Zeitung Heute : Die Welt, ein Daumenkino

Wir betrachten Raum und Zeit als fest vorgegebene Bühne, auf der sich alles abspielt – eine Illusion, wie Einstein zeigte. Nun könnten Raum und Zeit ganz aus grundlegenden Theorien verschwinden

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Von Brian Greene Es war alles andere als selbstverständlich, dass ich um 4 Uhr 30 morgens am Times Square stand. Ich bin nicht sehr für Festivitäten und schenke den meisten Feiertagen nur eine geringe Beachtung. Und doch wartete ich dort vor ein paar Jahren am Morgen eines regnerischen 31. Dezember mit einem Häuflein feierlustiger Frühaufsteher auf die Bilder von den Festlichkeiten in Kiribati, die auf einer Riesenleinwand gezeigt werden sollten. Kiribati ist der erste Ort auf der Erde, an dem das neue Jahr begrüßt wird.

Die Zeit beherrscht unser Erleben. Wir leben nach Uhr und Kalender, geben Milliarden Dollar aus, um den Einfluss der Zeit auf unseren Körper zu vertuschen, feiern stürmisch bestimmte Momente, während wir insgeheim am Verstreichen der Zeit verzweifeln.

Was ist Zeit? Man sollte meinen, dass die Wissenschaft mittlerweile herausgefunden hat, warum die Zeit zu fließen scheint, warum sie sich immer in eine Richtung bewegt und warum wir gleichmäßig von einer Sekunde zur nächsten gezogen werden. Tatsache ist jedoch, dass die Erklärungen für diese grundsätzlichen Merkmale der Zeit umstritten bleiben. Und je mehr Physiker nach eindeutigen Antworten suchen, desto trügerischer erscheint unsere alltägliche Auffassung von Zeit.

Isaac Newton schrieb im späten 17. Jahrhundert: „Die (absolute, wirkliche und mathematische, d. Übers.) Zeit fließt in ihrer Natur gleichförmig, ohne Beziehung zu irgendetwas außerhalb ihr Liegendem.“ Er meinte, das Universum sei mit einer Art eingebauter Uhr ausgestattet, die unabhängig von Ort und Epoche die Sekunden identisch zählt. Dies entspricht der intuitiven Wahrnehmung von Zeit. Kein Wunder also, dass Newtons Wort über 200 Jahre lang galt.

Doch Albert Einstein schaute hinter die newtonsche Fassade der Natur und entdeckte, dass das Verstreichen der Zeit von den Umständen und der Umgebung abhängt. Er zeigte, dass die Armbanduhren zweier Individuen, die sich relativ zueinander und in unterschiedlichen Gravitationsfeldern bewegen, die Zeit anders messen: Das Verstreichen der Zeit liegt demnach im Auge des Betrachters.

Zahlreiche Versuche auf der Erde sowie astronomische Beobachtungen lassen keinen Zweifel daran, dass Einstein Recht hatte. Weil aber nur bei großen Geschwindigkeiten (nahe der maximalen Geschwindigkeit, also der des Lichts) oder in starken Gravitationsfeldern (etwa in der Nähe eines schwarzen Lochs) ohne weiteres sichtbar wird, dass das Fließen der Zeit flexibel ist, verleitet uns die Natur dazu, an Newtons rigiden Zeitbegriff zu glauben. Und so ist es auch 100 Jahre nach Einsteins Durchbrüchen nicht verwunderlich, dass selbst Physiker Schwierigkeiten haben, seine Entdeckungen gänzlich zu verinnerlichen.

Wir können jedoch nur um einen hohen Preis an Newtons Beschreibung der Zeit festhalten. Wie wenn man glaubt, die Erde sei flach, führt uns unsere Neigung, unumschränktes Vertrauen in die unmittelbare Wahrnehmung zu setzen, zu einer falschen und extrem begrenzten Vorstellung von der Wirklichkeit.

Die Relativitätstheorie liefert uns die Blaupause für Zeitreisen in die Zukunft. Stellen Sie sich vor, Sie würden ein Raumschiff besteigen, die Erde mit 99,999999 Prozent der Lichtgeschwindigkeit verlassen, sechs Monate reisen und dann mit derselben Geschwindigkeit nach Hause zurückkehren. Ihre Uhr würde relativ zu den Uhren derer, die auf der Erde geblieben sind, langsamer laufen. Bei Ihrer Rückkehr wären Sie ein Jahr älter, während auf der Erde alle um etwa 7000 Jahre gealtert wären.

Würden Sie sich noch einmal in den Weltraum wagen und ein Jahr lang gute dreieinhalb Meter über dem Rand eines Schwarzen Lochs mit der tausendfachen Masse der Sonne schweben, würde das starke Gravitationsfeld Ihre Uhr so sehr verlangsamen, dass bei Ihrer Rückkehr auf die Erde über eine Million Jahre verstrichen wären. Natürlich liegt es jenseits unserer derzeitigen Möglichkeiten, uns derart in die Zukunft zu katapultierten. Forscher benutzen jedoch regelmäßig Hochenergiebeschleuniger, um Partikel wie Elektronen und Protonen fast auf Lichtgeschwindigkeit zu bringen, ihre inneren Uhren zu verlangsamen und sie somit in die Zukunft zu schicken. Zeitreisen in die Zukunft sind zwar ungewohnt, aber ein unvermeidlicher Bestandteil der relativistischen Wirklichkeit.

Die meisten von uns stellen sich überdies vor, dass die Wirklichkeit aus allem besteht, was in diesem Moment existiert, aus allem, was man zum Beispiel auf einer Abbildung des Universums zu einem bestimmten Zeitpunkt finden würde. Die Geschichte der Wirklichkeit könnte demnach dargestellt werden, indem man eine solche Abbildung nach der anderen aufeinander stapelt. Man erhielte so die kosmische Version eines altmodischen Daumenkinos. Doch diese intuitive Auffassung setzt ein universelles Jetzt voraus, ein weiteres hartnäckiges Relikt aus Newtons Denken. Ich will das erklären:

Uhren, die sich in relativer Bewegung oder in unterschiedlichen Gravitationsfeldern befinden, messen Zeit unterschiedlich. Je stärker diese Faktoren ins Spiel kommen, desto stärker weicht der Gang der Uhren voneinander ab. Individuen, die solche Uhren tragen, werden sich daher nicht einigen können, was wann passiert und was auf welche Seite des kosmischen Daumenkinos gehört – obwohl jedes Daumenkino ein gleichermaßen gültiges Kompendium der Geschichte darstellt.

Nach diesen Regeln ist das, was einen Moment ausmacht, vollkommen subjektiv. Das ist ungewohnt und daher schwer zu akzeptieren. Denn wir bewegen uns alle im selben Gravitationsfeld, dem der Erde, und reisen im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit extrem langsam. Selbst der Spaceshuttle schafft es nicht annähernd, über ein Zehntausendstel der Lichtgeschwindigkeit zu kommen. Zudem vergleichen wir unsere Wahrnehmung der Wirklichkeit mit der von Wesen, die sich nach kosmischen Maßstäben in unserer Nähe befinden.

Aber nehmen wir einmal an, Sie und ich, wir säßen einander gegenüber. Dann wären unsere Abbildungen der Gegenwart identisch. Würden Sie sich jedoch von mir entfernen, zeigt die Relativitätstheorie, dass die folgenden Seiten Ihres Daumenkinos ins Rotieren kämen. Was Sie in Ihrer neuen Wahrnehmung der Zeit für einen bestimmten Moment hielten, würde Vorfälle einschließen, die meiner Meinung nach zu anderen Zeitpunkten geschehen wären: manche früher und andere später.

Wenn wir auf der Straße aneinander vorbeigehen, ist dieses Rotieren unmerklich winzig. Deshalb sind die Unstimmigkeiten zwischen unseren respektiven Wahrnehmungen von Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft nicht erkennbar. Doch so, wie eine winzige Verschiebung des Abflugwinkels bewirken kann, dass eine Rakete ein weit entferntes Ziel mit großem Abstand verfehlt, resultiert die winzige Winkelverschiebung zwischen unseren Vorstellungen des Jetzt in einer bedeutenden Zeitdiskrepanz, falls die räumliche Distanz beträchtlich ist.

Wenn Sie nicht neben mir stünden, sondern sich – zehn Lichtjahre entfernt – im flotten Laufschritt mit etwa 15 Stundenkilometern bewegten, hätte ich manche Vorfälle, die Ihrer Meinung nach soeben auf der Erde passiert wären, vier Sekunden früher oder später erlebt, je nachdem, ob Sie sich auf die Erde zu oder von ihr weg bewegten. Wenn Sie allerdings zehn Milliarden Lichtjahre weit weg wären, würde die Zeitdiskrepanz auf 141 Jahre ansteigen. In diesem letzteren Fall befände sich auf Ihren Daumenkinoseiten, also in Ihrer Wahrnehmung der Gegenwart – einer Wahrnehmung, die sich mit meiner deckte, bis Sie anfingen zu laufen –, unter anderem Abraham Lincoln etwa zu der Zeit, als die Sklavenbefreiung in Kraft trat (falls Sie sich von mir entfernten).

Das soll nicht heißen, dass Sie Lincoln das Leben retten könnten; über derartige Entfernungen brauchen Signale selbst bei Lichtgeschwindigkeit lange. Doch der Witz ist, dass selbst gewöhnliche Bewegungen, die man über riesige Entfernungen betrachtet, einen entscheidenden Wandel in unserer Wahrnehmung der Realität bewirken. Das zeigt, wie völlig subjektiv die Zeitkategorien von Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft in Wirklichkeit sind.

Diese Erkenntnis zerstört auf sehr spezifische Weise unsere gemütliche Vorstellung, dass die Vergangenheit vorbei ist, die Zukunft noch kommt und die Gegenwart das ist, was wirklich existiert. Einstein war sich dessen durchaus bewusst. Der Philosoph Rudolf Carnap erzählt: „Einmal sagte Einstein, das Problem des Jetzt beunruhige ihn ernsthaft. Er erklärte dazu, dass das Erlebnis des Jetzt etwas Besonderes für den Menschen bedeute, etwas wesentlich anderes als Vergangenheit und Zukunft; doch dieser so wichtige Unterschied zeige sich nicht in der Physik und könne dort auch nicht auftauchen.“

Später, in einem Kondolenzschreiben an die Witwe seines langjährigen Freundes und Kollegen Michele Besso, schrieb Einstein selbst: „Nun ist er mir auch mit dem Abschied von dieser sonderbaren Welt ein wenig vorausgegangen. Dies bedeutet nichts. Für uns gläubige Physiker hat die Scheidung zwischen Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft nur die Bedeutung einer wenn auch hartnäckigen Illusion.“

Manche Physiker und Historiker glauben, dass solche Äußerungen mit heftiger Übertreibung gewürzt sind. Vielleicht stimmt das. Aber Einstein fasst die Herausforderung in Worte: unser Leben von sorgfältig begründeten und durch Experimente bestätigten Erforschungen des Universums, wie beunruhigend sie auch sein mögen, ebenso stark durchdringen zu lassen wie von eigenen Erfahrungen.

Diese Herausforderung wird noch größer, wenn man die Quantentheorie einbezieht: die ungeheuer erfolgreiche Theorie von Atomen und subatomaren Teilchen. Den Kern dieser Quantentheorie bildet die Unschärferelation. Sie legt die Grenze fest, bis zu der bestimmte Eigenschaften der Mikrowelt gleichzeitig gemessen werden können. Je präziser die Messung einer Eigenschaft ist, zum Beispiel die Position eines Partikels, desto unsicherer wird eine weitere Eigenschaft, zum Beispiel seine Geschwindigkeit.

Was subatomare Partikel angeht, so ist diese Unschärfe mathematisch gut beschrieben und durch Experimente präzise dokumentiert. Was aber Zeit und Ort betrifft, so rüttelt sie an den vertrauten Vorstellungen. Bei extrem kurzen Zeitintervallen (etwa einem Zehntel eines Millionstels eines Billionstels eines Billionstels eines Billionstels einer Sekunde) und Entfernungsskalen (ungefähr einem Milliardstel eines Billionstels eines Billionstels eines Zentimeters) verstümmeln Quantenfluktuationen Raum und Zeit derartig, dass die konventionellen Vorstellungen von links und rechts, von rückwärts und vorwärts, auf und ab sowie vorher und nachher bedeutungslos werden.

Wissenschaftler haben noch immer Mühe, diese Implikationen zu verstehen. Doch viele von ihnen sind sich einig: So wie die Prozentzahlen bei politischen Wahlen einen Durchschnitt darstellen, der nur Bedeutung erlangt, wenn man einen entsprechend großen Pool von Stimmen auswertet, so sind auch konventionelle Vorstellungen von Raum und Zeit Konzepte, die nur bedeutungsvoll werden, wenn man sie in ausreichend großen Maßstäben betrachtet. Während die Relativitätstheorie die Subjektivität des Verstreichens von Zeit etablierte, hinterfragt die Quantentheorie den konzeptionellen Primat der Zeit selbst.

Wissenschaftler, die heute versuchen, die Quantentheorie mit Einsteins Theorie der Schwerkraft, der Allgemeinen Relativitätstheorie, zu verbinden, sind überzeugt, dass wir kurz vor der nächsten großen Umwälzung stehen, in der wir die grundlegenden Konzepte erkennen können, aus denen Raum und Zeit hervorgehen. Viele glauben, dass diese eine völlig neue Formulierung der Naturgesetze beinhalten werden. Sie könnten Wissenschaftler dazu zwingen, die Raum-ZeitMatrix, mit der sie seit Jahrhunderten gearbeitet haben, gegen etwas Fundamentaleres einzutauschen: ein Reich, in dem weder Zeit noch Raum existieren.

Diese Vorstellung ist so verwirrend, dass sich selbst führende Forscher schwer tun, sie zu begreifen. Grob gesagt, sehen Wissenschaftler voraus, dass Zeit und Raum in den grundlegenden Gleichungen des gesuchten Systems nicht mehr vorkommen werden. Und doch: So wie flüssiges Wasser aus bestimmten Kombinationen einer großen Anzahl von Wassermolekülen hervorgeht, würden Zeit und Raum, wie wir sie kennen, als bestimmte Kombinationen elementarer, noch nicht identifizierter Einheiten aufscheinen. Zeit und Raum selbst würden zu sekundären, abgeleiteten Bestandteilen, die nur unter entsprechenden Bedingungen aufträten, zum Beispiel nach dem Big Bang. So unerhört es klingt, vielen Forschern, mich eingeschlossen, erscheint dieser Abschied von Zeit und Raum aus den endgültigen Gesetzen des Universums unvermeidlich.

Vor genau 100 Jahren fehlten noch wenige Wochen bis zur Entdeckung der Speziellen Relativitätstheorie, und die Wissenschaft ging noch von der newtonschen Beschreibung der Zeit aus. Mittlerweile ist die Vorstellung der Zeit in der modernen Physik eindeutig überkreuz mit dem, was die meisten von uns verinnerlicht haben. Einstein quittierte die Unfähigkeit der Wissenschaft, die gewohnte Erfahrung von Zeit zu bestätigen, mit „schmerzlicher, aber unvermeidlicher Resignation“.

Die Entwicklungen seit seiner Ära haben die Unvereinbarkeit zwischen allgemeinem Erleben und wissenschaftlicher Kenntnis nur vertieft. Die meisten Physiker werden mit dieser Unvereinbarkeit durch Abspaltung fertig: Einerseits gibt es den wissenschaftlichen Zeitbegriff und andererseits die Zeit, wie wir sie intuitiv erleben.

Vor meinem inneren Auge beschwöre ich oft ein kaleidoskopisches Bild der Zeit herauf, indem ich Stück für Stück Newtons Vorstellung zerbreche. Und in Momenten des Verlusts tröste ich mich mit dem Wissen, dass alle Ereignisse auf ewig in der Ausdehnung von Zeit und Raum existieren, wo die Einteilung in Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft eine nützliche subjektive Organisationsform ist.

Dass ich jedoch an jenem verregneten Morgen, anstatt zu schlafen, am Times Square stand, um einen willkürlichen Punkt im Verstreichen von etwas zu würdigen, das ich, ehrlich gesagt, als abgeleitetes Konzept betrachte, ist ein Beweis für die Macht von Konvention und Erleben. Unabhängig von unseren wissenschaftlichen Einsichten werden wir trotzdem immer die Flüchtigkeit der Zeit bedauern und uns für jeden neuen Moment begeistern können. Aber wir können wählen, ob wir uns gänzlich vom Gesicht, das die Natur direkt vor unseren Sinnen enthüllt, verführen lassen oder darüber hinaus die Wirklichkeit erkennen, die jenseits unserer Wahrnehmung liegt.

Brian Greene ist einer der führenden Forscher auf dem Gebiet der theoretischen Physik, insbesondere der Stringtheorie, und der derzeit bestbezahlte wissenschaftliche Sachbuchautor. Er lehrt Mathematik und Physik an der Columbia University in New York. In den letzten Jahren hat er mit „Das elegante Universum“ (Siedler Verlag 2000) und „Der Stoff, aus dem der Kosmos ist“ (Siedler Verlag 2004) ein weltweites Leserpublikum erreicht. Der hier veröffentlichte Text ist auch in der „New York Times“ erschienen. Aus dem amerikanischen Englisch von Susanna Nieder.

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