Einführung Kirchenvater Augustinus Galileo Galilei Albert Einstein Aristoteles Gottfried Wilhelm Leibniz Ernst Mach Platon Isaac Newton Galilei

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1 In dieser Gruppe biete ich Ihnen einige Texte an, in denen sich Physiker Gedanken über das Wesen der Zeit machen. Ich hoffe, dass durch die vorliegenden Leseproben Ihr Interesse geweckt wird und freue mich darauf, mit Ihnen zu diskutieren. Corinna Klein Einführung Was ist denn die Zeit? Wenn mich niemand danach fragt, weiß ich es; will ich es einem Fragenden erklären, weiß ich es nicht, hat der Kirchenvater Augustinus vor über 1500 Jahren geschrieben. Seither hat die Zeit kaum etwas von ihrem Rätsel verloren. Nicht einmal über den Status von Raum und Zeit herrscht Einigkeit: Sind Raum und Zeit eigenständige Gegenstände beziehungsweise Dinge? Eigenschaften von Gegenständen? Relationen zwischen Gegenständen? Sachverhalte? Angeborene Anschauungs- oder Denkformen des menschlichen Geistes und Bedingungen der Möglichkeit von Erfahrung überhaupt, nicht aber etwas Objektives außerhalb der subjektiven Wirklichkeit? Konstrukte unseres Gehirns, Bewusstseins oder der Grammatik unserer Sprache? In der Physik ist die Zeit (t) spätestens seit Galileo Galilei eine Variable in den Gleichungen wie h = 1/2.g.t² und v = g.t. Dabei bezeichnet h die Höhe, g die Schwerebeschleunigung und v die Fallgeschwindigkeit. Damit wird die Zeit operationalisiert- was später Albert Einstein mit seinem Bonmot ausdrückte, Zeit sei das, was die Uhr anzeigt. Das verschleiert freilich eine tiefe Kontroverse in der Physik und Philosophie: Dem Reduktionismus oder Relationismus der Zeit zufolge, wie ihn etwa Aristoteles, Gottfried Wilhelm Leibniz und Ernst Mach verfochten, existiert Zeit nur, weil und wenn es Veränderungen und somit Beziehungen zwischen Dingen gibt. Laut Platonismus oder Absolutismus der Zeit, favorisiert beispielsweise von Platon und Isaac Newton, kann Zeit auch ohne Veränderung vergehen. Es wäre also möglich, dass das ganze Universum erstarrt und trotzdem eine leere Zeit verstreichtvielleicht Milliarden Jahre zwischen dem Lesen dieses Satzes und des nächsten. Unsere gegenwärtigen Vorstellungen über die Bewegung von Körpern gehen zurück auf Galilei und Newton.(Vorher hielt man sich an Aristoteles, der sagte, der natürliche Zustand eines Körpers sei die Ruhe und man könnte die Gesetze, die das Universum bestimmen, allein durch das Denken ausfindig machen und es sei nicht notwendig, sie durch Beobachtungen zu überprüfen). Galilei ließ verschieden schwere Kugeln eine glatte Schräge hinunterrollen. Die Situation ist ähnlich wie bei senkrecht fallenden schweren Körpern, aber leichter zu beobachten, weil die Geschwindigkeiten geringer sind. Galileis Messungen bildeten die Grundlage der Bewegungsgesetze, die Newton entwickelte. Ein Körper auf den keine Kraft einwirkt, bewegt sich geradlinig mit konstanter Geschwindigkeit fort. Ein Körper, auf den eine Kraft wirkt, wird beschleunigt, wobei die Beschleunigung proportional zur Kraft und antiproportional zur Masse des Körpers ist. (F = m.a) Sowohl Aristoteles als auch Newton glaubten an eine absolute Zeit. Das heißt, sie meinten, man könnte das Zeitintervall zwischen zwei Ereignissen eindeutig bestimmen, und diese Zeit wäre stets die gleiche, wer auch immer sie messe, - vorausgesetzt, es würden gute Uhren

2 verwendet. Das war im Einklang mit Newtons Gesetzen und entsprach nach Ansicht der meisten Menschen auch dem gesunden Menschenverstand. Doch im 20. Jahrhundert wurde den Menschen klar, dass sie ihre Vorstellungen über Zeit und Raum verändern mussten. Unsere scheinbar vernünftigen Alltagserfahrungen bewähren sich zwar im Umgang mit Dingen wie Äpfel oder Planeten, die sich vergleichsweise langsam bewegen, versagen aber bei Objekten, die mit oder fast mit Lichtgeschwindigkeit reisen. Dass Licht sich mit einer endlichen, wenn auch sehr hohen Geschwindigkeit bewegt, wurde erstmals 1676 von Ole Christensen Roemer aus der Beobachtung der Jupitermonde geschlossen. Man geht heute von Kilometern pro Sekunde aus. Eine zufrieden stellende Theorie über die Ausbreitung des Lichts schlug erst 1865 der englische Physiker James Clerk Maxwell vor, dem es gelang zu zeigen, dass es im elektromagnetischen Feld zu wellenartigen Störungen kommen kann und dass diese sich mit einer konstanten Geschwindigkeit wie Wellen in einem Teich bewegen. Als er diese Geschwindigkeit berechnete, stellte er fest, dass sie exakt der Lichtgeschwindigkeit entsprach! Heute wissen wir, dass Maxwells Wellen für das Auge sichtbar sind, wenn sie eine Wellenlänge von vierzig und achtzig Millionstelmeter haben. Aus Maxwells Theorie folgte, dass sich Radio- oder Lichtwellen mit einer bestimmten konstanten Geschwindigkeit bewegen. Das lässt sich schwer mit Newtons Theorie in Einklang bringen. Dazu ein Beispiel: Stellen Sie sich vor, Sie fahren auf der Autobahn mit 100 km/h und werden von einem Sportwagen, der 200 km/h fährt, überholt. Aus Ihrer Sicht befinden Sie sich im Auto in Ruhe, während der Sportwagen mit 100 km/h an Ihnen vorbeifährt. Käme Ihnen der Sportwagen entgegen, hätte er aus Ihrer Sicht die Geschwindigkeit von 300 km/h. Ersetzt man nun den Sportwagen mit einem Lichtstrahl, dann misst man für die Geschwindigkeit des Lichts immer den gleichen Wert, unabhängig davon, ob der Strahl das Auto einholt oder von vorne auf es zukommt, unabhängig auch ob man im Auto fährt oder am Straßenrand steht. Albert Einstein veröffentlichte 1905 seine neuen Ideen zur speziellen Relativitätstheorie, die zusammen mit der 1916 veröffentlichten allgemeinen Relativitätstheorie das klassische Weltbild der Physik völlig veränderte. Die klassische Physik ist aber dadurch nicht hinfällig geworden, sondern wird von der modernen Physik als ein Teilbereich mit eingeschlossen. Leseprobe 1: Stephen Hawking: Die kürzeste Geschichte der Zeit, Kapitel 5, Relativitätstheorie Die Bedingung beispielsweise, dass alle Beobachter Einigkeit darüber erzielen müssen, wie schnell das Licht sich bewegt, zwingt uns, unseren Zeitbegriff zu verändern. ( ) Die Relativitätstheorie verlangt von uns, die absolute Zeit aufzugeben! Stattdessen muss jeder Beobachter sein eigenes Zeitmaß haben, das von seiner mitgeführten Uhr gemessen wird. Baugleiche Uhren, die von verschiedenen Beobachtern getragen werden, müssen in ihren Angaben nicht unbedingt übereinstimmen. Die Relativitätstheorie zwingt uns, unsere Vorstellungen von Raum und Zeit grundlegend zu verändern. Wir müssen uns mit dem Gedanken anfreunden, dass die Zeit nicht völlig losgelöst und unabhängig vom Raum existiert, sondern sich mit ihm zu einem Gebilde verbindet, dass wir Raumzeit nennen. Diese Ideen sind nicht unmittelbar einleuchtend. Die Relativitätstheorie brauchte Jahre, um sich in der physikalischen Gemeinschaft durchzusetzen. Es ist ein Beweis für Einsteins Vorstellungskraft, dass er in der Lage war, die Theorie zu entwickeln, und für sein Vertrauen in die eigene Logik, dass er sie zu Ende dachte, trotz der seltsamen Konsequenzen, die sich aus ihr zu ergeben schienen.

3 Leseprobe 2: Stephen Hawking: Die kürzeste Geschichte der Zeit, Kapitel 6, Gekrümmter Raum Einsteins allgemeine Relativitätstheorie ging von dem revolutionären Vorschlag aus, die Gravitation sei nicht eine Kraft, wie andere Kräfte. Man müsse sie vielmehr als eine Folge des Umstands betrachten, dass die Raumzeit nicht eben sei, wie man bis dahin angenommen hatte, sondern gekrümmt oder verzerrt durch die Verteilung der Massen und Energien in ihr. Körper wie die Erde würden nicht durch eine Kraft, Gravitation genannt, dazu gebracht, sich auf gekrümmten Bahnen zu bewegen; sie folgen vielmehr der besten Annäherung an eine geradlinige Bahn, die in einem gekrümmten Raum möglich sei, einer so genannten Geodäte. Leseprobe 3: Stephen Hawking: Das Universum in der Nussschale, Kapitel 2, Die Form der Zeit Die Gummituchanalogie: die große Kugel in der Mitte stellt einen massereichen Körper dar, beispielsweise einen Stern. Sein Gewicht krümmt das Tuch in seiner Umgebung. Die kleinen Kugeln, die auf dem Tuch rollen, werden von der Krümmung abgelenkt und umrunden die große Kugel, ähnlich wie Planeten im Gravitationsfeld eines Sterns diesen umkreisen. Leseprobe 4: Bild der Wissenschaft 1/2008, Gestern und morgen sind eins

4 Leseprobe 5: Stephen Hawking: Das Universum in der Nussschale, Kapitel 2, Die Form der Zeit Einsteins Relativitätstheorie, die durch eine große Zahl von Experimenten bestätigt wird, zeigt, dass< Zeit und Raum unauflöslich miteinander verknüpft sind. Man kann den Raum nicht krümmen, ohne die Zeit einzubeziehen. Folglich hat auch die Zeit gewissermaßen eine Form. Doch sie scheint nach wie vor nur eine einzige Richtung zu haben, wie die Lokomotiven in der Abbildung zeigen. Leseprobe 6: Bild der Wissenschaft 1/2008, Die mysteriöse Richtung der Zeit Viele Vorgänge in der Natur sind nicht umkehrbarkreisförmige Wasserwellen etwa, die von einem auftreffenden Tropfen ausgehen. Diese Asymmetrie in der Zeit gehört zu den größten Rätseln der Physik.

5 Leseprobe 5: Stephen Hawking: Das Universum in der Nussschale, Kapitel 2, Die Form der Zeit Die Zeit als Eisenbahngleis. Aber ist se6ie ein Hauptgleis, das nur in eine Richtung fährtnämlich die Zukunft-, oder kann sie sich in einer Schleife nach rückwärts wenden und an einer zurückliegenden Weiche wieder auf das Hauptgleis gelangen? Leseprobe 6: Stephen Hawking: Die kürzeste Geschichte der Zeit, Kapitel 10, Wurmlöcher und Zeitreisen Es ist möglich in die Zukunft zu reisen. Die Relativitätstheorie zeigt, dass es möglich ist, eine Zeitmaschine zu konstruieren, die in der Zeit vorwärts springt. Sie steigen in die Zeitmaschine ein, warten ein Weilchen, steigen aus und stellen fest, dass auf der Erde viel mehr Zeit verstrichen ist als für Sie. ( ) Da, wie gesagt Zeit und Raum miteinander zusammenhängen, wird es Sie nicht überraschen, dass die Frage, ob Zeitreisen in die Vergangenheit möglich sind, eng mit der Frage zusammenhängt, ob wir schneller als das Licht reisen können oder nicht. Dass Zeitreisen Überlichtgeschwindigkeiten ermöglichen, liegt auf der Hand: Wenn Sie aus der letzten Phase Ihres Ausflugs eine Reise in die Vergangenheit machen, können sie Ihre Expedition insgesamt in beliebig kurzer Zeit absolvieren, daher wären Sie in der Lage mit unbegrenzter Geschwindigkeit zu reisen! Doch wie wir sehen werden, lässt sich der Schluß auch umkehren: Wenn Sie sich mit unbegrenzter Geschwindigkeit bewegen, können Sie auch in der Zeit zurückreisen.( ) Allerdings dürfte es nicht ganz leicht sein, die Schranke der Lichtgeschwindigkeit zu überwinden. Nach der Relativitätstheorie wird die Antriebsenergie, die erforderlich ist, um ein Raumschiff zu beschleunigen umso größer je näher es der Lichtgeschwindigkeit kommt. ( ) Für Raumschiffe gilt dasselbe wie für Elementarteilchen: egal, wie viel Antriebsenergie sie besitzen, über die Lichtgeschwindigkeit hinaus können sie nicht beschleunigen. (.) Doch es gibt einen Ausweg. Möglicherweise kann man die Raumzeit so stark krümmen, dass eine Abkürzung zwischen A und B entsteht. Unter anderem ließe sich dies durch die Schaffung eines Wurmloches zwischen A und B bewerkstelligen. Wie der Name erkennen lässt, ist ein Wurmloch eine dünne Röhre, ein schmaler Gang in der Raumzeit, der zwei weit auseinander liegende, nahezu flache Regionen verbinden kann