Natur: Raumzeit

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Allgemeines

Vielleicht haben Sie sich gewundert, daß in diesem Buch so grundlegende Begriffe wie Raum und Zeit nicht gleich am Anfang erklärt werden. Der Grund dafür ist, daß die moderne Physik nicht mehr von einem absoluten Raum oder einer absoluten Zeit spricht, sondern daß diese durch Materie, Energie und die dazwischen wirkenden Kräfte erst festgelegt werden. Diese Ansicht wurde erstmals von Albert Einstein konsequent umgesetzt.

Raum

Der Raum ist in der menschlichen Erfahrung durch die Höhe, Breite und Tiefe bestimmt. Raum ermöglicht allen materiellen Objekten eine Ausdehnung, er selbst existiert als grundlegendes Ordnungsmodell, dies aber nur in Relation zu diesen Objekten. Ebenso spielen sich alle physikalischen Vorgänge in "Raum" ab, er ist somit eine Art „Behälter“ für Materie und phsysikalische Felder.

Zur physikalischen Beschreibung werden formale Eigenschaften verschiedener mathematischer Räume, meistens des einfachen euklidischen Raumes benutzt. Der Raumbegriff hat sich in der ständigen Fortentwicklung der Physik stark gewandelt.

Raum in der klassischen Mechanik

In der klassischen Mechanik gilt die Raumdefinition von Isaac Newton:

Der Raum ist absolut, unveränderlich und unbeeinflusst von den physikalischen Vorgängen, die sich in ihm abspielen.
Der Raum ist euklidisch und dreidimensional.

Hierbei entsprechen die Dimensionen eines Raumes den von ihm realisierten kartesischen Koordinaten, üblicherweise angegeben in x-, y-, und z-Richtung. Man bezeichnet diese als Raumkoordinaten und die durch sie aufgespannten Dimensionen als Raumdimensionen, wobei

keine Raumdimension einem Punkt,

eine Raumdimension einer Geraden oder Kurve und

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zwei Raumdimensionen einer Fläche entsprechen.

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drei Raumdimensionen einem Körper entsprechen

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Die Bestimmung des Bezugspunktes eines Koordinatensystems benötigt reale Objekte. Meistens wird dazu der Schwerpunkt einer großen Masse wie der Erde oder der Sonne genommen.

Neben der Vorstellung des unabhängig von der Materie existierenden, wenngleich von diesem beeinflussten Raums, gibt es auch das Machsche Prinzip, welche besagt, dass der Raum erst durch die Materie erzeugt wird, dass also kein Raum ohne Materie existieren könnte.

Raum und Zeit

Die Entdeckung, dass die Lichtgeschwindigkeit für alle Beobachter gleich ist, erforderte eine Modifikation des Raumbegriffes. Albert Einstein leistete in seiner Speziellen Relativitätstheorie die Vorarbeit, so dass Hermann Minkowski Raum und Zeit zu einem gemeinsamen Gebilde, der Raumzeit zusammenfassen konnte. Damit ist der Raum nicht mehr absolut, sondern vom Beobachter abhängig. Dies äußert sich zum Beispiel in der Lorentzkontraktion, der zufolge relativ zueinander bewegte Beobachter für dasselbe Objekt eine unterschiedliche Länge messen.

In der Speziellen Relativitätstheorie ist der Raum zwar vom Beobachter abhängig, nicht jedoch von den physikalischen Vorgängen in ihm. Er ist immer noch für jeden Beobachter euklidisch. Das ändert sich in der Allgemeinen Relativitätstheorie. In dieser wird die Schwerkraft (Gravitation) durch die Krümmung der Raumzeit beschrieben, welche auch eine Krümmung des Raumes bedeutet. Die Geometrie der Raumzeit hängt vom Energie-Impuls-Tensor, also von den im Raum vorhandenen Teilchen und Feldern ab. Der Raum ist daher nur noch lokal euklidisch.

Moderne Theorien zur Raumzeit

Die Kaluza-Klein-Theorien und Stringtheorien, die zum Ziel haben, die Gravitation mit den anderen Grundkräften zu vereinigen, fügen der Raumzeit zusätzliche Dimensionen hinzu. Diese zusätzlichen Dimensionen sind allerdings nicht, wie die bekannten 4 Raum-Zeit-Dimensionen, ins (beinahe) unendliche ausgedehnt; vielmehr sind sie von einer Ausdehnung von weniger als einem Atomkerndurchmesser. Zusätzlich nimmt man an, dass sie periodisch „aufgerollt“ sind.

Ein Ziel dieser Theorien ist, den Raum mit seinen Eigenschaften nicht als etwas Gegebenes zu postulieren, sondern ihn in einer umfassenden Theorie gemeinsam mit den bekannten Grundkräften und Elementarteilchen zu begründen.

Eine abweichende Meinung stellt die konstruktivistische Protophysik dar, in der Geometrie und Chronometrie durch Normen für die Messinstrumente bestimmt wird.

Literatur

Ulf Heuner (Hrsg.): Klassische Texte zum Raum. Parodos: Berlin 2006, ISBN 3-938880-05-8
Werner Bernhard Sendker: Die so unterschiedlichen Theorien von Raum und Zeit. Der transzendentale Idealismus Kants im Verhältnis zur Relativitätstheorie Einsteins. Der Andere Verlag: Tönning 2000, ISBN 3934366333
Roman Sexl, Herbert Kurt Schmidt: Raum Zeit Relativität. Braunschweig 1991
Carlo Rovelli, What is Time? What is Space?, Di Renzo Editore, 2006, ISBN 8883231465

Zeit

Zitat: Die kürzeste Geschichte der Zeit aus einem Wettbewerb der Zeitschrift New Scientist

.<∞

Der Punkt symbolisiert den Urknall
Das < Kleiner Zeichen symbolisiert die Expansion des Universum
Das Unendlichzeichen ∞ symbolisiert das Ende im Unendlichen

Das Wort Zeit bezeichnet den vom menschlichen Bewusstsein wahrgenommenen und scheinbar kontinuierlich fortschreitenden Ablauf von Ereignissen. Das menschliche Empfinden von Zeit ist von ihrem Vergehen geprägt, einem Phänomen, das sich bisher einer naturwissenschaftlichen Beschreibung entzieht und als Fortschreiten der Gegenwart von der Vergangenheit kommend zur Zukunft hin wahrgenommen wird.

Vergangenheit >>> Gegenwart >>> Zukunft

In der Physik und anderen Naturwissenschaften ist die Zeit eine fundamentale, messbare Größe, die zusammen mit dem Raum das Kontinuum bildet, in das jegliches materielle Geschehen eingebettet ist.

In der Philosophie fragt man seit jeher nach dem Wesen der Zeit, was auch Themen der Weltanschauung berührt. Für die physikalischen, die Bio- und Humanwissenschaften ist die Zeit ein zentraler, messtechnisch erfassbarer Parameter, u.a. bei allen bewegten Körpern, in der Chronobiologie oder der Zeitsoziologie. Die Psychologie untersucht die Zeitwahrnehmung und das Zeitgefühl. Die Ökonomie betrachtet Zeit auch als Wertgegenstand (Zeit ist Geld). In den Sprachwissenschaften bedeutet „Zeit“ die grammatische Form der Zeitwörter, das Tempus.

Beispiel:

ich habe gearbeitet 
ich arbeite
ich werde arbeiten

Einführung

Die wohl markanteste Eigenschaft der Zeit ist der Umstand, dass es stets eine in gewissem Sinne aktuelle und ausgezeichnete Stelle zu geben scheint, die wir die Gegenwart nennen, und die sich unaufhaltsam in Richtung Zukunft zu bewegen scheint. Dieses Phänomen wird auch als das Fließen der Zeit bezeichnet. Dieses Fließen entzieht sich jedoch einer naturwissenschaftlichen Betrachtung, wie im Folgenden dargelegt wird. Auch die Geisteswissenschaften können die Frage nicht eindeutig klären.

Die Zeit dient in der Physik in gleicher Weise zur Beschreibung des Geschehens wie der Raum. Die Physik besagt lediglich, dass unter allen denkbaren Strukturen im dreidimensionalen Raum in Kombination mit allen dazu denkbaren zeitlichen Abläufen nur solche beobachtet werden, die den physikalischen Gesetzen gehorchen.

Das Fließen der Zeit

Etwas, das man als Fließen der Zeit interpretieren könnte, kommt in der Physik nicht vor. Bei genauer Betrachtung erweist es sich sogar als völlig unklar, wie ein Fließen der Zeit in der Sprache der Physik oder Mathematik präzise beschrieben werden könnte.

So ist beispielsweise die Aussage, dass die Zeit fließe, nur dann sinnvoll, wenn eine davon unterscheidbare Alternative denkbar ist. Die naheliegende Alternative der Vorstellung einer stehenden Zeit beispielsweise führt jedoch zu einem Widerspruch, da sie nur aus der Sicht eines Beobachters denkbar ist, für den die Zeit weiterhin verstreicht, so dass der angenommene Stillstand als solcher überhaupt wahrnehmbar ist. Könnte man die Zeit anhalten, für wie lange „stünde“ dann die Zeit?

Das scheinbare Fließen der Zeit wird daher von den meisten Physikern und Philosophen als ein rein subjektives Phänomen angesehen. Man nimmt an, dass es sehr eng mit dem Phänomen des Bewusstseins verknüpft ist, das sich einer physikalischen Beschreibung oder gar Erklärung entzieht und zu den größten Rätseln der Naturwissenschaft und Philosophie zählt. Damit wäre unsere Erfahrung von Zeit vergleichbar mit den Qualia in der Philosophie des Bewusstseins und hätte folglich mit der Wirklichkeit nur eine ähnlich lockere Verbindung wie der phänomenale Bewusstseinsinhalt bei der Wahrnehmung der Farbe Blau mit der zugehörigen Wellenlänge des Lichtes.

Unsere intuitive Vorstellung, es gäbe eine von der eigenen Person unabhängige Instanz nach Art einer kosmischen Uhr, die bestimmt, welchen Zeitpunkt wir alle im Moment gemeinsam erleben und damit die Gegenwart zu einem objektiven uns alle verbindenden Jetzt macht, wäre damit hinfällig.

Zeit als physikalische Größe

In der Physik ist Zeit die fundamentale Größe, über die sich zusammen mit dem Raum

die Dauer von Vorgängen und
die Reihenfolge von Ereignissen

bestimmen lassen. Da sie sich bislang nicht auf grundlegendere Phänomene zurückführen lässt, wird sie über Verfahren zu ihrer Messung definiert, wie es auch bei Raum und Masse der Fall ist. Im SI-Einheitensystem wird Zeit in Sekunden gemessen. Daraus leiten sich unmittelbar die Einheiten Minute und Stunde ab, mittelbar (über die Erdbewegung und gesetzlich festgelegte Schaltsekunden) auch Tag und Woche. In Abhängigkeit vom Kalender folgen daraus auch die längeren Zeitabschnitte Monat und Jahr.

1 s   = 1 Sekunde 
1 min = 1 Minute   = 60 s
1 h   = 1 Stunde   = 60 * 60 s      =  3600 s
1 d   = 1 Tag      = 24 * 60 * 60 s = 86400 s

Physikalischer Steckbrief der Zeit

Name= Zeit,  
Formelzeichen= t,  
SI-Einheit= Sekunde, 
Planckeinheit =  Planck-Zeit
Planck-Dimension=  ħ^1/2· G^1/2· c^-5/2

Zeitmessung

Die Zeitmessung ist eine der ältesten Aufgaben der Astronomie. Dort wird zwischen einem Sonnentag und einem Sterntag unterschieden, welche im Jahr um einen Tag differieren. Der Sonnentag hat keine ganze Anzahl von Sekunden nach SI; der Unterschied wird durch Schaltsekunden ausgeglichen. Diese Probleme führten zur Einführung verschiedener Zeitskalen:

Ephemeridenzeit (1960), um die Unregelmäßigkeit der Erdrotation auszugleichen;
TDT (Terrestrial Dynamical Time, „Erd-Atomzeit“) ab 1984; sie ist Basis der SI-Sekunde;
TCB (Barycentric Coordinate Time), die Eigenzeit des Baryzentrums des Sonnensystems.
Geocentric Coordinate Time (TCG), die Eigenzeit des Erdmittelpunktes.

Astronomische Daten und Zeiten werden oft zweckmäßig als Julianisches Datum (JD) oder modifiziert als MJD angegeben.

Heute ist die Zeit in der Physik, wie andere Messgrößen auch, operational, das heißt über ein Messverfahren, definiert. Zur Zeitmessung werden hauptsächlich Systeme verwendet, die periodisch in denselben Zustand zurückkehren. Die Zeit wird dann durch das Zählen der Perioden bestimmt. Ein solches Gerät nennt man Uhr. Doch auch monotone Bewegungen können Basis der Zeitmessung sein, z. B. bei den früheren Sand- und Wasseruhren.

Eine Uhr ist umso besser, je genauer der periodische Vorgang reproduzierbar ist und je weniger er sich von äußeren Bedingungen beeinflussen lässt, beispielsweise von mechanischen Störungen, wie der Temperatur oder dem Luftdruck. Daher sind Quarzuhren deutlich präziser als mechanische Uhren. Die genauesten Uhren sind Atomuhren, die auf atomaren Schwingungsprozessen beruhen. Damit ist ein relativer Gangfehler von 10^-15 erreichbar, was einer Sekunde Abweichung in 30 Millionen Jahren entspricht. Die Zeit und damit auch die Frequenz, ihr mathematischer Kehrwert, sind die physikalischen Größen, die mit der höchsten Präzision überhaupt messbar sind.

Frequenz = 1 / Zeit

Newtonsche Physik

Isaac Newton beschreibt das Phänomen der Zeit mit den folgenden Worten:

Die absolute, wahre und mathematische Zeit verfließt an sich und vermöge ihrer Natur 
gleichförmig und ohne Beziehung auf irgendeinen äußeren Gegenstand.
 Mathematische Prinzipien der Naturlehre; London 1687

Der Begriff „absolute Zeit“ galt in der Physik bis zur Formulierung der speziellen Relativitätstheorie im Jahre 1905. Er liegt auch heute noch dem menschlichen Alltagsverständnis des Phänomens Zeit zugrunde.

Relativitätstheorie

Durch die Entdeckungen im Zusammenhang mit der Relativitätstheorie musste der newtonsche Begriff der absoluten Zeit aufgegeben werden. So beurteilen Beobachter, die sich relativ zueinander bewegen, zeitliche Abläufe unterschiedlich. Das betrifft sowohl die Gleichzeitigkeit von Ereignissen, die an verschiedenen Orten stattfinden, als auch die Zeitdauer zwischen zwei Treffen zweier Beobachter, die sich zwischen diesen Treffen relativ zueinander bewegen ( Zeitdilatation). Da es kein absolut ruhendes Koordinatensystem gibt, ist die Frage, welcher Beobachter die Situation korrekt beurteilt, nicht sinnvoll. Man ordnet daher jedem Beobachter seine so genannte Eigenzeit zu. Ferner beeinflusst die Anwesenheit von Massen den Ablauf der Zeit, so dass diese an verschiedenen Orten im Gravitationsfeld unterschiedlich schnell verstreicht. Damit ist Newtons Annahme, die Zeit verfließe ohne Bezug auf äußere Gegenstände, nicht mehr haltbar.

Zeit und Raum erscheinen in den Grundgleichungen der Relativitätstheorie fast völlig gleichwertig nebeneinander und lassen sich daher zu einer vierdimensionalen Raumzeit vereinigen. Im dreidimensionalen Raum ist die Wahl der drei Koordinatenachsen willkürlich, so dass Begriffe wie links und rechts, oben und unten, vorne und hinten relativ sind. In der speziellen Relativitätstheorie stellt sich nun heraus, dass auch die Zeitachse nicht absolut ist. So verändern sich mit dem Bewegungszustand eines Beobachters auch die Orientierung seiner Zeit- und Raumachsen in der Raumzeit. Es handelt sich dabei um eine Art Scherbewegung dieser Achsen, die mathematisch mit den Drehungen nahe verwandt ist. Damit lassen sich Raum und Zeit nicht mehr eindeutig trennen, sondern hängen in gewisser Weise voneinander ab. Die Folge sind Phänomene wie Relativität der Gleichzeitigkeit, Zeitdilatation und Längenkontraktion. Allerdings lässt sich durch eine Bewegung die Zeitachse nicht umdrehen, das heißt, Vergangenheit und Zukunft lassen sich nicht vertauschen.

Zeit ist in der allgemeinen Relativitätstheorie nicht unbegrenzt. So gehen viele Physiker davon aus, dass der Urknall nicht nur der Beginn der Existenz von Materie ist, sondern auch den Beginn von Raum und Zeit darstellt. Der Astrophysiker Stephen W. Hawking meint, es hat einen Zeitpunkt eine Sekunde vor dem Urknall ebenso wenig gegeben wie einen Punkt auf der Erde, der 1 km nördlich des Nordpols liegt. Danach hätte es in gewissem Sinne den Kosmos und die Materie schon immer gegeben, nämlich zu allen Zeitpunkten, von denen überhaupt die Rede sein kann. Die Vorstellung eines Nichts vor dem Urknall ist physikalisch sinnlos. Dieser Aspekt könnte von erheblicher Relevanz für Philosophie und Religion hinsichtlich des Verständnisses des Begriffs Schöpfung sein, unter dem man sich ja gewöhnlich einen Übergang von einem Nichts zu einem Etwas vorstellt.

Diese im Zusammenhang mit der Relativitätstheorie entdeckten Eigenschaften von Zeit und Raum entziehen sich weitgehend der menschlichen Anschauung. Sie sind jedoch mathematisch präzise beschreibbar und – soweit experimentell zugänglich – auch bestens bestätigt.

Zeitreisen

Die erwähnten relativistischen Effekte lassen sich im Prinzip als Zeitreisen interpretieren. Inwieweit über die Krümmung der Raumzeit und andere Phänomene auch Reisen in die Vergangenheit prinzipiell möglich sind, ist nicht abschließend geklärt. Mögliche Kandidaten sind so genannte Wurmlöcher, die Bereiche der Raumzeit mit unterschiedlicher Zeit verbinden könnten, ferner spezielle Flugbahnen in der Umgebung eines hinreichend schnell rotierenden Schwarzen Loches und schließlich die Umgebung zweier kosmischer Strings, die hinreichend schnell aneinander vorbei fliegen. Der erforderliche Aufwand für eine praktische Nutzung einer dieser potenziellen Möglichkeiten würde jedoch gegenwärtig die Mittel der Menschheit bei weitem übersteigen.

Die bei Reisen in die Vergangenheit auftretenden Paradoxien ließen sich im Rahmen der everettschen Vielwelten-Theorie vermeiden. Danach wäre die Vergangenheit, in die man reist, in einer Parallelwelt angesiedelt. Der ursprüngliche Ablauf der Dinge und der durch die Zeitreise modifizierte würden sich beide parallel und unabhängig voneinander abspielen.

Zeitreisen sind ein beliebtes Thema in Literatur und Film.

Zeit und Kausalität

Der Zeitbegriff hängt eng mit dem Kausalitätsbegriff zusammen. So betrachten wir es als selbstverständlich, dass die Ursache vor ihrer Wirkung auftritt. Die Vergangenheit ist unveränderlich, sie kann nicht von gegenwärtigen Ereignissen beeinflusst werden. Die Zukunft hingegen hängt von der Gegenwart kausal ab, kann also durch Ereignisse oder Handlungen in der Gegenwart beeinflusst werden.

In der Relativitätstheorie wird die zeitliche Reihenfolge mancher Ereignisse, die an verschiedenen Orten stattfinden, von relativ zueinander bewegten Beobachtern unterschiedlich beurteilt. Das ist genau dann der Fall, wenn die beiden Ereignisse nur durch ein Signal mit Überlichtgeschwindigkeit in Kontakt treten könnten. Könnte eine Wechselwirkung mit Überlichtgeschwindigkeit stattfinden, dann könnte man mit folgendem System eine Botschaft in die Vergangenheit schicken:

Das Signal wird mit Überlichtgeschwindigkeit an eine weit genug entfernte Relaisstation geschickt.
Diese beschleunigt konventionell vom ursprünglichen Sender weg (alternativ: sie überträgt es konventionell auf eine weitere, sich vom Empfänger weg bewegende Relaisstation, z.B. die andere Seite einer rotierenden Plattform). Dadurch wird das Absendeereignis aus der Vergangenheit in die Zukunft „verschoben“.
Schließlich wird das Signal wieder mit Überlichtgeschwindigkeit zurückgesendet. Sind die beteiligten Geschwindigkeiten hoch genug, so kommt das Signal vor dem Aussenden des Ursprungssignals an.

Daher wäre das Kausalitätsprinzip verletzt. Mitte des 20. Jahrhunderts wurde vermutet, dass es überlichtschnelle Tachyonen geben könnte. Sollten sie mit gewöhnlicher Materie in Wechselwirkung treten können, so wäre die Kausalität verletzt. Die Hypothese der Existenz von Tachyonen hat daher kaum Anhänger.

Entropie und Zeit

Die Gesetze der Physik, die den Grundkräften der Phänomene unseres Alltags zugrunde liegen, sind invariant bezüglich einer Umkehrung der Zeit. Das bedeutet, dass zu jedem Vorgang, der diesen Gesetzen gehorcht, auch der zeitumgekehrte im Prinzip möglich ist. Diese Aussage steht in krassem Widerspruch zu unserer Alltagserfahrung. Fällt eine Keramiktasse zu Boden, so zerbricht sie in Scherben. Dass sich umgekehrt diese Scherben von selbst wieder zu einer intakten Tasse zusammenfügen, ist dagegen noch nie beobachtet worden. Ein solcher Vorgang stünde jedoch nicht prinzipiell im Widerspruch zu den Naturgesetzen. Er ist lediglich extrem unwahrscheinlich.

Der Hintergrund dieses Umstandes ist eine Wahrscheinlichkeitsüberlegung, die im zweiten Hauptsatz der Thermodynamik (Wärmelehre) formuliert wird. Danach nimmt die Entropie, welche das Maß der Unordnung eines abgeschlossenen Systems angibt, stets zu und damit seine Ordnung ab. Eine vorübergehende Zunahme der Ordnung ist prinzipiell nicht ausgeschlossen, aber je nach Größe mehr oder weniger unwahrscheinlich. Um die spontane Wiedervereinigung von Scherben zu einer Tasse zu provozieren, müsste man eine mehr als astronomische Zahl von Scherbenhaufen anlegen und beobachten.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik verletzt damit die Symmetrie bezüglich der beiden Richtungen der Zeit. Er lässt sich daher auch nicht aus den Grundgesetzen der Physik herleiten, sondern hat die Eigenschaft eines Postulats. Die beiden Richtungen der Zeit verlieren damit ihre Gleichwertigkeit, und man spricht vom thermodynamischen Zeitpfeil. Er wird als potenzielle Basis für das Fließen der Zeit von der Vergangenheit in die Zukunft angesehen, so wie wir es in unserer Alltagswelt erfahren.

Oft ist in diesem Zusammenhang von einer Umkehrbarkeit oder Unumkehrbarkeit der Zeit die Rede. Dabei handelt es sich jedoch um eine sprachliche und logische Ungenauigkeit. Könnte jemand die Zeit umkehren, dann sähe er sämtliche Vorgänge rückwärts ablaufen. Dieser umgekehrte Lauf der Zeit wäre aber nur aus der Sicht eines Beobachters erkennbar, der einer Art persönlicher Zeit unterworfen ist, die weiterhin unverändert vorwärts läuft. Eine solche Spaltung der Zeit in eine, die einem Experiment unterworfen wird, und eine weitere unveränderte, ergibt jedoch keinen Sinn.

Die Gesetze der Physik, die Phänomene der schwachen und starken Wechselwirkung beschreiben, sind nicht invariant bezüglich einer Zeitumkehr. Zu einem Prozess im Bereich der Kern- und Elementarteilchenphysik ist der zeitumgekehrte daher nicht unbedingt mit den Gesetzen der Physik verträglich. Das CPT-Theorem besagt, dass der Prozess wieder in Einklang mit den Naturgesetzen steht, wenn er nicht nur zeitumgekehrt, sondern zusätzlich spiegelbildlich betrachtet und aus Antimaterie aufgebaut wird. Aus dem CPT-Theorem folgt, dass Prozesse, welche eine so genannte CP-Verletzung darstellen, wie es bei einigen Teilchenzerfällen der Fall ist, nicht invariant bezüglich einer Zeitumkehr sein können.

Im Formalismus der Beschreibung von Antimaterie sind Antiteilchen gleichwertig zu gewöhnlichen Teilchen, die sich in gewissem Sinne rückwärts in der Zeit bewegen. In diesem Sinne hat die Paarvernichtung von einem Teilchen mit seinem Antiteilchen eine formale Ähnlichkeit mit einem einzigen Teilchen, das sich an dieser Stelle in die Vergangenheit zurückzubewegen beginnt, so dass es dort doppelt und in der Zukunft gar nicht existiert.

Grenzen des physikalischen Zeitbegriffs

Es gibt deutliche Hinweise darauf, dass das Phänomen Zeit im Bereich der Planck-Zeit von 10^-43 s seine Eigenschaften als kontinuierliche zusammenhängende Größe verliert. Die konsequente Anwendung der bekannten physikalischen Gesetze führt zu dem Ergebnis, dass jeder Vorgang, der kürzer ist als die Planck-Zeit, nur einem Objekt zugeordnet werden kann, das sofort zu einem Schwarzen Loch kollabieren muss. Diese Überlegung zeigt, dass die bekannten physikalischen Gesetze jenseits der Planck-Zeit versagen. Eine Klärung der damit verbundenen Fragen erhofft man sich von einer noch zu entdeckenden Theorie der Quantengravitation, die die beiden fundamentalen Theorien der Physik, die Relativitätstheorie und die Quantenphysik, vereinigen würde. In einer solchen Theorie wäre die Zeit im Bereich der Planck-Zeit möglicherweise quantisiert. So geht man beispielsweise in der Loop-Quantengravitation einem Kandidaten für die Theorie der Quantengravitation, davon aus, dass das Gefüge der Raumzeit ein vierdimensionales, schaumartiges Spin-Netzwerk darstellt mit „Blasen“ von der Größenordnung der Planck-Einheiten. Allerdings darf man sich diesen „Schaum“ nicht in Raum und Zeit eingebettet vorstellen, sondern der Schaum ist in dieser Theorie Raum und Zeit.

Philosophie

siehe Wikipedia Hauptartikel: Philosophie der Zeit

Nach Immanuel Kant ist die Zeit ebenso wie der Raum eine „reine Anschauungsform“, und zwar die des inneren Sinnes. Sie sei unser Zugang zur Welt, gehöre also zu den subjektiv-menschlichen Bedingungen der Welterkenntnis. Wir können uns aus unserer Erfahrung die Zeit nicht wegdenken. Gleichwohl können wir nicht erkennen, ob sie einer – wie auch immer gearteten – Welt an sich zukommt.

Psychologie

Zwischen der subjektiv wahrgenommen Zeit und der objektiv messbaren bestehen oft deutliche Differenzen. Die folgenden Abschnitte sollen diese kurz und übersichtlich darstellen.

Die Wahrnehmung der Zeitdauer

Die Wahrnehmung der Zeitdauer hängt davon ab, was in der Zeit passiert. Ein ereignisreicher Zeitraum erscheint kurz, „vergeht wie im Flug“. Hingegen dauern ereignisarme Zeiträume manchmal quälend lange. Von dieser Beobachtung leiten sich auch die Begriffe Kurzweil und Langeweile ab.

Paradoxerweise empfindet man im Rückblick die Zeiten gerade umgekehrt: In ereignisreichen Zeiten hat man viele Informationen eingespeichert, so dass dieser Zeitraum lange erscheint. Umgekehrt erscheinen ereignisarme Zeiten im Rückblick kurz, da kaum Informationen über sie gespeichert sind.

Die Wahrnehmung der Gleichzeitigkeit

Gleichzeitigkeit in der Wahrnehmung ist komplexer als es auf den ersten Blick den Anschein hat. Es gibt verschiedene Schwellen:

Die Schwelle, ab der zwei Ereignisse als getrennt erkannt werden, ist vom jeweiligen Sinnesorgan abhängig. So müssen optische Eindrücke 20 bis 30 Millisekunden auseinander liegen, um zeitlich getrennt zu werden, während für akustische Wahrnehmungen bereits drei Millisekunden ausreichen.
Die Schwelle, ab der die Reihenfolge zweier Reize unterschieden werden kann, ist unabhängig von der Art der Wahrnehmung etwa 30 bis 40 Millisekunden, richtet sich aber stets nach der langsamsten Reizübertragung.
Darüber hinaus ist die Wahrnehmung der Gegenwart durch einen Drei-Sekunden-Zeitraum angegeben, dieser Zeitraum wird als Gegenwartsdauer bezeichnet.

Biologie

Fast alle Lebewesen, bis hin zum Einzeller, besitzen eine biologische innere Uhr, die sich mit dem Tag-Nacht-Wechsel und anderen natürlichen Zyklen synchronisiert. Die innere Uhr zum Tagesrhythmus läuft aber auch ohne Tageslicht, wie an Pflanzen in der Dunkelheit gezeigt werden konnte, aber auch an Menschen in Bunker-Experimenten, in denen die freiwilligen Versuchspersonen ohne jeden Hinweis auf äußere Zeitrhythmen lebten. Dabei stellte sich nach einiger Zeit ein konstanter Wach-Schlaf-Rhythmus von im Mittel etwa 25 Stunden ein. Man bezeichnet ihn als circadianen Rhythmus (von lat. circa, ungefähr, und lat. dies, Tag).

Literatur

John D. Barrow: Der Ursprung des Universums. Wie Raum, Zeit und Materie entstanden. Goldmann, München 2000. ISBN 3-442-15061-2
John D. Barrow: Die Natur der Natur. Wissen an den Grenzen von Raum und Zeit. Spektrum, Heidelberg 1993. ISBN 3-86025-029-9
Paul Davies, Die Unsterblichkeit der Zeit, Die moderne Physik zwischen Rationalität und Gott, Scherz, 1995, ISBN 3-502-19143-3
Wolfgang Deppert, Zeit. Die Begründung des Zeitbegriffs, seine notwendige Spaltung und der ganzheitliche Charakter seiner Teile, Steiner Verlag, Stuttgart 1989, ISBN 3-515-05219-4, ISBN 978-3-515-05219-1.
Julius T. Fraser: Die Zeit. Auf den Spuren eines vertrauten und doch fremden Phänomens. dtv, München 1993. ISBN 3-423-30023-X
Stephen W. Hawking: Die illustrierte Kurze Geschichte der Zeit. Rowohlt, Reinbek bei Hamburg 2002. ISBN 3-499-61487-1
Griffiths Jay: Slow Motion – Lob der Langsamkeit, Aufbau Taschenbuchverlag, ISBN 3-7466-8090-5
Wolfgang Kaempfer: Die Zeit und die Uhren. Insel, Frankfurt am Main und Leipzig 1991. ISBN 3-458-16207-0
Stefan Klein: Zeit. Der Stoff aus dem das Leben ist. S. Fischer, Frankfurt 2006, ISBN 3-10-039610-3
Georg Kniebe (Hrsg.): Was ist Zeit? Die Welt zwischen Wesen und Erscheinung. Freies Geistesleben, Stuttgart 1993, ISBN 3-7725-0409-4
David Landes: Revolution in Time. Clocks and the Making of the Modern World. Cambridge Mass. und London 1983. (Neuauflage Viking, London 2000). ISBN 0-670-88967-9
Hans Lenz: Universalgeschichte der Zeit. Marix Verlag, Wiesbaden 2005. ISBN 3-86539-050-1
Kristen Lippincott: The Story of Time. London 1999.
Isaac Newton: Mathematische Prinzipien der Naturlehre. London 1687 (dt. de Gruyter, Berlin 1999). ISBN 3-11-016105-2
Ilya Prigogine: Vom Sein zum Werden. Zeit und Komplexität in den Naturwissenschaften. Pieper, München 1988, 1992 (6.Aufl.). ISBN 3-492-02943-4
Hans Reichenbach: Philosophie der Raum-Zeit-Lehre. de Gruyter, Berlin & Leipzig 1928. (Neuaufl. Braunschweig 1977). ISBN 3-528-08362-X
Carlo Rovelli, What is time? What is space?, Di Renzo Editore, 2006, ISBN 8883231465
Kip S. Thorne: Gekrümmter Raum und verbogene Zeit. Einsteins Vermächtnis. Bechtermünz, Augsburg 1999. ISBN 3-8289-3400-5
Rudolf Wendorff: Zeit und Kultur. Geschichte des Zeitbewußtseins in Europa. Westdt. Verl., Wiesbaden 1980. ISBN 3-531-11515-4
Gerald J. Whitrow: Die Erfindung der Zeit. Junius, Hamburg 1991. ISBN 3-88506-183-X
Glasersfeld, Ernst von: Konzeptuelle Zeitkonstruktion, in: Leon R. Tsvasman (Hg.): Das große Lexikon Medien und Kommunikation. Kompendium interdisziplinärer Konzepte. Würzburg 2006. ISBN 3-89913-515-6
Sendker, Werner Bernhard: Die so unterschiedlichen Theorien von Raum und Zeit. Der transzendentale Idealismus Kants im Verhältnis zur Relativitätstheorie Einsteins, Osnabrück, 2000 ISBN 3-934366-33-3

Weblinks

Wiktionary – Wortherkunft, Synonyme und Übersetzungen:

Zeit

Wikiquote hat einen Artikel zum Thema:

Zeit

Wikibooks hat das Lehrbuch:

Über das Wesen der Zeit

Abhandlungen und Facharbeiten

Videos

Im Archiv der Sendung Alpha Centauri existiert ein Video zum Thema:

010304

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Im Archiv der Sendung Alpha Centauri existiert ein Video zum Thema:

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040204

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David Albert: Time, philosophytalk 2004 (mit Material)