Sind Zeitreisen möglich?

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Nach Isaac Newtons Vorstellung verlief die Zeit überall gleichmässig. Sie verging nie schneller oder langsamer. Doch in seiner 1905 veröffentlichten speziellen Relativitätstheorie warf der Physiker Albert Einstein unsere bis dahin geltende Vorstellung von Zeit und Raum einfach mal so über den Haufen. Für Einstein war die Zeit relativ. Und plötzlich schienen Dinge möglich, die man bislang nur aus Science Fiction Romanen kannte: Reisen in die Zukunft.

Viele Menschen sind sich gar nicht bewusst, das Zeitreisen bereits stattgefunden haben: als der russische Kosmonaut Sergei Konstantinowitsch Krikaljow 803 Tage im Weltraum verbrachte und mit 27.000 km/h die Erde umkreiste, war er bei seiner Rückkehr auf die Erde eine 48stel Sekunde in die Zukunft gereist. Insgesamt ist der Kosmonaut dadurch also eine 48stel Sekunde weniger gealtert, als seine am Boden gebliebenen Mitmenschen. Wie das? Wie Einstein bewies, vergeht die Zeit für Objekte in Ruhe schneller, als für solche, die sich relativ dazu in Bewegung befinden.

Zeit ist relativ

Noch grössere Geschwindigkeiten und Entfernungen machen diesen Effekt noch offensichtlicher. Würde ein Astronaut die Erde verlassen und mit einer Geschwindigkeit von 99.995 Prozent der Lichtgeschwindigkeit zum 520 Lichtjahre entfernten Stern Beteigeuze fliegen – und genauso schnell auch wieder zurück – wären aus seiner Sicht gerade einmal zehn Jahre vergangen. Auf der Erde hingegen wären inzwischen mehr als 1000 Jahre vergangen!

Zeit ist also für jedes Objekt relativ.

Es ist also theoretisch möglich, in die Zukunft zu springen – ob nur für Sekundenbruchteile oder gar für Jahrhunderte. In die Vergangenheit zu reisen, ist dagegen erheblich schwieriger. Nach Einsteins spezieller Relativitätstheorie war es sogar unmöglich – bis der Physiker ein Jahrzehnt später seine allgemeine Relativitätstheorie präsentierte. Die wiederum hob dieses Verbot auf. Zumindest in der Theorie. Eine praktische Reise rückwärts durch die Zeit ist allerdings ein bisher ungelöstes Problem, da die allemeine Relativitätstheorie viele verschiedene Lösungen besitzt. Sie entsprechen jeweils Universen mit unterschiedlichen Eigenschaften, und nur einige erlauben solche Reisen.

Ob irgendeine dieser Lösungen wirklich unser eigenes Universum beschreibt, ist eine bislang offene Frage. Und sie wirft zudem weitere grundlegende Rätsel auf. Wie sehr müsste man an den Rädchen und Grundlagen der Physik drehen, damit Reisen in die Vergangenheit möglich sind? Oder sind sie gar gegen „die Ordnung der Natur“, die Reisen gegen den Strom der Zeit, also in die Vergangenheit, auf irgendeine Weise verhindern will – selbst wenn sie laut Einsteins Gleichungen erlaubt sind?

Nach Einsteins spezieller Relativitätstheorie ist die Zeit verformbar. Einstein analysierte, das jedwedes physikalische Gesetz für alle Beobachter im Universum stets gleich sein müsse. Und das unabhängig von ihrem Bewegungszustand. Dann müsste die Geschwindigkeit des Lichts aber ebenfalls für alle eine unveränderliche Grösse sein – wo und wie auch immer man sie bestimmt.

Damit diese Annahme (die Lichtgeschwindigkeit bleibt stets gleich) aber stimmt, musste Einstein zwei tief in unseren Alltag verwurzelte Vorstellungen über Bord werfen. Nämlich die, das Zeit und Raum objektive Grössen sind. Dann dürften nämlich unterschiedliche Beobachter bei der Messung von Längen und auch Zeitintervallen zu verschiedenen Ergebnissen kommen. Eine Uhr, die an einem vorbeisaust, würde also langsamer ticken, als eine, die sich in Ruhe befindet. Ebenso wäre die Länge eines vorbeifliegenden Lineals kürzer, als das eines Lineals, das stillhält. Wenn der Beobachter aber mit der Uhr oder dem Lineal mitfliegt, also die selbe Geschwindigkeit hat, tickt die Uhr für ihn wieder normal schnell und das Lineal hat wieder seine normale Länge.

Und das ist keine blosse Theorie – es ist ein nachgewiesener, alltäglicher Effekt! Unter gewöhnlichen Verhältnissen sind diese Verzerrungseffekte von Zeit und Raum vernachlässigbar klein. Deshalb fiel es Generationen von Menschen und Physikern ja nicht einmal auf. Aber sobald sich etwas mit einem beträchtlichen Teil der Lichtgeschwindigkeit bewegt, sind diese Verzerrungen nicht länger zu übersehen. Das wurde mittlerweile durch viele Experimente hundert-, ja tausendfach bestätigt. Ein Beispiel: die Lebensdauer des Myons (ein unstabiles Teilchen, das nur wenige Augenblicke existiert) ist erheblich grösser, wenn es sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Für das Teilchen selbst ist seine Lebensdauer immer gleich lang, aber für uns Beobachter wird seine Lebensdauer immer länger, je schneller es sich bewegt. Das ist die Relativität der Zeit.

Man kann es sich so vorstellen, das jedes Objekt sich in einem eigenen Raum / Zeit – Koordinatensystem bewegt. Inerhalb dieses Koordinatensystems vergeht die Zeit gefühlt immer gleich schnell, aber zwischen verschiedenen Koordinatensystemen verschiedener Objekte, die sich alle mit verschiedenen Geschwindigkeiten bewegen, ist die Zeit untereinander relativ.

Reisen in die Vergangenheit

Wir haben also gesehen, das man durchaus in die Zukunft reisen kann. Und das dadurch, das für ein Objekt die Zeit einfach langsamer vergeht, während die Zeit um dieses Objekt herum (bzw. für andere Objekte) eben langsamer vergeht. Tritt dann das schnellere Objekt wieder in das Raum- / Zeit – Koordinatensytem des langsameren Objekts ein, ist es quasi in die Zukunft gereist.

In Gödels Kosmos kann ein Astronaut immer geradeaus fliegen und so wieder zu seinem Ursprungsort zurückkehren – aber zu einem Zeitpunkt in der Vergangenheit.

Aber lässt sich die Richtung auch umkehren? Kann man auch in die Vergangenheit reisen? Das scheint um einiges schwieriger, denn die Zeit hat eine feste, von der Natur vorgegebene Richtung. Man spricht hier auch vom „Zeitpfeil“ oder der „Kausalität“.

Kausalität bedeutet, das ein Geschehnis wiederum der Auslöser für ein anderes ist, quasi eine endlose Kette mit fester Reihenfolge. Dinge geschehen – und sind sie einmal geschehen, kann man sie eigentlich nicht mehr rückgängig machen, denn das würde dann schliesslich auch alle Geschehnisse betreffen, die durch dieses eine ebenfalls ausgelöst wurden – und jene, die wiederum davon ausgelöst wurden und so weiter…

Der berühmte österreichische Mathematiker und Logiker Kurt Gödel war der Erste, der mit Hilfe der allgemeinen Relativitätstheorie ein Universum entwarf, in dem Reisen in die Vergangenheit möglich sind. Sein theoretische Modell präsentierte er seinem engen Freund Einstein als Geschenk zu dessen 70. Geburtstag. Es hat zwei besondere Eigenschaften: Einerseits rotiert es. Das verhindert, das es durch die Schwerkraft der darin enthaltenen Materie in sich kollabiert.

Einstein wünschte sich nämlich von jedem kosmologischen Modell eine solche Stabilität. Zum anderen erlaubt es Reisen in die Vergangenheit, was bei dem Beschenkten wiederum ein tiefes Unbehagen auslöste. In Gödels Kosmos kann ein Astronaut immer geradeaus fliegen und so wieder zu seinem Ursprungsort zurückkehren – aber zu einem Zeitpunkt in der Vergangenheit. Solche Bahnen nennen Physiker „geschlossene zeitartige Kurven“.

Auf der nächsten Seite: was sind „geschlossene zeitartige Kurven“?

Eine „geschlossene zeitartige Kurve“ kehrt irgendwann wieder zeitversetzt zu ihrem vierdimensionalen Ausgang zurück (vier Dimensionen heisst: alle drei räumlichen plus die Zeit, denn Zeit und Raum sind im Grunde untrennbar miteinander verbunden, man spricht deshalb auch gerne von der „Raumzeit“).

Allein die (theoretische) Annahme solcher Kurven führt zu skurrilen Szenarien.

Nach Gödel müsste diese Kurve aber das ganze All umrunden, so wie der Äquator die Erdkugel. Seitdem haben sich Physiker viele solcher geschlossenen zeitartigen Kurven ausgedacht, die theoretisch Reisen in die Vergangenheit ermöglichen – alle aber nur in der Theorie.

Würde man eine solche Strecke in Wirklichkeit abfliegen, wäre der Flug allerdings sehr langweilig. Der Astronaut würde das Weltall, die Sterne und Planeten ganz normal an sich vorüberziehen sehen. Auch die Zeit würde für ihn völlig normal vergehen. Die Uhrzeiger an Bord würden sich also nicht, wie in Hollywoodfilmen üblich, plötzlich rückwärts drehen. Und trotzdem würde er letztendlich wieder in seiner eigenen Vergangenheit ankommen.

Allein die (theoretische) Annahme solcher Kurven führt zu skurrilen Szenarien. Könnte man die Vergangenheit tatsächlich ändern, wenn sie doch schon geschehen ist, also bereits stattgefunden hat? Bis heute haben Astronomen keinerlei Hinweise auf ein rotierendes Universum gefunden. Die Kausalität scheint also nicht in Gefahr zu sein. Gödel selbst hat offenbar Galaxienkataloge auf Anzeigen durchforstet, die seine Theorie stützen würden. Allerdings ohne Erfolg.

Letztendlich hat er zwar kein realistisches Modell des Universums entwickelt, aber doch gezeigt, das geschlossene zeitartige Kurven vollkommen im theoretischen Einklang mit den Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie stehen. Dessen Formeln verbieten Reisen in die Vergangenheit also nicht zwingend. Jedenfalls nicht in Universen, die anders als das unsere Geschaffen sind.

Im Trend sind momentan aber Zeitreisen, die mit lokalen Krümmungen der Raumzeit auskommen. Nach der allgemeinen Relativitätstheorie verzerren massereiche Körper wie Sterne, Planeten oder gar ganze Galaxien die Raumzeit. Die Raumzeit kann man sich als räumliches Gitter vorstellen, ähnlich einem Schwamm, der uns umgibt. Je schwerer und massereicher ein Körper ist, desto mehr verzerrt sich das Gewebe des Schwamms oder Gitters hin zu diesem Körper. Es wird an diesem Punkt quasi komprimiert. Und das wiederum beeinflusst die Bewegung dieser Objekte.

Allein dieser Effekt ist dafür verantwortlich, das Planeten umeinander kreisen, also auch die Erde um die Sonne. Unser Planet kreist um die Sonne, weil diese durch ihre grosse Masse das schwammartige Gefüge der Raumzeit komprimiert. Der Effekt ist das, was uns als „Schwerkraft“ erscheint – zwei Körper ziehen sich an. Diese Anziehung ist um so grösser, je massereicher ein Körper ist, also je mehr er die ihn umgebende Raumzeit komprimiert.

Und in extremen Fällen könnte sich die Raumzeit so stark verbiegen, dass sie einen Weg von der Gegenwart zur Vergangenheit erschafft. Ein Beispiel dafür sind die aus Science Fiction Filmen und -Romanen bekannten „Wurmlöcher“. Solche Wurmlöcher sind quasi Tunnel zwischen verschiedenen Regionen der Raumzeit. Verbindet man in der allgemeinen Relativitätstheorie zwei verschiedene Regionen des Raums, verknüpft man zugleich auch zwei verschiedene Regionen der Zeit. Das würde dann auch Reisen in die Vergangenheit erlauben.

Auch die Reise durch solch ein Wurmloch wäre für den Reisenden relativ unspektakulär. Man löst sich nicht auf und setzt sich am Ziel wieder zusammen. Es blitzt und zischelt auch nicht, wie in Hollywoodfilmen gerne üblich.

Das Universum Рeine g̦ttliche Schachpartie

Wurmlöcher sind allerdings sehr theoretische Konstrukte und die Gleichungen dazu bieten ernsthafte Fallstricke. Um überhaupt ein Wurmloch zu erzeugen, benötigt man sehr viel Energie. Und zwar negative Energie. Ohne sie würden der Eingang des Wurmlochs und der Tunnel sofort wieder implodieren. Eine solche Struktur wäre also praktisch kaum stabil und vielleicht auch grundsätzlich unmöglich – denn negative Energie bereitet der Physik eine Menge Probleme.

Der berühmte Physiker Richard Feynman verglich das Universum mit einer von Göttern gespielten Schachpartie.

Aber selbst wenn es gelänge, solch ein Wurmloch offen zu halten, kämen die nächsten Schwierigkeiten. Teilchen, die sich hindurchbewegen, würden diesen Weg schleifenartig immer wieder durchlaufen. Dabei wüchse ihre Energie über alle Grenzen. Und da Energie ebenso wie Masse die Raumzeit deformiert, kollabiert das Wurmloch in diesem Szenario zu einem Schwarzen Loch.

Der Physiker Sean Caroll meinte dazu: „Wir sind zwar nicht 100-prozentig sicher, dass das passiert“, räumt Caroll ein, „aber es scheint eine vernünftige Annahme zu sein, dass das Universum den Bau einer Zeitmaschine dadurch verhindert, dass es diese in ein Schwarzes Loch verwandelt.“ Andere Physiker sind der Meinung, das die Natur des Universums nur dann Zeitreisen in die Vergangenheit zuliesse, wenn sich dadurch nichts bereits geschehenes ändern würde – eine Art Schutzmechanismus, der Kausalität, der dafür sorgt, das der Zeitpfeil nach wie vor gültig bleibt.

Derzeit haben wir keine Möglichkeit zu überprüfen, ob eine dieser Theorien korrekt ist. Der berühmte Physiker Richard Feynman verglich das Universum mit einer von Göttern gespielten Schachpartie. Die Wissenschaftler beobachten es und versuchen, die Regeln zu verstehen. Sie sehen etwa, wie Bauern immer nur ein Feld vorwärtsziehen. Wenn die Forscher niemals die Eröffnung eines Spiels beobachten, wissen sie nicht, dass sich die Figuren dann zwei Felder weit bewegen können. Und wenn sie Zeuge werden, wie ein Bauer in eine Königin umgewandelt wird, würden sie auch das für einen Verstoß gegen die Regeln halten, obwohl so ein Zug möglich ist. Nur hat ihn niemand zuvor beobachtet.

Die Erforschung von Zeitreisen ist in einer ähnlichen Situation. Wir untersuchen die Grenzen der physikalischen Gesetze, indem wir außergewöhnliche Umstände betrachten. Reisen in die Vergangenheit sind nicht verboten, sie treten nur in dem uns vertrauten Universum nicht auf. Die Zukunft wird zeigen, welch spannende Entdeckungen und Erkenntnisse hier noch auf uns warten.

Der berühmte Physiker Stephen Hawking brachte seine Skepsis mit folgenden Worten auf den Punkt: „Wenn Zeitreisen möglich wären – wo sind dann all die Touristen aus der Zukunft?“

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