Physik: Ticket nach morgen

Lange galt die Beschäftigung mit der Möglichkeit von Zeitreisen für seriöse Forscher als Tabu. Doch nun befassen sich hochkarätige Wissenschafter vermehrt mit der Frage, wie man Zukunft und Vergangenheit besuchen könnte – die Gesetze der Physik sprechen jedenfalls nicht dagegen.

Die Apparaturen sind nicht gerade für Heimwerker geeignet. Guido Saathoff und dessen Kollegen vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik benutzten einen Schwerionenspeicherring, Laserlicht und Lithiumionen. Diese Ionen beschleunigten die Forscher auf 6,3 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Damit flitzten die Teilchen mit knapp 19.000 Kilometern pro Sekunde durch die Vesuchsanordnung. Mithilfe der Laserstrahlen wurden die Ionen zum Fluoreszieren gebracht. Anschließend verglichen die Physiker die Wellenlängen des Laserlichts mit jenen ruhender Ionen.

Das Ergebnis dieser Messung, das im vergangenen September veröffentlicht wurde, bestätigte ein Postulat, das Albert Einstein im Jahr 1905 formuliert hatte: die so genannte Zeitdilatation. Schon früher waren Einsteins diesbezügliche Berechnungen mehrfach durch Experimente bestätigt worden, den Heidelberger Physikern gelang dies nun mit der bislang höchsten Genauigkeit.

Zeitdilatation beschreibt ein Phänomen, das Generationen von Science-Fiction-Autoren reichlich Inspiration lieferte: Denn dieser Faktor enthält nicht weniger als eine physikalische Lizenz für Zeitreisen.

Das Gesetz der Zeitdilatation besagt, dass Zeit dehnbar ist – und nicht immer und überall gleich schnell abläuft. Einstein formulierte diese Regel in seiner Speziellen Relativitätstheorie im Alter von 26 Jahren – und verwarf damit die bis dahin gültige Vorstellung Isaac Newtons, wonach es „absolute, wahre und mathematische Zeit“ gebe, die „gleichmäßig und ohne Bezug auf ein Äußeres dahinfließt“. Zeit, so dachte man lange, sei eine feste, unbeirrbare Größe, und ein bestimmter Zeitpunkt sei im gesamten Universum stets derselbe Augenblick.

Falscher Zeitbegriff. „Die allgemeine Anschauung ist falsch“, sagt Paul Davies, „tiefreichend und grundlegend falsch.“ Davies, 57, ist ein britischer Physiker, der zurzeit an der Macquarie University im australischen Sydney lehrt. Mitte dieser Woche präsentiert er sein jüngstes Sachbuch*), in dem er den aktuellen Forschungsstand zum Thema Zeitreisen zusammenfasst.

„Kann man das ernst nehmen? Ist Zeitreise wissenschaftlich möglich?“, spricht Davies darin selbst den Verdacht an, die Wissenschaft könnte sich allzu sehr aufs Terrain bloßer Spekulation wagen. Zumeist, räumt Davies ein, hätte „die Wissenschaft einen weiten Bogen um das Thema gemacht“. Seit kurzem greife jedoch ein Umdenken Platz. „Im vergangenen Jahrzehnt gab es einen Wandel im Hinblick auf einen vermehrt wissenschaftlichen Zugang zum Thema“, beobachtet auch Michio Kaku von der City University in New York. Und inzwischen legen Forscher regelmäßig Berechnungen vor, wie man der Zeit mit wundersamen Phänomenen wie Wurmlöchern, exotischer Materie, negativer Energie oder auch so genannten kosmischen Strings ein Schnippchen schlagen könnte, ohne die Gesetze der Physik zu verletzen.

War dieses Feld einst den Romanciers vorbehalten (siehe „Science und Fiction“ Seite 152), scheint inzwischen zudem die Hemmschwelle geringer, Inhalte der Literatur einer naturwissenschaftlichen Betrachtung zu unterziehen. „Die Verbindung zwischen Science Fiction und Wissenschaft führt in beide Richtungen“, meint Lawrence Krauss, Physiker an der Case Western University in Ohio. „Wir werden alle von denselben Fragen inspiriert.“

Ende der achtziger Jahre des vorigen Jahrhunderts hatte Carl Sagan, Autor des später mit Jodie Foster verfilmten Romans „Contact“, den Physiker Kip Thorne gebeten, sich mit der Möglichkeit von Zeitreisen zu befassen – die Folge war die erste intensivere Beforschung des Themas in der jüngeren Vergangenheit. Und für seinen Zeitreiseroman „Timeline“, dessen Verfilmung Ende des Vorjahres in den US-Kinos anlief, nahm Autor Michael Crichton Anleihen beim New Yorker Experten Michio Kaku – der dies offenbar begrüßte: Crichton habe schlichtweg den wissenschaftlichen Diskurs aufgegriffen und als Stoff für einen Roman genutzt, meinte Kaku.

Am Anfang der Debatte steht jedoch Albert Einstein mit seiner Speziellen und, später, Allgemeinen Relativitätstheorie, welche das bis dahin gängige Konzept von Zeit und Raum verwarf. Nicht, dass Zeitreisen zentrales Element von Einsteins Thesen wären – sein Modell lässt sie einfach zu. Was den genialen Physiker selbst und auch manche seiner Kollegen wie den österreichischen Logiker Kurt Gödel dazu veranlasste, gedanklich mit Möglichkeiten der Zeitreise zu experimentieren.

Der erste Schritt war die Zeitdilatation, deren Kernaussage lautet: Je schneller man sich bewegt, desto langsamer läuft die Zeit – quasi eine Umkehrung des Prinzips der räumlichen Bewegung, bei der zunehmendes Tempo schneller zum Ziel führt.

Alltagsphänomen. Zeitdilatation tritt selbst im Alltag auf: Angenommen, zwei Personen suchen einen Flughafen auf. Eine der beiden besteigt einen Jet und absolviert die Route New York und zurück, während die andere am Airport wartet. Für die Person, die sich im Flugzeug befand, ist bei diesem Experiment aufgrund der Fortbewegung weniger Zeit vergangen als für jene, die am Flughafen saß – auch wenn der Zeitunterschied in dem Fall bloß den Bruchteil einer Sekunde beträgt.

Mit hochpräzisen Atomuhren konnte dieser Effekt bereits in den siebziger Jahren gemessen werden.

Wenn für den Flugreisenden jedoch weniger Zeit verstrichen ist, ist er bei seiner Rückkehr jünger als sein Partner, der am Boden verblieben ist. Der Flugpassagier hat demnach eine Miniaturreise in die Zukunft unternommen.

Zwar sei „eine Zeitabweichung von Nanosekunden nicht gerade ein Abenteuer“, so Buchautor Paul Davies. Doch zumindest theoretisch lässt sich die Differenz drastisch erhöhen – sie wächst mit der Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit. Gelänge es, ein Raumschiff zu konstruieren, in welchem Astronauten eine Reise zu einem zehn Lichtjahre entfernten Stern und retour mit 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit unternehmen könnten, würde die Wartezeit eines Erdenbewohners bis zur Rückkehr der Raumfahrer naturgemäß 20 Jahre betragen. Für die Astronauten hätte die Reise freilich nur drei Jahre gedauert. Sie wären folglich nicht nur zu einem fernen Stern, sondern gleichzeitig auch 17 Jahre in die Zukunft gereist. „Bewegung mit hoher Geschwindigkeit folgt einer Einbahnstraße in die Zukunft“, so Davies.

Freilich behauptet kein Physiker, eine Bauanleitung für ein derartiges Gefährt zu besitzen. Tatsächlich geht es den Forschern auch nicht um die Konstruktion einer funktionstüchtigen Zeitmaschine und nicht einmal darum, die dafür nötigen Komponenten real herzustellen – vielmehr zielen sämtliche Experimente darauf ab, die theoretischen und mathematischen Gesetzmäßigkeiten einer immer präziseren Überprüfung zu unterziehen.

Auch die zeitverzerrende Wirkung eines anderen Phänomens wurde von Einstein postuliert: Schwerkraft bremst die Zeit. Laut Einsteins Gleichung verlieren unsere Uhren aufgrund der Erdanziehung gegenüber Zeitmessern im Weltraum theoretisch alle 300 Jahre eine Mikrosekunde. Selbst zwischen Erd- und Dachgeschoß eines Hochhauses ist ein Zeitunterschied messbar.

Für spektakulärere Effekte bedarf es freilich etwas großzügigerer, nämlich kosmischer Dimensionen. Brennen Sterne aus, stürzen sie in sich zusammen und schrumpfen auf einen Bruchteil ihrer ursprünglichen Größe. Weil mit abnehmendem Radius bei bleibender Masse die Gravitation an Stärke gewinnt, muss etwa auf so genannten Neutronensternen die Zeit deutlich gebremst ablaufen – etwa um 30 Prozent langsamer als auf der Erde.

Die extremste Ausprägung dieses Phänomens gebremster Zeit müsste der Theorie zufolge in so genannten Schwarzen Löchern zu beobachten sein – in jenen mysteriösen Gebilden im All, die praktisch jegliche Materie in sich hineinsaugen. Am Donnerstag der Vorwoche gab das Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik die Beobachtung solch einer kosmischen Gewalt bekannt: Ein Schwarzes Loch in einer 1,2 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie fing einen Stern ein, deformierte ihn und zerriss ihn schließlich vollends.

Bei Schwarzen Löchern, die entstehen, wenn Sterne implodieren, schrumpfen die Objekte immer weiter, während die Gravitation beständig zunimmt – bis diese Prozesse den Faktor Unendlich erreichen, was Singularität genannt wird. Auch die Zeitverzerrung ist unendlich. Das Innere Schwarzer Löcher, so Davies, sei deshalb ein Gebiet „jenseits des Endes der Zeit“.

Jenseits der Zeit. Dies wäre zwar für Zeitreisen prinzipiell praktikabel. Als ungünstig erweist sich indes der Umstand, dass Schwarze Löcher keinen Ausgang haben – alles, was den so genannten „Ereignishorizont“ überschreitet, wird geschluckt und verschwindet im Nichts. Dennoch gönnen sich Physiker wie der Russe Igor Novikov manch eine Gedankenspielerei darüber, ob es nicht doch ein Entkommen geben könnte. Im Vorjahr stellte Novikov die Existenz einer „zweiten Singularität“ zur Diskussion, die nicht ganz so letal sein könnte wie die übliche. Gelänge es, diese zu nutzen, so Novikov, „könnte man hineinreisen, ohne zermalmt zu werden“.

Vor allem seit den Berechnungen von Kip Thorne vom California Institute of Technology gelten Wurmlöcher als dafür prädestiniert. Laienhaft ausgedrückt handelt es sich dabei um eine Art verdoppeltes Schwarzes Loch, das sowohl ein Entree als auch ein Exit besitzt. Zwar hat bisher noch niemand ein Wurmloch gesehen – doch Physiker gehen davon aus, dass sie etwa beim Urknall auf natürliche Weise gebildet worden sein könnten, und zumindest im Mikrokosmos der Quantenwelt können für kurze Zeit Energiezustände auftreten, welche die Bildung von „Quanten-Wurmlöchern“ erlauben.

Zum Verständnis kosmischer Wurmlöcher, so es sie denn gibt, muss zunächst neuerlich Einstein bemüht werden – und zwar sein Konzept der vierdimensionalen Raumzeit. Würde man zwei Punkte in dieser Raumzeit mit den beiden Öffnungen eines Wurmloches verbinden, hätte man einen Tunnel durch Raum und Zeit (siehe Grafik Seite 146). Denn während sich das Licht, dessen Geschwindigkeit durch nichts übertroffen werden kann, entlang der konventionellen Raumzeit bewegt, würde man bei einer Reise durch das Wurmloch quasi einen Abkürzer nehmen. Physiker Davies: „Auf diese Weise ist möglich, Punkte, die im Raum vielleicht viele Lichtjahre voneinander entfernt sind, durch ein kurzes Wurmloch miteinander in Kontakt zu bringen.“ Forscher spekulieren sogar, ob derart eine Verbindung zwischen zwei Universen hergestellt werden könnte.

Theoretisch würde diese kosmische U-Bahn Reise in die Zukunft wie auch in die Vergangenheit ermöglichen. Dazu müsste sich ein Ende des Wurmlochs in Ruhe befinden und das andere möglichst schnell bewegt werden – um dort aufgrund der dadurch verursachten Zeitdilatation den Zeitaublauf zu verlangsamen. An den beiden Ausgängen gingen die Uhren folglich unterschiedlich schnell, und sie würden deshalb Zukunft und Vergangenheit repräsentieren.

Um entsprechende Bedingungen zu schaffen, schlägt Davies – freilich wieder im Rahmen des bloßen Gedankenexperiments – zunächst die Verwendung eines Teilchenbeschleunigers vor. In diesen müsste man das zu bewegende Ende des Wurmlochs stopfen und auf ein Tempo beschleunigen, das der Lichtgeschwindigkeit möglichst nahe kommt, um eine hohe Zeitdehnung zu bewirken.

Antigravitation. Es wird allerdings angenommen, dass Wurmlöcher äußerst instabil sind und rasch kollabieren. Außerdem müssten sich der Zeitreisende von der gewaltigen Gravitation im Inneren des Lochs ansaugen und auf der anderen Seite wieder ausspucken lassen. Um dabei nicht in Stücke zerfetzt zu werden – was in Schwarzen Löchern selbst Sternen widerfährt –, wäre eine entsprechende Gegenkraft nötig: so genannte Antigravitation, deren Existenz ursprünglich schon Einstein postuliert, jedoch später wieder verworfen hatte.

Antischwerkraft würde freilich „negative Energie“ erfordern. Dieses Gedankenkonzept erscheine zwar zunächst wie die Vorstellung, es könnte so etwas wie „ein negatives Mittagessen“ existieren, meint Davies. Und selbstverständlich könne man in Wirklichkeit nicht weniger „als kein Mittagessen zu sich nehmen“. Doch für die Quantenwelt formulierte der holländische Physiker Hendrik Casimir bereits 1948 Bedingungen, unter denen negative Energiezustände auftreten. In Laborexperimenten wurde dieses Casimir-Effekt genannte Phänomen jedoch seither mehrfach gemessen.

Als Gegenschwerkraft wirkende Materie – so genannte „exotische Materie“ – müsste letztlich noch ins Wurmloch gefüllt werden, um es „abzustützen“ und für die Zeitreise zu stabilisieren. Der russische Physiker Sergei Krasnikov publizierte im Jahr 2000 Berechnungen, wonach es Wurmlöcher geben könnte, die exotische Materie auf geheimnisvolle Weise selbst produzieren. Und der neuseeländische Forscher Matt Visser präsentierte im Juni des Vorjahres in der renommierten Wissenschaftszeitschrift „Physical Review Letters“ die These, dass womöglich schon extrem kleine Mengen exotischer Menge ausreichen könnten, um Wurmlöcher offen zu halten.

Wären Zeitreisen technisch möglich, könnten vor allem solche in die Vergangenheit verstörende Nebenwirkungen zeitigen: Das Prinzip von Ursache und Wirkung könnte durcheinander geraten. Was wäre, wenn man sich in die Vergangenheit befördert und dort seinen Vater erschießt, bevor er einen überhaupt gezeugt hat, sodass man nicht auf der Welt wäre und folglich auch nicht zurückreisen könnte, um den Vater zu töten? Kann man Wissen aus der Zukunft holen, indem man dorthin fährt, ein Buch klaut, zurückreist und es selbst veröffentlicht, bevor es überhaupt geschrieben ist? Kann man in die Vergangenheit zu seinem früheren Ich reisen und dann mit sich selbst ins Kino gehen?

Paradoxien. Bis heute mühen sich Physiker, derlei Paradoxien auszuschließen. Zum einen wird eingewendet, man könne nicht vor den Zeitpunkt der Konstruktion einer potenziellen Zeitmaschine zurückreisen. Und da noch niemand ein Wurmloch entsprechend umgerüstet habe, sei unsere Vergangenheit auf ewig versperrt. Deshalb hätten wir auch noch keine Zeittouristen aus der Zukunft getroffen.

Der britische Physiker Stephen Haw-king wiederum formulierte bereits eine „Vermutung über die Erhaltung der Zeitrichtung“. Das Postulat: Die Natur bringt stets ein Hindernis hervor, damit Reisen in die Vergangenheit unterbunden werden. Andere Experten wie David Deutsch vertreten die These, dass möglicherweise unendlich viele Paralleluniversen existieren. Manipuliert ein Zeitreisender die Vergangenheit, würde sich das Universum in zwei Zweige aufspalten. In der einen Welt wäre der Vater folglich erschossen worden, in der anderen jedoch nicht, sodass beide Szenarien fortan parallel bestünden.

Völlig absurd sind derartige Annahmen nicht. Im Mikrobereich des Quantenkosmos treten tatsächlich zeitgleich widersprüchliche Zustände auf. Mit unserer Alltagswelt sind solche Phänomene allerdings nicht kompatibel. Doch die Wissenschaft sucht intensiv nach Verknüpfungen. Ende der Vorwoche veröffentlichte der Wiener Experimentalphysiker Anton Zeilinger im Fachblatt „Nature“ eine Arbeit darüber, wie Moleküle den Übergang von der Quanten- in die Alltagswelt vollziehen.

Die größte Herausforderung der Physik wäre jedoch die Erstellung eines mathematischen Modells, welches die bestehenden Widersprüche von Quanten- und Relativitätstheorie komplett aufhebt und auch zeitliche Paradoxien löst (siehe Kasten „Jagd nach der Weltformel“ auf Seite 149). Hawking glaubt, dass eine solche „Theory of Everything“ letztlich auch das Phänomen Zeitreisen aufklären könnte – quasi als ein Nebenprodukt.

Umgekehrt, meint Buchautor Paul Davies, würden gerade – oft als sinnlos kritisierte – Gedankenexperimente wie etwa zum Thema Zeitreisen Erkenntnisse auch in anderen Bereichen fördern. „Das intellektuelle Spiel“, so Davies, sei „ein bewährter Teil des wissenschaftlichen Verfahrens“. Auch Einstein selbst habe diesen Weg gewählt – etwa um den Faktor der Zeitdilatation zu bestimmen. Und der US-Physiker Richard Gott, der ebenfalls Theorien zu Zeitreisen entwickelt, meint, dass derartige Nachdenkprozesse „uns dazu bringen, die extremen Grenzen der Physik auszuloten und die Reichweite der Naturgesetze zu erkunden“.