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Lee Smolin: Im Universum der Zeit

Von Smolin habe ich vor einigen Jahren bereits das Buch Warum gibt es die Welt? gelesen. Dort und an anderer Stelle hat er die Idee geäußert, dass Schwarze Löcher die Geburtsorte neuer Universen sein könnten. Das impliziert mehrere andere Ideen. Zum einen müssen zum Beispiel einige Eigenschaften über den Urknall hinaus erhalten geblieben sein und sollten sich vielleicht heute noch nachweisen lassen. Zum anderen sollte es eine Art Evolution in der Entwicklung von Universen geben, die diejenigen bevorzugen, die selbst wieder schwarze Löcher hervorbringen können.

Welches könnten nun Eigenschaften sein, die nach Smolins Meinung so wesentlich sind, dass sie sich nicht ändern? Eigentlich liegt eine mögliche Antwort schon in der vorherigen Frage verborgen: Um Änderungen beschreiben zu können, muss es etwas geben, in dem sich diese Veränderungen vollziehen und in dem sie erfasst und beschrieben werden können – die Zeit.

Wenn man die Zeit annimmt, bedeutet das, dass die Wirklichkeit nur aus dem besteht, was zu jedem Zeitpunkt wirklich ist. Das ist eine radikale Vorstellung, denn dadurch wird jede Art von zeitloser Existenz oder Wahrheit geleugnet – sei es im Bereich der Wissenschaft, der Moral, der Mathematik oder der Politik. All diese Dinge müssen begrifflich neu gefasst werden, um ihre Wahrheiten innerhalb der Zeit zu formulieren.

Wenn man die Zeit annimmt, bedeutet das auch, dass unsere Grundannahmen darüber, wie das Universum auf der fundamentalsten Ebene funktioniert, unvollständig sind. Wenn ich auf den folgenden Seiten behaupte, dass die Zeit wirklich ist, meine ich Folgendes:

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  • Alles, was in unserem Universum wirklich ist, ist zu einem bestimmten Zeitpunkt wirklich, der zu einer Abfolge von Zeitpunkten gehört.

  • Die Vergangenheit war wirklich, ist es aber nicht mehr. Wir können die Vergangenheit jedoch interpretieren und analysieren, weil wir in der Gegenwart Belege von vergangenen Prozessen finden.

  • Die Zukunft existiert noch nicht und ist deshalb offen. Manche Vorhersagen können wir zwar vernünftigerweise treffen, aber wir können die Zukunft nicht vollständig vorhersagen. Tatsächlich kann die Zukunft Phänomene generieren, die in dem Sinne genuin neu sind, dass kein Wissen über die Vergangenheit sie hätte vorhersehen können.

  • Nichts geht über die Zeit hinaus, nicht einmal Naturgesetze. Gesetze sind nicht zeitlos. Wie alles andere sind sie Eigenschaften der Gegenwart und können sich über die Zeit hinweg entwickeln.

Im ersten Teil des Buchs nimmt er sich viel Zeit, um das Verhältnis der heutigen Physik, von der klassischen Newtonschen Physik über die Relativitätstheorie, das Standardmodell der Teilchenphysik und die Quantenmechanik zur Zeit zu zeigen. Newton hat Bewegungsgesetze entwickelt, die suggieren, dass man bei Kenntnis der Lage und der Geschwindigkeit aller Körper zu einem beliebigen Zeitpunkt den Zustand aller Körper zu einem beliebigen Zeitpunkt in der Vergangenheit oder der Zukunft berechnen kann. Das ist der Kern des Determinismus.

In der Speziellen Relativitätstheorie wird die Idee einer absoluten Zeit verworfen, wie schnell oder langsam ein Vorgang vom Standpunkt eines Beobachters abläuft und in welcher Reihenfolge bestimmte Dinge beobachtet werden, hängt vom Bewegungszustand aller Beteiligten ab. Die Allgemeine Relativitätstheorie erweitert diesen Gedanken noch durch die Einbeziehung der Gravitation.

In Bezug auf den Zeitbegriff fügen das Standardmodell der Teilchenphysik und die Quantentheorie unserem Weltverständnis nichts Neues hinzu: Eine mathematische Gleichung ist zeit-los, weil sie suggeriert, dass man dasselbe Ergebnis an einem anderen Ort und zu einer anderen Zeit erhält, weil man dort dieselbe zeitlose Gleichung anwenden kann.

Nun ist es aber so, dass es viele Phänomene im Universum gibt, die eine eindeutige Richtung der Zeit aufzeigen. Smolin listet hier vollkommen verschiedene Dinge auf:

  • Das Universum dehnt sich aus und zieht sich nicht zusammen. Das bezeichnen wir als kosmologischen Zeitpfeil.

  • Wenn man kleine Teile des Universums sich selbst überlässt, neigen sie dazu, mit der Zeit ungeordneter zu werden (die vergossene Milch, die sich gleich verteilende Luft und so weiter). Das wird thermodynamischer Zeitpfeil genannt.

  • Menschen, Tiere und Pflanzen werden als Babys geboren, wachsen auf, altern und sterben dann. Dies können wir als biologischen Zeitpfeil bezeichnen.

  • Wir erleben den Fluss der Zeit von der Vergangenheit in die Zukunft. Wir erinnern uns an die Vergangenheit, aber nicht an die Zukunft. Das ist der Zeitpfeil des Erlebens.

  • Es gibt noch einen weiteren Hinweis – der ist zwar weniger offensichtlich als die anderen, aber dennoch bedeutend. Das Licht bewegt sich von der Vergangenheit in die Zukunft. Daher vermittelt uns das Licht, das unsere Augen erreicht, eine Ansicht von der Welt in der Vergangenheit – und nicht der Zukunft. Wir sprechen vom elektromagnetischen Zeitpfeil.

  • Lichtwellen werden von der Bewegung elektrischer Ladungen erzeugt. Wenn man eine Ladung hin- und herbewegt, breitet sich Licht aus, das sich immer in die Zukunft und nie in die Vergangenheit bewegt. Das scheint auch für Gravitationswellen zu gelten. Es gibt also einen Gravitationswellen-Zeitpfeil.

  • Unser Universum enthält offenbar viele schwarze Löcher. Ein einzelnes schwarzes Loch ist im Hinblick auf die Zeit äußerst asymmetrisch. Alles Mögliche kann zwar hineinfallen, aber alles, was herauskommt, ist Hawking’sche Wärmestrahlung. Ein schwarzes Loch ist eine Vorrichtung, die etwas Beliebiges aufnimmt und es in ein Photonengas im Gleichgewichtszustand verwandelt. Dieser irreversible Prozess produziert eine Menge Entropie.

An einer anderen Stelle im Buch bringt er weitere Beispiele, die in diese Aufzählung gehören:

  • Die biologische Evolution hat von präbiotischen Zuständen begonnen und sich über einfache Lebensformen zu sehr komplexen Lebewesen entwickelt.

  • Vergleichbares gilt für die heute beobachteten Strukturen im Universum: Diese sind sehr weit entfernt von jenem gleichförmigen und heißen Plasma, das für den Zustand des Universums kurz nach dem Urknall galt.

Wenn ich Smolin richtig verstanden habe, macht er zwei Hauptursachen dafür aus, dass die heutige Physik diese Phänomene nicht gut beschreiben kann:

  • Die mathematische Beschreibung macht einen sich in der Zeit vollziehenden Vorgang gewissermaßen zeitlos.

  • Physikalische Theorien gelten immer nur als Näherungslösungen für kleine, abgeschlossene Teilbereiche des Universums. Folglich führen sie zu paradoxen Ergebnissen, wenn man sie auf das gesamte Universum anzuwenden versucht.

Ich kann hier unmöglich alle Gedanken wiedergeben, die er in seinem Buch äußert. Ich möchte mich nur auf die beiden für mich interessantesten beschränken:

1. An vielen Stellen des Buchs bezieht sich Smolin auf Leibniz. (Den ich übrigens genau wie Smolin im Vergleich zu Newton stark unterbewertet halte.)

Wir werden mit einer einfachen Frage beginnen: Kann das Universum zwei identische Zeitpunkte enthalten? Die Tatsache, dass es einen Zeitpfeil gibt, bedeutet, dass jeder Moment einzigartig ist. Zumindest bisher ist das Universum zu verschiedenen Zeitpunkten verschieden; diese Unterschiede zeigen sich etwa in den Eigenschaften von Galaxien oder im relativen Überfluss der Elemente. Die Frage ist, ob die Abfolge von Zeitpunkten zufällig ist oder ein tieferes Prinzip widerspiegelt…

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Es gibt jedoch ein tieferes Prinzip, das garantiert, dass keine zwei Zeitpunkte identisch sein können. Das ist das Leibniz’sche Prinzip der »Identität des Ununterscheidbaren«, von dem ich in Kapitel 10 sagte, dass es eine Konsequenz seines Prinzips des zureichenden Grundes ist. Das Prinzip besagt, dass es keine zwei Gegenstände im Universum geben kann, die ununterscheidbar, aber verschieden sind. Das ist einfach nur gesunder Menschenverstand. Wenn Gegenstände nur anhand ihrer beobachtbaren Eigenschaften unterschieden werden, kann es nicht zwei unterscheidbare Gegenstände mit genau denselben Eigenschaften geben…

Es gibt keinen absoluten Raum, und daher gibt es keine Möglichkeit, zu fragen, was an einem bestimmten Punkt geschieht, ohne dass man Anweisungen zum Erkennen dieses Punktes gibt. Wir können also einen Gegenstand nicht an einem bestimmten Punkt lokalisieren, wenn wir keine Möglichkeit haben, diesen Ort irgendwie zu spezifizieren. Um herauszufinden, wo man sich befindet, besteht unter anderem die Möglichkeit, dass man festhält, was an der Aussicht dort einzigartig ist. Nehmen wir an, jemand behauptet, dass zwei Gegenstände im Raum genau dieselben Eigenschaften und genau dieselben Umgebungen haben. Das bedeutet, dass man dieselbe Anordnung von allem anderen im Raum feststellen würde, gleichgültig wie weit von den beiden Gegenständen entfernt man Erkundigungen anstellte. Wenn diese bizarre Situation tatsächlich der Fall wäre, gäbe es keine Möglichkeit, einem Beobachter zu sagen, wie er einen Gegenstand von einem anderen unterscheiden soll.

2. Smolins Verhältnis zur Mathematik. Das Verhältnis zwischen Natur und Mathematik beschäftigt mich schon seit langem. Hier hat Smolin einen interessanten Standpunkt. Kurz zusammengefasst: Mit Mathematik ist es nicht möglich, die gesamte Natur zu beschreiben. Deshalb ist die Mathematik der Natur nachgeordnet. Mit seinen eigenen Worten:

In „Eine kurze Geschichte der Zeit“ stellte Stephen Hawking die Frage: »Was haucht den Gleichungen Leben ein und bringt ein Universum hervor, das von ihnen beschrieben wird?« Solche Äußerungen enthüllen die Absurdität der Ansicht, dass die Mathematik der Natur vorausgeht. Die Mathematik kommt in Wirklichkeit nach der Natur. Sie besitzt keine Zeugungskraft. Man könnte diesen Sachverhalt auch so ausdrücken, dass in der Mathematik die Schlussfolgerungen durch logische Implikation erzwungen werden, während Ereignisse in der Natur durch kausale Prozesse generiert werden, die in der Zeit ablaufen. Das ist nicht dasselbe; logische Implikationen können zwar Aspekte kausaler Prozesse modellieren, aber sie sind nicht mit kausalen Prozessen identisch. Die Logik ist nicht der Spiegel der Kausalität.

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Logik und Mathematik erfassen zwar Aspekte der Natur, aber nie die ganze Natur. Es gibt Aspekte des wirklichen Universums, die in der Mathematik nie repräsentiert werden können. Einer davon ist, dass in der wirklichen Welt immer ein bestimmter Zeitpunkt herrscht. Eine der wichtigsten Lektionen, die folgen, sobald wir die Wirklichkeit der Zeit erfasst haben, besteht also darin, dass die Natur nicht in irgendeinem einzelnen logischen oder mathematischen System eingefangen werden kann. Das Universum existiert einfach – oder besser noch: Es ereignet sich…

Aber ihre Anwendung auf die Wissenschaft beruht auf der Übereinstimmung der Ergebnisse mathematischer Berechnungen mit experimentellen Ergebnissen. Und da die Experimente außerhalb der Mathematik in der wirklichen Welt stattfinden, muss die Verknüpfung zwischen beiden in der Alltagssprache ausgedrückt werden. Die Mathematik ist ein großartiges Werkzeug, aber die letztendlich beherrschende Sprache der Wissenschaft ist die natürliche Sprache.

Das ist eine ähnliche Schlussfolgerung, zu der auch der späte Wittgenstein bezüglich der natürlichen Sprache gekommen ist: Eine vollständige mathematische bzw. logische Formalisierung ist nicht möglich.

Einige seiner Ausführungen im zweiten Teil des Buchs habe ich nicht gut verstanden, einige erscheinen mir auch sehr spekulativ. Hier entwickelt er unter anderem seine Forderungen an eine Kosmologie, die den Zeitbegriff ernst nimmt. Ich stimme ihm zum Beispiel zu, dass neue Eigenschaften im Universum emergieren, wenn die sie habenden Systeme entstehen. Zum Beispiel war zu Beginn des Universums sicher nicht abzusehen, dass sich auf der Erde die Zweigeschlechtigkeit von Lebewesen entwickeln würde – was völlig neue Naturgesetze bedingt, die genau diese Phänomene beschreiben oder verursachen (Verbwahl je nach Interpretation des Wortes „Naturgesetz“). Aber seine Vorstellungen, wie das passiert, erscheinen mir doch sehr suspekt: Wenn das erste Mal ein bestimmtes Phänomen auftritt, das ein neues Gesetz emergieren lässt, sind die Freiheitsgrade für seine neuen Eigenschaften größer, als wenn das Phänomen ein zweites Mal in Erscheinung tritt???

Am Ende des Buchs zieht Smolin aus seinen Überlegungen auch einige philosophische und politische Schlussfolgerungen. Hier nur die Essenz: Wenn es die Zeit tatsächlich gibt, die Zukunft offen ist und von uns verändert werden kann, dann haben unsere Entscheidungen eine Bedeutung, wir tragen für sie die Verantwortung.

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