Einstein bezeichnete seinen Freund Michele Besso einmal als „den besten Resonanzboden in Europa“ für wissenschaftliche Ideen. Sie besuchten gemeinsam die Universität in Zürich, später waren sie Kollegen am Patentamt in Bern. Als Besso im Frühjahr 1955 starb, schrieb Einstein – wissend, dass auch seine eigene Zeit ablief – einen berühmt gewordenen Brief an Bessos Familie. „Nun hat er diese fremde Welt ein wenig vor mir verlassen“, schrieb Einstein über das Ableben seines Freundes. „Das hat nichts zu bedeuten. Für uns gläubige Physiker ist die Unterscheidung zwischen Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft nur eine hartnäckig fortbestehende Illusion.“
Einsteins Aussage war nicht nur ein Versuch des Trostes. Viele Physiker argumentieren, dass Einsteins Position durch die beiden Säulen der modernen Physik impliziert wird: Einsteins Meisterwerk, die allgemeine Relativitätstheorie, und das Standardmodell der Teilchenphysik. Die Gesetze, die diesen Theorien zugrunde liegen, sind zeitsymmetrisch – das heißt, die Physik, die sie beschreiben, ist dieselbe, unabhängig davon, ob die Variable namens „Zeit“ zu- oder abnimmt. Außerdem sagen sie überhaupt nichts über den Punkt aus, den wir „jetzt“ nennen – ein besonderer Moment (oder so scheint es) für uns, aber scheinbar undefiniert, wenn wir über das Universum als Ganzes sprechen. Der daraus resultierende zeitlose Kosmos wird manchmal als „Blockuniversum“ bezeichnet – ein statischer Block der Raumzeit, in dem jeglicher Zeitfluss oder Durchgang durch ihn vermutlich ein mentales Konstrukt oder eine andere Illusion sein muss.
Viele Physiker haben ihren Frieden mit der Idee eines Blockuniversums gemacht und argumentieren, dass es die Aufgabe des Physikers ist, zu beschreiben, wie das Universum aus der Sicht einzelner Beobachter erscheint. Um die Unterscheidung zwischen Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft zu verstehen, müsse man „in dieses Blockuniversum eintauchen und fragen: ‚Wie nimmt ein Beobachter die Zeit wahr?'“, sagt Andreas Albrecht, Physiker an der University of California, Davis, und einer der Begründer der Theorie der kosmischen Inflation.
Andere widersprechen vehement und argumentieren, die Aufgabe der Physik sei es, nicht nur zu erklären, wie die Zeit zu vergehen scheint, sondern warum. Für sie ist das Universum nicht statisch. Der Lauf der Zeit ist physikalisch. „Ich habe die Nase voll von diesem Block-Universum“, sagt Avshalom Elitzur, ein Physiker und Philosoph, ehemals an der Bar-Ilan-Universität. „Ich glaube nicht, dass der nächste Donnerstag den gleichen Stellenwert hat wie dieser Donnerstag. Die Zukunft existiert nicht. Sie existiert nicht. Ontologisch gesehen ist sie nicht da.“
Letzten Monat versammelten sich etwa 60 Physiker, zusammen mit einer Handvoll Philosophen und Forschern aus anderen Wissenschaftszweigen, am Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Kanada, um diese Frage auf der Konferenz Time in Cosmology zu diskutieren. Mitorganisiert wurde die Konferenz von dem Physiker Lee Smolin, einem ausgesprochenen Kritiker der Block-Universum-Idee (neben anderen Themen). Seine Position ist für ein Laienpublikum in Time Reborn und in einem technischeren Werk, The Singular Universe and the Reality of Time, das zusammen mit dem Philosophen Roberto Mangabeira Unger, der ebenfalls Mitorganisator der Konferenz war, verfasst wurde, dargelegt. In dem letztgenannten Werk, das Elitzurs Ansichten über die fehlende Konkretheit der Zukunft widerspiegelt, schrieb Smolin: „Die Zukunft ist jetzt nicht real und es kann keine definitiven Fakten über die Zukunft geben.“ Was real ist, ist „der Prozess, durch den zukünftige Ereignisse aus gegenwärtigen Ereignissen generiert werden“, sagte er auf der Konferenz.
Die Anwesenden rangen mit mehreren Fragen: die Unterscheidung zwischen Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft; warum sich die Zeit nur in eine Richtung zu bewegen scheint; und ob Zeit fundamental oder emergent ist. Die meisten dieser Fragen blieben, wenig überraschend, ungelöst. Aber vier Tage lang hörten die Teilnehmer aufmerksam den neuesten Vorschlägen zu, wie man diese Fragen angehen kann – und vor allem, wie wir unsere Wahrnehmung des Zeitablaufs mit einem statischen, scheinbar zeitlosen Universum in Einklang bringen können.
Zeit unter den Teppich gekehrt
Es gibt ein paar Dinge, bei denen sich alle einig sind. Die Gerichtetheit, die wir in der makroskopischen Welt beobachten, ist sehr real: Teetassen zerbrechen, setzen sich aber nicht spontan wieder zusammen; Eier können verrührt, aber nicht entrümpelt werden. Die Entropie – ein Maß für die Unordnung in einem System – nimmt immer zu, eine Tatsache, die im zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verschlüsselt ist. Wie der österreichische Physiker Ludwig Boltzmann im 19. Jahrhundert verstand, erklärt der zweite Hauptsatz, warum sich Ereignisse mit größerer Wahrscheinlichkeit in eine Richtung entwickeln als in eine andere. Es erklärt den Pfeil der Zeit.
Aber die Dinge werden kniffliger, wenn wir einen Schritt zurücktreten und fragen, warum wir zufällig in einem Universum leben, in dem ein solches Gesetz gilt. „Was Boltzmann wirklich erklärt hat, ist, warum die Entropie des Universums morgen größer sein wird als heute“, sagte Sean Carroll, ein Physiker am California Institute of Technology, als wir nach dem zweiten Tag der Vorträge in einer Hotelbar saßen. „Aber wenn das alles wäre, was man wüsste, würde man auch sagen, dass die Entropie des Universums wahrscheinlich gestern größer war als heute – weil die zugrundeliegende Dynamik völlig symmetrisch in Bezug auf die Zeit ist.“ Das heißt, wenn die Entropie letztlich auf den zugrundeliegenden Gesetzen des Universums beruht und diese Gesetze vorwärts und rückwärts gleich sind, dann ist es genauso wahrscheinlich, dass die Entropie in der Zeit rückwärts zunimmt. Aber niemand glaubt, dass die Entropie tatsächlich auf diese Weise funktioniert. Rühreier kommen immer nach ganzen Eiern, niemals umgekehrt.
Um dem einen Sinn zu geben, haben Physiker vorgeschlagen, dass das Universum in einem sehr speziellen Zustand niedriger Entropie begann. In dieser Sichtweise, die der Physikphilosoph David Albert von der Columbia University die „Vergangenheits-Hypothese“ nannte, nimmt die Entropie zu, weil der Urknall zufällig ein außergewöhnlich entropiearmes Universum erzeugte. Es konnte nirgendwo hin, außer nach oben. Die Vergangenheitshypothese besagt, dass wir jedes Mal, wenn wir ein Ei kochen, einen Vorteil aus Ereignissen ziehen, die vor fast 14 Milliarden Jahren stattfanden. „Was man mit dem Urknall erklären muss, ist: ‚Warum gab es jemals ungebrochene Eier?'“ sagte Carroll.
Einige Physiker sind von der Vergangenheits-Hypothese mehr beunruhigt als andere. Dinge zu nehmen, die wir über die Physik des heutigen Universums nicht verstehen, und zu sagen, dass die Antwort im Urknall zu finden ist, könnte vielleicht als Abwälzung des Übels gesehen werden – oder als ein Unter-den-Teppich-Kehren unserer Probleme. Jedes Mal, wenn wir uns auf die Anfangsbedingungen berufen, „wird der Haufen der Dinge unter dem Teppich größer“, sagte Marina Cortes, eine Kosmologin am Royal Observatory in Edinburgh und Mitorganisatorin der Konferenz.
Für Smolin fühlt sich die Vergangenheits-Hypothese eher wie ein Eingeständnis des Scheiterns an als ein nützlicher Schritt nach vorn. Wie er es in „The Singular Universe“ formuliert: „Die Tatsache, die es zu erklären gilt, ist, warum das Universum auch 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall noch nicht das Gleichgewicht erreicht hat, das per Definition der wahrscheinlichste Zustand ist, und es reicht kaum aus, dies zu erklären, indem man behauptet, dass das Universum in einem noch unwahrscheinlicheren Zustand als dem jetzigen begonnen hat.“
Andere Physiker weisen jedoch darauf hin, dass es normal ist, Theorien zu entwickeln, die ein System unter bestimmten Anfangsbedingungen beschreiben können. Eine Theorie muss nicht danach streben, diese Bedingungen zu erklären.
Eine andere Gruppe von Physikern ist der Meinung, dass die Hypothese der Vergangenheit zwar besser als nichts ist, aber eher ein Platzhalter als eine endgültige Antwort. Vielleicht, wenn wir Glück haben, weist sie den Weg zu etwas Tieferem. „Viele Leute sagen, dass die Vergangenheitshypothese nur eine Tatsache ist und es keinen tieferen Weg gibt, sie zu erklären. Ich schließe diese Möglichkeit nicht aus“, sagte Carroll. „Für mich ist die Vergangenheitshypothese ein Anhaltspunkt, der uns hilft, eine umfassendere Sicht auf das Universum zu entwickeln.“
Die alternativen Ursprünge der Zeit
Kann man den Pfeil der Zeit verstehen, ohne sich auf die Vergangenheitshypothese zu berufen? Einige Physiker argumentieren, dass die Schwerkraft – und nicht die Thermodynamik – den Pfeil der Zeit anstrebt. In dieser Sichtweise bewirkt die Schwerkraft, dass sich die Materie verklumpt und so einen Zeitpfeil definiert, der sich am Wachstum der Komplexität ausrichtet, so Tim Koslowski, Physiker an der Nationalen Autonomen Universität von Mexiko (er beschrieb die Idee 2014 in einer Arbeit, die von dem britischen Physiker Julian Barbour und Flavio Mercati, einem Physiker am Perimeter, mitverfasst wurde). Koslowski und seine Kollegen entwickelten einfache Modelle von Universen, die aus 1.000 punktförmigen Teilchen bestehen und nur dem Newtonschen Gravitationsgesetz unterliegen, und fanden heraus, dass es immer einen Moment maximaler Dichte und minimaler Komplexität geben wird. Je weiter man sich von diesem Punkt entfernt, in beide Richtungen, desto größer wird die Komplexität. Natürlich können wir – komplexe Lebewesen, die in der Lage sind, Beobachtungen zu machen – uns nur in einiger Entfernung von diesem Minimum entwickeln. Dennoch können wir, wo auch immer wir uns in der Geschichte des Universums befinden, auf eine Ära geringerer Komplexität verweisen und sie als Vergangenheit bezeichnen, so Koslowski. Die Modelle sind global zeitsymmetrisch, aber jeder Beobachter wird einen lokalen Zeitpfeil erleben. Es ist bezeichnend, dass der Startpunkt mit geringer Entropie kein Zusatz zum Modell ist. Vielmehr ergibt er sich ganz natürlich daraus. „Die Schwerkraft macht eine Hypothese über die Vergangenheit im Grunde überflüssig“, sagt Koslowski.
Die Idee, dass sich die Zeit in mehr als eine Richtung bewegt und dass wir nur zufällig einen Teil des Kosmos mit einem einzigen, lokal definierten Zeitpfeil bewohnen, ist nicht neu. Bereits 2004 hat Carroll zusammen mit seiner Doktorandin Jennifer Chen einen ähnlichen Vorschlag gemacht, der auf der ewigen Inflation basiert, einem relativ bekannten Modell für den Beginn des Universums. Carroll sieht die Arbeit von Koslowski und seinen Kollegen als einen nützlichen Schritt, zumal sie die mathematischen Details ihres Modells ausgearbeitet haben (er und Chen nicht). Dennoch hat er einige Bedenken. Zum Beispiel sagte er, dass es nicht klar ist, dass die Schwerkraft eine so wichtige Rolle spielt, wie ihr Papier behauptet. „Wenn man nur Teilchen im leeren Raum hätte, würde man genau das gleiche qualitative Verhalten erhalten“, sagte er.
Die zunehmende Komplexität, so Koslowski, hat einen entscheidenden Nebeneffekt: Sie führt zur Bildung bestimmter Anordnungen von Materie, die ihre Struktur über die Zeit beibehalten. Diese Strukturen können Informationen speichern; Koslowski nennt sie „Datensätze“. Die Schwerkraft ist die erste und primäre Kraft, die die Bildung von Aufzeichnungen ermöglicht; andere Prozesse lassen dann alles von Fossilien über Baumringe bis hin zu schriftlichen Dokumenten entstehen. Was alle diese Gebilde gemeinsam haben, ist, dass sie Informationen über einen früheren Zustand des Universums enthalten. Ich fragte Koslowski, ob in Gehirnen gespeicherte Erinnerungen eine weitere Art von Aufzeichnungen sind. Ja, sagte er. „Idealerweise könnten wir immer komplexere Modelle bauen und kämen schließlich zu dem Speicher in meinem Telefon, dem Speicher in meinem Gehirn, in den Geschichtsbüchern.“ Ein komplexeres Universum enthält mehr Aufzeichnungen als ein weniger komplexes Universum, und das, so Koslowski, ist der Grund, warum wir uns an die Vergangenheit erinnern, aber nicht an die Zukunft.
Aber vielleicht ist die Zeit noch fundamentaler als das. Für George Ellis, Kosmologe an der Universität von Kapstadt in Südafrika, ist die Zeit eine grundlegendere Entität, die man verstehen kann, wenn man sich das Blockuniversum als sich selbst entwickelnd vorstellt. In seinem Modell des „evolvierenden Blockuniversums“ ist das Universum ein wachsendes Volumen von Raum-Zeit. Die Oberfläche dieses Volumens kann man sich als den gegenwärtigen Moment vorstellen. Die Oberfläche repräsentiert den Moment, in dem „die Unbestimmtheit der Zukunft in die Bestimmtheit der Vergangenheit übergeht“, wie er es beschrieb. „Die Raumzeit selbst wächst, während die Zeit vergeht.“ Man kann die Richtung der Zeit erkennen, indem man sich anschaut, welcher Teil des Universums fest ist (die Vergangenheit) und welcher sich verändert (die Zukunft). Obwohl einige Kollegen anderer Meinung sind, betont Ellis, dass es sich bei dem Modell um eine Modifikation und nicht um eine radikale Überarbeitung der Standardansicht handelt. „Es handelt sich um ein Blockuniversum mit einer Dynamik, die durch die Feldgleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie abgedeckt wird – ein absoluter Standard – aber mit einer zukünftigen Grenze, die die sich ständig verändernde Gegenwart ist“, sagte er. Während die Vergangenheit in dieser Sichtweise fest und unveränderlich ist, ist die Zukunft offen. Das Modell „stellt das Vergehen der Zeit offensichtlich zufriedenstellender dar als das übliche Block-Universum“, sagte er.
Im Gegensatz zur traditionellen Block-Ansicht scheint Ellis‘ Bild ein Universum mit einer offenen Zukunft zu beschreiben – scheinbar im Widerspruch zu einem gesetzesgesteuerten Universum, in dem vergangene physikalische Zustände zukünftige Zustände diktieren. (Obwohl die Quantenunsicherheit, wie Ellis betonte, ausreichen könnte, um eine solche deterministische Sichtweise zu Fall zu bringen.) Auf der Konferenz fragte jemand Ellis, ob man mit genügend Informationen über die Physik einer Kugel mit einem bestimmten Radius, die Anfang Juni in den britischen Midlands zentriert war, das Ergebnis der Brexit-Abstimmung hätte vorhersagen können. „Nicht mit Hilfe der Physik“, antwortete Ellis. Dafür, so Ellis, bräuchten wir ein besseres Verständnis davon, wie der Verstand funktioniert.
Ein anderer Ansatz, der darauf abzielt, den scheinbaren Lauf der Zeit mit dem Block-Universum in Einklang zu bringen, trägt den Namen Kausalmengen-Theorie. Sie wurde in den 1980er Jahren von dem Physiker Rafael Sorkin – der ebenfalls an der Konferenz teilnahm – als Ansatz zur Quantengravitation entwickelt und basiert auf der Idee, dass die Raumzeit nicht kontinuierlich, sondern diskret ist. Obwohl das Universum auf der makroskopischen Ebene kontinuierlich erscheint, würden wir, wenn wir bis zur so genannten Planck-Skala (Entfernungen von etwa 10-35 Metern) hinunterblicken könnten, entdecken, dass das Universum aus elementaren Einheiten oder „Atomen“ der Raumzeit aufgebaut ist. Die Atome bilden das, was Mathematiker eine „teilweise geordnete Menge“ nennen – eine Anordnung, in der jedes Element mit einem benachbarten Element in einer bestimmten Reihenfolge verknüpft ist. Die Anzahl dieser Atome (im sichtbaren Universum schätzungsweise 10240) ergibt das Volumen der Raumzeit, während ihre Abfolge die Zeit ergibt. Nach dieser Theorie entstehen ständig neue Raum-Zeit-Atome. Fay Dowker, Physikerin am Imperial College London, bezeichnete dies auf der Konferenz als „akkumulative Zeit“. Sie lud dazu ein, sich die Raumzeit so vorzustellen, dass neue Raumzeit-Atome hinzukommen, in etwa analog zu einem Meeresboden, der im Laufe der Zeit neue Schichten von Sediment ablagert. Die allgemeine Relativitätstheorie liefert nur einen Block, aber kausale Mengen scheinen ein „Werden“ zu ermöglichen, sagte sie. „Das Block-Universum ist eine statische Sache – ein statisches Bild der Welt -, während dieser Prozess des Werdens dynamisch ist.“ In dieser Sichtweise ist der Lauf der Zeit eher ein fundamentales als ein emergentes Merkmal des Kosmos. (Die Kausalmengen-Theorie hat zumindest eine erfolgreiche Vorhersage über das Universum gemacht, so Dowker, indem sie verwendet wurde, um den Wert der kosmologischen Konstante nur auf der Grundlage des Raum-Zeit-Volumens des Universums zu schätzen.)
Das Problem mit der Zukunft
Angesichts dieser konkurrierenden Modelle scheinen viele Denker aufgehört zu haben, sich Sorgen zu machen und gelernt zu haben, das Blockuniversum zu lieben (oder zumindest zu tolerieren).
Die vielleicht stärkste Aussage, die auf der Konferenz zugunsten der Kompatibilität des Blockuniversums mit der alltäglichen Erfahrung gemacht wurde, kam von dem Philosophen Jenann Ismael von der Universität von Arizona. So wie Ismael es sieht, birgt das Blockuniversum, richtig verstanden, die Erklärung für unsere Erfahrung des scheinbaren Vergehens der Zeit in sich. Ein sorgfältiger Blick auf die konventionelle Physik, ergänzt durch das, was wir in den letzten Jahrzehnten von der Kognitionswissenschaft und der Psychologie gelernt haben, kann „den Fluss, das Rauschen, der Erfahrung“ wiederherstellen, sagte sie. In dieser Sichtweise ist die Zeit keine Illusion – wir erleben sie sogar direkt. Sie zitierte Studien, die zeigen, dass jeder Moment, den wir erleben, ein endliches Zeitintervall darstellt. Mit anderen Worten: Wir leiten den Fluss der Zeit nicht ab, er ist Teil der Erfahrung selbst. Die Herausforderung bestehe darin, diese Ich-Erfahrung in den statischen Block der Physik einzuordnen – zu untersuchen, „wie die Welt aus dem sich entwickelnden Bezugsrahmen eines eingebetteten Wahrnehmers aussieht“, dessen Geschichte durch eine Kurve innerhalb der Raum-Zeit des Block-Universums dargestellt wird.
Ismaels Präsentation stieß auf gemischte Reaktionen. Carroll sagte, er stimme mit allem überein, was sie gesagt habe; Elitzur sagte, er habe während ihres Vortrags „schreien wollen“. (Er stellte später klar: „Wenn ich meinen Kopf gegen die Wand schlage, dann nur, weil ich die Zukunft hasse.“) Ein Einwand, der während der Konferenz oft geäußert wurde, war, dass das Blockuniversum in irgendeiner wichtigen Weise zu implizieren scheint, dass die Zukunft bereits existiert, obwohl Aussagen über, sagen wir, das Wetter am nächsten Donnerstag weder wahr noch falsch sind. Für manche scheint dies ein unüberwindbares Problem mit der Block-Universums-Ansicht zu sein. Ismael hatte diese Einwände schon oft gehört. Zukünftige Ereignisse existieren, sagte sie, sie existieren nur nicht jetzt. „Das Blockuniversum ist kein sich veränderndes Bild“, sagte sie. „Es ist ein Bild der Veränderung.“ Dinge geschehen, wenn sie geschehen. „Dies ist ein Moment – und ich weiß, dass jeder hier das hassen wird – aber die Physik könnte etwas Philosophie gebrauchen“, sagte sie. „Es gibt eine lange Geschichte der Diskussion über den Wahrheitswert zukünftiger kontingenter Aussagen – und das hat wirklich nichts mit der Erfahrung der Zeit zu tun.“ Und für diejenigen, die mehr lesen wollten? „Ich empfehle Aristoteles“, sagte sie.
Korrektur: Eine Bildunterschrift wurde am 25. Juli 2016 überarbeitet, um die Schreibweise von Jenann Ismaels Namen zu korrigieren.
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