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Das grosse Rätsel der Zeit

Die Physik macht grosse Fortschritte – und doch gibt es noch immer viele offene Fragen. Woran liegt es? An den natürlichen Grenzen dieser Wissenschaft? Oder daran, dass sie noch nicht das richtige Modell gefunden hat?
Rolf App
Blick mit dem Hubble-Weltraumteleskop in ein Weltall, das sich immer schneller ausdehnt. Wird mit dem neuen Raum auch neue Zeit geschaffen? (Bild: Nasa/EPA)

Blick mit dem Hubble-Weltraumteleskop in ein Weltall, das sich immer schneller ausdehnt. Wird mit dem neuen Raum auch neue Zeit geschaffen? (Bild: Nasa/EPA)

In seinen jungen Jahren ist Carlo Rovelli ein Abenteurer gewesen. Allein ist er mit zwanzig auf eine Reise um die Welt aufgebrochen. Heute, mit Anfang sechzig, muss er über seine damalige Naivität lächeln. «Aber ich denke noch immer, dass ich die richtige Wahl traf, und in gewisser Weise erlebe ich heute noch das Abenteuer, das damals begann», stellt er fest.

Heute ist Rovelli Professor für Physik an der Universität Marseille und Verfasser anregender Bücher. Sie kommen ohne eine einzige jener komplizierten Formeln aus, die Rovellis Fach prägen. Sein neuestes trägt den provokativen Titel: «Und wenn es die Zeit nicht gäbe?»

Richard A. Muller und die Grenzen der Physik

«Mein Mentor reservierte den Freitag für verrückte Gedanken», sagt der Physiker Richard A. Muller.

«Mein Mentor reservierte den Freitag für verrückte Gedanken», sagt der Physiker Richard A. Muller.

«Jetzt – Die Physik der Zeit» hat Richard A. Muller seine Annäherung an dasselbe Thema betitelt. Der 73-Jährige ist Professor für Physik an der University of California in Berkeley, auch ihn haben frühe Erlebnisse geprägt. Als er in der sechsten Klasse der Bronx Highschool of Science war, hat ihm ein Schüler «The Limi­tations of Science» von John William Navin Sullivan in die Hand gedrückt, er hat es heute noch. «Ich hasste dieses Buch», erinnert er sich, «es brachte meinen Glauben durcheinander, dass die Naturwissenschaft der allein seligmachende Weg zum Wissen sei.»

Was er damals nicht wusste: Schon Einstein hatte sich Sorgen darüber gemacht, dass die Physik unvollständig sei, dass sie also keine vollständige Beschreibung der Realität darstelle. Einstein ist tot, doch die offenen Fragen sind geblieben. Mehr noch: Die Erklärungen, die seine Relativitätstheorien geliefert haben, werfen immer neue Fragen auf. So dass sich die heutige Grundlagenphysik «in einem bedauernswerten Zustand befindet», wie Carlo Rovelli bemerkt.

«Das geht so weit, dass wir tatsächlich nicht mehr wissen, was Raum, Zeit und Materie eigentlich sind.»

Der Raum – von fern und aus der Nähe

Das Grundproblem der heutigen Physik liegt darin, dass sie nicht nur von einer, sondern gleich von zwei Theorien beherrscht wird, die partout nicht zusammenpassen wollen. Die Quantenmechanik erklärt die Vorgänge im Allerkleinsten, die Relativitätstheorie das grosse Ganze. Die Erklärungen der Relativitätstheorien folgen den Gesetzen der Kausalität. In ihnen verschmelzen Raum und Zeit, sie werden abhängig voneinander und von der Materie. Konkret: Je schneller sich jemand bewegt, umso langsamer fliesst die Zeit.

In Experimenten konnte das genauso bewiesen werden wie jene Seltsamkeiten, welche die Quantenmechanik postuliert. Dass, zum Beispiel, Geschwindigkeit und Energie nur in kleinen Paketen verfügbar ist, oder dass es ein Element des Zufalls gibt. Deshalb lassen sich für den radioaktiven Zerfall nur Wahrscheinlichkeiten bestimmen.

Der Raum als Gewebe von Linien

Natürlich gibt es Wissenschafter, die beides zusammenbringen wollen. Zu ihnen zählt Carlo Rovelli. Sein Favorit ist die Schleifentheorie, die den Raum als ein Gewebe von Linien sieht. «Wie ein T-Shirt aus der Ferne glatt erscheint, man aber mit der Lupe seine Fäden zählen kann, erscheint uns der Raum kontinuierlich, doch bei starker Vergrösserung kann man die Maschen zählen. In Abwesenheit von Massen bleiben die Schleifen geschlossen. In der Nähe einer Masse öffnen sie sich genauso, wie die Schleifen eines elektromagnetischen Felds sich öffnen, wenn Ladungen auf sie wirken.»

«Wir wissen nicht mehr, was Raum, Zeit und Materie sind», sagt der Physiker Carlo Rovelli.

«Wir wissen nicht mehr, was Raum, Zeit und Materie sind», sagt der Physiker Carlo Rovelli.

So gibt es für Carlo Rovelli keinen Raum mehr, sondern lediglich Teilchen, Felder und Schleifen des Gravitationsfelds. Sie alle interagieren miteinander. Und wie der Raum nicht mehr existiert, so gibt es auch die Zeit nicht mehr. «Die Zeit ist kein absolutes ‹Behältnis›, in dem sich die Dinge entwickeln. Vielmehr ist sie jedem Objekt eigen und hängt von dessen Bewegungen ab», schreibt Rovelli.

Niemals wird die Teetasse wieder ganz

Diese Relativität der Zeit widerspricht unserer Intuition. Als das GPS entwickelt wurde, wollten die US-Generäle denn auch nicht glauben, dass oben im Satellit die Zeit schneller läuft als unten auf der Erde, und testeten das System ohne die erforderliche Korrektur. Rasch mussten sie sich geschlagen geben.

Dennoch bleibt die Zeit ein zutiefst rätselhaftes Ding. Oder, in den Worten Richard A. Mullers, ein Puzzle, bei dem man nicht weiss, ob die Teile wirklich alle am richtigen Ort sind. Zum Beispiel jenes Teilchen, das den Zeitpfeil erklärt. Wie wir alle wissen, fliesst die Zeit unablässig dahin, und ausser in Science-Fiction-Filmen kann man in ihr weder in die Vergangenheit noch in die Zukunft reisen.

Arthur Eddington hat für dieses Phänomen der Unumkehrbarkeit, an dem auch Einstein gescheitert ist, 1928 eine Erklärung geliefert. Er stellte eine Verbindung her zum Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, der besagt, dass die Unordnung – die Physik spricht von Entropie – zunimmt und für alle Zeiten weiter zunehmen wird. Alltagstauglich erklärt: Wenn die Teetasse vom Tisch fällt, zersplittert sie. Niemals ist der umgekehrte Vorgang beobachtet worden: dass aus lauter Einzelteilen wieder eine Teetasse entsteht.

Verrückte Gedanken am Freitagnachmittag

Richard A. Muller hält Eddingtons Theorie, dass sich die Zeit wegen der Entropie vorwärtsbewegt, allerdings für «zutiefst fehlerhaft und mit ziemlicher Sicherheit falsch». Sie lasse sich weder beweisen noch widerlegen – und erfülle deshalb die Kriterien der Wissenschaft nicht. Ausserdem: «Die Geschichte der Zivilisation war keine Geschichte des Zerbrechens von Teetassen, sondern eine Geschichte ihrer Herstellung.»

Muller hat eine andere, einfachere Erklärung. Das Universum dehnt sich seit dem Urknall aus, und zwar – ein weiteres von vielen noch ungelösten Problemen – mit stetig wachsender Geschwindigkeit. Der Raum wächst mit jeder Sekunde – und mit ihm die Zeit.

«Vielleicht sollte man sich den Zeitstrom genauer als eine solche Schaffung neuer Zeit vorstellen.»

Messen lässt sich das nicht – noch nicht. Auch für Rovellis Schleifentheorie fehlt ein Nachweis. Beide, Rovelli wie Muller, sind sich der spekulativen Natur ihrer Überlegungen bewusst. Sein Physikmentor, der Nobelpreisträger Luis Alvarez, habe sich jeweils den Freitagnachmittag für verrückte Gedanken reserviert, erzählt Muller. Genau dies haben beide getan.

Bücher zum Thema

Carlo Rovelli: Und wenn es die Zeit nicht gäbe?, Rowohlt, 207 S., Fr. 20.–

Richard A. Muller: Jetzt – Die Physik der Zeit, S. Fischer, 475 S., Fr. 42.–

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