Vorwärts immer, rückwärts nimmer Was ist Zeit?

Was genau ist Zeit? Ist Zeit absolut oder verläuft sie an jedem Ort anders? Gibt es für Zeit nur eine Richtung oder kann Zeit auch rückwärts laufen? Und in welchem Verhältnis stehen Zeit und Raum? Eine Zeit-Erklärung anhand der Kern-, Gravitations- und Astrophysik.

Symbolbild: Relativitätstheorie Raumzeit
In der Raumzeit verläuft die Zeit an jedem Ort im Universum anders. Bildrechte: imago/Panthermedia

Was ist eigentlich Zeit? Ausgerechnet der Begründer der Relativitätstheorie, Albert Einstein (1879-1955), hat die physikalische Größenart Zeit mit einem verblüffend einfachen Satz beschrieben, der auch von einem Grundschulkind stammen könnte: "Zeit ist das, was man an der Uhr abliest."

Der englische Naturforscher Isaac Newton (1643-1727), der Anfang des 18. Jahrhunderts den später durch die Relativitätstheorie widerlegten Begriff einer "absoluten Zeit" prägte, hätte mit Einsteins Satz vermutlich auch gut leben können.

Zeit und Raum nicht zu trennen

Albert Einstein, 1921, Fotografie von Ferdinand Schmutzer
Erst durch die von Einstein begründete Relativitätstheorie wurden Raum und Zeit als Einheit gesehen. Bildrechte: Ferdinand Schmutzer (1870–1928)

Und dennoch sind Einsteins und Newtons Zeit-Definitionen zwei völlig verschiedene Dinge. Während Newton behauptete, Zeit sei absolut und verlaufe überall im Universum gleich und ohne jeden Bezug auf einen äußeren Beobachter, ist die Zeit nach der von Einstein begründeten Relativitätstheorie vom Raum nicht zu trennen. Seit dem Urknall gilt: Ohne Raum keine Zeit und ohne Zeit kein Raum.

Stattdessen bilden beide Begriffe die vierdimensionale Raumzeit, auch Raum-Zeit-Kontinuum genannt. Zeit ist dabei eine der vier Dimensionen, erklärt der Kernphysiker Steffen Turkat von der TU Dresden: "Zeit ist genau wie der Raum, der aus X-, Y- und Z-Komponente besteht. Und die Zeit ist eine vierte Komponente der sogenannten Raumzeit."

Gravitation krümmt den Raum

Verzerrungen im Weltraum durch Erde und Mond Raumzeit
Auch die Gravitationsfelder von Erde und Mond beeinflussen die Raumzeit. Bildrechte: imago/Science Photo Library

Sprich Höhe, Breite und Tiefe des Raumes bilden mit der Dimension Zeit eine untrennbare Einheit. Daraus wiederum ergibt sich, dass Zeit – anders als von Newton behauptet – niemals absolut sein kann. Stattdessen ist die Zeit genauso formbar wie der Raum. Die Schwerkraft der Himmelskörper krümmt den Raum und die Geschwindigkeit staucht und dehnt ihn. Und die Zeit spielt dieses Spiel mit.

Daraus wiederum ergibt sich, dass Zeit an jedem Ort und für jeden anders verläuft. "Überall, wo sich jemand befindet, kann der seine eigene Zeit definieren. Zeit ist etwas Lokales", erklärt Kernphysiker Turkat. Doch zugleich betont der Dresdner Wissenschaftler auch: "Unser Zeitpfeil läuft vorwärts. Für alle Teilchen und Antiteilchen."

Zeitpfeil läuft immer vorwärts

Prof. Hermann Nicolai
Gravitationsphysiker Nicolai: "Zeitbegriff sehr relativ." Bildrechte: Prof. Hermann Nicolai, MPI für Gravitationsphysik Potsdam

Zeit beschreibt also auch die Abfolge von Ereignissen, hat also eine eindeutige, unumkehrbare Richtung. Doch wie geht das mit der festgestellten Individualität von Zeit zusammen? Selbst gestandene Experten tun sich da nicht ganz leicht: "Es ist sehr schwierig von einem kontinuierlichen Fortschreiten der Zeit zu sprechen, wenn dieser Zeitbegriff an sich ein sehr relativer Begriff ist, der für jedes Ding, für jedes Teilchen separat definiert werden muss", räumt der Direktor des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Potsdam, Prof. Hermann Nicolai, ein.

Nicht spürbar aber messbar

Astronaut im Raumanzug auf dem Mond.
Selbst für Mond-Astronaut Buzz Aldrin tickte die Uhr ähnlich wie auf der Erde. Bildrechte: NASA

Und dennoch geht beides zusammen. Vom Einfluss des Raumes auf die Zeit merken wir auf der Erde allerdings nichts. Das Schneckentempo unserer Raketen und Düsenflugzeuge beeinflusst die Zeit nicht spürbar. Selbst für die Astronauten, die auf dem Mond waren, tickten die Uhren ähnlich wie auf der Erde. Und doch sind die Effekte von Schwerkraft und Geschwindigkeit auf die Zeit messbar. Je geringer die Schwerkraft wird, desto schneller vergeht die Zeit. Schon die 33 Zentimeter einer Treppenstufe machen einen Unterschied. Der Bewohner im obersten Stockwerk eines Hochhauses altert in 80 Jahren 90-millionstel Sekunden schneller als der im Parterre.

Keine Navigationsgeräte ohne Raumkomponenten

Die Erde in der Verbindung von Raum Zeit und Gravitation (Raumzeit )
Die Erde im Raum-Zeit-Gefüge: Ohne Berücksichtigung von Zeitdifferenzen kein Navigationssystem. Bildrechte: imago images / Panthermedia

Weil derartige Zeiträume in unserer winzigen irdischen Realität aber keine Rolle spielen, erscheint für uns die Zeit überall gleich - obwohl sie es nicht ist. Erst diese Erkenntnis macht Navigationsgeräte möglich. Die funktionieren nämlich nur, weil sie die von den Komponenten Höhe, Geschwindigkeit und Entfernung verursachten Zeitdifferenzen berücksichtigen, erklärt der Astrophysiker Harald Lesch: "Also jedes Mal, wenn Ihnen diese Stimme im Auto sagt: 'Sie haben ihr Ziel erreicht', dann haben auch die Allgemeine und die Spezielle Relativitätstheorie ihr Ziel erreicht."

Extreme Geschwindigkeiten und Kräfte

Autostraße mit Lichtstreifen
Erst extreme Geschwindigkeiten wie die Lichtgeschwindigkeit machen Veränderungen spürbar. Bildrechte: imago/STPP

Riesig werden die Veränderungen von Raum und Zeit erst bei extremen Geschwindigkeiten und Gravitationskräften, wie das Beispiel Lichtgeschwindigkeit zeigt. "Es gibt Teilchen, für die bewegt sich die Zeit gar nicht fort. Lichtteilchen, also Photonen, bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit. Für die steht die Zeit still", erklärt Gravitationsphysiker Nicolai.

Hieße also: Würde man für kurze Zeit mit Lichtgeschwindigkeit reisen, könnte man nach der Rückkehr seinen Urenkel noch im Altenheim besuchen. Solche Gedankenspiele sind aber genauso Theorie wie Antimaterie, die rückwärts in der Zeit läuft, oder Zeitschleifen, die im Horizont des Schwarzen Loches existieren.

Zeit als qualitative Dimension

Prof. Dr. Harald Lesch, lächelnd, im Interview.
Lesch: "Unglaublicher Unterschied zwischen Raum und Zeit." Bildrechte: MITTELDEUTSCHER RUNDFUNK

Für Astrophysiker Lesch steht jedenfalls fest: In einer Welt, in der der Zeitpfeil nicht stets in Richtung Zukunft verläuft, könnten wir Menschen gar nicht existieren: "Es gibt einen unglaublichen Unterschied zwischen Raum und Zeit. Wir können zweimal an den gleichen Ort aber niemals an die gleiche Zeit. Das heißt: Zeit ist eine qualitative Dimension und Raum ist eine quantitative Dimension."

Einsteins einfachen Satz ficht das nicht an: "Zeit ist das, was man an der Uhr abliest." Tatsächlich würde eine perfekt gestellte Uhr genau jene Zeit anzeigen, die genau für diesen einen Ort gilt. Die Schwingungen der Atome, die als Grundlage unserer modernen Zeitmessung dienen, geben den Einfluss von Gravitation und Geschwindigkeit auf die Zeit wieder. Auch wir leben in der Raumzeit, auch wenn wir davon nichts mitbekommen.

Dieses Thema im Programm: MDR FERNSEHEN | 25. November 2017 | 15:00 Uhr