ungeheure Menge von Themen – eigentlich vielleicht zu viele für einen einzigen Band. Man kann deshalb durchaus hin und her blättern und mit Hilfe des Registers wichtige Gedanken finden, die man vielleicht vermisst hat. Ebenso kann man sich meine Erzählung als eine Art Krimi vorstellen, in dem sich allmählich immer mehr Anhaltspunkte ergeben, bis sie schließlich zu einer bemerkenswerten Auflösung führen.

Mein Hintergrund ist vorwiegend die Experimentalphysik – die Konstruktion und Benutzung neuer Gerätschaften, mit denen man physikalische Tatsachen, die zuvor verborgen waren, vermessen oder gelegentlich auch neu entdecken kann. Zwei meiner Projekte standen in unmittelbarem Zusammenhang mit unseren Kenntnissen über die Zeit: eine Messung der Mikrowellentrümmer des Urknalls und eine genaue Vermessung der früheren Ausdehnung des Universums einschließlich der Entdeckung dunkler Energie, die diese Expansion beschleunigt. Ich muss zwar zugeben, dass ich auch einige rein theoretische Fachartikel geschrieben habe, das tat ich aber vor allem dann, wenn die Finanzmittel für Experimente knapp waren oder wenn die Theorie nach meiner Überzeugung vom richtigen Weg abgekommen war. So weit ich weiß, ist dies derzeit das einzige Buch, das gezielt von der Zeit handelt und von einem Physiker geschrieben wurde, der tief in der experimentellen Arbeit steckt; ich werde versuchen, einige Einblicke in die Herausforderungen und Frustrationen zu geben, mit denen solche Arbeiten verbunden sind.

Der Weg zum Verständnis des Jetzt besteht aus fünf Teilen.

In Teil I mit der Überschrift Verblüffende Zeit erläutere ich zunächst einige handfest nachgewiesene und dennoch erstaunliche Aspekte der Zeit, die im Wesentlichen von Albert Einstein entdeckt wurden. Zeit kann sich nicht nur dehnen, biegen und umkehren, sondern solche Verhaltensweisen haben auch Einfluss auf unser tägliches Leben. Das Satellitensystem GPS, das dafür sorgt, dass wir uns nicht verirren, stützt sich in großem Umfang auf Einsteins Relativitätsgleichungen, die von diesen seltsamen Eigenschaften der Zeit handeln. Die Relativitätstheorie hat uns den Begriff der vierdimensionalen Raumzeit beschert. Die wichtigste Aussage von Teil I lautet: Wir wissen eine Menge über die Zeit, und ihr Verhalten ist nicht einfach, aber gut bekannt. Wie schnell sie läuft, hängt von den lokalen Bedingungen der Geschwindigkeit und Gravitation ab, und selbst die Reihenfolge von Ereignissen – die Frage, welches Ereignis sich zuerst abgespielt hat – ist keine allgemeingültige Wahrheit. Darüber hinaus liefert uns Einsteins Relativitätstheorie einen großen Teil des Gerüsts, das wir brauchen, um die Bedeutung des Jetzt zu verstehen.

Der Teil II trägt die Überschrift Ein gebrochener Pfeil. Hier entferne ich aus dem Puzzle ein Stück, das an die falsche Stelle gepresst wurde, eine Theorie, die den Fortschritt beim Verstehen des Jetzt mehr als jede andere behindert hat. Dieser falsch angebrachte Puzzlestein ist die Theorie des Physikers Arthur Eddington, die angeblich eine Erklärung für den Zeitpfeil liefert – für die Tatsache, dass die Vergangenheit über die Zukunft bestimmt und nicht andersherum. Um ihn aus dem Weg zu räumen, präsentiere ich zuerst die bestmögliche Argumentation, die seine Theorie unterstützt, und erst danach mache ich auf ihre tödlichen Schwächen aufmerksam.

Eddington führte das Fließen der Zeit auf die Zunahme der Entropie zurück, die ein Maß für die Unordnung im Universum darstellt. Heute wissen wir über die Entropie des Universums viel mehr als Eddington, der seine Theorie 1928 formulierte, und ich werde darlegen, dass er das Pferd von hinten aufzäumte. Das Fließen der Zeit verursacht die Zunahme der Entropie, nicht andersherum. Die Erzeugung von Entropie hat nicht die tyrannische Wirkung, die man ihr häufig zuschreibt. Wie sich herausstellt, ist die Kontrolle über die Wege der Entropie entscheidend für unser Verständnis des Jetzt.

Im Teil III, Gespenstische Physik, kommt ein weiteres wichtiges Element für das Verstehen des Jetzt hinzu: die geheimnisvolle Wissenschaft der Quantenphysik. Sie ist vielleicht die erfolgreichste Theorie aller Zeiten – Vorhersagen und Beobachtungen stimmen bis auf zehn Dezimalstellen überein –, und doch ist sie sowohl beunruhigend als auch besorgniserregend. Das gespenstische Verhalten der Quantenwellen und ihrer Messung verletzt in krasser Weise Einsteins Relativitätsprinzipien, allerdings nicht so, dass man es unmittelbar beobachten oder ausnutzen könnte. Das Verhalten der Quantenwelle stellt unser Realitätsempfinden in Frage und entwickelt es weiter – ein Empfinden, das sich als entscheidend erweisen wird, wenn wir Licht in das Jetzt bringen wollen. So ergibt sich aus der Quantenphysik unter Umständen die höchst beunruhigende – oder vielleicht auch befreiende – Folgerung, dass die Vergangenheit nicht mehr über die Zukunft bestimmt, oder jedenfalls nicht vollständig. Einige Aspekte der Quantenphysik, die der Intuition am stärksten widersprechen, insbesondere das seltsame Merkmal der Verschränkung, wurden experimentell bestätigt, und diese (überraschenden!) experimentellen Befunde legen die Vermutung nahe, dass die eingeschränkte Fähigkeit, die Zukunft vorherzusagen, für alle Zeiten eine grundlegende Schwäche der Physik bleiben wird.

In Physik und Realität, dem Teil IV, untersuche ich die Grenzen der Physik. Keine Sorge, die Zeit und das Jetzt gehören nicht in diesen Bereich; sie haben ihren Ursprung in der Physik, aber wie wir sie wahrnehmen, hängt von unserem Gespür für die Realität ab, einem Gespür, das über die Physik hinausreicht. Die Mathematik bildet eine Welt der Realität ab, die sich nicht durch physikalische Experimente belegen lässt; das gilt sogar für etwas so Einfaches wie die Tatsache, dass die Quadratwurzel von 2 eine irrationale Zahl ist. Andere Themen dagegen sind real, gehören aber nicht in die Domäne für der Physik; dazu gehört zum Beispiel die Frage, wie die Farbe Blau eigentlich aussieht. Die Leugnung nichtphysikalischer und nichtmathematischer Wahrheiten wurde von Philosophen als Physikalismus bezeichnet. Der Physikalismus ist ein Glaube und hat alle Merkmale einer Religion. Leider führen die Indizien entgegen Einsteins glühender Hoffnung zu der Schlussfolgerung, dass die Physik unvollständig ist und nie in der Lage sein wird, die gesamte Realität zu beschreiben.

Im Teil V mit der Überschrift Jetzt werden die einzelnen Anhaltspunkte des Puzzles zusammengesetzt und zeigen in einem einheitlichen Bild, warum die Zeit fließt und welche Bedeutung der flüchtige Augenblick hat, den wir Jetzt nennen. Die Lösung liegt in einem Ansatz, der den Urknall vierdimensional betrachtet. Die Explosion des Universums schafft ständig nicht nur neuen Raum, sondern auch neue Zeit. Der vorderste, expandierende Rand der Zeit ist das, was wir als Jetzt bezeichnen, und der Fluss der Zeit ist die ständige Erschaffung von neuen Jetzts. Wir erleben den neuen Augenblick anders als den vorangegangenen, weil er der einzige ist, in dem wir Entscheidungen treffen und unseren freien Willen ausüben können, um damit die Zukunft zu beeinflussen und zu verändern. Allen Argumenten der klassischen Philosophen zum Trotz wissen wir heute, dass der freie Wille mit der Physik vereinbar ist; wer anders argumentiert, orientiert sich an der Religion des Physikalismus. Wir können die Zukunft nicht nur mit wissenschaftlichen, sondern auch mit nichtwissenschaftlichen Kenntnissen wie Empathie, Tugend, Ethik, Fairness und Gerechtigkeit beeinflussen, um so den Fluss der Entropie zu lenken und eine Stärkung der Zivilisation – oder auch ihre Zerstörung – ins Werk zu setzen.

Drei mögliche Tests dieses vierdimensionalen Modells der fortschreitenden Zeit schaue ich mir näher an. Die beobachtete beschleunigte Expansion des Universums, die im Zusammenhang mit der dunklen Energie steht, sollte von einer Beschleunigung im Ablauf der Zeit begleitet sein. Diese Theorie sagt vorher, dass die Zeit derzeit schneller fließt als in der Vergangenheit, und das führt zur Vorhersage einer neuen und (möglicherweise) beobachtbaren Zeitdehnung, einer neuen Rotverschiebung. Effekte sind vielleicht auch bei der Untersuchung der ersten Augenblicke des Urknalls zu erkennen; diese Ära der Inflation, so die Hoffnung, kann man vielleicht eines Tages durch den Nachweis von Gravitationswellen erforschen, die damals ausgesandt wurden; solche Wellen können wir indirekt beobachten, indem wir das Polarisierungsmuster der Mikrowellenstrahlung studieren.

Der dritte Test wurde konzipiert, als das LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, Laser-Interferometer-Observatorium zur Beobachtung von Gravitationswellen) 2016 erstaunlicherweise zwei große, verschmelzende schwarze Löcher nachweisen konnte. Solche Ereignisse lassen neuen Raum entstehen, und nach der 4-D-Theorie entsteht dabei auch neue Zeit; diese sollte im späteren Teil des Pulses für eine Verzögerung sorgen, die man beobachten kann, wenn zukünftige Ereignisse größer oder näher sind und sich durch ein stärkeres Signal verraten.

Wer mehr über die mathematischen Grundlagen lesen will, findet Einzelheiten über die Relativitätstheorie und die mathematischen Befunde in mehreren Anhängen; darüber hinaus stehen dort auch einige phantasievolle Gedichte und Gedanken über die nichtphysikalische Realität.

Machen wir uns also daran, das Puzzle zusammenzusetzen.

Teil IVerblüffende Zeit

Kapitel 1Das verschränke Rätsel

Was die Zeit angeht, waren große Philosophen verzweifelt und verwirrt – erst die Physik macht uns Hoffnung, sie verstehen zu können.

Hier ist eine Tatsache über Sie selbst, die nur die Wenigsten kennen – vielleicht kennt sie niemand außer Ihnen: Sie lesen genau jetzt dieses Buch. Ich kann sogar noch präziser werden: Sie lesen genau jetzt das Wort Jetzt.

Außerdem habe ich etwas behauptet, von dem Sie wissen, dass es stimmt, wobei ich persönlich es aber nicht wusste und immer noch nicht weiß: Sie lesen genau jetzt das Wort Jetzt, aber mir ist diese Tatsache vollkommen unbewusst – es sei denn, ich blicke Ihnen gerade über die Schulter und Sie zeigen beim Lesen mit dem Finger auf die Wörter.

Jetzt ist ein äußerst einfacher, aber auch faszinierender und rätselhafter Begriff. Wir wissen, was er bedeutet, und doch können wir ihn kaum definieren, ohne uns im Kreis zu drehen. »Jetzt ist der Zeitpunkt, der die Vergangenheit von der Zukunft trennt.« Nun gut, aber definieren wir jetzt einmal Vergangenheit und Zukunft, ohne das Wort Jetzt zu verwenden. Und was wir mit Vergangenheit und Zukunft meinen, ändert sich ständig. Vor kurzer Zeit lag das Lesen dieses Absatzes noch in der Zukunft. Jetzt liegt es zum größten Teil bereits in der Vergangenheit.

Jetzt liegt der ganze Absatz in der Vergangenheit (es sei denn, Sie blättern zurück). Jetzt bezeichnet einen bestimmten Zeitpunkt. Aber dieser Zeitpunkt verändert sich ständig. Deshalb benutzen wir Uhren. Sie sagen uns, welche Zahlen mit dem Jetzt verbunden sind; das nennen wir die momentane Uhrzeit. Uhren aktualisieren sich ständig, in der Regel jede Sekunde. Die Zeit schreitet erbarmungslos fort. Wir können im Raum stillstehen, aber nicht in der Zeit. In der Zeit bewegen wir uns, aber über diese Bewegung haben wir keine Kontrolle – es sei denn, Zeitreisen würden sich als möglich erweisen.

Die Bedeutung von Jetzt ist nur eines von vielen Geheimnissen jenes seltsamen Phänomens, das wir Zeit nennen. Es ist bemerkenswert, dass wir eine Menge über die Zeit und insbesondere über ihre seltsamen, der Intuition widersprechenden Aspekte wissen, die mit Einsteins Relativitätstheorie zu tun haben, aber ebenso bemerkenswert ist auch, dass wir so wenig über die Grundlagen der Zeit wissen – darüber, was sie ist und in welcher Verbindung sie zur Realität steht. Dieses Buch handelt von der Zeit – von dem, was wir wissen und was wir nicht wissen.

Fließt die Zeit? Am 18. April 1906 um 5 Uhr 12 wurde San Franzisco von einem starken Erdbeben erschüttert. Der Zeitpunkt dieses Ereignisses bewegt sich nicht; wir können ihn in der Wikipedia nachschlagen. Was sich aber bewegt, was tatsächlich fließt, ist die Bedeutung von Jetzt. Das Jetzt schreitet voran, verändert sich, bewegt sich in der Zeit vorwärts.

Vielleicht ist es auch sinnvoller, wenn man sagt, dass die Zeit am Jetzt vorüberfließt. Das ganze Thema der »Bewegung« lässt sich nur schwer beschreiben. Wenn wir sagen, dass ein Auto sich bewegt, stellen wir seine Position zu einem bestimmten Zeitpunkt und dann seine Position zu einem anderen Zeitpunkt fest. Die Geschwindigkeit ist die zurückgelegte Strecke, dividiert durch die dafür notwendige Zeit – sie wird beispielsweise in Kilometern pro Stunde angegeben. Diese Methode versagt völlig, wenn wir das Jetzt beschreiben wollen. Jetzt ist genau jetzt; warten wir einen Augenblick, dann ist Jetzt immer noch genau jetzt. Bewegt es sich? Ja, die Bewegung der Zeit wird daran deutlich, dass die Bedeutung von jetzt sich ständig verändert. Mit welcher Geschwindigkeit bewegt sich die Zeit? Mit einer Sekunde pro Sekunde.

Es gibt noch eine dritte Sichtweise: Danach wird die Zeit in jedem Augenblick neu erschaffen, und diese neu erschaffene Zeit stellt das Jetzt dar. Sind das nun philosophisch oder physikalisch unterschiedliche Sichtweisen? Kann man sie sich aussuchen, oder steckt in einer davon mehr Wahrheit, mehr Sinn als in der anderen? Diese Frage gehört zu denen, die ich in dem vorliegenden Buch untersuchen werde.

Angenommen, die Zeit bliebe stehen. Würden wir es bemerken? Wenn ja, wie? Oder nehmen wir an, sie würde stoßweise fließen, oder mit einer ganz anderen Geschwindigkeit. Könnten wir den Unterschied feststellen? Nicht ohne weiteres, zumindest dann nicht, wenn wir die Darstellung der Zeit übernehmen, wie sie in Filmen häufig verwendet wird, so wie etwa in Dark City, Klick, Interstellar oder Lara Croft: Tomb Raider. Wie wir Menschen die Bewegung des Jetzt, das Fließen der Zeit wahrnehmen, hängt offensichtlich davon ab, wie viele Millisekunden es dauert, bis ein Signal von einem Auge, einem Ohr oder einer Fingerspitze zum Gehirn gelangt und dort aufgezeichnet, wahrgenommen und erinnert wird. Beim Menschen sind das einige Zehntelsekunden, bei einer Fliege nur wenige Tausendstelsekunden. Das ist der Grund, warum es uns so schwerfällt, eine Fliege zu fangen. Für die Fliege nähert sich die bedrohliche Hand in Zeitlupe – ganz ähnlich wie in Clockstoppers.

Die Geschwindigkeit der Zeit ist nicht nur in der Science-Fiction ein heikles Thema. Die Relativitätstheorie liefert uns ganz bestimmte Beispiele, insbesondere im Zwillingsparadoxon. Ein Zwilling reist nahezu mit Lichtgeschwindigkeit und erlebt weniger Zeit als der zu Hause gebliebene Bruder, spürt aber keinen Unterschied; beide Zwillinge erleben die Zeit auf die gleiche Weise, obwohl sie ganz unterschiedlich fließt. Dieses seltsame Phänomen wollen wir ein wenig genauer betrachten.

Die Hoffnung, das Jetzt zu verstehen, stützt sich auf den ungeheuren Fortschritt der Physik im 20. Jahrhundert. Aber sehen wir uns kurz an, welche Frustrationen man in der Antike erlebte.

Das unbeschreibliche Jetzt

Die Physik von Aristoteles nahm von der Antike bis zur Renaissance eine beherrschende Stellung ein. Sie war die wissenschaftliche Bibel für die katholische Kirche des Mittelalters. Galileo leugnete einige in diesem Buch aufgestellte Behauptungen und wurde deshalb vor Gericht gestellt. In vier Kapiteln seiner Physik schlug Aristoteles sich mit den Begriffen von Zeit und Jetzt herum, und am Ende war er völlig verwirrt. Er schrieb:

Weiter, was das »Jetzt« angeht, welches augenscheinlich Vergangenes und Zukünftiges trennt, so ist nicht leicht zu sehen, ob es die ganze Zeit hindurch immer ein und dasselbe bleibt, oder ob es immer wieder ein anderes wird. Wenn es einerseits wieder und wieder ein anderes wird, kein Teil aber dessen, was in der Zeit immer wieder ein anderes (ist), gleichzeitig (mit anderen sein kann) – sofern nicht der eine umfaßt, der andere umfaßt wird, so wie ein kleinerer Zeitabschnitt von einem größeren (eingeschlossen wird) –, und wenn, was jetzt nicht ist, früher aber war, notwendig irgendwann einmal zugrunde gegangen sein muß: dann können auch die Jetzte nicht gleichzeitig im Verhältnis zueinander sein, sondern es muß je das frühere untergegangen sein …[1]

Sind das tiefsinnige Gedanken, oder sind sie einfach nur verworren? In dem Bemühen, über das Jetzt genaue Aussagen zu machen, verhedderte sich Aristoteles in seinen eigenen Worten. Ein wenig Trost können wir in der Tatsache finden, dass selbst ein so angesehener Denker das Thema offensichtlich undurchschaubar fand.

Augustinus klagt in seinen Bekenntnissen, er sei nicht in der Lage, das Fließen der Zeit zu verstehen: »Was ist Zeit? Wenn mich niemand fragt, weiß ich es; wenn ich es erklären möchte, weiß ich es nicht.« Diese Klage wurde im 15. Jahrhundert geschrieben, sie hallt aber auch im 21. noch in uns wider. Ja, wir wissen, was Zeit ist. Warum also können wir sie nicht beschreiben? Was für ein Wissen haben wir da eigentlich?

Augustinus’ Dilemma erwächst zum Teil aus seiner Maxime, dass Gott allmächtig, allwissend und überhaupt Alles ist. Zusätzlich vollzieht er einen erstaunlichen Gedankensprung: Gott muss auch zeitlos sein. Dieser bemerkenswerte Gedanke bereitete den Weg für die moderne Physik – eine Physik, die das Verhalten von Objekten in der Zeit mittels Raum-Zeit-Diagrammen beschreibt, ohne aber einen Bezug zu der Tatsache herzustellen, dass die Zeit fließt oder dass ein Jetzt existiert.

Für Menschen, so Augustinus, gibt es weder Vergangenheit noch Zukunft, sondern nur drei Gegenwarten: »eine Gegenwart vergangener Dinge, die Erinnerung; eine Gegenwart gegenwärtiger Dinge, den Anblick; eine Gegenwart zukünftiger Dinge, die Erwartung.« (Gab dies Dickens die Anregung zu A Christmas Carol?) Es ist aber nicht zu verkennen, dass er mit seiner Einsicht unzufrieden ist. Er sagt: »Meine Seele strebt danach, dieses höchst verworrene Rätsel zu kennen.«

Auch Albert Einstein hatte Schwierigkeiten mit dem Begriff des Jetzt. Der Philosoph Rudolf Carnap schreibt in seiner Intellektuellen Autobiographie:

Einmal sagte Einstein, das Problem des Jetzt beunruhigte ihn ernstlich. Er erklärte, die Erfahrung des Jetzt bedeute etwas Besonderes für den Menschen, etwas von Vergangenheit und Zukunft wesentlich Verschiedenes, aber dieser wichtige Unterschied komme in der Physik nicht vor und könne dort nicht vorkommen. Dass die Wissenschaft diese Erfahrung nicht erfassen könne, schien ihm ein Gegenstand schmerzlicher, aber unvermeidlicher Resignation zu sein … Es gebe etwas Wesentliches bezüglich des Jetzt, das schlicht außerhalb des Bereichs der Wissenschaft liege.[2]

Carnap ist mit Einsteins Schlussfolgerung nicht einverstanden und sagt: »Da die Wissenschaft im Prinzip alles sagen kann, was sagbar ist, bleibt keine unbeantwortbare Frage übrig.« Aber wenn man anderer Meinung ist als Einstein, muss man sehr vorsichtig sein. Es ist bemerkenswert einfach, seine Grübeleien abzutun, als wären sie nur emotional und von ihrem Wesen her nicht tiefgründiger als unsere eigenen Gedanken. Einsteins einfache Aussagen sollte man niemals für Anzeichen eines einfachen Denkens halten. Philosophen meinen manchmal, sie würden große Tiefsinnigkeit erreichen, wenn sie gewichtige Wortschöpfungen wie »chronogeometrischer Fatalismus« erfinden (womit die Annahme einer konstanten Lichtgeschwindigkeit gemeint ist). Einstein dagegen hatte eine Art, Dinge so zu sagen, dass sogar ein Kind sie verstehen konnte – eine Fähigkeit, die ihn zum meistzitierten Wissenschaftler aller Zeiten machte.

Manche Theoretiker interpretierten die Tatsache, dass das Fließen der Zeit in der Physik nicht vorkommt, nicht wie Einstein als Mangel, sondern als Zeichen einer tiefer liegenden Wahrheit. So äußert beispielsweise Brian Greene in seinem Buch Der Stoff, aus dem der Kosmos ist die Ansicht, die Relativitätstheorie rufe »die Gleichheit im Universum aus, mit dem Erfolg, dass jeder Augenblick so real wie jeder andere ist«. Er erklärt, wir hätten eine »hartnäckige Illusion von Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft«[3] – eine Sichtweise, die an Augustinus erinnert. Da die Relativitätstheorie das Fließen der Zeit nicht behandelt, zieht er den Schluss, dieses Fließen könne kein Teil der Wirklichkeit, sondern nur eine Illusion sein. Für mich zäumt er mit einer solchen Logik das Pferd von hinten auf. Statt daran festzuhalten, dass Theorien unsere Beobachtungen erklären, geht dieser Ansatz davon aus, dass man die Beobachtungen so lange hin und her drehen muss, bis sie zur Theorie passen.

Die Atheisten spotteten, Einstein sei im höheren Alter von der Physik weggedriftet und habe einen religiösen Glauben entwickelt. Sie äußerten sich aber nie zu seiner Sorge, die Wissenschaft könne nicht einmal diese wesentlichsten Aspekte der Welt bearbeiten: das Fließen der Zeit und die Bedeutung des Jetzt. Viele Wissenschaftler gehen davon aus, dass alles, was sich durch die Physik nicht untersuchen lässt, auch nicht Teil der Realität ist. Ist diese Aussage eine Behauptung, die sich überprüfen lässt, oder ebenfalls eine religiöse Glaubensüberzeugung? Philosophen geben einem solchen Dogma den Namen Physikalismus. Kann man die Überzeugung, dass die Physik alles einschließt, überprüfen und beweisen? Oder rechnet man damit, dass alle Physiker diesem Glauben anhängen, genau wie das Christsein eine inoffizielle, aber notwendige Voraussetzung ist, wenn man sich als potentieller US-Präsident positionieren will? Angenommen, man stellt den Physikalismus in Frage: Läuft man dann Gefahr, wie Einstein verhöhnt zu werden, weil man in Richtung der Religion abdriftet?

Sir Arthur Eddington genießt unter Physikern wegen vieler experimenteller und theoretischer Beiträge großes Ansehen, besonders blieb er aber in Erinnerung, weil er scheinbar eine bahnbrechende Erklärung für den Zeitpfeil lieferte, jene (zumindest für diejenigen, die darüber nachgrübeln) rätselhafte Tatsache, dass wir uns an die Vergangenheit erinnern, nicht aber an die Zukunft. Aber auch wenn Eddington eine Erklärung für die Richtung der Zeit anbot, war ihr Fließen für ihn ein Rätsel. In seinem 1928 erstmals erschienenen Buch Das Weltbild der Physik und ein Versuch seiner philosophischen Deutung schrieb er, dass es das große Rätsel der Zeit sei, dass sie vergeht. Und dann klagt er, dass das ein Aspekt sei, den der Physiker manchmal zu vernachlässigen scheint.

In seinem Buch Eine kurze Geschichte der Zeit erwähnt Stephen Hawking das Jetzt-Dilemma nicht. Vielmehr konzentriert er sich auf das, was wir wissen, und womit sich die aktuellen theoretischen Arbeiten befassen. Hawking spricht über den Pfeil der Zeit, aber nicht über ihr Fließen; er diskutiert die Relativität der Zeit, aber nicht das Rätsel des Jetzt. Das Gleiche tun auch praktisch alle anderen neueren Bücher über die Zeit. Sie handeln von potentiellen Theorien, mit denen man die Gleichungen der Physik »vereinheitlichen« kann, aber nicht von solchen, mit denen sich die Bedeutung des Jetzt und sein Fließen erklären ließen.

Aber es besteht Hoffnung.

Gebrochene Symmetrie

Wenn wir mit dem Begriff des Jetzt klarkommen wollen, müssen wir uns auf eine Reise durch eine abstrakte, erstaunliche Physik begeben: durch die Physik der Zeit, die Bedeutung der Realität und eine neuerliche Untersuchung des freien Willens. Zu Beginn erörtern wir das wundersame, eigenartige Verhalten der Zeit; es grenzt ans Unglaubliche, ist aber handfest nachgewiesen. Die größten Durchbrüche fanden zu Beginn des 20. Jahrhunderts statt, als Einstein entdeckte, dass die Geschwindigkeit der Zeit sowohl von der Geschwindigkeit als auch von der Gravitation abhängt. Die Zeit ist flexibel, dehnbar und kann sich sogar umkehren. Diese Effekte sind so stark, dass sie bei der Konstruktion der heutigen GPS-Satelliten berücksichtigt werden. Wäre das GPS-System nicht so eingestellt, wie es Einsteins Entdeckungen entspricht, es würde uns kilometerweit in die Irre führen. Und auch jeder, der ein Handy besitzt, trägt die Relativität in der Tasche.

Die seltsamsten Aspekte der Zeit treten in den schwarzen Löchern auf, jenen rätselhaften Objekten, die wir mittlerweile überall im Kosmos finden. Wer in ein schwarzes Loch stürzt, wird nicht nur in Stücke gerissen, sondern reist (jedenfalls nach der derzeitigen Theorie) außerdem nicht nur in die Unendlichkeit, sondern, wie wir noch genauer erfahren werden, sogar darüber hinaus. Betrachtet man schwarze Löcher mit einem neuen Blick, so sieht man weit mehr als nur Schwärze. Um dabei unser Gespür für die Realität stark zu strapazieren, brauchen wir nicht in ein schwarzes Loch zu fallen. Schwarze Löcher sind auch für den Zeitpfeil von Bedeutung; nach der derzeitigen (noch nicht belegten) Theorie enthalten sie (zusammen mit einem »Ereignishorizont« in der Unendlichkeit) den größten Teil der Entropie im Universum.

Anschließend werden wir uns mit der Zeit nach der Relativitätstheorie beschäftigen, in der Eddington über die Richtung der Zeit nachgrübelte und zu dem Schluss gelangte, dass sie durch ein bestimmtes physikalisches Gesetz festgelegt wird, den Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik; dieser besagt, dass die Unordnung in der Welt, die in Form ihrer Entropie gemessen wird, zunimmt und für alle Zeiten weiter zunehmen wird. Es ist ein seltsames Gesetz, das nicht auf einer physikalischen Grundlage aufbaut, sondern auf der Tatsache, dass unser Universum eigenartig gut organisiert ist; deshalb besagen die Gesetze der Wahrscheinlichkeit, dass es nur eine Richtung gibt: abwärts, hin zu immer mehr Durcheinander und Zufälligkeit mit dem Kältetod als letztem Ziel. Ist das unsere Zukunft? Nicht unbedingt. Zunehmendes Durcheinander im Universum ist paradoxerweise von zunehmender Organisation begleitet, die sich mit der Bildung von Planeten, Lebewesen und Zivilisation verbindet.

Wie ich darlegen werde, gibt es zu dem Zeitpfeil, der in Richtung der Entropie weist, ernstzunehmende Alternativen, darunter einige rätselhafte Aspekte der Quantenphysik, die man bisher nicht versteht. Die »Theorie der Messung« wird häufig erwähnt und zitiert (»theory of measurement« liefert bei Google 239 Millionen Treffer), in Wirklichkeit gibt es eine solche Theorie aber nicht. Die dramatischste Entdeckung im Zusammenhang mit Messungen war die experimentelle Bestätigung einiger seltsamer Eigenschaften der Verschränkung, eines Phänomens, das verdeckte, schneller als das Licht ablaufende Vorgänge voraussetzt. Möglicherweise versteckt sich in der noch zu entdeckenden Theorie der Messung auch die Antwort auf einige ungelöste Fragen nach der Zeit. Wenn wir die Bedeutung des Jetzt aufklären wollen, wird die Quantenphysik eine Schlüsselrolle spielen.

Manche Fachleute glauben, die Zeit sei ein Teil unseres Bewusstseins und könne sich nie auf die Physik reduzieren lassen. Die meisten Physiker sind zwar der Ansicht, die gesamte Realität sei ihre Domäne, wie ich aber zeigen werde, stimmt das nicht – manche Kenntnisse sind ebenso real wie die Beobachtungen der Wissenschaft, man hätte sie aber experimentell niemals entdecken können und wird sie niemals durch Messungen bestätigen. Ein einfaches Beispiel ist die Tatsache, dass man die Quadratwurzel von 2 nicht als Bruch schreiben kann, der nur ganze Zahlen enthält. Ein anderes ist das Wissen darüber, wie die Farbe Blau aussieht.

Ist der Zeitpfeil ein psychologisches Phänomen? Würden wir es bemerken, wenn die Zeit rückwärts liefe? Wie der große Physiker Richard Feynman deutlich gemacht hat, können wir die Positronen – Antimaterieteilchen, die in der Science-Fiction Raumschiffe antreiben und heute bereits in Krankenhäusern zur medizinischen Diagnose eingesetzt werden – als Elektronen betrachten, die sich in der Zeit rückwärts bewegen. Kann auch das Jetzt sich in der Zeit rückwärts bewegen? Können wir es?

Am Ende werde ich die Ansicht vertreten, dass die Ursachen für das Fließen der Zeit und die Windungen des rätselhaften, flüchtigen Jetzt tatsächlich im Bereich der Wissenschaft liegen – aber nicht im Konzept der Entropie, sondern in den physikalischen Aspekten der Kosmologie. Um das Jetzt zu verstehen, müssen wir nicht nur die Relativität und den Urknall miteinander verbinden, sondern auch begreifen, dass das Gemetzel der Entropie seine Grenzen hat. Wir werden uns mit der Frage beschäftigen müssen, welche Folgerungen sich aus der Quantenphysik für das Thema und insbesondere (was vielleicht überrascht) für die Bedeutung des freien Willens ergeben. Diese neue Vorstellung vom freien Willen ist zwar für die Erklärung des Jetzt nicht notwendig, sie wird aber wichtig, wenn wir erkennen wollen, warum das Jetzt für uns eine so große Bedeutung hat.

Raum und Zeit bilden gemeinsam die Bühne, auf der wir leben und sterben; es ist die Bühne, auf der die klassische Physik ihre Vorhersagen macht. Aber die Bühne selbst wurde bis zu Beginn des 20. Jahrhunderts nicht erforscht. Wir sollten die Story, die Gestalten, die Windungen der Handlung zur Kenntnis nehmen, aber nicht ihre Plattform. Dann kam Einstein. Er hatte die geniale Erkenntnis, dass auch die Bühne in den Bereich der Physik gehört, dass Raum und Zeit überraschende Eigenschaften haben, die man analysieren und zur Grundlage von Vorhersagen machen kann. Auch wenn er daran verzweifelte, das Jetzt zu verstehen, sind seine Arbeiten für unser Verständnis von zentraler Bedeutung. Einstein machte der Physik die Zeit zum Geschenk.

Fußnoten

[1]

Aristoteles, Physik, 4. Buch, Kapitel 10, übers. von Hans Günther Zekl, Hamburg: Felix Meiner, 1987, S. 205.

[2]

Übers. v. C.F. v. Weizsäcker, in ders.: Zeit und Wissen, München: Hanser, 1992, S. 81–82.

[3]

Beide Zitate übers. v. H. Kober, München: Goldmann, 2008, S. 158.

Fußnoten

[1]

»Zur Elektrodynamik bewegter Körper«, Collected Papers of Albert Einstein, Bd. 2, Dok. 23.

Kapitel 3Das springende Jetzt

Wechselnde Bezugssysteme vollziehen abgegrenzte Sprünge in der Zeit weit entfernter Ereignisse.

This day and age we’re living in

Gives cause for apprehension

With speed and new invention

And things like fourth dimension.

Yet we get a trifle weary

With Mr Einstein’s theory …

You must remember this

A kiss is just a kiss, a sigh is just a sigh.

The fundamental things apply

As time goes by.

Auszug aus dem Lied »As Time Goes By« einschließlich einiger Passagen, die in dem Film Casablanca ausgelassen wurden.

Selbst wenn man sich mit der Zeitdilatation abgefunden hat, machen Einsteins Entdeckungen im Zusammenhang mit dem Wann und Jetzt unter Umständen Kummer. Den Begriff Quantensprung wandte man ursprünglich auf Vorgänge in der Quantenphysik an. Aber Quantum bedeutet »abgegrenzt, plötzlich, abrupt«. Nach der Relativitätstheorie findet eine solche abrupte Veränderung bei einem weit entfernten Ereignis statt, wenn man abrupt die Entscheidung für ein Bezugssystem ändert. Der Zeitsprung kann dabei sehr groß sein.

Wir geben einem Ereignis einen Namen (»meine Silvesterparty«) und können sie durch Ort und Zeit beschreiben. Meine Silvesterparty fand am 31. Dezember 2015 (oder wann auch sonst) um Mitternacht statt, und der Ort war meine Wohnung, die durch drei Dimensionen – Länge, Breite und Höhe – definiert ist. Der Zeitpunkt ist das Wann. Wenn für zwei Ereignisse das gleiche Wann