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Zeit, naturwissenschaftlich
#1
Der naturwissenschaftliche Zeitbegriff

Die Physik betrachtet Zeit als eine messbare Größe wie beispielsweise die Länge. Zeit wird an periodischen Vorgängen gemessen, die man im Labor möglichst exakt herstellen und auszählen kann. Im Augenblick sind das optische Atomuhren (LASER-Prinzip), die so genau gehen, dass sie seit dem Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren höchstens 1 Sekunde voneinander abweichen. Damit ist Zeit die am genauesten bestimmbare Größe (Dimension).

In unserem Alltag kann man voraussetzen, dass es eine absolute Zeit gibt. Zwei Ereignisse finden entweder gleichzeitig statt oder besitzen eine Zeitdifferenz. Im letzteren Fall kann man eindeutig sagen, welches von zwei Ereignissen zuerst stattgefunden hat. Das ist auch der Standpunkt, den ↗Isaak Newton für das ganze Universum eingenommen hatte.

Mit Verbesserung der Messtechnik zeigen sich allerdings deutliche Abweichungen ansonsten gleichartiger (Atom-) Uhren je nach den äußeren (Mess-) Bedingungen. Im Wesentlichen sind das Bewegungen gegeneinander oder unterschiedliche Gravitationskräfte. Die theoretischen Überlegungen dazu liefert im Falle der Bewegungen die ↗spezielle Relativitätstheorie, im Falle der unterschiedlichen Gravitation die ↗allgemeine Relativitätstheorie. Danach muss man Uhren unterscheiden, die sich im Mess-System und solchen, die sich in einem anderen System befinden. Vielfach heißen die sich im Mess-System befindlichen Uhren „mitbewegt“ (zum Beispiel in einem Raumschiff) und das andere System „ruhend“ (zum Beispiel ein irdisches Labor, allgemeiner: Inertial-Zeit). In jedem Fall bedeutet „mitbewegt“ auch: „Unter Gravitationseinwirkung“).

Nach Newton erwartet man, dass mitbewegte und ruhende Uhren dieselbe Zeit anzeigen. Doch entsprechende Experimente zeigen, dass die mitbewegte Uhr langsamer geht, bei Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit sogar erheblich langsamer. Die Einwirkung hoher Gravitationsfelder z. B. bei Annäherung von Materie an ein ↗schwarzes Loch läuft die davon betroffene Uhr gegenüber der irdischen Zeit ebenfalls langsamer. Das hat eine seltsame Konsequenz für den ruhenden Beobachter. Nach Bildung eines schwarzen Lochs scheint das weitere Zusammenstürzen des Materials für den äußeren Beobachter aufzuhören, obwohl es nach Eigenzeit sicher mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ins Zentrum des ehemaligen Sterns fällt. (Wir können darüber aber keine Information erhalten, wie weiter unten noch erläutert wird.)

Tatsächlich hängt das Auseinanderklaffen von mitbewegter und Inertial-Zeit damit zusammen, dass die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit endlich ist und in jedem (Mess-) System immer 299 792 458 m/s beträgt. (Der Wert wurde so festgelegt. Das Meter und die Sekunde wurden ein kleinwenig angepasst.) Die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit ist die höchste im Universum erreichbare Geschwindigkeit für die Übertragung von Informationen. (Der Zerfall von weit entfernten, verschränkten Quantensystemen ist ein Sonderfall, der aber keine neuen Informationen über ein Ereignis oder System übertragen kann.)

Da also die die höchste Übertragungsgeschwindigkeit irgendeiner Wirkung endlich ist und höchstens der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit entsprechen kann, gibt es Ereignisse, die in der Beobachtungszeit noch nicht beeinflusst worden sein können. Das gilt sowohl für sehr ferne Ereignisse, die auf unser System wirken als auch umgekehrt. Solche Ereignisse heißen „raumartig“. Sie stehen mit unserer beobachteten Welt in keinerlei Kausalzusammenhang.

"Gleichzeitig" ist der klassische Grenzfall raumartiger Ereignisse. Tatsächlich gibt es aber viel mehr raumartige Ereignisse, nämlich all jene, für die die Signallaufzeit für eine Wirkung nicht ausreicht.

Die Alltagserfahrung zeigt, dass die Zeit nur in eine Richtung von der Vergangenheit in die Zukunft verläuft. Dies ergibt sich jedoch nicht aus den derzeit mächtigsten physikalischen Theorien (Quantentheorie, spezielle und allgemeine Relativitätstheorie). Diese Theorien bleiben unverändert, wenn die Zeitrichtung umgekehrt wird.

Warum stellen wir also eine einsinnig verlaufende Zeit fest? Die derzeit beste Erklärung liefert die Thermodynamik: Alle unsere physikalischen Gegenstände (Systeme), seien sie substanziell oder Strahlungen bestehen aus einer großen Zahl von Atomen, Molekülen, Schwingungsmoden, Strahlungsquanten (Subsysteme). Absorbiert ein System aus vielen Subsystemen Energie, so gehen seine Subsysteme zunächst in einen angeregten Schwingungszustand über.

Das bleibt aber nicht so, denn solche Anfangszustände sind untereinander gekoppelt. Irgendein Anfangszustand der Subsysteme ist nie der wahrscheinlichste des ganzen Systems. Deshalb verlieren die anfangs angeregten Subsysteme einen Teil ihrer Energie an andere Subsysteme, solange bis der wahrscheinlichste Zustand des ganzen Systems erreicht ist.

Solche Ausgleichsvorgänge von ausgezeichneten Zustandsverteilungen am Anfang zu dem wahrscheinlichsten Zustand, in dem kein Subsystem mehr besonders auffällt, können zeitlich nicht umgekehrt verlaufen, wenn man die einzelnen Subsysteme nicht von außen manipuliert. Also ergibt sich ein zeitliches Nacheinander von jeweils wahrscheinlicheren Gesamtzuständen.

Ein spektakuläres Ereignis ist der Stoß gegen eine Kaffeetasse. Der Stoß beim Fall auf den Fliesenboden regt heftige Kristallgitterschwingungen an. Mit zunehmender Wahrscheinlichkeit und damit zeitlicher Folge werden eintreten:

- Sprünge
- Verschiebungen, Brüche
- Zerfall, Scherben, Lärm, Wärme

Man kann sicher davon ausgehen, dass verdrängte Luft, Schallwellen, Scherben und abströmende Wärme bis in alle Ewigkeit keine heile Kaffeetasse rekonstruieren. Damit ist eindeutig ein zeitliches Nacheinander von Stoß (Anregung) und Scherben gegeben.

Die uns bekannte Zeitentwicklung physikalischer Systeme ergibt sich erst bei Betrachtung sehr vieler Subsysteme (Moleküle, Atome, Strahlungsquanten) und deren mikrophysikalischen Zustände. Zeit ist also Ausdruck zunehmender Wahrscheinlichkeit der Verteilung von Mikrozuständen von ganzen Systemen, möglicherweise der ganzen Welt. Aus kosmologischer Sicht entspricht die Expansion des Weltalls einer zeitlichen Entwicklung. Es gibt Versuche, aus diesem Phänomen die lokale Auszeichnung der Zeitrichtung abzuleiten.

Ob die Zeit gleichmäßig verläuft oder auf atomarer Ebene schwankt, sich sogar umkehrt, ist für unser Empfinden gleichgültig, weil die Biochemie unserer Sinnesorgane aus so vielen Molekülen besteht, dass mikroskopische Schwankungen vernachlässigbar sind.

Literatur: Brockhaus Enzyklopädie Bd. 20, Wiesbaden 1974; Lexikon der Physik Bd. 5, Spektrum Akademischer Verlag 2000; Meyers Enzyklopädisches Lexikon Bd. 25, Mannheim 1979; diverse deutsche Wikipedia-Artikel.

Autor des Beitrags: Ekkard


● Zum Inhaltsverzeichnis des Lexikons
MfG B.
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