Zeit

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Zeit in der Physik

In der Physik ist Zeit (Formelzeichen: t) die fundamentale Größe, über die sich die Dauer von Vorgängen und die Reihenfolge von Ereignissen bestimmen lassen. Im SI-Einheitensystem wird Zeit in Sekunden (Einheitenzeichen s) gemessen. Daraus leiten sich die Einheiten Minute, Stunde, Tag, Woche, Monat, Jahr, Jahrzehnt, Jahrhundert und Jahrtausend ab.

Das Fließen der Zeit aus naturwissenschaftlicher Sicht

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 von der Vergangenheit in Richtung Zukunft zu bewegen scheint. Dieses Phänomen wird auch als das Fließen der Zeit bezeichnet. Dieses Fließen der Zeit entzieht sich jedoch einer physikalischen Betrachtung, wie im folgenden dargelegt wird.

Die Zeit hat in der Physik den gleichen Stellenwert wie der Raum. Die Physik besagt lediglich, dass unter allen denkbaren Strukturen in einem Koordinatensystem aus drei Raum- und einer Zeitkoordinate nur solche möglich sind, die den physikalischen Gesetzen gehorchen. Dabei könnte es sich ebenso gut um unbewegliche Strukturen in einem vierdimensionalen Raum handeln, die bestimmten geometrischen Randbedingungen unterworfen sind. 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 oder irgend einer anderen überhaupt präzise beschrieben werden könnte.

So gibt beispielweise die Aussage, dass die Zeit fließe, nur dann einen Sinn, 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. (siehe auch Kritik der reinen Vernunft).

Das scheinbare Fließen der Zeit wird daher von den meisten Physikern und Philosophen als ein rein subjektives Phänomen oder gar als Illusion angesehen. Man geht davon aus, dass es sehr eng mit dem Phänomen des Bewusstseins verknüpft ist, das ebenso wie dieses sich einer physikalischen Beschreibung oder gar Erklärung entzieht und zu den größten Rätseln der Naturwissenschaft und Philosophie zählt. Damit hätte unsere Erfahrung von Zeit den Stellenwert eines der Qualia in der Philosophie des Bewusstseins und hätte damit mit der Realität ebenso wenig zu tun wie der phänomenale Bewusstseinsinhalt bei der Wahrnehmung der Farbe Blau mit der zugehörigen Wellenlänge des Lichtes.

Unsere naive 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 in der newtonschen 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.“

Dieser absolute Zeitbegriff hatte bis zur Entdeckung der speziellen Relativitätstheorie im Jahre 1905 Gültigkeit. Er liegt auch heute noch dem menschlichen Alltagsempfinden des Phänomens Zeit zugrunde.

Zeit in der Relativitätstheorie

Durch die Entdeckungen in Zusammenhang mit der Relativitätstheorie musste dieser absolute Zeitbegriff aufgegeben werden. So beurteilen Beobachter, die sich relativ zueinander bewegen, zeitlich Abläufe unterschiedlich. Das betrifft sowohl die Gleichzeitigkeit von Ereignissen, die an verschiedenen Orten stattfinden, als auch die Geschwindigkeit des zeitlichen Ablaufs. Da kein absolut ruhendes Koordinatensystem definierbar ist, gibt die Frage, welcher Beobachter die Situation korrekt beurteilt, keinen Sinn. Man ordnet daher jedem Beobachter seine so genannte Eigenzeit zu. Ferner beeinflusst die Anwesenheit von Massen den Ablauf der Zeit, so dass sie an verschiedenen Orten im Gravitationsfeld unterschiedlich schnell verstreicht. Damit ist selbst Newtons Annahme, die Zeit verflösse 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 den Drehungen nahe verwandt sind. Damit lassen sich Raum und Zeit nicht mehr eindeutig trennen, sondern scheinen sich in gewisser Weise zu mischen. Die Folge sind Phänomene wie Relativität der Gleichzeitigkeit, Zeitdilatation und Längenkontraktion. Allerdings läßt sich die Zeitachse nicht umdrehen, d. h. Vergangenheit und Zukunft können nicht ausgetauscht werden.

Zeit ist in der Relativitätstheorie nicht unbedingt 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. Nach Stephen W. Hawking hat es einen Zeitpunkt 1 Sekunde vor dem Urknall ebenso wenig gegeben wie eine Stelle 1 km nördlich des Nordpols. Danach hätte es in gewissen 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 wäre physikalisch sinnlos. Dieser Aspekt ist von erheblicher Relevanz für Philosophie und Religion hinsichtlich des Verständnisses des Begriffs Schöpfung, 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.

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.

Im Rahmen der Relativitätstheorie wird die zeitliche Reihenfolge zweier Ereignisse, die an verschiedenen Orten schnell genug aufeinander folgen, von verschiedenen 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 wäre daher 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 von ihrer Existenz hat daher heute kaum noch Anhänger.

Die 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 Kontinuum verliert. So führt die konsequente Anwendung der bekannten physikalischen Gesetze 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 (siehe Planck-Einheiten). 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.

Zur Symmetrie der beiden Richtungen der Zeit

Die Grundgesetze der Physik, die Phänomene unseres Alltags beschreiben, sind invariant bezüglich einer Inversion 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 beliebig unwahrscheinlich.

Der Hintergrund dieses Umstandes ist eine Wahrscheinlichkeitsüberlegung, die im zweiten Hauptsatz der Thermodynamik 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 Rolle eines Postulats. Die beiden Richtungen der Zeit verlieren damit ihre Gleichwertigkeit, und man spricht vom thermodynamischen Zeitpfeil. Er wird als die 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 bzw. Unumkehrbarkeit der Zeit die Rede. Dabei handelt es sich jedoch um eine sprachliche bzw. logische Ungenauigkeit. Könnte jemand die Zeit umkehren, dann sähe er sämtlich Vorgänge rückwärts ablaufen. Dieser umgekehrte Lauf der Zeit wäre aber nur aus der Sicht eines Beobachter erkennbar, der einer Art persönlicher Zeit unterworfen ist, die weiterhin unverändert vorwärts läuft. Eine solche Spaltung der Zeit in eine, die einem Experiment bzw. Gedankenexperiment 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.

Im Rahmen des Formalismus der Beschreibung von Antimaterie sind Antiteilchen gleichwertig zu gewöhnliche 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.

Zeit in der Astronomie

In der Astronomie ist die Zeitmessung eine der ältesten Zweige (siehe Uhr). Dort wird zwischen einem Sonnentag und einem Sterntag unterschieden (die sich im Jahr um einen Tag unterscheiden, je nach Referenz). Der Sonnentag entspricht nicht exakt den Sekunden nach SI, was zu Schaltsekunden führt. Diese Probleme führten zur Einführung von verschiedenen Zeitskalen:

TCB ist die Eigenzeit des Schwerkraftzentrums des Sonnensystems.
TCG gibt die Eigenzeit im Mittelpunkt der Erde an

siehe auch: Zeitdimension, Uhr, GMT, MESZ (Mitteleuropäische Sommerzeit)

Zeit in der Literatur

In der Literatur, besonders der Science-Fiction werden Abweichungen vom Fluss der Zeit behandelt. Wie auch in der Physik ist Zeit Distanz zwischen Ereignissen, allerdings hier die subjektiv empfundene Distanz. Die Zeit wird allerdings nicht als kontinuierlich in einer Richtung fließend gesehen und behandelt. Das klassische und bekannteste Werk der Science-Fiction-Literatur ist Herbert George Wells Zeitmaschine, in dem durch entsprechende, nicht näher beschriebene Techniken der kontinuierliche Fluss der Zeit manipuliert werden kann. Literatur dieser Art thematisiert auf diese Weise auch das Kausalitätsprinzip.

Ein weiteres Stilmittel ist die rückwärtige Erzählung einer Geschichte. Pfeil der Zeit von Martin Amis ist hierfür ein gutes Beispiel. Im Film wurde dieses Stilmittel u. a. in Memento verwendet. Diese Erzählweise dient der Aufbrechung der Seh- und Denkgewohnheiten und problematisiert ebenfalls die deterministische Sichtweise.

Zeit in der Grammatik

In verschiedenen Sprachen gibt es unterschiedliche Zeitformen, die unterschiedlich gebildet werden. In der hochdeutschen Sprache wird die Zeit auf drei verschiedene Weisen dargestellt.

Die Zeitform des Verbs erlaubt die Unterscheidung von Gegenwart (Präsens) und Vergangenheit (Präteritum). Beispiele: Ich gehe. Ich ging.
Die Angabe von Hilfsverben (haben, sein) erlaubt die Unterscheidung von Vergangenheitsformen wie Perfekt und Plusquamperfekt. Beispiele: Ich bin gegangen. Ich war gegangen. Außerdem dienen Hilfsverben (werden) zu Darstellung der Zukunft (Futur) Beispiele: Ich werde gehen. Ich werde gegangen sein.
Möglich ist eine explizite Angabe des Zeitpunktes oder Zeitraumes. Beispiele: Jetzt gehe ich in die Schule. Morgen gehe ich in die Schule. Morgen werde ich in die Schule gehen. Es war gestern: Ich gehe da gerade die Straße entlang, da sehe ich einen Hundertzwanzigeuroschein.

Einen zeitlich anhaltenden Verlauf kann man auch mit Partizip angeben. Beispiel: Das fließende Wasser …

Zeit in der Umgangssprache

In der Umgangssprache werden meist unbewusst viele philosophische Implikationen des Zeitbegriffs ausgedrückt.

(keine) Zeit haben
Zeit vergeht (nicht)
sich (keine) Zeit nehmen
Zeit gewinnen / verlieren
Zeit totschlagen

Diese Formulierungen drücken das subjektive Zeitempfinden aus und den Bezug zu den Ereignissen, die den Fluss der Zeit bestimmen. Gleichzeitig kommt im jeweiligen Gebrauch dieser Formulierungen eine Wertung von Ereignissen, Zuständen und der eigenen Person zum Ausdruck. Die Zeit wird durch die Verwendung von Uhren zu einem auch zwischenmenschlichen Bezugssystem. Als vermeintlich neutrales Bezugssystem hat Zeit einen ähnlichen Charakter wie Geld, indem die eigene Interessenlage und relative Wertung die scheinbar objektive und neutrale Funktion fast völlig überlagert.

Zur Bedeutung der Einführung von Uhren und ihrem Verhältnis zu Werkzeugen vgl. Joseph Weizenbaum Die Macht der Computer und die Ohnmacht der Vernunft.

Zitate

Aurelius Augustinus (354-430): „Was also ist ‚Zeit‘? Wenn mich niemand danach fragt, weiß ich es; will ich es einem Fragenden erklären, weiß ich es nicht.“ (Aus: A. Augustinus, Bekenntnisse (Confessiones), 397)
Immanuel Kant (1724-1804): „Die Zeit ist kein empirischer Begriff, der irgend von einer Erfahrung abgezogen worden. [...] Die Zeit ist eine notwendige Vorstellung, die allen Anschauungen zum Grunde liegt. “ (Aus: Immanuel Kant, Kritik der reinen Vernunft, Der transzendentalen Ästhetik, Zweiter Abschnitt, Von der Zeit, 1781)

Literatur

John D. Barrow: Der Ursprung des Universums. Wie Raum, Zeit und Materie entstanden ISBN 3442150612
Stephen W. Hawking: Die illustrierte Kurze Geschichte der Zeit ISBN 3499614871