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”?
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SHIRTS & HOODIES 
Hallo Mike,
in dem Bericht über die Schulung der Kreativität schreibst Du, man sollte seiner Phantasie freien Lauf lassen. Dazu ist das Thema Zeitreisen ja bestens geeignet.
Ich gehe bei dem Gödel-Universum mal davon aus, dass es von seiner Rotationsgeschwindigkeit abhängt und auch von der Fluggeschwindigkeit des Raumschiffes, welches um das Universum herum fliegt, wie weit zurück man in der Vergangenheit landet. Dann ist es sicher auch möglich, eine Fluggeschwindigkeit zu finden, mit welcher ein Reisender unmittelbar vor dem Start zurückkommen würde. Dann könnte er also sehen, ob er die Reise unversehrt überstünde und dann erst entscheiden, ob er überhaupt losfliegt. Wenn er nicht ankommt, aber dennoch losfliegt, wäre es dann denkbar, dass er eine Geschwindigkeit findet, mit der er sich selber in der Zeit überholen kann und so einem möglichen Zwischenfall zuvorkommen könnte, der dazu führte, dass er nicht ankam? Vermutlich eher nicht, weil er ja sonst angekommen wäre…
Herzliche Grüße
Georgie
Das Thema "Zeitreise" wirft allein schon in der Theorie so viele Fragen und Paradoxa auf, das man an die praktische Durchführbarkeit eigentlich gar nicht denken möchte.
Was man in vielen Filmen gerne ignoriert: schon allein das simple Ursache- / Wirkungsprinzip wird dabei unweigerlich verändert und hätte gravierende Auswirkungen:
Angenommen, man reist ein Jahr in die Vergangenheit zurück. Alles, was man dort tut – und damit ist jeder einzelne Schritt gemeint, eigentlich schon die reine Anwesenheit eines Körpers oder Gegenstands – würde die Vergangenheit ändern. Und somit müsste die gesamte Ursache- / Wirkungskette, die zu genau diesem Vergangenheitszeitpunkt führte (und dann weiter bis in die Gegenwart), umgeschrieben werden.
Eine Reise von einem Punkt Z (Gegenwart) zu einem Punkt A in der Vergangenheit würde also nicht nur die Ursache- / Wirkungskette von A bis heute, sondern auch noch die VOR Punkt A ändern, und zwar so weit, wie es nötig wäre, um die Ursachen so anzugleichen, das alle Wirkungen schliesslich mit jenen übereinstimmen, wie sie in Punkt A dann vorgefunden werden.
Das trifft selbst auf die allerkleinsten Veränderungen zu. Jedes Wort, jede Geste, jede Bewegung, jeder Atemzug, ja jedes Atom und sogar jeder Gedanke (als elektrischer Impuls im Gehirn), der vorher nicht Teil dieses Zeitpunkts war, würde eine eigene Kausalitätskette benötigen oder das Umschreiben bereits bestehender Kausalitätsketten benötigen.
Jede Wirkung benötigt eine entsprechende Ursache. Und da jede Ursache wiederrum die Wirkung einer anderen, vorangegangenen Ursache ist, führt diese Kette viel weiter, als man denkt. Denn selbst allerkleinste Wirkungen wie die Verschiebung einzelner Atome würden eine Änderung der Kausalitätskette bewirken.
In Romanen wird das gerne so gelöst, das mit jeder neuen Kausalitätskette ein neues (Parallel-) Universum erzeugt wird.
Aber vielleicht träfe all das nur zu, wenn der Zeitreisende ein messbarer (und damit verändernder) Teil des physischen Universums wäre. Wäre er dagegen nur ein "nichtstofflicher" Beobachter, könnte er die vergangenen Geschehnisse vielleicht in aller Ruhe beobachten – ohne allerdings dort Änderungen hervorrufen zu können. Wenn der menschliche Geist also nichtstofflicher Natur ist (wie es z.B. Nahtoderlebnisse nahe legen) wären Zeitreisen zumindest mental möglich. Man würde so deutlich weniger Paradoxa aufwerfen, als bei materiellen Zeitreisen.
Es wäre ja schon unglaublich fantastisch, wenn man eine Art Bild- und Tonwiedergabegerät hätte, mit dem man Vergangenes wieder erlebbar machen könnte (am besten noch mit einer Art fachkundig dokumentierendem Kommentar, aber das ist dann wohl doch zu viel verlangt).
Wenn man genügend scharf auflösende Aufzeichnungsgeräte in großer Entfernung (entsprechend viele Lichtjahre je Jahr, in das man zurückschauen möchte) von der Erde plazieren könnte, dann ließe sich soetwas realisieren. Vielleicht ist es ja möglich, die Quantenverschränkung dafür zu nutzen. Und wenn man erstmal mit roten und grünen Quantenäpfeln beginnt und damit schon einmal ein zweifarbiges Bild ohne Ton hinbekommt, ist es zur HD-Übertragung mit Stereosound auch nicht mehr weit. Auch das Kino hat mit schwarzweißen Stummfilmen angefangen. Und das ist noch gar nicht so lange her.
Das ist gar nicht mal so Wirklichkeitsfern und tatsächlich finden bereits seit einigen Jahren Experimente zur Informationsübertragung mittels Quantenverschränkung statt.
Zu diesem Thema empfehle ich übrigens immer gerne die Bücher von Anton Zeilinger, dem 1997 die erstmalige Quantenteleportation gelang und der seitdem viele Experimente zur Verschränkung von Quanten durchgeführt hat:
Einsteins Spuk – Teleportation und weitere Mysterien der Quantenphysik
https://amzn.to/2Y20lbK
Zeilinger ist ein sehr sympathischer Zeitgenosse (er war u.a. schon in "Mysterien des Weltalls" mit Morgan Freeman zu Gast) und seine Bücher sind meiner Meinung nach der beste Einstieg in das Thema der Quantenmechanik, da Zeilinger das Thema nicht nur aus erster Hand kennt, sondern komplexe Sachverhalte sehr gut erklärt.
Das Buch werde ich gleich bestellen! Vielen Dank für den Tipp. Ich habe schon am Rande von der gelungenen Teleportation gehört; ein Quark über die Donau, nicht? Darüber würde ich tatsächlich gerne mehr erfahren.
Genau. Mittlerweile ist es sogar gelungen, den Quantenzustand eines Photons über eine Distanz von 143 Kilometern (von La Palma nach Teneriffa) zu teleportieren. Damit wären – noch lange vor der Teleportation von Personen oder Objekten – auch andere Anwendungen möglich, wie z.B. eine satellitenbasierte, absolut abhörsichere Quantenkommunikation – ohne jede Zeitverzögerung. Oder auch ein künftiges, weltweites Quanteninternet.