Gibt es Zeit? – Prof. Vlatko Vedral

Quelle: (12) Does Time Exist?

Ich habe kürzlich einen Vortrag zu diesem Thema am Institute of Physics in London gehalten. Bei der Veranstaltung, an der ich teilgenommen habe, ging es um verschiedene Aspekte der Zeit (Quantenphysik, Relativitätstheorie, Thermodynamik sowie die Technologie von Atomuhren). Es war mir eine große Freude, mich mit den Teilnehmern zu unterhalten und viele verschiedene Ansichten über die Bedeutung der Zeit zu hören.

Natürlich hat diese Frage auch eine psychologische Dimension, über die ich als Physiker nicht viel sagen kann (was keine Überraschung ist). Auch ich habe das Gefühl, dass Zeit real ist und sogar vergeht („eine Sekunde pro Sekunde“, wie der Physiker David Park sarkastisch bemerkt hat); dennoch finde ich es interessant, dass wir in der Physik keine dieser psychologischen Vorstellungen benötigen. Tatsächlich, und das ist der Punkt, den ich hier hervorheben möchte, existiert Zeit auf fundamentaler Ebene in keiner unserer bisherigen Theorien. Das wichtige Wort hierbei ist „bisher“, da sich dies alles ändern könnte, wenn wir eine vollständige Theorie der Quantengravitation entwickeln.

Lassen Sie mich erklären, was ich meine. Zunächst einmal messen wir Zeit niemals direkt (was auch immer das überhaupt bedeuten mag, Zeit direkt zu messen). Stattdessen verwenden wir ein anderes physikalisches System, eine Uhr, deren Positionen tatsächlich verschiedene Zeitpunkte bezeichnen. Für die frühen Menschen waren Sonne und Mond solche natürlichen Uhren, und ihre Positionen am Himmel gaben ihnen Auskunft über die Zeit. Astronomen verwenden noch immer entfernte Sterne für denselben Zweck („entfernt”, damit die Bewegung der Erde die Zeitmessung nicht beeinflusst, wie wir aus dem Durcheinander mit dem julianischen und dem gregorianischen Kalender wissen). Aber wir haben noch ausgefeiltere Methoden entwickelt, wie zum Beispiel Atomuhren. Hier messen wir, wie oft das Elektron seine Position innerhalb eines Atoms ändert. Typischerweise geschieht dies hundert Millionen Milliarden Mal pro Sekunde, was uns eine zuverlässige Zeitmessung von etwa 10^-16 Sekunden liefert. Und mittlerweile gibt es sogar noch genauere Uhren.

All dies verdeutlicht, dass wir immer die Dynamik und den Zustandswechsel eines Systems verwenden und dies als Zeitmessung bezeichnen. Auf diese Weise können wir tatsächlich die Zeit aus allen unseren grundlegenden dynamischen Gleichungen in der Physik eliminieren. Denken Sie an ein Teilchen, dessen Positionen durch x₁, x₂,…,x_N angegeben werden, während es von einer Uhr „gemessen” wird, deren Zeigerpositionen jeweils durch c₁,c_2,…c_N angegeben werden. Wir benötigen lediglich eine korrelierte Tabelle der Positionen des Teilchens im Verhältnis zu einem anderen Teilchen, das wir zufällig als Uhr bezeichnen. Dies zeigt deutlich, dass wir die Variable „t” nirgendwo in den Gleichungen benötigen. Es gibt keine Zeit und auch keinen Zeitfluss. Alles lässt sich in Fragen der Form „Wenn sich die Uhr in der Position c₁₀₀ befindet, wo ist dann das Teilchen?” zusammenfassen. Und die Tabelle sagt uns, dass das Teilchen die durch x₁₀₀ bezeichnete Position erreicht hat.

Der gleiche „Trick” funktioniert auch in der Quantenmechanik. Wir müssen den korrelierten Zustand (die klassische Korrelation wird nun zu einem verschränkten Zustand in der Quantenphysik) zwischen den Zuständen des Systems und den entsprechenden Zuständen der Uhr angeben. Diese Art der Formulierung trägt den Namen Page-Wootters, nach Don Page und Bill Wootters, die 1983 einen Artikel mit dem Titel „Evolution without evolution” (Evolution ohne Evolution) verfassten und diesen verschränkten Zustand postulierten. Aus dem Titel des Artikels geht hervor, dass sie beschreiben wollten, wie Dynamik aus dem verschränkten Zustand zwischen dem System und der Uhr entsteht, der sich selbst (der verschränkte Zustand) im Laufe der Zeit nicht verändert. Genau wie unsere korrelierte Positionstabelle im vorigen Absatz, da sich die Tabelle selbst nicht „im Laufe der Zeit verändert”.

Die magische Eigenschaft der zeitlosen Quantenformulierung der Dynamik besteht darin, dass verschiedene Zeitinstanzen nun zu verschiedenen Universen werden! Die Zeit entsteht aus der Verschränkung, genauso wie die tote und die lebende Katze durch die Verschränkung mit dem zerfallenden Atom und dem Gift im Schrödingerschen Katzen-Experiment entstehen. Das ist faszinierend, weil die Eigenschaft, sich in einem anderen Universum zu befinden (also beispielsweise eine lebende Katze statt einer toten zu sehen), nun gleichbedeutend ist mit der Existenz in einer anderen Zeit (was wir übrigens routinemäßig tun, indem wir einfach ein wenig warten).

Ok. Warum sollte die Quantengravitation all dies möglicherweise ändern? Der Grund dafür ist, dass wir immer noch nicht wissen, wie wir Einsteins allgemeine Relativitätstheorie verstehen sollen. Einige Leute sagen (und der „junge“ Einstein stimmte dem zu), dass es bei der Gravitation ausschließlich um die Krümmung der Raumzeit geht. Wenn das stimmt, müssen wir bei der Quantisierung der Gravitation auch Raum und Zeit quantisieren. Die Zeit wird somit zu einem grundlegenden, wenn auch quantenmechanischen Element der Realität. Es gibt jedoch eine andere Denkschule (und der „ältere“ Einstein stimmt ihr zu), die sagt, dass es bei der allgemeinen Relativitätstheorie um verschiedene Gravitationsfelder geht (in der Allg. Relativitätstheorie gibt es 10 davon) und dass wir, wenn wir die Gravitation quantisieren, tatsächlich alle diese Felder quantisieren müssen. Die Raumzeit würde sich daraus einfach auf die gleiche Weise ergeben, wie sich die Zeit aus dem verschränkten Zustand von Page und Wootters ergibt. Mit anderen Worten: Wenn die Gravitation letztendlich nur eine weitere Feldtheorie ist, bleibt die Zeit überflüssig, während sie, wenn die Gravitation die Krümmung der Raumzeit ist, nun grundlegend und unvermeidbar wird.

Das Schicksal der Zeit liegt also in den Händen der nächsten Revolution in der Physik. Aber eines ist sicher: Selbst die neue Revolution in der Physik wird die psychologische Komponente der Zeit nicht erklären können. Dazu müssen wir verstehen, was Bewusstsein ist und wie es funktioniert.