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Was ist der Pfeil der Zeit, und warum hat er die Physiker fast ein Jahrhundert lang verblüfft?

Der Pfeil der Zeit lässt sich ganz einfach durch die Beobachtung erklären, dass wir uns an die Vergangenheit erinnern, aber nicht an die Zukunft. Wir haben Zugang zu Geschichtsbüchern und allen anderen Arten von Aufzeichnungen über das, was vor uns geschehen ist, aber keine solchen Informationen aus der anderen Richtung.

Das mag vereinfacht erscheinen, aber es gibt hier ein Rätsel. Die Gesetze der Physik sind symmetrisch, d.h. sie funktionieren unabhängig davon, in welche Richtung man sich in der Zeit bewegt. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, Sie sehen einen Film, in dem ein Ei vom Tisch fällt und auf dem Boden zerschellt. Wenn Sie denselben Film in der Rückspulung sehen, in der sich alle Risse und Teile des zerbrochenen Eies ordentlich reorganisieren und diese Reorganisationsenergie das Ei dazu zwingt, zurück auf den Tisch zu springen, gehorcht das auch den Gesetzen der Physik.

Jetzt haben wir also eine Frage. Wie kommt es, dass wir überall, wo wir hinschauen, immer das erste Szenario sehen und nie das zweite?

Gibt es irgendwelche plausiblen Erklärungen?

Es gibt viele verschiedene Erklärungen, und die meisten davon drehen sich um die Idee, dass der Pfeil der Zeit im Grunde durch eine Zunahme der Entropie erzeugt wird. Entropie ist, sehr grob gesagt, ein Maß dafür, wie durcheinander und ungeordnet ein System ist. Und Entropie ist nicht symmetrisch. Dies ist der zweite Hauptsatz der Thermodynamik: Wir wissen, dass die Entropie eines Systems, das groß genug ist, auf lange Sicht immer zunimmt – es bewegt sich von einem geordneten Zustand in einen weniger geordneten Zustand.

Stell dir vor, du schüttest einen Salzstreuer halb voll mit Salz und füllst ihn dann mit Pfeffer auf. Am Anfang sieht es ordentlich geschichtet aus, aber jedes Mal, wenn du ihn bewegst oder schüttelst, vermischen sich Salz und Pfeffer immer mehr und werden ungeordneter. Das ist Entropie. Und weil es ein einseitiger Prozess ist, haben viele Physiker die Hypothese aufgestellt, dass er irgendwie die Richtung vorgibt, in die der Pfeil der Zeit zeigt.

Aber diese Erklärungen haben zwei ernsthafte Probleme. Erstens hat die Entropie eine Obergrenze – unser Salz- und Pfefferstreuer kann nur so viel durcheinander gewürfelt werden, bis er durch Schütteln nicht mehr ungeordneter wird. Zweitens: Um eine Zunahme der Entropie zu sehen (und damit diesen Zeitpfeil zu erzeugen), braucht man eine spezielle Ausgangskonfiguration, in der Salz und Pfeffer von Anfang an organisiert waren. Wenn wir unser eigenes Universum betrachten, schreit das nach einer Erklärung: Ein hoch organisierter Anfangszustand ist eine sehr, sehr unwahrscheinliche Zufallskonfiguration.

Sie haben ein Modell entwickelt, das zeigt, dass man diese Probleme umgehen kann, indem man eine Eigenschaft namens Komplexität betrachtet. Können Sie das erklären?

Wir haben ein Modell entwickelt, das eine Annäherung an das Universum im großen Maßstab darstellt, in dem die Schwerkraft die dominierende Kraft ist und das Universum mit Teilchen gefüllt ist. Man muss bedenken, dass es sich um eine vereinfachte Annäherung handelt. Wir berücksichtigen zum Beispiel keine der anderen Kräfte oder so etwas wie Gravitationswellen oder dunkle Materie.

Der Grund, warum wir keine besonderen Ausgangsbedingungen brauchen, um einen Zeitpfeil zu erzeugen, ist kompliziert, aber er liegt in der Tatsache begründet, dass die Gravitation im Gegensatz zu allen anderen Kräften universell anziehend ist. (Während die starke und die schwache Kraft sowie der Elektromagnetismus verschiedene Arten von Teilchen anschieben oder anziehen können, zieht die Schwerkraft nur an.) Dies ist wichtig. Denn während die Kombination von Anziehung und Abstoßung unweigerlich zu einer Art chaotischem Gleichgewicht führt, bildet die konstante Anziehungskraft der Schwerkraft kontinuierlich eine Art Struktur aus, aus der wir einen Zeitpfeil ableiten können.

Aus der Perspektive unseres Modells bedeutet dies, dass bei einer zufälligen anfänglichen Streuung von Teilchen das Universum, wenn die Schwerkraft zu ziehen beginnt, in Cluster zerfällt, die immer dichter werden; unser Modell ist zu diesen kleinen Subsystemen geronnen. Unser Modell ist in diese kleinen Subsysteme geronnen, die man sich wie Kugelsternhaufen vorstellen kann. Da diese Haufen ihre eigene Rotation, Energie und Dynamik entwickelten, sammelten sie Informationen über den Rest des Modells. Sie kodieren Daten darüber, wie die frühere Struktur des Modells durch ihre verschiedenen Eigenschaften aussah, ähnlich wie ein Geschichtsbuch. Mit anderen Worten, sie wiesen einen Weg in der Zeit.

Einen Moment zurück. Wenn wir nur die Schwerkraft betrachten, warum ist Ihr Modell dann nicht einfach in sich zusammengebrochen?

Das ist ein interessanter Punkt. Wir wissen, dass sich das Universum als Ganzes ausdehnt, wenn man es betrachtet. Wir haben diese Expansion in unser Modell eingebaut, indem wir sagen, dass das Verhältnis zwischen dem größten und dem kleinsten Abstand zwischen den Teilchen immer größer wird.

Das war der Schlüssel, denn in diesem expandierenden System, in dem die Schwerkraft dominiert, sieht man sofort, dass etwas sehr Interessantes passiert. Die Komplexität des Universums (und wir verwenden „Komplexität“ als präzise physikalische Größe, um zu beschreiben, wie stark unser Modell gebündelt ist) wächst ohne Ende. Wir haben festgestellt, dass man ein Modell erstellen kann, bei dem die Komplexität des Systems unbegrenzt zunimmt, unabhängig davon, welche Ausgangsposition man eingibt.

Aber was ist mit all den anderen physikalischen Phänomenen, die nichts mit der Gravitation zu tun haben? Warum sehen wir, dass sie sich in der Zeit immer in eine Richtung bewegen?

Daran arbeiten wir gerade, und ich werde versuchen, unsere ersten Schlussfolgerungen zu vereinfachen. Ein gutes Beispiel ist, dass ein zerfallendes Atom immer in ein leichteres Atom zerfällt, niemals in ein schwereres. Das folgt einem Pfeil der Zeit und hat scheinbar nichts mit der Schwerkraft zu tun, oder? Nicht ganz. Man muss sich klarmachen, dass dieses Atom durch irgendetwas in einen speziellen Ausgangszustand versetzt werden musste, in dem es zerfallen konnte.

Ein solches Atom haben wir noch nicht beschrieben. Aber wir haben ein Modell, in dem das frühe Universum, als die Schwerkraft die dominierende Kraft war, sehr atypische Ausgangszustände erzeugt. Und als sich das Universum ausdehnte und die Schwerkraft aufhörte, die dominierende Kraft für kleine Subsysteme wie das Atom zu sein, zwangen diese Ausgangszustände irgendwie alle anderen Pfeile der Zeit, im Gleichschritt zu marschieren.

Sie sagen mir also, dass es möglich ist, dass das frühe Universum mehrere Zeitpfeile hatte, die sich in unterschiedliche Richtungen bewegten?

Ja, das ist möglich. Wir nennen diesen Prozess hylogenesist die Vorstellung, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt im frühen Universum die verschiedenen Zeitpfeile alle ungeordnet waren. Da aber die Schwerkraft die vorherrschende Kraft war, zwang sie sie schließlich alle in dieselbe Richtung. Vor diesem Zeitpunkt gab es keine Raumzeit in dem Sinne, wie wir sie heute erleben.