Zeitpfeil

Der Zeitpfeil steht für die Vorstellung einer eindeutigen und gerichteten Verbindung zwischen Vergangenheit und Zukunft. Jeweils verschiedene Bedeutungen verbinden sich mit dieser Vorstellung in den Wissenschaften, aber auch im Alltag. Der Ausdruck „Zeitpfeil“ (time's arrow) wurde zuerst von Arthur Stanley Eddington im Jahre 1927 geprägt (Gifford Lectures).

Zeitpfeile

Psychologisch

Der psychologische Zeitpfeil beschreibt unsere subjektive Unterscheidung zwischen vergangenen und zukünftigen Ereignissen. Wir können uns an die Vergangenheit erinnern, aber nicht an die Zukunft. Die gängige Sichtweise des Zeitpfeiles betrachtet die Zukunft vorne (also in Sichtrichtung). Siehe dazu auch: Philosophie der Zeit.

Bildliche Darstellung eines Zeitpfeils nach Arthur Eddington

Sprachlich

Umgekehrt wird sprachlich allerdings häufig das örtliche Adverb „vorn“ für die Vergangenheit verwendet, z. B. „davor“, „vorher“, before (englisch), avant (französisch), während das Wort für örtlich „danach“ für die Zukunft verwendet wird, z. B. after (englisch), après (französisch).

Auch in andinen Kulturen (z. B. Quechua, Aymara) wird die Zukunft als hinten liegend (also entgegen der Sichtrichtung, da unbekannte Zukunft) betrachtet, was sich entsprechend in den Sprachen der Anden (Quechua, Aymara) ausdrückt, in denen das örtliche Adverb für „vorn“ (Quechua: „ñawpa“) im zeitlichen Sinne „früher, vergangen“ bedeutet, während das Adverb für „hinten“ (Quechua: „qhipa“) im zeitlichen Sinne „zukünftig“ bedeutet.

Kausal

Danach gehen Ursachen ihren Wirkungen stets voraus. Der kausale Zeitpfeil ist ein Postulat, das das alltägliche Erleben widerspiegelt. Es ist jedoch nicht klar, ob Kausalität zwingend ist oder erst durch Wahrnehmung generiert wird.

Historisch

Die Geschichte wird anhand von Dokumenten rekonstruiert. Dokumente findet man grundsätzlich nur von Vorgängen der Vergangenheit, nicht von Vorgängen der Zukunft. Wenn ein Archäologe Reste einer Stadt ausgräbt, so kann er daraus schließen, dass an besagter Stelle einst eine Stadt stand. Von einer Stadt, die an dieser Stelle in Zukunft stehen wird, kann er keine Reste ausgraben.

Thermodynamisch

Der thermodynamische Zeitpfeil beruht auf dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik: Die Zukunft ist die Zeitrichtung, in der die Entropie zunimmt. Ein interessanter Punkt ist, dass dieser Zeitpfeil im thermodynamischen Gleichgewicht nicht existiert: Für einen Gleichgewichtszustand gibt es keine thermodynamisch definierte Vergangenheit und Zukunft; der Gleichgewichtszustand ist sozusagen zeitlos.

Kosmologisch

Das Universum hat mit dem Urknall begonnen und dehnt sich seither aus. Ob es sich bis in alle Ewigkeit ausdehnen wird, ist nicht sicher bekannt. Nach den derzeit vorherrschenden Berechnungen und Theorien sieht es so aus. Somit kann man die vergangene Zeit an der Größe des Universums ablesen: Die Zukunft ist die Richtung des größeren Universums.

Aber selbst wenn sich das Universum wieder zusammenzieht, sieht der alte, zusammenstürzende Kosmos anders aus als der frühe, expandierende: Er enthält ausgebrannte Sterne, die zum Teil in schwarze Löcher zusammengestürzt sind, und schwere Elemente, die in Supernova-Explosionen entstanden sind. Somit kann man auch an der Zusammensetzung des Universums sein Alter, und damit die Zeitrichtung ablesen.

Die CP-Verletzung

Während auf makroskopischer Ebene der Unterschied zwischen Vergangenheit und Zukunft allgegenwärtig ist, galt für die mikroskopischen Gesetze der Materie bisher stets, dass diese zeitumkehrinvariant waren: Wenn ein Vorgang vorwärts ablaufen kann, dann kann er genauso gut auch rückwärts ablaufen, sofern nur die Voraussetzungen gegeben sind. Zum Beispiel bedeutet die Tatsache, dass ein angeregtes Atom unter Aussendung eines Photons in den Grundzustand fallen kann, dass auch der umgekehrte Vorgang, die Anregung eines Atoms im Grundzustand durch ein absorbiertes Photon, über denselben Mechanismus möglich ist.

Nun haben aber Messungen an bestimmten Elementarteilchen, den so genannten Kaonen, eine Verletzung der so genannten CP-Invarianz ergeben. Diese besagt, dass für jeden Prozess in Materie auch der (räumlich) spiegelverkehrte Prozess in Antimaterie existiert und in gleicher Weise abläuft.

Die Verletzung der CP-Invarianz ist an dieser Stelle interessant wegen des CPT-Theorems, welches besagt, dass für jeden Prozess mit Materie der gespiegelte und zeitumgekehrte Prozess mit Antimaterie in gleicher Form abläuft. Dieses Theorem ist relativ grundlegend und wird daher normalerweise nicht in Zweifel gezogen. Wenn aber das CPT-Theorem gilt, so bedeutet eine Verletzung der CP-Invarianz auch eine Verletzung der Zeitumkehrinvarianz.

Dies bedeutet nicht, dass die fundamentalen Gesetze der Physik einen Unterschied zwischen Vergangenheit und Zukunft kennen, sondern nur, dass das genau zeitumgekehrte Analogon eines Prozesses auch eine Raumspiegelung und eine Ladungsumkehr erfordert.

Literatur

• Dieter Zeh: The physical basis of the direction of time, zuerst 1984 (Die Physik der Zeitrichtung, Springer), 5. Auflage, Springer Verlag, 2010, ISBN 3-540-42081-9
• P. C. W. Davies: The physics of time asymmetry, University of California Press, 1976 (sowie dessen populärwissenschaftliches Buch About Time, Penguin 1995)
• David Layzer: The Arrow of Time, Scientific American, Dezember 1975
• Claus Kiefer: Kosmologische Grundlagen der Irreversibilität, Physikalische Blätter 1993, S.1027
• Peter Coveney, Roger Highfield: The Arrow of Time, Verlag W. H. Allen, 1990 (populärwissenschaftlich)
• Roger Penrose: Singularities and time asymmetry, in: Hawking, Israel (Herausgeber) General Relativity –An Einstein Centenary Survey, Cambridge 1979 (sowie seine sich an breiteres Publikum wendenden Bücher The emperors new mind, The road to reality)
• Ilya Prigogine, Isabelle Stengers: Das Paradox der Zeit, Verlag Piper, 1993, ISBN 3-492-03196-X
• Hans Reichenbach: The Direction of Time. Dover Publications 2000 (Erstausgabe 1956), ISBN 0-486-40926-0
• Laura Mersini-Houghton, Rüdiger Vaas: The Arrows of Time. Springer Verlag 2012, ISBN 978-3642232589

Weblinks

• „Thermodynamic Asymmetry in Time“ in der Stanford Encyclopedia of Philosophy (englisch, inklusive Literaturangaben)Vorlage:SEP/Wartung/Parameter 1 und Parameter 2 und nicht Parameter 3