Was würde es für die theoretische Physik bedeuten, wenn die Dauer der Zeit von rein räumlicher Natur wäre?

"Zeit" ist ein Begriff aus einer bestimmten Kategorie von Begriffen, die alle eine besondere Eigenart haben. Solange man sie im Alltag verwendet, ist jedem völlig klar, was gemeint ist. Ich vermute, in dieser Klarheit denkst du gerade. Sobald man aber anfängt, diese Begriffe genauer zu untersuchen, zu definieren oder zu erklären, werden sie immer unklarer, immer verschwommener und irgendwann entgleiten sie einem völlig und je mehr man sich mit ihnen beschäftigt, umso weniger weiß man darüber. Irgendwann weiß man dann nur noch, was es nicht ist, hat aber keine Worte mehr dafür, was es ist. Weitere Begriffe neben "Zeit" aus dieser Kategorie wären z.B. auch "Liebe" oder "Seele".

Die Vorstellung, Zeit würde nicht real existieren, sei ein menschliches Artefakt und damit eine Illusion, beruht auf der Vorstellung der klassischen deterministischen und reduktionistischen Physik (Newton, Einstein, Hawking). Dieser Zeitbegriff ist allerdings längst überholt.

Die Gesetze der klassischen Physik, wie z.B. der 1. HS (Energieerhaltungssatz) sind zeitsymmetrisch (Vergangenheit und Zukunft sind gleichwertig, die Gleichungen funktionieren vorwärts und rückwärts). Damit können aber nur Zustandsänderungen, aber keine dynamischen Prozesse mathematisch erfasst werden.

In der klassischen Dynamik stellt Zeit die vierte Dimension dar, sie ist ein geometrischer Parameter. Dieses ist die externe Zeit t, die man mit der Uhr misst. Aus verschiedenen Gründen ist diese Zeit aber nicht geeignet, instabile Systeme fernab des thermodynamischen Gleichgewichtes zu beschreiben, dazu später mehr. Das einzige Beispiel innerhalb der klassischen Dynamik, bei der Zeit überhaupt eine Rolle spielt, ist die Beschleunigung. Und die ist, wie wir schon festgestellt haben, zeitsymetrisch, was bei einer geometrischen Betrachtung der Zeit nicht verwunderlich ist. Bei statischen Vorgängen, wie Bewegung eines Punktes im Raum oder Wellenausbreitung in der Quantenphysik wird ebenfalls die externe Zeit t benutzt.

Dass Zeit keine Illusion sei, dass das Universum weder deterministisch noch reduktionistisch sei, sondern dass Irreversibilitäten und Instabilitäten das Universum bestimmen, zeigte Ilya Prigogine in seiner Theorie Dissipativer Strukturen, für die er 1977 den Nobelpreis erhielt. In dieser Theorie zeigt er, dass der Zeitpfeil real existiert und Zeit daher keine Illusion sei und daher auch niemals rückwärts laufen könne.

Nun weist Prigogine drauf hin, dass schon Aristoteles durch Naturbeobachtung erkannte, dass Zeit zwei unterschiedliche Qualitäten haben kann. Er unterschied zwischen der Zeit als "Bewegung" (kinesis) und der Zeit als "Entstehung und Verfall" (metabole). Die erste Zeit ist die Zeit der klassischen Dynamik, die zweite ist die Zeit der Thermodynamik. Um genau diese zweite thermodynamische Zeit geht es in der Theorie dissipativer Strukturen.

Die thermodynamische Zeit ist eng an Irrevesibilität und Instabilität gebunden. Prigogine nennt sie auch die innere Zeit. In stabilen reversiblen Systemen gibt es sie nicht. In Systemen nahe des thermodynamischen Gleichgewichtes wird die innere bzw. thermodynamische Zeit zur kosmologischen Zeit der deterministischen Physik. 

In seiner Theorie dissipativer Strukturen weist Prigogine tatsächlich sowohl theoretisch als auch gestützt durch Experimente nach, dass Irreversibilität schon auf Quantenebene intrinsisch auftritt (intrinsisch: real im System vorhanden, also keine Gedankenkonstruktion ist). Da die innere Zeit direkt von der Irreversibilität abhängt, ist auch die innere Zeit intrinsisch, was er ebenfalls theoretisch und experimentell belegt. Er schreibt in "Die Gesetze des Chaos": "Der "Urknall" zeigt uns, dass es einen bestimmten Moment gibt, in dem die Materie, wie wir sie kennen, aus dem Quantenvakuum hervorgeht. Wir waren schon immer der Ansicht, dies sei das irreversible Phänomen schlechthin, und haben versucht, es als eine Irreversibilität zu analysieren. Das Universum bildet ein Ganzes, und die Existenz eines einzigen Zeitpfeils hat eine kosmologische Ursache. Dieser Zeitpfeil ist stets gegenwärtig und es besteht darüberhinaus ein enger Zusammenhang zwischen Irreversibilität und Komplexität. Je höher der Komplexitätsgrad - Chemie, Leben, Gehirn -, desto offenkundiger ist der Zeitpfeil. Das entspricht genau der konstruktiven Rolle der Zeit, die in den eingangs beschriebenen dissipativen Strukturen so offenkundig ist."

Durch die Verleugnung des Zeitpfeiles hat der Reduktionismus/Determinismus mit 3 wesentlichen Paradoxa zu tun:

1. Das Zeitparadoxon: Hatten wir schon ausführlich diskutiert und beschreibt den Widerspruch zwischen der reduktionistischen Betrachtung, bei der Vergangenheit und Zukunft gleichwertig sind und der Beobachtung der dynamischen Natur, nach der es eben nicht so ist. Diese Paradoxon löst Prigogine mit seiner Betrachtungsweise auf.

2. Das Quantenparadoxon: Auf der einen Seite beschreibt die Schrödingergleichung die Wellenfunktion innerhalb der Quantenmechanik, auf der anderen Seite bricht diese Wellenfunktion aber bei Messungen zusammen. Man spricht vom Kollaps der Wellenfunktion. Schrödingers Katze beschäftigt sich mit diesem Problem. Viele Physiker meinen, diesen Zusammenbruch der Wellenfunktion verursacht der Beobachter durch seine Messung. Über das Thema wird eigentlich seit Entstehung der Quantenphysik bis heute unter den klassischen Physikern gestritten. Da Prigogine nicht mehr reduktionistisch sondern probabilistisch (mit Wahrscheinlichkeitrechnungen) an das Problem herangeht, löst der dieses Paradoxon auf, indem bei seiner Betrachtungsweise kein Zusammenbruch einer Wellenfunktion mehr vorkommen kann.

3. Das kosmologische Paradoxon: Laut Hawking führt die reduktionistische, zeitsymmetrische Betrachtung des Kosmos zu der Vermutung, dass der Urknall einen rein geometrischen Charakter haben könnte, bei dem die Zeit eine zufällige unwesentliche Eigenschaft sei. Die kosmologische Zeit wäre daher reine Illusion.

Paradox wird es nach Prigogine deswegen, weil damit jeglicher Zusammenhang zwischen Sein und Werden verleugnet würde.

Irreversibiltät wird durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik beschrieben und das ist auch der einzige Satz innerhalb der klassischen Physik, der einen echten Zeitpfeil enthält, der nicht geometrisch und symmetrisch ist und daher auch nur in eine Richtung laufen kann. In der klassischen Dynamik ist der 2.HS sowieso ein Fremdkörper. Er wird von vielen Reduktionisten so interpretiert, dass Irreversibilität, also die Abweichung von der Zeitsymmetrie aller anderer grundlegender Naturgesetze letztlich nur Rundungsfehlern bzw. unserem Unwissen geschuldet sei. Diese Meinung vertrat in seiner Frühzeit auch Einstein, relativierte sie im Alter allerdings deutlich, indem er feststellte, dass die Aussendung eines Signals immer irreversibel sei (altes japanisches Sprichwort: "Einen abgeschossenen Pfeil und ein gesprochenes Wort holt niemand zurück").

Prigogine lehnt den 2.HS als "Maß für unser Unwissen" ab und postuliert in seiner Theorie, dass der 2.HS ein grundlegendes Naturgesetz sei.

Der 2. Hauptsatz sagt absolut, dass Entropie immer zunimmt. Sie kann zwar in Systemen fernab des thermodynamischen Gleichgewichtes lokal durch Entropieexport sinken, dafür nimmt dann aber die Entropie der Umwelt überproportional zu.

Stephen Hawking, als einer der damals letzten bedeutenden Reduktionisten, geriet Ende der 1980er bis Anfang der 1990 Jahre mit Ilya Prigogine aneinander, weil Hawking in seinen Theorien zu den Schwarzen Löchern unterstellte, am Ereignishorizont könne die Zeit kurzfristig auch rückwärts laufen. Prigogine widersprach dem und begründete mit dem 2. HS in der nichtlinearen Form, dass das nicht möglich sei, weil Zeit eben nicht nur eine Illusion sei sondern der Zeitpfeil real existiert. Nach einer längeren und intensiven Diskussion musste Hawking vor versammelter Physikergemeinde am Ende zugeben, dass er sich offensichtlich geirrt habe.

http://www.spiegel.de/spiegel/print/d-13522084.html

Danach zog er auch die meisten Aussagen und ganze Kapitel der "Kurzen Geschichte der Zeit" offiziell zurück. Dieselben Probleme gibt es mit der Hawkingstrahlung, die ebenfalls davon ausgeht, dass Zeit auch rückwärts laufen könne. Jedenfalls beschränkte sich Hawking danach auf philosophische Ergüsse, in denen er dann auch auch öfters auf die Argumentation Prigogines einging.

Mittlerweile haben sich die Erkenntnisse Prigogines, u.a. dass der Zeitpfeil physikalisch real existiert, in der modernen nichtlinearen und indeterministischen Physik durchgesetzt.

Dann würden wir uns vermutlich in einem Schwarzen Loch befinden…

Wenn wir uns vorstellen, dass wir uns einem "Ort" oder "Punkt" befinden, wo es keine Veränderungen gibt, sei es auf Mikro- oder Makroebene, d.h. alles verharrt in dem Zustand, in dem es sich befindet; Genau dann verliert die Zeit, sei es als Absolutes oder in Form einer Dauer, ihre Bedeutung.

Zeit benötigt, damit es überhaupt eine Daseinsberechtigung hat, eine Abfolge von Ereignissen, wobei ein Ereignis nur dann als Ereignis gilt, wenn es einen Unterschied zwischen Zustand n und n+1 gibt. Gibt es grundsätzlich kein Licht, kann es nirgends hell oder verschieden von dunkel sein, sodass die Dunkelheit selbst als Eigenschaft keine Bedeutung mehr trägt, da es innerhalb eines solchen Systems nichts anderes gibt.

In einem System ohne jegliche Veränderung wie o.g., kann Zeit auch nicht den ersten Moment beschreiben, in dem der räumliche oder sonstige Zustand sich ändert (was hier eine erstmalige Änderung wäre). Es kann diesen Zustand höchstens als Bezugspunkt nutzen bzw. als Geburtspunkt festlegen.

Zeit setzt keine Voraussetzung für eine sonstig existierende Dimension oder einen Raum, sondern nur an die Existenz von Ereignissen, die mehr als ein mal zählbar sind. Ob letzteres nur in "Dimensionen" oder "Räumen" stattfinden könne, wäre die Folgefrage.

*** Wäre das jener „Zeitraum“, in dem Beobachter keine Veränderung erkennen kann?
Ja, richtig, es ist der gegenwärtige Zustand, in dem sich nichts ändert, also es ist die Verweilzeit, die keinerlei Relevanz besitzt. Die Gegenwart ist daher immer die bewegungslose, ruhende Struktur des Raums, deren Veränderlichkeit von außen her zu betrachten ist. Denn das, was sich da ändert, das ist die äußerste Perspektive (die Zeit) auf die Objekte im Raum, welche auch nur strukturelle Kennzeichnungen im Raum darstellen. Wir nehmen also nicht wirklich die substanziellen Objekte wahr, sondern immer nur die überlagerten Summe als Intensität der Wirkungen, welche sich aus der Tiefe einer 4. Dimension heraus als Gravitation mit jedem neuen Zeitschritt offenbart.

 *** Variieren die Planck-Zeiten denn nicht mit der Art dieser Wahrnehmung?
Nein, du musst unterscheiden zwischen der Laufzeit als Kette mehrer planckscher Abstände und dem singulären Prozess, der die Änderung des Überlagerungszustands verursacht. Der reale Prozess ist nur eine simple Addition der sich überlagernden Wirkungen, und die Laufzeit beschreibt die Anzahl der planckschen Abstände, die dann fataler Weise der Planck-Zeit gleichgestellt werden.

Auf diese Weise beschreibt sich die räumliche Natur der „Zeit-Dauer“ und im Grunde genommen verkörpert die Varianz der Anzahl dann die Zeitdilatation.

*** Hängen sie nicht auch z. B. von der Frequenz der EM-Wellen ab, auf die wir diese Eigenschaften wahrnehmen?
Jain, das sind deutlich komplexere Zusammenhänge, die je nach Kontext der Betrachtung völlig anders zu interpretieren sind. Denn wenn wir ein Objekt im Raum vorfinden, dann ist das quantentheologisch nur ein Punktobjekt, aber in der wirkenden Realität hat das Objekt einen zentralen Koordinatenursprung, dessen Wirkung sich mit dem umgekehrt proportionalen Quadrat der Entfernung in seiner Umgebung isotrop verteilt und somit endet seine Wirksamkeit in einem genau definierbaren Abstand, den ich als Rand verstehe, der dann mathematisch den Radius einer 4D-Sphäre darstellt. Somit mit Messgeräten nur ein singulärer Impuls erfasst und keine Welle.

Da schwingt also nichts, sondert die Elektronen im Messsensor erfahren die Dichte der Abstände und veranlasst die Elektronen zur Bewegung, die dann wegen des isotropen Charakters letztendlich einer simplen trigonometrischen Funktion folgt. Da schwingt also nichts im Inneren des Objekts, das wir dann auch als Photon verstehen können. Sonder das Photon bewegt sich durch den Sensor und erzeugt dann eine serielle Abfolge von Messpunkten, deren Änderungen dann über die Zeit betrachtet eine Impulskurve dargestellen. 

https://www.youtube.com/watch?v=Q-0moy4v4qM

Eine Welle hingegen bildet sich, wenn mehrere überlagerte Photonen als Licht betrachtet werden, wobei sich die vielen Impulse zu einer kontinuierlichen Welle addieren.

Diese Abbildung stellt keine Zeit dar, sondern ist eine konkrete räumlich horizontale Darstellung gegenwärtiger Impulse, die sich vertikal überlagern, wobei unten die violette Kurve sich als resultierende Summe – als Amplitude – darstellt. 

 *** ... muss man bei Wahrnehmungen jeder Art nicht immer auch den Wahrnehmenden auf gleicher Ebene mit berücksichtigen?
Ja, so ist es. Es gelten auch hier die Regeln der Relativität nur mit dem Unterschied, dass die Zeit keinerlei Relevanz hat, weil Impuls und Ort gleichzeitig gegenwärtig sind, denn eine Wirkung tritt nur auf, wenn die beiden Punkte der Quantität gleichzeitig anwesend sind, wobei die Punkte aber an unterschiedlichen Orten sein müssen – sonst ist der Abstand Null. 

Daher ist es immer eine Superposition, weil wir die 4. Dimension nicht optisch, sonder als Gewicht wahrnehmen. Weil das raumzeitliche Koordinatensystem nicht geeignet und nur qualitativ orientiert ist, muss nämlich ein fünfdimensionales System eingesetzt werden – ein pentanes Koordinatensystem, das auch einen quantitativen Abstand vom Rand bis zum Zentrum trägt, denn jenes ist die räumliche 4. Dimension, die wir auch als Zeit-Dauer gut verstehen.

 *** Deine weiteren Fragen wären zu komplex, daher kann ich dir nur empfehlen, dass du dir mal meine Webseiten anschaust, die ich in meinem Profil veröffentlicht habe.

Sehr interessante Frage, einige Anmerkungen aus meiner Sicht:

Dieser Zustand bleibt eine Planck-Zeit lang gegenwärtig.

Was bedeutet hier "gegenwärtig"? In Relation zum "Rest" des Universums, in Relation zu den "Planck-Zeit-"Steps"" (sorry meiner Wortkreativität) zum Beobachter? Wäre das jener "Zeitraum", in dem Beobachter keine Veränderung erkennen kann?

Zudem ist alles was wir wahrnehmen, eh niemals Gegenwart, sondern prinzipiell eine (Teil-)Wahrnehmung aus der Vergangenheit, das ist die knallharte Konsequenz der Lichtgeschwindigkeitsdefinition.

Die Vorstellung, die Zeit sei eine Dimension, betrachte ich daher als falsch, weil eine Dimension nur eine quantitative Größe darstellen kann.

Das sehe ich genau so, gehe da noch weiter: Was wir bezüglich Objekten, Dingen, Abläufen beschreiben, wahrnehmen, sind immer nur bestimmte Eigenschaften derselben, niemals sie selbst.

Variieren die Planck-Zeiten denn nicht mit der Art dieser Wahrnehmung? Hängen sie nicht auch z. B. von der Frequenz der EM-Wellen ab, auf die wir diese Eigenschaften wahrnehmen? Anders gesagt, muss man bei Wahrnehmungen jeder Art nicht immer auch den Wahrnehmenden auf gleicher Ebene mit berücksichtigen? Das erfolgt m. E. in vielen Bereichen der Physik nicht wirklich konsequent.

Das Küstenlinienlängen-Problem mal als Beispiel genannt: Laut realen Vermessungen hat eine Küstenlinie eine bestimmte Länge. Aber wenn man "echt alle" Krümmungen (auch atomar) berücksichtigt, wird diese Länge plötzlisch gigantisch größer!

Zeit- wie Raumdimensionen sind gar nicht wirklich real, es sind nur Methoden, mit denen wir "Ordnung" ins "System" bringen wollen, ja müssen. Wie soll eine Zeit- oder auch nur eine einzelne Raumdimension existieren? Das ist doch völlig unrealistisch, denke ich.

Für unsere Wahrnehmungsmethoden ist das "nur" die (bislang) sinnvollste Methode, bestimmte Dinge zu beschreiben, damit Andere sie erkennen, "wiederfinden" können, und anhand derer wir im Rahmen dieser Möglichkeiten berechnen, vorausssehen, planen können usw.

Zeige mir mal Einer eine einzelne Raumdimension ohne zuhilfenahme der anderen Dimensionen - unmöglich!

Konkret bedeutet das, dass gedankliche Größen keine gegenwärtige Wirkung haben können und das Universum sich sicherlich nicht daran erinnern kann, was einmal war.

Stimmt, muss es aber vielleicht auch gar nicht, denn was ist Erinnern? Ich erinnere mich an etwas, indem ich bestimmte Eigenschaften samt Zeitablauf in einem, ich sage mal Speichernetzwerk, ablege. Das können aber niemals alle Eigenschaften sein! Bestenfalls nur jene, die ich wahrnehmen konnte. Zudem ist unser Erinnerungsvermögen eh so gemacht, dass nach und nach Details verloren gehen.

Ich seh's mittlerweile so: Wir sind winzige Teilmengen des gesamten Universums, und in einer Teilmenge lassen sich niemals alle Details der Gesamtmenge speichern, zumal Gespeichertes eh prinzipiell Vergangenes ist. Wir wissen schließlich nicht, ob Andromeda "gegenwärtig" überhaupt noch existiert.

Womöglich ist das Universum als Ganzes eh absolut deterministisch, nur werden wir das niemals erkennen können.

Sicher fällt mir noch mehr ein zu Deiner sehr interessanten Antwort, der Tag ist ja noch lang! ;-)