Was Ist Zeit Und läuft Sie Immer vorwärts?

Stellen Sie sich vor, die Zeit würde rückwärts laufen. Die Menschen würden jünger statt älter werden und nach einem langen Leben der allmählichen Verjüngung – in dem sie alles verlernen, was sie wissen – als ein Funkeln in den Augen ihrer Eltern enden. So wird die Zeit in einem Roman des Science-Fiction-Autors Philip K. Dick dargestellt. Doch überraschenderweise ist die Richtung der Zeit auch ein Thema, mit dem sich Kosmologen auseinandersetzen.

Während wir davon ausgehen, dass die Zeit eine bestimmte Richtung hat, ist dies für Physiker nicht selbstverständlich: Die meisten Naturgesetze sind „zeitumkehrbar“, das heißt, sie würden genauso gut funktionieren, wenn die Zeit rückwärts laufen würde. Warum also läuft die Zeit immer vorwärts? Und wird sie das immer tun?

Hat die Zeit einen Anfang?

Jedes universelle Zeitkonzept muss letztlich auf der Entwicklung des Kosmos selbst basieren. Blickt man ins Universum, sieht man Ereignisse der Vergangenheit – das Licht braucht die Zeit, um uns zu erreichen. Tatsächlich können selbst einfachste Beobachtungen uns helfen, die kosmologische Zeit zu verstehen: zum Beispiel die Tatsache, dass der Nachthimmel dunkel ist. Hätte das Universum eine unendliche Vergangenheit und unendliche Ausdehnung, wäre der Nachthimmel hell – erfüllt vom Licht einer unendlichen Anzahl von Sternen in einem Kosmos, der schon immer existiert hat.

Lange Zeit glaubten Wissenschaftler, darunter auch Albert Einstein, das Universum sei statisch und unendlich. Beobachtungen haben jedoch gezeigt, dass es sich tatsächlich ausdehnt, und zwar mit zunehmender Geschwindigkeit. Das bedeutet, dass es aus einem kompakteren Zustand entstanden sein muss, dem Urknall, und dass die Zeit einen Anfang hat. Wenn wir nach Licht suchen, das alt genug ist, können wir sogar die Reliktstrahlung des Urknalls sehen – die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung. Diese Erkenntnis war ein erster Schritt zur Bestimmung des Alters des Universums (siehe unten).

Doch die Sache hat einen Haken: Einsteins spezielle Relativitätstheorie zeigt, dass Zeit … relativ ist: Je schneller du dich relativ zu mir bewegst, desto langsamer vergeht die Zeit für dich im Vergleich zu meiner Zeitwahrnehmung. In unserem Universum mit seinen expandierenden Galaxien, rotierenden Sternen und wirbelnden Planeten variieren die Zeiterfahrungen: Alles, was Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft betrifft, ist relativ.

Gibt es also eine universelle Zeit, auf die wir uns alle einigen können?

Die Zeitlinie des Universums. Design Alex Mittelmann, Coldcreation/wikimedia, CC BY-SA

Da das Universum im Durchschnitt überall gleich ist und in alle Richtungen gleich aussieht, gibt es tatsächlich eine „kosmische Zeit“. Um sie zu messen, müssen wir lediglich die Eigenschaften der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung messen. Kosmologen haben dies genutzt, um das Alter des Universums zu bestimmen – sein kosmisches Alter. Es stellt sich heraus, dass das Universum 13,799 Milliarden Jahre alt ist.

Der Pfeil der Zeit

Wir wissen also, dass die Zeit höchstwahrscheinlich mit dem Urknall begann. Doch eine quälende Frage bleibt: Was genau ist Zeit?

Um diese Frage zu beantworten, müssen wir die grundlegenden Eigenschaften von Raum und Zeit betrachten. Im Raum kann man sich vorwärts und rückwärts bewegen; Pendler erleben dies täglich. Die Zeit hingegen ist anders; sie hat eine Richtung; man bewegt sich immer vorwärts, niemals rückwärts. Warum ist die Zeitdimension also irreversibel? Dies ist eines der größten ungelösten Probleme der Physik.

Um zu erklären, warum die Zeit selbst irreversibel ist, müssen wir Prozesse in der Natur finden, die ebenfalls irreversibel sind. Eines der wenigen Konzepte in der Physik (und im Leben!) besagt, dass Dinge mit der Zeit tendenziell ungeordneter werden. Wir beschreiben dies mithilfe einer physikalischen Eigenschaft namens Entropie, die die Ordnung eines Dinges kodiert.

Stellen Sie sich eine Gasbox vor, in der sich alle Teilchen zunächst in einer Ecke befinden (geordneter Zustand). Mit der Zeit würden sie natürlich versuchen, die gesamte Box zu füllen (ungeordneter Zustand) – und die Teilchen wieder in einen geordneten Zustand zu bringen, würde Energie erfordern. Dieser Vorgang ist irreversibel. Es ist, als würde man ein Ei aufschlagen, um ein Omelett zuzubereiten – sobald es sich ausgebreitet hat und die Pfanne füllt, nimmt es nie wieder seine eiförmige Gestalt an. Genauso verhält es sich mit dem Universum: Während es sich entwickelt, nimmt die Gesamtentropie zu.

Leider wird sich das nicht von selbst klären. Alex Dinovitser/wikimedia , CC BY-SA

Es stellt sich heraus, dass Entropie eine recht gute Erklärung für den Zeitpfeil ist. Und obwohl es so scheint, als würde das Universum eher geordneter als ungeordneter – von einem wilden Meer aus relativ gleichmäßig verteiltem heißem Gas in seinen frühen Stadien hin zu Sternen, Planeten, Menschen und Artikeln über die Zeit –, ist es dennoch möglich, dass die Unordnung zunimmt. Das liegt daran, dass die mit großen Massen verbundene Schwerkraft Materie in scheinbar geordnete Zustände ziehen könnte – wobei die Zunahme der Unordnung, die unserer Meinung nach stattgefunden haben muss, irgendwie in den Gravitationsfeldern verborgen ist. Die Unordnung könnte also zunehmen, auch wenn wir sie nicht sehen.

Doch warum begann das Universum überhaupt in einem so geordneten Zustand, wenn die Natur doch zur Unordnung neigt? Dies gilt bis heute als Rätsel. Manche Forscher argumentieren, dass der Urknall vielleicht gar nicht der Anfang war, sondern dass es tatsächlich „Paralleluniversen“ geben könnte, in denen die Zeit in unterschiedliche Richtungen verläuft.

Wird die Zeit enden?

Die Zeit hatte einen Anfang, doch ob sie ein Ende haben wird, hängt von der Natur der dunklen Energie ab, die ihre beschleunigte Ausdehnung verursacht. Die Geschwindigkeit dieser Ausdehnung könnte das Universum schließlich auseinanderreißen und es in einem „Big Rip“ beenden. Alternativ könnte die dunkle Energie zerfallen, den Urknall umkehren und das Universum in einem „Big Crunch“ beenden. Oder das Universum könnte sich einfach für immer ausdehnen.

Aber würde eines dieser Zukunftsszenarien die Zeit beenden? Nun, nach den seltsamen Regeln der Quantenmechanik können winzige Teilchen für einen Moment aus dem Vakuum auftauchen – etwas, das in Experimenten der Teilchenphysik ständig zu beobachten ist. Manche argumentieren, dass dunkle Energie solche „Quantenfluktuationen“ verursachen und einen neuen Urknall auslösen könnte, der unsere Zeitlinie beendet und eine neue beginnen lässt. Obwohl dies äußerst spekulativ und höchst unwahrscheinlich ist, wissen wir, dass wir das Schicksal des Universums erst dann verstehen werden, wenn wir die dunkle Energie verstehen.

Was ist also das wahrscheinlichste Ergebnis? Nur die Zeit wird es zeigen.