Das ZEIT-Rätsel

Die Zeit ist für uns wohl eines der rätselhaftesten Phänomene, sowohl im eigenen Erleben wie auch in Physik, Philosophie und Psychologie. Der Kirchenvater und Philosoph Aurelius Augustinus (354-430) schreibt im 11. Buch seiner autobiografischen „Bekenntnisse“ über das Wesen der Zeit: „Wenn mich niemand danach fragt, weiß ich es; will ich es einem Fragenden erklären, weiß ich es nicht.“ Der Philosoph Immanuel Kant (1724-1804) hielt Zeit (wie auch Raum) nur für eine angeborene Anschauungs- und Denkform.

Bei den alten Griechen war der Gott Chronos zuständig für die „objektive“, gleichmäßig und unerschütterlich dahinfließende Zeit, die sich mit Uhren messen lässt. Für die erlebte Zeit stand der Gott Kairos, der über die günstigen und falschen Momente, die Langeweile und das Überstürzen von Ereignissen herrscht. Das große Rätsel der Zeit bestand darin, wie diese beiden Zeitgötter sich versöhnen lassen. Auch wir unterscheiden heute die messbare, absolute Zeit von der subjektiven, erlebten Zeit. Ereignisse lassen sich durch die subjektive Komponente anders wahrnehmen als im objektiven Takt der physikalischen Zeit.

1. Der physikalische Zeitbegriff

Zeit ist auf jeden Fall untrennbar mit Veränderung verbunden. Wo es keine Veränderung gibt, existiert auch keine Zeit, wo keine Zeit, auch keine Veränderung. Von Veränderung kann man aber nur sprechen, wenn es etwas gibt, was ich verändern lässt. Deshalb verlangt Zeit auch Raum.

Asymmetrie der Zeit

Wir sprechen davon, dass Zeit voranschreitet: Sie fließt vorwärts. Gegenwart trennt dabei Vergangenheit und Zukunft. Diese Asymmetrie zwischen vorwärts und rückwärts gerichteter Zeit bezeichnet man als Zeitpfeil, ein Begriff, der 1927 von dem Physiker Arthur Stanley Eddington geprägt wurde. Manchmal erörtert man verschiedene Aspekte dieser Asymmetrie („Superzeitpfeil“) getrennt und klassifiziert sie als je eigene Zeitpfeile, die überall nach vorne zeigen. Dazu gehören z. B. der thermodynamische Zeitpfeil, der der Zunahme der Entropie entspricht, und der kausale Zeitpfeil, bei dem es um das Aufeinanderfolgen von Ursache und Wirkung geht.

Warum diese Asymmetrie der Zeit besteht, gehört zu den größten Rätseln der Physik. Die meisten Wissenschaftler sind inzwischen überzeugt, dass sich die Entwicklungsrichtung der Zeit in unserem Universum unmittelbar auf die Existenz der einfachen Anfangs- und Rahmenbedingungen des Universums zurückführen lässt. Die Frage, was vorher war, ist danach sinnlos, da die Zeit vor dem Urknall noch nicht existierte. Erst danach läuft das Universum wie ein „Uhrwerk“ ab – mit einer eindeutigen Zeitrichtung, die festgelegt ist durch die Ausdehnung (Expansion) und die damit hervorgerufenen Ungleichgewichte. Allerdings geht man heute davon aus, dass auch ein kollabierendes Universum die Zeitrichtung beibehält.

Seit 13,82 Milliarden Jahren entwickelt sich die Materie durch Hinzufügung von Energie lokal hin zu immer neuen und vorübergehenden Ordnungszuständen höherer Entropie und Komplexität. Komplexe offene Systeme besitzen demnach also eigene, nicht umkehrbare Zeitpfeile, die eine Entwicklung zu mehr Ordnung und Information im globalen Strom der Entropiezunahme beschreiben.

Die Zeit endet, wenn die Struktur des Universums zerfällt. So gesehen ist ein Ende der Zeit kein größeres Paradoxon als der Zerfall eines jeden anderen komplexen Systems. Wie der menschliche Tod ist es kein Ereignis, sondern ein Prozess. Stück für Stück verliert die Zeit ihre Eigenschaften und taucht ein in die Dämmerung zwischen Existenz und Nichtexistenz. Als Erstes könnte der Zeitpfeil verschwinden, also die eindeutige Richtung der Zeit, die von der Vergangenheit in die Zukunft weist. Da er eine Eigenschaft der Materie ist, muss das Ende der Zeit mit dem Ende jeder Materie einhergehen, die in einem abstrakten Sinn als Uhr dienen könnte.

Historisch fassten die Physiker die Vorgänge im Universum kompakt zu physikalischen Gesetzen zusammen, in denen Zeit vorkommt. Sie dienten dazu, das Tempo von Bewegungen oder Veränderungen zu beschreiben – die Geschwindigkeit einer Lichtwelle, die Herzfrequenz oder die Rotation eines Planeten. Sie erlaubten uns, physikalische Systeme miteinander in Beziehung zu setzen, ohne dass wir genau herausfinden müssen, wie ein Gletscher mit einem Tennisball zusammenhängt. Doch diese bequeme Tatsache ist noch kein Beweis für die Idee, Zeit gehöre zur Grundausstattung des Universums. Denn diese Vorgänge könnten auch direkt aufeinander bezogen werden, ohne die Zeit zu bemühen.

In den physikalischen Gleichungen gibt es weder den gegenwärtigen Moment noch den Fluss der Zeit. Alle physikalischen Vorgänge – bis auf eine kleine Ausnahme in der Elementarteilchenphysik – werden im Einzelnen nach wie vor durch Gesetze beschrieben, die keine Zeitrichtung haben. Sie lassen also einen Prozess, der in eine Richtung abläuft, auch in umgekehrter Richtung ablaufen. In den Gleichungen ändert sich nur das Vorzeichen. Physiker sprechen in diesem Zusammenhang von Zeitumkehrvarianz.

Newtons dynamisches Grundprinzip beispielsweise sagt: Kraft ist Masse mal Beschleunigung. Letztere ist die zweite Ableitung des Wegs nach der Zeit t. Wenn man t durch -t ersetzt, ändert sich nichts an der Formel, denn minus mal minus ergibt plus. Darum ist die Newtonsche Physik invariant gegen Zeitumkehr. Das gilt aber nicht nur für Newtons Mechanik: Es gilt auch für Maxwells Gleichungen des Elektromagnetismus und ebenso für Einsteins Relativitätstheorie und die quantenmechanische Schrödinger-Gleichung.

Wir neigen dazu, die zeitlichen Gegebenheiten – Zeit und Zeitrichtung – für ebenso objektiv zu halten wie die räumlichen, etwa die Dreidimensionalität. Theoretiker aber wissen schon seit Jahrzehnten, dass der thermodynamische Zeitpfeil nicht so resolut in eine Richtung zeigt, wie wir das im Alltag wahrnehmen. „Wenn die anfänglichen Korrelationen stark genug sind, kann der Zeitpfeil in die umgekehrte Richtung zeigen“ sagt der Physiker Eric Lutz. für ihn ist klar: „Der Zeitpfeil ist nicht absolut, sondern relativ.“

Von der Theorie her ist es also nicht ausgeschlossen, dass es den umgekehrten Zeitpfeil in unserem Universum gibt. Wenn sie ausreichend isoliert sind, könnte es zeitversetzte Inseln im All geben. Ob es aber den umgekehrten Zeitpfeil wirklich gibt, müssen weitere Beobachtungen zeigen. Für die meisten Wissenschaftler scheint es nicht realistisch.

Newton

In den Bewegungsgesetzen Isaac Newtons besitzt die Zeit, obgleich das auf den ersten Blick nicht auffällt, viele spezielle Eigenschaften. Sie muss kontinuierlich sein, damit wir Geschwindigkeit und Beschleunigung definieren können. Sie muss auch eine Vorstellung von Dauer enthalten – physikalisch gesprochen eine Metrik -, damit wir angeben können, wie weit Ereignisse zeitlich auseinander liegen. Wie die Abfolge von Ereignissen ist die Dauer beobachterunabhängig.

Im Grunde unterstellt also Newton, die Welt sei eindeutig und objektiv in zeitliche Momente unterteilt, wobei der Zeitfluss in die Zukunft weist. „Die Zeit verfließt an sich und vermöge der Natur gleichförmig und ohne Beziehung auf irgendeinen Gegenstand.“ (Newton) Darum liefert die Zeit eine komplette Ordnung sämtlicher Geschehnisse im Universum. Unabhängig davon, wann und wo eine Ereignis eintritt, vermag man als klassischer Physiker anzugeben, ob es vor, nach oder gleichzeitig mit einem anderen Ereignis wo auch immer geschieht.

Die zahlreichen Eigenschaften von Newtons Zeit – Ordnung, Kontinuität, Dauer, Gleichzeitigkeit, Fluss und Zeitpfeil – sind logisch trennbar, doch sie alle vereinen sich zur Normaluhr, die Newton als „Zeit“ titulierte. Diese Kombination von Eigenschaften war so erfolgreich, dass sie fast zwei Jahrhunderte unbeschadet überlebte.

Im späten 19. und 20. Jahrhundert kamen die ersten Angriffe auf die Newton’sche Zeit. Den ersten führte der Physiker Ludwig Boltzmann. Er argumentierte: Da Newtons Gesetz in beide Zeitrichtungen gleich gut funktioniert, hat die Zeit keinen eingebauten Pfeil. Der Unterschied zwischen Vergangenheit und Zukunft ist keine Eigenschaft der Zeit selbst, sondern entsteht durch die asymmetrische Organisation der Materie im Universum. Vielleicht also existieren die Zeitpfeile tatsächlich nicht, sondern sind eine Täuschung.

Einstein

Den nächsten Angriff führte Albert Einstein. Die scheinbare Unvereinbarkeit von klassischer Mechanik und Elektromagnetismus veranlasste Einstein, die etablierten Konzepte von Zeit und Raum zu revolutionieren. Er stellte fest, dass Uneinheitlichkeiten verschwinden, wenn man die Annahme einer absoluten Zeit und eines absoluten Raums aufgibt. Dies war die Geburtsstunde der Speziellen Relativitätstheorie. Vor Einstein dachte man sich den Raum als eine Art Schuhkarton: Ein passives Gebilde, durch das die Zeit hindurchströmt. Einstein zeigte, dass die Zeit an dessen Wänden kleben bleiben kann und auf diese Weise an jedem anderen Ort der Welt anders ist. Bei ihm sind Zeit und Raum also gleichsam zu einer untrennbaren Einheit verschmolzen, zur abstrakten Raumzeit, deren Struktur durch die Verteilung der Materie bestimmt wird.

Die Raumzeit lässt sich als ein vierdimensionaler mathematischer Raum interpretieren, der die Zeitentwicklung der dreidimensionalen Welt repräsentiert – oder als mathematisches Modell einer vierdimensionalen Welt, in der die Zeit die vierte Dimension ist. Im Grunde ist die Zeit als vierte Dimension ja nichts weiter als ein Rechentrick der Physiker. Indem man die drei Raumkoordinaten und die Zeit zu einer vierdimensionalen Größe zusammenfasst, lassen sich manche Formeln auf elegante Weise vereinfachen. Es sind die Regeln der Logik und Mathematik, die uns helfen, erfolgreich im abstrakten Universum zu navigieren und zu weiterführenden Schlussfolgerungen zu kommen.

Doch selbst in der Allgemeinen Relativitätstheorie behält die Zeit eine eigene und wichtige Funktion: Sie unterscheidet lokal zwischen „zeitartigen“ und „raumartigen“ Richtungen. Zeitartig zusammenhängende Ereignisse können kausal verbunden sein; ein Objekt oder Signal kann von einem Ereignis zum anderen gelangen und beeinflussen, was geschieht. Raumartig zusammenhängende Ereignisse sind kausal unverbunden; kein Objekt oder Signal kann von einem Ereignis zu einem anderen gelangen. Mathematisch unterscheiden sich die beiden Richtungen nur durch ein Minuszeichen, doch physikalisch macht das einen gewaltigen Unterschied. Die Zeit bestimmt also immer noch die Reihenfolge von Ursache und Wirkung.

Zeit ist die Dimension (der „Zeitraum„), innerhalb derer sich alle Prozesse abspielen und die deshalb an allen Prozessen erlebt werden kann. Aber unter bestimmten Bedingungen könnte die Zeit selbst ihre elementare Ordnungseigenschaft verlieren und dadurch zu einer weiteren räumlichen Dimension werden. Das hätte allerdings zur Folge, dass der Zusammenhang von Ursache und Wirkung zusammenbrechen würde.

-Auswirkungen

Viele merkwürdige Phänomene beruhen auf den Grunderkenntnissen der Relativitätstheorie. So wird die Zeit umso stärker gedehnt, je schneller sich ein Beobachter relativ zu einem anderen bewegt – das heißt, die Zeit vergeht für ihn langsamer. Von außen betrachtet altert damit auch jeder, der vorbeifährt oder -fliegt, langsamer als jemand, der an einem Ort steht. Bei den Geschwindigkeiten, mit denen wir es im Alltag zu tun haben, sind die Unterschiede unerheblich. Erst je mehr sich Geschwindigkeiten der Lichtgeschwindigkeit nähern, werden sie relevant, desto mehr wird Zeit gedehnt (Zeitdilatation), werden aber auch Längen gestaucht (Längenkontraktion) und Massen vergrößert.

Für einen Reisenden in einem Raumschiff ist eine Reise zum Zentrum unseres Milchstraßensystems und zurück mit Lichtgeschwindigkeit (was nach der Allgemeinen Relativitätstheorie grundsätzlich möglich ist) dank der speziell-relativistischen Zeitdilatation theoretisch durchaus in 40 Jahren zu bewältigen – währenddessen sind auf der Erde aber ungefähr 56 000 Jahre vergangen. Dieses Synchronizitätsproblem dürfte den Aufbau einer interstellaren Zivilisation vor große Probleme stellen.

Gemäß der Relativitätstheorie gehen Uhren nicht nur bei schneller Bewegung, sondern auch in einem Gravitationsfeld, z. B. in der Nähe eines Massezentrums im Universum, langsamer. Gravitation verzerrt die Zeit derart, dass eine Sekunde hier nicht mehr unbedingt dasselbe bedeutet wie eine Sekunde dort. Das liegt daran, dass Lichtteilchen (Photonen) in der Nähe eines Massezentrums langsamer werden. Dennoch müssen sie aber auf den gleichen Wert, nämlich die Lichtgeschwindigkeit (ca. 300 000 km/s), kommen. Da Geschwindigkeit gleich Weg durch Zeit ist, muss bei verlangsamter Zeit der Weg entsprechend länger werden, damit das Diktat der Lichtgeschwindigkeit erfüllt ist.

Die Zeit verläuft umso schneller, je weiter wir vom Erdmittelpunkt entfernt sind, also auf den Bergen schneller als im Flachland. Auch die Uhren der GPS-Satelliten (GPS = Global Positioning System) laufen vor. Hier ist der gravitative Effekt immer noch stärker als der entgegengesetzt wirkende speziell-relativistische. Das GPS-System muss diesen Effekt einkalkulieren. Im Gegensatz dazu gehen die Uhren auf der Internationalen Raumstation (ISS) aufgrund verschiedener Effekte (z. B. der Eigenbewegung) gegenüber der Erde nach.

Der uns so vertraute Begriff der Gleichzeitigkeit verliert seine absolute Bedeutung. Was für einen Beobachter gleichzeitig erscheint, etwa zwei unabhängige Ereignisse am Sternenhimmel, ist für einen anderen Beobachter, der sich am selben Ort mit einer ganz anderen Geschwindigkeit bewegt, nicht unbedingt simultan. Dasselbe trifft auf Beobachter zu, die sich mit derselben Geschwindigkeit an unterschiedlich weit entfernten Orten im Universum befinden. Sie nehmen gleichzeitige Ereignisse aufgrund der konstanten Lichtgeschwindigkeit nacheinander wahr.

[Ähnlich wie Einstein in der Physik befasste sich Pablo Picasso in der Malerei mit der Gleichzeitigkeit. Er schuf am Pariser Montmartre ein Werk, das heute als Initialzündung für den Kubismus gilt. In dem Gemälde „Les Demoiselles d’Avignon“ gab er die Zentralperspektive auf, die bis dahin als eine der bedeutendsten Errungenschaften der Renaissance unantastbar schien. Nach monatelangem Ringen um die Form entschloss sich Picasso, die fünf Frauen auf diesem Bild aus mehreren Perspektiven gleichzeitig darzustellen.]

Es hängt also vom Bezugssystem (Inertialsystem) des Beobachters ab, ob räumlich getrennte Ereignisse gleichzeitig sind oder nicht. Ein objektives, beobachterunabhängiges Ereignis gibt es nicht, zumindest nicht, was die Beschreibung von dessen Ort und Zeit im Raum betrifft. Aber die Aussagen über eine bestimmte Kombination von Raum und Zeit stimmen überein, das heißt, der raumzeitliche Abstand zweier Ereignisse ist davon unabhängig. Somit sehen die Beobachter Raum und Zeit, jeweils für sich betrachtet, unterschiedlich – doch sie sehen dieselbe Raumzeit. Nur die vierdimensionale Raumzeit hat eine vom Bewegungszustand des Beobachters unabhängige, absolute Bedeutung – Raum und Zeit für sich sind relativ.

Die Relativitätstheorien sind weit weg von unserer Alltagserfahrung und deshalb für den normalen Menschen schwer zu verstehen. Sie lehren uns, dass wir mit den Begriffen von Raum und Zeit Eigenschaften verbinden müssen, die uns in dem Bereich der Phänomene, die wir durch die Klassische Physik beschreiben können, verborgen bleiben. Im Alltag empfinden wir die Zeit normalerweise nicht als vierte Dimension; wir glauben, sie fließe konstant. Für den Gebrauch im normalen Leben, für unsere Handhabung der Zeit, ist das auch mehr oder weniger richtig.

–Blockuniversum

Einsteins Vorstellung, die vierdimensionale Realität, wird als Blockuniversum (Raumzeit-Block) bezeichnet, ein Begriff, der auf den Psychologen und Philosophen William James zurückgeht. In diesem Gebilde ist alles vom Anfang bis zum Ende der Zeit enthalten. „Für uns gläubige Physiker“, schrieb Einstein einige Wochen vor seinem Tod, „hat die Scheidung zwischen Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft nur eine Bedeutung einer wenn auch hartnäckigen Illusion.“

Die Zeit ist demnach nur eine Achse unter vielen in höherdimensionalen Räumen, entlang der sich unser Bewusstsein entwickelt. Bei Bewegung mit annähernder Lichtgeschwindigkeit oder in der Nähe sehr großer Massen verbindet sich Zeit untrennbar mit den drei Raumdimensionen. So vergeht bei Lichtgeschwindigkeit oder am Rand eines Schwarzen Lochs quasi überhaupt keine Zeit: Sie steht still! (Dies wurde durch Messungen bestätigt.) Das Block-Universum der Raumzeit ist praktisch zeitlos oder ewig.

Die Konsequenz von Einsteins Relativitätstheorie – oder genauer: ihre philosophischen Deutung – stellt eine radikale Revolution unseres Weltbildes dar. Zu erkennen, dass es die Zeit objektiv überhaupt nicht gibt, ist eine große intellektuelle Herausforderung. Vielleicht sollte die Zeit wirklich als etwas experimentell Mathematisches betrachten werden, ein Weg zum Messen und Vergleichen der durch die Grundkräfte der Physik getriebenen Fortentwicklung von Materie und Feldern. Würde die Welt, und mit ihr unsere Uhren, „langsamer ticken“, wir hätten keine Möglichkeit, dies zu bemerken. Wenn man aber etwas gründlicher über diese zeitlose und vorbestimmte Sicht der Wirklichkeit nachdenkt, beginnt man meist, die daraus resultierenden Folgen in Frage zu stellen.

Möchte man das Konzept der Zeit besser verstehen, sollte man auch die Quantenmechanik nicht außer Acht lassen.

Quantenmechanik

Quantenmechanik und Relativitätstheorie haben verschiedene Auffassungen von Zeit. In der Quantenmechanik ist die Zeit starr – nicht biegsam – und nicht mit den Dimensionen des Raums verflochten wie in der Relativitätstheorie. Gemäß Einsteins Gleichungen konnte man alle physikalischen Ereignisse wie einen Film rückwärts laufen lassen. In der Quantenmechanik ist das jedoch nicht möglich. Vergangene Ereignisse werden durch Messung unumkehrbar von künftigen getrennt, denn überlagerte Zustände eines Teilchens kollabieren durch eine Messung an einem festen Zeitpunkt zu einem eindeutigen Quantenzustand. Auf mikroskopischer Ebene kommt es so zu einer unumkehrbaren Veränderung, welche die Vergangenheit eindeutig von der Zukunft trennt. Was wir gemeinhin als „Zeit“ verstehen, erwächst also originär aus nichts anderem als der Prozessdauer von miteinander in Wechselwirkung stehenden Elementarteilchen.

Diese grundlegend unterschiedliche Rolle der Zeit in der Quantenmechanik und in der Relativitätstheorie hat bereits etliche Physiker verwirrt. In den verschiedensten Ansätzen wird die Frage nach der Zeit heute heftig diskutiert, allerdings bisher erst auf einer sehr formalen Ebene. Viele nehmen die Unstimmigkeiten in den beiden großen Theorien hin und hoffen, eine vereinheitlichte Theorie der größten und kleinsten Skalen, eine sogenannte Quantengravitationstheorie, werde den Widerspruch aus der Welt schaffen.

Nach Meinung des Physikers Nicolas Gisin verwenden Forscher schlicht die falsche Sprache, um die Gegenwart und die Zeit im Allgemeinen zu beschreiben. Indem man die Physik in einer anderen mathematischen Sprache, nämlich in intuitionistischer Form, ausdrückt, wie es Gisin mit der klassischen Mechanik bereits getan hat, könnte man das Rätsel der Zeit lösen. Gleichzeitig wäre dadurch die klassische Mechanik der Quantenmechanik ähnlicher, als wir bisher angenommen haben.

In der sogenannten intuitionistischen Mathematik existieren keine Zahlen mit unendlich vielen Ziffern. Zahlen entfalten sich erst nach und nach. Beschreibt man mit diesem neuartigen Bild, wie sich physikalische Systeme entwickeln, beginnt die Zeit laut Gisin wirklich zu fließen. Der strenge Determinismus, der aus Einsteins Gleichungen folgt, weicht im neuen Formalismus einer quantenähnlichen Unvorhersagbarkeit. Wenn alle Zahlen endlich und damit in ihrer Genauigkeit begrenzt sind, dann ist die Natur selbst zwangsläufig ungenau – und unberechenbar.

[Neben der Idee einer kreativen (und möglicherweise destruktiven) Zeit bietet der Intuitionismus eine neuartige Interpretation unserer bewussten Zeiterfahrung. Das Kontinuum ist im intuitionistischen Bild klebrig, es lässt sich nicht eindeutig in zwei Hälften zerschneiden. Gisin assoziiert das mit dem Gefühl, die Gegenwart entspräche einem substanziellen Moment statt einem hauchdünnen Augenblick, der die Vergangenheit sauber von der Zukunft trennt. Denn in der gewöhnlichen Physik, die auf der Standardmathematik basiert, ist die Zeit ein kontinuierlicher Parameter.]

Quantengravitation

Die Lösung des Problems der unterschiedlichen Interpretation der Zeit in Relativitätstheorie und Quantentheorie liege nicht außerhalb der Reichweite der Physik, erklärt der Physiker Gary Horowitz. „Die Quantengravitation sollte in der Lage sein, uns eine definitive Antwort zu liefern.“ So könnte sogar ein fehlerhaftes Konzept der Zeit (nämlich ihre zentrale Rolle in der Quantenmechanik) selbst der tiefere Grund sein für die derzeitigen Probleme, Relativitätstheorie und Quantenmechanik zu vereinen.

Einige Quantengravitationsforscher glauben (wie schon Aristoteles), dass die Zeit weder Anfang noch Ende hat, sondern sich in alle Ewigkeit erstreckt. „Es ist logisch nicht möglich, dass die Zeit eine Ende hat“, behauptet der Philosoph Richard Swinburne. Wer wie er annimmt, dass die Zeit ewig weitergeht, muss zwar keine neue Physik erfinden, hat dafür aber andere Probleme: So nimmt die Ordnung in unserem Universum im Verlauf der Zeit immer weiter ab. Einige Physiker spekulieren, dass sich der Pfeil der Zeit irgendwann aber umkehren könnte, das Universum also langsam wieder ordentlicher würde. Ihrer Ansicht nach war der Urknall lediglich ein dramatischer Übergang im ewigen Leben des Universums.

Vielleicht ist die Raumzeit aber quantisiert wie die Energie, die nur „portionsweise“ übertragen werden kann. Auf der Planck-Skala*, der allerkleinsten Skala, sind Raum und Zeit tatsächlich nicht mehr kontinuierlich, wie die Klassische Physik von Newton bis Einstein immer lehrte, sondern quantisiert. Auch die Zeit würde also auf dieser Skala unscharf und nicht weiter unterteilbar und sollte sich gleichsam auflösen.

*Die kleinste Zeiteinheit (Planck-Zeit) ist ein theoretisches Konstrukt aus der Division der Planck-Länge durch die Lichtgeschwindigkeit; sie beträgt 5,391 x 10^-44 Sekunden. Da die Planck-Zeit außerordentlich klein ist, ist sie für die Alltagswelt sowie selbst für die moderne Kurzzeit-Physik praktisch bedeutungslos. Wenn es aber diese kürzeste Zeitspanne gibt, würde die Zeit „ruckartig“ vergehen, sie wäre gleichsam atomar. Solche Zeitatome, über die schon der Philosoph Friedrich Nietzsche spekuliert hatte, werden bisweilen Chrononen genannt.

Eine gequantelte Raumzeit markiert streng genommen auch ein Ende der Zeit – oder zumindest unsere Vorstellung von ihr. Als John Wheeler und Bryce DeWitt versuchten, die Methoden zur Entwicklung der Quantentheorie des Elektromagnetismus auf die Gravitation anzuwenden, erhielten sie ein höchst seltsames Resultat. In ihrer (Wheeler-DeWitt-)Gleichung kam überhaupt keine Zeitvariable vor. Das Zeitsymbol t war einfach verschwunden. Die Zeit taucht also, im Gegensatz zum Raum, gar nicht mehr auf – sie kann folglich auch keine fundamentale Größe sein. Veränderungen lassen sich auch ohne sie quantifizieren. Wenn man das Resultat wörtlich nimmt, existiert also die Zeit nicht wirklich.

Auch für Wissenschaftler wie Roger Penrose und Stephen Hawking hat die Zeit in einer wahrhaft grundlegenden Theorie der Physik keinen Platz. Sie halten die Zeit nur für eine gemeinsame Währung, welche die Beschreibung der Welt erleichtert, aber nicht eigenständig existiert. Sie ist eine bequeme Fiktion, die in der Natur genauso wenig fundamental existiert wie Geld. So gesehen hat die Zeit für das Messen von Vorgängen denselben Vorteil wie das Geld im Vergleich zum umständlichen Naturalientausch.

Die Zeit loszuwerden hat aber auch unangenehme Nebenwirkungen. Jeder, der für die zeitlose Quantengravitation eintritt, muss unbedingt erklären, warum die Welt veränderlich erscheint. In der Allgemeinen Relativitätstheorie fehlt die Newton’sche Zeit, aber zumindest enthält sie verschiedene Ersatzkomponenten, die sich zusammen wie die Newton’sche Zeit verhalten – sofern die Gravitation schwach ist und die Relativgeschwindigkeiten gering bleiben. Die Wheeler-DeWitt-Gleichung bietet nicht einmal dieses Surrogat.

Aber selbst wenn die Welt zeitlos ist, scheint sie doch Zeit zu enthalten. Diese könnte auf höheren Ebenen entstehen, so wie ein Tisch sich fest anfühlt, obwohl er ein Teilchenschwarm ist, der größtenteils leeren Raum umfasst. Festigkeit ist eine kollektive oder emergente Eigenschaft* der Teilchen. So kann auch die Zeit eine emergente Eigenschaft der grundlegenden Bestandteile der Welt sein.

*Emergenz (von lateinisch emergere = auftauchen, emporkommen) meint, dass das Gesamtverhalten eines Systems Eigenschaften und Verhaltensweisen zeigt, die nicht mit denjenigen der isolierten Systemelemente identisch sind. Ein klassisches Beispiel bietet die statistische Dynamik: Aus der Bewegung vieler Gasatome „emergiert“ das makroskopische Verhalten des Gases. Es wird durch Größen wie Druck und Temperatur beschrieben, die für einzelne Gasatome keinen Sinn haben, sondern erst für das statistische Verhalten großer Teilchenmengen.

Eine emergente Zeit könnte aus elementaren zeitlosen Bestandteilen entstehen, die sich selbst in eine Ordnung bringen. Sie strukturiert die Welt und sagt uns, wann, wie lange und in welcher Reihenfolge Ereignisse stattfinden. Vielleicht wurde die Struktur also dem Universum nicht von außen aufgezwungen, sondern entstand von innen.

Die kanonische Quantengravitation bietet bereits eine weiterentwickelte Idee. Der Vorschlag geht auf einen Artikel von 1931 zurück, in dem der Physiker Nevill F. Mott die Kollision eines Helium-Atoms mit einem größeren Atom beschrieb. Um das Gesamtsystem darzustellen, nutzte Mott eine Gleichung für statische Systeme, in der die Zeit fehlte. Er teilte das System in Subsysteme und verwendete den Heliumkern als „Uhr“ für das Atom. Erstaunlicherweise gehorcht das Atom relativ zum Kern der üblichen zeitabhängigen Gleichung der Quantenmechanik, wobei eine räumliche Funktion die Rolle der Zeit spielt. Obwohl das System insgesamt zeitlos ist, verhalten sich die einzelnen Teile nicht statisch. In der zeitlosen Gleichung für das Gesamtsystem verbirgt sich eine Zeit für das Subsystem. Vielleicht existiert also die Zeit nur, wenn wir die Welt in Subsysteme unterteilen und betrachten, was sie verbindet. Das Universum mag also zeitlos sein, aber wenn man es gedanklich in Stücke bricht, können manche Stücke als Uhren für die anderen dienen. Aus Zeitlosigkeit geht dann Zeit hervor.

Die Physiker Carlo Rovelli und Julian Barbour haben versucht, die Quantenmechanik auf zeitlose Weise umzuformulieren. Nach der Theorie, der Schleifen-Quantengravitation, entsteht die Raumzeit erst aus Spin-Netzwerken, einem Gewebe eindimensionaler Strukturen. Deshalb ist Zeit kein Fundament der Natur, sondern ein nachgeordnetes Produkt – letztlich also tatsächlich illusorisch. Rovelli schrieb 2004: Die Existenz der Zeit ist das Resultat unseres Unwissen, unserer Unkenntnis des Mikrozustands. „‚Raum‘ und ‚Zeit‘ werden nur innerhalb gewisser Näherungen sinnvoll bleiben – so wie der Begriff ‚Wasseroberfläche‘ seine Bedeutung verliert, wenn wir auf die Atome des Wassers im Detail schauen. Sieht man genau genug hin, gibt es so etwas wie eine Wasseroberfläche gar nicht.“ Ganz ähnlich verhält es sich mit Zeit und Raum. „Es sind nur makroskopische Näherungen – Illusionen, die unser Bewusstsein geschaffen hat, um Realität zu verstehen.“

Der Theoretiker Lee Smolin will der Zeit aber wieder zur Anerkennung als echtes physikalisches Phänomen verhelfen: „Nichts, was wir kennen oder erleben, kommt dem Herzen der Natur näher als die Wirklichkeit der Zeit.“ Er will uns zurückholen in die Welt – und zurück in die Zeit. Nicht die Zeit sei eine Illusion, sondern die abstrakte, statische Raumzeit, in der der Raum mit der Zeit verschmolzen ist. Für Smolin wird sich der Raum einmal als eine Art makroskopische (emergente) Eigenschaft erweisen, die aus mikroskopischen Phänomenen resultiere ähnlich wie Temperatur und Druck.

Smolin glaubt an einen Vorrang des Werdens über das Sein und des Prozesses über die Strukturen. Er skizziert also die Grundzüge einer fundamentalen Theorie jenseits der Quantenmechanik, in der die Zeit die Grundgröße ist: Alles ist in Bewegung. Neues entsteht in einer beständigen Evolution. Sogar die Naturgesetze sind veränderlich. Smolin sieht sich mit seiner Vermutung einer alles dominierenden Zeit in der Tradition von Philosophen wie Heraklit, Hegel, Bergson und Whitehead und bezieht damit eine klare Gegenposition zu Newton oder Einstein, die die Welt von ewig geltenden Naturgesetzen beherrscht sahen. Es bleibt die Frage, wie Smolin selbst zugibt, ob tatsächlich ein Metagesetz existiert, das die zeitliche Entwicklung der Naturgesetze vorgibt.

Fazit

Unsere Unfähigkeit, über die Zeit einen Konsens zu erreichen, könnte die Folge davon sein, dass wir noch nicht den notwendigen wissenschaftlichen Fortschritt erzielt haben. Vielleicht sind wir genötigt, eine neue Physik zu erfinden und physikalische Gesetze ganz neuer Art zu präsentieren. Auf der anderen Seite: Kann sich das Rätsel Zeit überhaupt je einem Gehirn erschließen, das ja eben in der Zeit entstanden ist?

REM