Rätselhaftes

Meine lieben,

hiermit ist der Blindnerd aus seiner verdienten Sommerpause zurück. Ich hoffe sehr, dass auch ihr gut durch diesen heißen und trockenen Sommer gekommen seid.
Lasst uns mit einem Rätsel in das heutige Thema einsteigen.
Verharrt einen Augenblick, wenn ihr das Rätsel lösen möchtet. Gerne dürft ihr mir eure Lösung in die Kommentare schreiben.

Meister Hora stellt dem kleinen Mädchen Momo in Michael Endes gleichnamigem Roman von 1973 das folgende Rätsel, dem das gesamte Buch gewidmet ist.

Drei Brüder wohnen in einem Haus
sie sehen wahrhaftig verschieden aus,
doch willst du sie unterscheiden,
gleicht jeder den anderen beiden.
Der erste ist nicht da, er kommt erst nach Haus.
Der zweite ist nicht da, er ging schon hinaus.
Nur der dritte ist da. Der Kleinste der drei,
denn ohne ihn gäb´s nicht die anderen zwei.
Und doch gibt‘s den dritten um den es sich handelt,
nur weil sich der erst in den zweiten verwandelt.
Denn willst du ihn anschaun so siehst du nur wieder
immer einen der anderen Brüder!
Nun sage mir sind die drei vielleicht einer?
Oder sind es nur zwei? Oder ist es gar – keiner?
Und kannst du, mein Kind, ihre Namen mir nennen
so wirst du drei mächtige Herrscher erkennen.
Sie regieren gemeinsam ein großes Reich
und sind es auch selbst! Darin sind sie gleich.

So, nun haben sicher einige von euch das Thema dieses Artikels erraten. Ich dachte mir, nach Sommerpause, Urlaub und „Auszeit“, die ich mir genommen hatte, könnten wir uns doch mal über das Wesen der Zeit auslassen.

Der Anfang von Raum und Zeit

Was wir heute über die Zeit wissen ist, dass Zeit und Raum mit dem Urknall vor 14 Milliarden Jahren ihren Anfang genommen haben. Was vor dem Urknall war, kann man kaum erfragen, weil es weder den Raum gegeben hat, in welchen sich das Universum hinein ausgedehnt haben könnte, noch die Zeit, in welcher derlei hätte ablaufen können. Ich weiß, das können wir Menschen uns so nicht vorstellen. Was sich die Menschheit aber schon immer gefragt hat ist, was die Zeit tatsächlich ist. Ich bin mir an dieser Stelle nicht ganz sicher, ob wir hier nicht eher mehr Fragen aufwerfen, als Antworten zu geben, aber versuchen wir es dennoch.

Jeder kennt das. Der Wecker klingelt, und wir starten in den Tag. Von da an planen wir unseren Tag im wesentlichen mit einem Hilfsmittel, der Uhr. Man hört oft, dass Uhren Zeitmesser seien. Aber was messen diese Dinger denn wirklich? Sie messen Veränderung, nicht die Zeit, sondern nur Einheiten, die wir selbst einmal festgelegt haben. Dass die Zeit scheinbar vergeht, haben schon die ersten Menschen auf diesem Planeten erlebt. Da ist der Tag und die Nacht. dieser Kreislauf regelt unsere Arbeitszeit, wann wir essen, schlafen, lieben und vieles mehr. Eine weitere Beobachtung dürfte der Mond gewesen sein, der die Woche anzeigt. Ein ganz wichtiger Taktgeber war und ist natürlich der Lauf der Erde um die Sonne, zumal dieser ja gemeinsam mit der schief stehenden Erdachse die Jahreszeiten vorgibt. Es war wichtig zu wissen, wann Aussaht, und wann Ernte ist. Natürlich merkte man schon sehr bald, dass auch die Sternenuhr in der Nacht zur zeitlichen und auch räumlichen Orientierung zuverlässig verwendet werden kann.

Zeit erleben und die Philosophie

Schon Aristoteles dachte über das Wesen der Zeit nach.
beim alten Aristoteles finden sich Bewegung und Veränderung im Begriff der Kinesis. Nach ihm ist alles seiende bewegt. Daraus folgerte er, dass es den ersten Beweger geben müsse,
der selbst nicht bewegt wird. Das ist quasi Gott.
Platon, dessen Schüler er war, ging noch davon aus, dass es diesen Gott nicht gibt. Das war also die Veränderung von der Lehre des Seins, hin zur Lehre von Gott.

Galilei und Newton gingen von einer absoluten Zeit aus.
Sie ging zumindest als vergangene oder zu erwartende Zeitspannen als Variable in ihre mathematischen Formeln ein. Hierbei spielten schwingende Pendel und Fallzeiten von Gegenständen eine wichtige Rolle.

Die Zeit hat nur eine Richtung. Sie fließt für uns aus der Zukunft, über die Gegenwart in die Vergangenheit. Die Zeit können wir scheinbar nicht beeinflussen. Außerdem erleben wir ihren Verlauf manchmal als unheimlich rasch, wenn wir gerade etwas schönes erleben, und als sehr langsam, wenn wir uns langweilen. Das ist aber eine innere Empfindung, denn unsere Taktgeber, z. B. Uhren beeindruckt es herzlich wenig, wie wir die Zeit gerade empfinden. Wir merken schon, dass die Betrachtung des Wesens der Zeit, nicht nur eine naturwissenschaftliche, sondern auch eine philosophische Frage sein kann. Wieso vergeht die Zeit überhaupt auch dann, wenn wir nicht auf die Uhr schauen. Wir erleben die Zeit stets als absolut und unbeeinflussbar. Auch ohne Uhr nehmen wir sie wahr, weil sich immer etwas verändert.

Nicht zuletzt erleben wir, wie rasch unsere Kinder groß werden und wir selbst altern.
Selbst unser Atem ist ein Taktgeber. Ein Philosoph sagte einmal, dass man niemals zwei mal in den selben Fluss steigen kann, weil das Wasser in ihm ja schon weiter geflossen ist.

Wir können den Lauf der Zeit letztlich nur deshalb erleben, weil wir uns erinnern können. wir können den aktuellen Moment der Gegenwart mit dem vergleichen, was wir noch aus der Vergangenheit wissen. Und durch unsere Uhren und Kalender wissen wir dann sogar, wie lange etwas her ist, bzw. wie lange etwas gedauert hat, bis es so war, wie in diesem Augenblick. Was vergangen ist, können wir nur noch im Nachgang betrachten.

Tröstlich daran ist, dass wir uns an schönen Dingen der Vergangenheit erwärmen können. Andererseits dürfen wir ob dieser Fähigkeit aus Fehlern lernen.

Was unsere Zukunft betrifft, so können wir sie wenigstens in gewissem Umfang planen, indem wir uns überlegen,was wir tun, wie wir leben wollen, etc. Dafür vergeben wir Zeit, die erst noch kommt.
Zukunftsplanung hat also auch nichts mit der Beeinflussung der Zeit an sich zu tun. Zum einen kommt erstens alles anders, und zweitens als man denkt, und zum anderen planen wir unbewusst aus der Gewissheit heraus, dass die Zeit mit ihrer fließenden Eigenschaft sich nie verändert.
Wir sehen also, dass Veränderungen und Bewegungen absolut entscheidend für den Lauf der Zeit sind.

Zeitmesser

eine Uhr besteht im wesentlichen aus einem Taktgeber und einem Zähler.

Bei Sand-, Öl- oder Wasseruhren läuft eine bestimmte Menge des Mediums von einem Behälter in einen anderen. Diese Uhren treibt die Erdanziehung an. Sie bleiben stehen, wenn der obere Behälter leer ist.
Bei der Pendeluhr gibt das Pendel durch seine Länge den Takt an.
Das Pendel möchte stets fallen, weil es von der Erde angezogen wird. Damit das nicht irgendwann aufhört, muss bei jeder Bewegung wieder etwas Energie in das System gepumpt werden. Das geschieht bei jedem „Tick“ und jedem „Tack“ entweder durch die aufgezogene Feder oder das Gewicht an der Kette, die sich langsam abspuhlt. Ist die Feder dann abgelaufen, bzw. kommt das Gewicht am Boden an, dann pendelt das Pendel aus und stoppt irgendwann, weil es beim Pendel stets etwas Energie verliert.
Bei Uhren mit Unruhen wird die Gravitation durch eine Rückstellfeder ersetzt. Aber auch hier wird entweder durch eine Feder, oder heute durch eine Batterie das System in Bewegung gehalten.
Bei Digitaluhren gibt ein Quarz die Schwingung vor, und sie verbrauchen daher auch Strom.
Bei sehr genauen Atomuhren nützt man aus, dass sich Energieniveaus von Elektronen genau bekannt ändern. Auch sie benötigen Energie von außen.

Zeitmessung

Zeitintervalle werden stets im Bezug zu einer Startzeit gemessen. Dieser Startpunkt ist natürlich beliebig. So zählen wir Christen unsere Jahre beginnend mit der Geburt Jesu, was gar nicht so einfach ist, da es Probleme bei der Überlieferung und bei der Umrechnung in diverse Kalender und Zahlensysteme gab. Außerdem gab es in dieser Epoche noch keine genauen Uhren.
So genau unsere Kalender und Uhren auch sein mögen. Immer wieder müssen wir unsere Zeitmessung der Realität anpassen, wenn wir nicht wollen, dass Weihnachten bei uns irgendwann im Sommer stattfindet, bzw. dass Früchte zeittechnisch gesehen im Winter reifen, obwohl real gar kein Winter herrscht. Das erledigen wir mit einem recht umfangreichen Regelwerk des gregorianischen Kalenders. Der gibt uns vor, wann Schalttage einzufügen sind. Die Neuzeit hat sogar die Einführung von Schaltsekunden nötig gemacht, weil z. B. schon alleine durch die Vernetzung der Welt es einen Takt geben muss, der z. B. unsere Datenströme durch das Internet regelt.

In Deutschland residieren die „Herren“ der Zeit in der physikalischen-technischen Bundesanstalt (PTB in Braunschweig und Berlin.
Sie überwachen die Zeit mit Atomuhren, den genauesten Uhren der Welt. Aber auch diesem Institut gleitet die Zeit gewissermaßen durch die Finger.

Der Zeitbegriff in der Physik

Will man sich physikalisch dem Wesen der Zeit annähern, dann betrachtet man diese am besten als zusätzliche Dimension zu unserem bekannten dreidimensionalen Raum (Länge, Breite, Höhe). In den drei Raumdimensionen können wir uns nach belieben Bewegen; nach links, rechts, vor, zurück, nach oben und schließlich noch nach unten. In der Zeit-Dimension können wir unsere Bewegung weder in Geschwindigkeit noch Richtung beeinflussen. Noch schlimmer. Die Richtung der Zeit weist stets in die Vergangenheit. Warum können wir in allen drei Raumdimensionen reisen, wie wir wollen, nicht aber in der Zeit. Rückwärts, also in die Vergangenheit reisen geht scheinbar nur bedingt. Wenn Archäologen einen alten Stein oder Dino ausgraben wissen sie, dass er sehr alt ist. Sie können aber das Objekt durchaus ausgraben und mitnehmen. Was sie nicht können ist, die Zeit, die in diesem Objekt irgendwie gespeichert ist, vergessen machen. Somit ist die Reise in die Vergangenheit nur so lange möglich, wie wir Fußspuren vergangener Tage, Jahre und Zeiten noch anschauen dürfen und können. Würden wir selbst in die Vergangenheit reisen, dann könnte es in der Tat zu einer Katastrophe werden. Wir könnten uns selbst dabei begegnen, wie wir gerade einen Mist in unserer Jugend bauen, hinter dem wir heute nicht mehr stehen würden. Wir könnten viellicht einen unserer Ahnen durch einen Krieg oder Unfall töten, so dass unsere Linie absolut abreisen würde, weil wir überhaupt nicht mehr auf die Welt kommen könnten. Das geht also nicht. Wenn wir in die Vergangenheit blicken, können wir darin nichts mehr wesentliches verändern, ohne, dass es Folgen für uns hätte.
In die Zukunft können wir nicht reisen, weil es die zum Startpunkt unserer Reise einfach noch nicht gibt. Wo sollten wir da hin?
Wenn wir im Einsteinschen Sinne uns mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, und unsere Zeit bei unserer Rückkehr langsamer vergangen ist, dann liegt das eben an den Eigenschaften der Raumzeit, also daran, dass die Zeit auch eine Dimension im Raume hat. Außerdem spielt hier Energie, Masse und Gravitation noch eine erhebliche Rolle, auf die wir hier nicht weiter eingehen können, ohne unüberwindlich komplizierte Mathematik zu überwinden.

Was wir also in einem rückwärts laufendenFilm sehen, entspricht eben nicht dem logischen Ablauf der Natur. Vor dem Milchkaffee muss die Milch erst aus der Tüte in den Kaffee fließen.
Vor einem Scherbenhaufen am Boden muss die ganze Tasse erst mal fallen.

Es sieht so aus, als würde der logische Ablauf, der einem Prozess in der Natur inne wohnt, gewissermaßen die Richtung in der Zeit angeben,
Die Zeit scheint also das zu sein, was die logische Reihenfolge dessen ablaufen lässt, was nacheinander zu geschehen hat.

Das Prinzip, dass hier zugrunde liegt, nennt man Ursache und Wirkung. In der Natur muss zuerst die Ursache und dann die Wirkung erfolgen. Es muss allso erst mal eine Art „Wille“ oder ein Ereigniss stattfinden, das man nachher durch seine Ergebnisse und Wirkungen erforschen kann. Einen Unfall mit Autos nimmt man erst dann wahr, wenn die Dinger ineinander gefahren sind. Eine von Lava verschüttete Stadt wird nur dann offenbar, wenn tatsächlich ein Vulkan ausgebrochen ist. Überflutungen gibt es nur dort, wo tatsächlich viel zu viel Wasser geregnet ist.

Dieses Prinzip nennt man wissenschaftlich die Kausalität.

Ein rückwärts ablaufender Film lässt die Vorgänge akausal erscheinen. Mit diesen gefundenen Tatsachen kommen wir dem Zeitpfeil schon näher.

Die Schwester der Zeit

Es gibt Messgrößen in der Physik, an welchen sich ablesen lässt, ob ein Vorgang kausal, also erlaubt, oder akausal, verboten abläuft.
Diese finden sich in der Thermodynamik.
Die entstammte ursprünglich aus der Zeit der Dampfmaschine. Man wollte den Prozess, der heißen Dampf letztlich in Bewegungsenergie umwandelt mathematisch und physikalisch beschreiben. Wir kratzen aber hier nur die Oberfläche dieser physikalischen Lehre.
Mit dieser lässt sich das Verhalten von Teilchen in Prozessen beschreiben. Eine ganz wichtige Größe ist hier die Entropie. Sie drückt aus, wie groß die Unordnung eines Systems ist. Die unversehrte Tasse auf dem Tisch ist weniger in Unordnung als die zerbrochene auf dem Boden. Der gut durchmischte Milchkaffee weißt eine deutlich höhere Unordnung aus, als der schwarze Kaffee für sich und die weiße Milch in ihrem Beutel. Der zweite Hauptsatz dieser Thermodynamik zementiert quasi die Richtung unseres „Zeitpfeils“. Er besagt, dass die Entropie eines Systems entweder gleich bleibt, z. B. wenn die Durchmischung unseres Milchkaffees maximal gut ist, oder sie nimmt zu. Somit streben Prozesse stets die maximale Entropie an.

Machen wir noch ein Beispiel. Stellen wir uns vor, wir haben eine Packung Klemmbausteine.
Diese schütten wir erst mal auf den Teppich, um nachher etwas damit zu bauen. Jetzt kann man den Haufen fotografieren, und ihn als Zustand I bezeichnen. Die Entropie im Haufen ist sehr hoch, weil alle Bausteine durcheinander liegen. Nun rühren wir den Haufen mit unseren Händen durch und machen ein weiteres Bild, den Zustand II. Nun dürfte es sehr schwer fallen, die beiden Bilder voneinander zu unterscheiden. Dass die Bausteine unterschiedlich farbig oder vielleicht manche sogar markant geformt sind, spielt erst mal keine rolle und wird vernachlässigt. Ebenso beachten wir in diesen Betrachtungen nicht, dass sehr wahrscheinlich verschiedene Bausteine unterschiedlich oft in der Packung vorhanden sind. Es ist also aus physikalischer Sicht kaum entscheidbar, ob die Entropie bei Zustand I oder II höher ist. Nun werden wir kreativ und bauen aus unserem bunten Haufen z. B. ein schönes ansehnliches Kunstwerk. Wie sieht es denn jetzt mit unserer Unordnung oder Entropie aus. Kein Zweifel. Die Unordnung muss niedriger sein, denn jetzt sitzt jeder Stein nach unserer Vorgabe ordentlich an seinem Platz, um seine Aufgabe in dem Bauwerk zu erfüllen. Manche bilden, z. B. dann, wenn es sich bei unserem Werk um ein Haus handelt die Mauern und Wände, andere das Dach, und es gibt vielleicht sogar Orte im Bauwerk, wo überhaupt keine Steine sitzen, z. B. bei den Innenräumen unseres Hauses…

Die große Frage

Steht das aber nun nicht im Widerspruch des oben beschriebenen zweiten Satzes der Thermodynamik, nachdem die Entropie, also die Unordnung in einem System entweder nur zunehmen oder gleich bleiben darf? Wir erinnern uns, dass die Entropie, die Unordnung, also das Durcheinander der Bausteine in unserem Kunstwerk deutlich geringer ist, als im Haufen zuvor. Zum Glück gibt es diesen Widerspruch nicht. Wir haben Energie in das Bauwerk gesteckt, indem wir unter dem Einsatz unseres Körpers Kraft investierten, um die Steinchen nach unseren Wünschen aufeinander zu pressen, um unser Werk entstehen zu lassen. Dadurch haben wir unseren Haufen in einen neuen Zustand gezwungen, in das System unseres Bauwerkes. Vor allem Kinder haben oft Freude daran, die Entropie wieder zu erhöhen, indem sie das Bauwerk zu Boden werfen, um wieder den Haufen entstehen zu lassen. Das kennen wir im Leben. Meistens ist es einfacher und geht schneller, etwas zu zerstören, als es zu reparieren oder gar neu aufzubauen.

Halten wir an dieser Stelle fest, dass obiger Lehrsatz nicht besagt, dass die Entropie niemals geringer werden kann. Er besagt lediglich, dass das in der Natur als ganzes nicht ohne äußeren Einfluss geschehen kann. Und das heißt nicht, dass beispielsweise Atome und Moleküle sich mal zu Sternen, Planeten, Pflanzen etc. formieren können. Derlei benötigt stets Energie in irgend einer Form. Der Satz gilt also nur dann, wenn ein System sich ohne äußere Einflüsse überlassen bleibt.

Und was hat das nun mit der Zeit und ihrer Richtung zu tun? Genau. Neben Kraft benötigen wir auch die Zeitspanne, die es dauert, unser Werk zu vollenden. Diese Zeit wäre auch so vergangen, wenn wir beispielsweise untätig vor unserem Haufen sitzen geblieben wären. Wie man das auch betrachtet. Wir erkennen an diesem Beispiel, dass der Zeitpfeil stets von der Zukunft in die Vergangenheit zeigt. Unser Haufen hätte sich nicht verändert, wenn wir nichts gemacht hätten. Er würde vielleicht mit der Zeit einstauben, wenn wir lange genug warten würden. Die Erde aber hätte sich beispielsweise weiter gedreht. Unsere Uhren wären ebenfalls weiter gelaufen, wir hätten geatmet, unser Herz geschlagen und es gäbe da noch viel, woran man den Zeitpfeil unabhängig von unserem unberührten Haufen hätte ablesen können.

Somit ist die Entropie in gewissem Sinne die Schwester der Zeit, da sie nur zunehmen kann.

Es gibt nichts, das sich verändert, ohne, dass man eine Zeitspanne messen könnte, in welcher das beobachtete geschieht. Selbst unser Spiegelbild ist stets schon wenige Nanosekunden alt, wenn wir dessen gewahr werden. Der Informationsträger unseres Spiegelbildes ist das Licht. Und dass sich dieses mit der Geschwindigkeit von 300000 Kilometern pro Sekunde bewegt, haben wir an anderer Stelle schon ausführlich behandelt. Wir wissen, dass wir in unserem Universum oft Licht erhalten, das schon viele Millionen oder mehr Jahre unterwegs war, bis es in unsere Augen oder Messinstrumente fällt. Es gibt gedankliche Experimente und Theorien, die sich fragen, ob sich der Zeitpfeil umkehren würde, wenn wir ein Universum hätten, das sich irgendwann wieder zusammen zieht. Ich denke das nicht, denn die Zeit ist keine räumliche Dimension. Sie ist ein Vektor, der einfach stets von der Zukunft in die Vergangenheit weist. Egal, was passiert. Erinnern wir uns an den Film der rückwärts läuft. Es dauert dieselbe Zeitspanne, egal, ob wir den Film vorwärts oder rückwärts laufen lassen. Es ist halt nur ein Film und nicht die Wirklichkeit.

Im Grunde messen wir niemals Zeit, sondern nur Veränderung. Das betrifft selbstverständlich auch die Zeiger unserer Uhren, die ihre Richtung ändern. Die Skalen, in welcher wir Zeit einteilen, sind beliebig. Und jetzt mag mancher an Einstein und daran denken, dass die Zeit für den Astronauten, der mit Lichtgeschwindigkeit reist, langsamer verstreicht, als für uns. Das tut sie nicht, weil Zeit überhaupt nicht in dem Sinne verstreicht. Das ist eine Frage des Beobachters und des Bezugsystems, in welchem sich der Astronaut im Flug aufhält.

Mit diesem verrückten Schlussgedanken machen wir aber hier mal fertig. Ansonsten artet das noch aus…

Quelle

Urknall und schwarze Löcher aus Audible