Optionsfach Philosophie - Der Zeitpfeil
Was ist ein Zeitpfeil?
Das Wort „Pfeil“ kann man auch als einen Richtungsvektor verstehen. Es geht also darum, ob die Zeit eine Richtung besitzt. Durch den Zeitpfeil können wir die Vergangenheit von der Zukunft unterscheiden. Es gibt verschiedene Zeitpfeile im Bezug auf unterschiedliche Zeitebenen. Ich beschreibe in den folgenden Kapiteln die verschiedenen Zeitebenen oder Welten, wie sie J.T. Fraser, der Schöpfer dieses Models nannte.
Die azeitliche Welt
Diese tiefste Ebene ist die der elektromagnetischen Strahlung. Sie besitzt eine Eigenschaft, die sie im Bezug auf den Zeitpfeil von der Materie des Universums unterscheidet. Es geht um die Photonen, die Bestandteile der elektromagetischen Strahlung, zur besseren Vorstellung beispielsweise das sichtbare Licht. Es bewegt sich nach Einstein's Relativitätstheorie immer mit Lichtgeschwindigkeit. Eine Theorie dieses Mannes besagt aber auch, dass die Zeit relativ ist, und zwar relativ zu Geschwindigkeit und Gravitation. Je näher die Geschwindigkeit eines Objekts an die Lichtgeschwindigkeit kommt, um so mehr verlangsamt sich seine Eigenzeit.
Zur Verdeutlichung können sie sich das eindrückliche Beispiel mit den beiden Zwillingen vorstellen. Einer der beiden verbringt sein ganzes Leben auf der Erde. Wenn er dann wahnsinnig alt ist, landet das Handelsraumschiff seines Zwillingsbruders neben seiner Hütte. Dieser ist sein ganzes Leben fast mit Lichtgeschwindigkeit in der Galaxis herumgeflogen, um seine verderblichen Güter möglichst schnell von Planet zu Planet verfrachten zu können. Durch die Zeitverlangsamung verfloss in seinem Raumschiff die Zeit weniger schnell als auf der Erde. Wenn er also seinen greisen Zwillingsbruder wiedersieht, ist er immer noch ein ziemlich junger Mann.
Da ein Photon masselos ist, hat es keine Geschwindigkeitsbegrenzung durch Einstein's Formeln, die bei Lichtgeschwindigkeit die Masse eines Objekts mit dem Faktor Unendlich multiplizieren. Es fliegt (oder photont) mit Lichtgeschwindigkeit, was seine Eigenzeit unendlich verlangsamt. Für ein Photon existiert die Zeit also nicht. Es bereitet vielleicht ein bisschen Schwierigkeiten sich das vorzustellen. Es ist so als sähe man alles was überall seit dem Urknall bis zum Ende der Zeit (gibt es das?) geschieht gleichzeitig. Jedenfalls gibt es für das Photon keinen Zeitpfeil, weil es ja in der azeitlichen Welt keine Zeit gibt; das Photon ist in jeder Zeit gleichzeitig, und brauchst deshalb auch keine Vergangenheit oder Zukunft.
Die protozeitliche Welt
Die Welt der Elementarteilchen, also der Elektronen und den anderen Bauteilen der Materie. Die Quantentheorie besagt ungefähr, dass man von solchen Teilchen nicht gleichzeitig den Aufenthaltsort und die Geschwindigkeit feststellen kann. Deshalb werden in der Chemie die Elektronen normalerweise als Ladungswolken dargestellt. Diese Wolken stehen für die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Elektron in diesem Bereich befindet. Ereignisse in der protozeitlichen Welt können also nur statistisch mit Hilfe der Wahrscheinlichkeitsrechnung beschrieben werden. Auch die Zeit der Elektronen ist keine wirkliche Zeit, es ist eine Wahrscheinlichkeitswolke der Zeit. Der Zeitpfeil kann höchstens statistisch und nicht absolut festgesetzt werden. Der Pfeil macht in dieser Ebene keinen Sinn.
Die eozeitliche Welt
Dies ist die Welt der Gegenstände und ihrer mathematischen Beschreibung. Hier existiert der physikalische Zeitpfeil. In der klassischen Physik, beispielsweise der Kinematik oder Mechanik, besitzt die Zeit im Gegensatz zu anderen Grössen keine Richtung.
Unter Grössen, die mit einer Richtung verbunden sind, kann man sich Geschwindigkeit oder Kraft vorstellen. Ein Wildschwein kann eine Geschwindigkeit Richtung Wald haben und es kann mit einer grossen Kraft an einem Baum zerschellen. Die Richtung der Grösse ist genau so wichtig wie die Grösse selbst. Aber ohne die Richtung würde weder die Geschwindigkeit noch die Kraft einen Sinn haben.
Dass die Zeit keine Richtung hat bedeutet, dass alle Vorgänge, die durch die Gesetzte der Physik beschrieben werden können, zeitsymetrisch sind. Diese hier vereinfachte Aussage wird im CPT Theorem behandelt.
Es gibt aber eine Ausnahme von dieser Zeitsymetrie der einfachen physikalischen Vorgänge, nämlich den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, auch unter dem Namen H-Theorem bekannt. Seine Bedeutung werde ich im Kapitel über die Entropie und den zweiten Hauptsatz erläutern.
Biozeitliche Welt
Dies ist die Zeitebene der Lebewesen, der Tiere vom Elch bis zur Ratte. Auf Pflanzen werde ich nicht eingehen, denn sie haben, so unentbehrlich sie für uns auch sind, für den Zeitpfeil keine Bedeutung. Tiere fühlen in ihrem Verstand die zeitliche Gegenwart. Diese Zeitspanne wurde von Biologen erforscht, ist für jede Tierart spezifisch und vom Aufbau des Gehirns sowie der Sinnesorgane abhängig. Im Bezug auf diese Gegenwart ordnen sie Dinge, die bereits geschehen sind, als Vergangenheit ein und sehen das Unbekannte als die Zukunft. Jedoch ist bei den meisten Tieren, ausser bei extrem menschenähnlichen Primaten, die im Bezug auf ihr Zeiterlebnis fast als Menschen gelten, der Zeithorizont extrem gering. Ein Hund vergisst beispielsweise ziemlich viel vergangenes recht schnell und seine Sicht der Zukunft beschränkt sich auf Bilder von Nahrung, die er verschlingen wird. Er hat einen gerichteten Zeitpfeil, der aber fast auf das Bewusstsein der Gegenwart, also zur Auflösung seiner Existenz verkleinert wird.
Noozeitliche Welt
Diese Ebene existiert nur in den Köpfen der Menschen, es ist die Zeit ihres Geistes. Es ist die höchste Ebene, weil sie von der menschlichen Vorstellungskraft erzeugt wird. Diese Fähigkeit des Menschen geistig alles mögliche und unmögliche zu kreieren, lässt das Weltall mit seiner gigantischen Grösse und mit all seinen Galaxien unwesentlich und öde erscheinen. Hier existiert der Zeitpfeil selbstverständlich und er zeigt in die gleiche Richtung wie der durch die Entropie bedingte Zeitpfeil. Ob hier ein Zusammenhang besteht, ist der Wissenschaft zur Zeit nicht bekannt. Ein Neurologe führte Untersuchungen am Gehirn durch, um Energie- und Entropieumsatz zu vermessen. Nach seinen, leider teilweise auf unsicheren Annahmen basierenden, Ergebnissen gibt es hier einen Zusammenhang. Professor H. Bebie erzählte mir diese Vermutung, die eben nicht von allen Forschern unterstützt wird.
Es gäbe noch die soziozeitliche Welt, die Ebene der Zeitempfindung der Gesellschaft. Diese Ebene bringt für den Zeitpfeil nichts neues, er ist hier identisch mit dem noozeitlichen. Marx stellte sich vor, dass sich die Gesellschaft vom Primitiven immer weiterentwickelt, also eine Zeitrichtung in die Zukunft. Auch der Philosoph Hegel war, soviel ich weis, dieser Ansicht.
CPT Theorem
Die drei Buchstaben stehen für drei Symetrien. Zuerst dachte man, die physikalischen Gesetze änderten sich nicht, wenn man eine beliebige dieser Symetrien umkehrt. Die C-Symetrie ist die Vertauschbarkeit von Teilchen und Antiteilchen. Unter P-Symetrie versteht man, dass die Gesetze bei einer Situation und ihrem Spiegelbild gleich seien. Die Aussage der T-Symetrie ist, wie schon im Kapitel über den physikalischen Zeitpfeil beschrieben, die Umkehrbarkeit der physikalsichen Gesetze.
Später zeigt sich aber, dass nach einem mathematischen Theorem jede Theorie, die der Quantenmechanik und der Relativität gehorcht, immer auch der kombinierten Symetrie CPT gehorchen muss. Das Verhalten des Universums bliebe also gleich, wenn man Teilchen durch Antiteilchen ersetzte, das Spiegelbild nähme und überdies die Zeitrichtung umkehrt. Wird aber nur die Zeitrichtung umgedreht, dann müssten sich die physikalischen Gesetzte verändern.
Nach dem CPT Theorem gibt es also einen Zeitpfeil.
Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik (Entropiesatz)
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik beinhaltet eine genaue Definition einer Eigenschaft, die als Entropie bezeichnet wird. Entropie kann als Mass dafür betrachtet werden, wie nahe sich ein System am Gleichgewicht befindet. Der Hauptsatz besagt, dass die Entropie, also die Unordnung, eines abgeschlossenen Systems nie abnehmen kann. Wenn daher ein abgeschlossenes System den Zustand der maximalen Entropie angenommen hat, kann es sich nicht mehr ändern: Es hat den Gleichgewichtszustand erreicht. Der zweite Hauptsatz beschreibt demzufolge die Richtung der Energieumwandlung. Wenn man zum Beispiel einen fest verschlossenen Behälter betrachtet, in dem zwei Flüssigkeiten eingeschlossen sind, dann werden sich diese Stoffe mit der Zeit gleichmässig durchmischen, also einen Zustand grösserer Unordnung und damit grösserer Entropie einnehmen. Der Zustand grösserer Entropie ist also der wahrscheinlichere Zustand. Die Natur scheint also Unordnung und Chaos vorzuziehen.
Entropie
Die Entropie ist ein Mass für die Ordnung eines thermodynamischen Systems. Sie wurde aus dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik abgeleitet. Mit der Entropie lässt sich die Nichtumkehrbarkeit (Irreversibilität) eines thermodynamischen Vorganges in einem abgeschlossenen System beschreiben. Dabei ist mit „abgeschlossenes System“ ein System gemeint, das in keinem Stoff- oder Wärmeaustausch mit der äusseren Umgebung steht. Für einen umkehrbaren (reversiblen) Prozess ist der Betrag der Entropie bei einem abgeschlossenen System Null.
Bei einem nicht umkehrbaren (irreversiblen) Prozess nimmt die Entropie in einem abgeschlossenen System stets zu.
Reversible Prozesse (ohne Energieaustausch mit der Umgebung) sind nur als reines Gedankenexperiment durchführbar, haben also lediglich theoretischen Charakter. Die Ursache dafür ist der Zeitpfeil, also die Tatsache, dass Vergangenes vorbei ist, und ohne das Leisten von Arbeit nicht wieder eintritt.
Als Beispiel kann man sich einen abgeschlossenen, hohlen Glaswürfel vorstellen. Durch eine Klappe in einer Ecke des Würfels werfen wir eine zerbrechliche Kugel, die mit einem roten Gas gefüllt ist. Durch eine Klappe in der anderen Ecke werfen wir gleichzeitig eine identische Kugel, gefüllt mit blauem Gas. Durch den Aufprall auf dem Gefässboden zerbrechen beide Kugeln und das Gas wird freigesetzt. Im Laufe der Zeit vermischen sich die beiden verschiedenfarbigen Gase. Die Entropie steigt, bis sie bei vollständiger Durchmischung einigermassen konstant bleibt. Die beiden Gase werden sich dann nie wieder von alleine Trennen und sich an dem Ort konzentrieren, wo sie herkamen. Filmt man diesen Vorgang und lässt den Film rückwärts abspielen, dann erkennt man sofort, dass eine Zeitumkehr nicht möglich ist.
Experiment zur Entropie
Ich habe nicht ein Experiment in der Realität durchgeführt, sondern eine Computersimulation der Entropie beobachtet. Aegidius Plüss erstellte ein Programm, das die Wärmeverteilung auf einem Stab simuliert, der an einer Stelle heiss ist. Bei Ablauf der Simulation verteilt sich die Wärme gemäss der Wärmeleitung im Stab und die Entropie steigt, um sich auf einem konstanten Wert mehr oder weniger einzupendeln. In diesem nicht reversiblen Vorgang wird gewissermassen das Entstehen eines Zeitpfeils auf einfachste Weise simuliert. Hier sehen sie noch ein Bild des Endzustandes der Simulation. Das Entropiegleichgewicht hat sich eingestellt. Am linken Rand sieht man das Ansteigen der drei Kurven, also den simulierten Zeitpfeil.
2. Die drei Zeitpfeile nach Hans Bebie
2.1 Übersicht
- Der physilalische Zeitpfeil
- Der biologische Zeitpfeil
- Der kosmologische Zeitpfeil
- Der subjektive Zeitpfeil
2.2 Der physikalische Zeitpfeil
Gibt es einen Zeitpfeil in der Physik?
Die Frage, die sich hier stellt, ist die, ob die Zeitachse in den physikalischen Vorgängen umkehrbar ist.
Betrachten wir die Figur 1, auf der zwei Kugeln A und B stehen. Kugel A wird nun mit einer bestimmten Kraft in Richtung Kugel B beschleunigt. Diese Kraft wird so gewählt, dass sich die Kraft von Kugel A beim Zusammenstoss der Kugel B vollständig überträgt (das heisst Kugel A bleibt dort stehen, wo Kugel B vor dem Aufprall stand). Kugel B rollt nun mit der von der Kugel A erhaltenen Geschwindigkeit weg.
Figur 2: Würde man nun Kugel B von diesem Ort mit der gleichen Kraft, die Kugel A auf Kugel B übertragen hat, beschleunigen, so würden Kugel A und Kugel B wieder an derselben Stellen stehen wie am Anfang dieses Versuches stehenbleiben.
Dies zeigt uns, dass die Zeitachse bei diesem Versuch umkehrbar ist, also nicht eindeutig.
In allen physikalischen Vorgängen der Mechanik, Elektrodynamik oder der Quantentheorie können die Versuche vorwärtslaufend oder rückwärtslaufend auf das selbe Endergebnis gelangen (wie auch das obengenannte Beispiel mit den zwei Kugeln). Nach dieser Betrachtung gibt es also keinen Zeitpfeil in der Physik.
Das heisst, wenn wir einen solchen Vorgang filmen, und ihn einem Publikum rückwärts vorspielen, muss es glauben, dies sei der normale Ablauf dieses Vorgangs.
Jedoch gibt es einen Vorgang, den noch kein Mensch gesehen hat:
Filmen wir wie sich ein Stück Zucker im Tee auflöst, und spielen die rückwärts ab, so würde uns dies niemals als den normalen Ablauf abnehmen.
Stellen wir uns nun ein Glas mit kaltem Wasser vor. Niemand hat je gesehen, dass das Glas der Luft Energie entzieht und heiss wird, obwohl dies energetisch durchaus möglich wäre.
Aus unseren Erfahrungen heraus erkennen wir hier also einen Zeitpfeil: den sogenannten thermodynamischen Zeitpfeil.
Nun stellt sich die Frage, ob dies nicht etwas mit dem subjektiven Zeitpfeil zu tun hat, in den Vordergrund.
Rein physikalisch beantwortet uns der zweite Hauptsatz (der bereits oben erwähnt wurde) diese Frage.
Entropie
In der Gegenwart wissen wir bereits nichts mehr über das Ausmass der Entropie. In der Zukunft werden wir immer weniger darüber wissen. Obwohl uns klar ist, dass irgendeinmal die Entropie geordnet ist, werden wir diesen Augenblick nicht erfassen können. Also nimmt die Entropie subjektiv zu uns immer zu und daraus ist der physikalische Zeitpfeil gegeben.
2.3 Der biologische Zeitpfeil
Diese Vorgänge zeigen uns also ziemlich klar den Verlauf der Zeit. Es scheint uns eher unlogisch, dass sich höherentwickelte Lebensformen zurück zu einfachen Organismen entwickeln.
2.4 Der kosmologische Zeitpfeil
Stephen Hawkins erwähnte einen Zeitpfeil, der in Richtung des Wachstums des Universums zeigt. Expandiert also unser Universum, so zeigt der Zeitpfeil in die Zukunft. Zieht sich das Universum aber zurück, so würde der Zeitpfeil in die Vergangenheit zeigen. Da aber bewiesen worden war, dass selbst wenn sich das Universum zusammenziehen, sich die Entropie weiter ausbreiten würde. Auch die Theorie, dass sich das Universum zuerst ausbreitet, bis die Gravitationskraft zu gross wird, und sich das Universum wieder zurückbilden konnte, veranlassten Stephen Hawkins seine Theorie zu wiederrufen.
2.5 Der subjektive Zeitpfeil
In welche Richtung fliesst die Zeit?
Würde uns jemand diese Frage stellen, so würden wir alle sagen der Zeitpfeil läuft von der Vergangenheit Richtung Zukunft.
Doch was sind Zukunft und Vergangenheit?
Die Vergangenheit ist all das Geschehen, das wir in unseren Köpfen haben. Von ihr haben wir Gewissheit darüber, was geschehen war und was nicht.
Über die Zukunft wissen wir nichts. Wir wissen nicht was in der nächsten Minute genau passiert. Wir können nur erahnen was geschehen könnte.
QUELLENANGABE
Optionsfach Philosophie - Der Zeitpfeil - Nick Fankhauser - Prima 1 -