Zeitreise
Zeitreise ist das Konzept der Bewegung zwischen bestimmten Punkten in der Zeit, analog zur Bewegung zwischen verschiedenen Punkten im Raum durch ein Objekt oder eine Person, in der Regel mit Hilfe eines hypothetischen Geräts, das als Zeitmaschine bekannt ist. Zeitreisen sind ein weithin anerkanntes Konzept in der Philosophie und der Belletristik, insbesondere in der Science-Fiction. Die Idee einer Zeitmaschine wurde durch H. G. Wells' Roman Die Zeitmaschine aus dem Jahr 1895 populär gemacht. ⓘ
Es ist ungewiss, ob Zeitreisen in die Vergangenheit physikalisch möglich sind, und solche Reisen können, falls sie überhaupt möglich sind, zu Fragen der Kausalität führen. Zeitreisen in die Vergangenheit, die über die übliche Zeitwahrnehmung hinausgehen, sind ein weithin beobachtetes Phänomen und im Rahmen der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie gut verstanden. Allerdings ist es mit der heutigen Technologie nicht möglich, einen Körper gegenüber einem anderen Körper um mehr als ein paar Millisekunden zu beschleunigen oder zu verzögern. Was Zeitreisen in die Vergangenheit betrifft, so lassen sich in der allgemeinen Relativitätstheorie Lösungen finden, die dies ermöglichen, z. B. ein rotierendes schwarzes Loch. Reisen zu einem beliebigen Punkt in der Raumzeit sind in der theoretischen Physik nur sehr begrenzt möglich und werden in der Regel nur mit Quantenmechanik oder Wurmlöchern in Verbindung gebracht. ⓘ
Als Zeitreise bezeichnet man in der Physik und der Science-Fiction eine Bewegung in der Zeit, die vom gewöhnlichen gerichteten Zeitablauf abweicht, bzw. auch eine Bewegung durch die Zeit. Mittels der Relativitätstheorie sind Szenarien beschreibbar, in denen durch den Effekt der Zeitdilatation „Reisen“ in die Zukunft stattfinden. Dass hingegen auch Reisen in die Vergangenheit, wie sie in vielen Werken der Science-Fiction beschrieben werden, überhaupt physikalisch, logisch oder metaphysisch möglich seien, wird vielfach bezweifelt und es gibt dafür keine empirische Evidenz. ⓘ
Bei jeglichen Gedankenspielen über „Zeitreisen“ muss man strikt zwischen Hypothesen der theoretischen Physik und faktischen Ursache-Wirkungs-Zusammenhängen unserer Umwelt unterscheiden: Eine Umkehr der Zeitrichtung eines einzelnen isolierten Vorganges – sprich, von einer Wirkung zurück zur Ursache – mag eines Tages möglich sein, da sie sich theoretisch aus einigen Modellen der Physik ergibt. Das hat jedoch nichts mit der Vorstellung zu tun, dass komplexe makroskopisch wechselwirkende Systeme (wie etwa Lebewesen) tatsächlich in die Vergangenheit reisen könnten. Der „Zeitpfeil“ kann nur in eine Richtung laufen, die Vergangenheit ist definitionsgemäß vergangen und die Zukunft existiert noch nicht. ⓘ
Geschichte des Zeitreisekonzepts
In einigen alten Mythen wird eine Figur dargestellt, die in der Zeit vorwärts springt. In der hinduistischen Mythologie wird im Vishnu Purana die Geschichte von König Raivata Kakudmi erwähnt, der in den Himmel reist, um den Schöpfer Brahma zu treffen, und bei seiner Rückkehr auf die Erde überrascht feststellt, dass viele Zeitalter vergangen sind. Im buddhistischen Pāli-Kanon wird die Relativität der Zeit erwähnt. Die Payasi-Sutta erzählt von einem der Hauptschüler des Buddha, Kumara Kassapa, der dem Skeptiker Payasi erklärt, dass die Zeit im Himmel anders vergeht als auf der Erde. Das japanische Märchen von "Urashima Tarō", das erstmals im Manyoshu beschrieben wird, erzählt von einem jungen Fischer namens Urashima-no-ko (浦嶋子), der einen Unterwasserpalast besucht. Nach drei Tagen kehrt er in sein Dorf zurück und findet sich 300 Jahre in der Zukunft wieder, wo er vergessen wurde, sein Haus in Trümmern liegt und seine Familie gestorben ist. In der jüdischen Tradition soll der Gelehrte Honi ha-M'agel aus dem 1. Jahrhundert v. Chr. eingeschlafen sein und siebzig Jahre lang geschlafen haben. Als er aufwachte, kehrte er nach Hause zurück, fand aber niemanden vor, den er kannte, und niemand glaubte ihm, als er behauptete, wer er war. ⓘ
Übergang zur Science-Fiction
Frühe Science-Fiction-Geschichten handeln von Personen, die jahrelang schlafen und in einer veränderten Gesellschaft erwachen oder durch übernatürliche Mittel in die Vergangenheit versetzt werden. Dazu gehören L'An 2440, rêve s'il en fût jamais (Das Jahr 2440: Ein Traum, wenn es je einen gab, 1770) von Louis-Sébastien Mercier, Rip Van Winkle (1819) von Washington Irving, Looking Backward (1888) von Edward Bellamy und When the Sleeper Awakes (1899) von H.G. Wells. In diesen Geschichten wird der verlängerte Schlaf, ebenso wie die später bekanntere Zeitmaschine, als Mittel zur Zeitreise eingesetzt. ⓘ
Das früheste Werk über rückwärts gerichtete Zeitreisen ist ungewiss. In dem chinesischen Roman Supplement to the Journey to the West (ca. 1640) von Dong Yue gibt es magische Spiegel und Jadetore, die verschiedene Zeitpunkte miteinander verbinden. Der Protagonist Sun Wukong reist zurück in die "Welt der Alten" (Qin-Dynastie), um eine magische Glocke zu holen, und reist dann weiter in die "Welt der Zukunft" (Song-Dynastie), um einen Kaiser zu finden, der in der Zeit verbannt worden ist. Die Zeitreise findet jedoch in einer illusorischen Traumwelt statt, die der Bösewicht geschaffen hat, um ihn zu fangen und abzulenken. Bei Samuel Maddens Memoirs of the Twentieth Century (1733) handelt es sich um eine Reihe von Briefen britischer Botschafter aus den Jahren 1997 und 1998 an Diplomaten in der Vergangenheit, in denen die politischen und religiösen Bedingungen der Zukunft beschrieben werden. Da der Erzähler diese Briefe von seinem Schutzengel erhält, schlägt Paul Alkon in seinem Buch Origins of Futuristic Fiction vor, dass "der erste Zeitreisende in der englischen Literatur ein Schutzengel ist". Madden erklärt nicht, wie der Engel diese Dokumente erhält, aber Alkon behauptet, Madden "verdient Anerkennung als der erste, der mit der reichhaltigen Idee des Zeitreisens in Form eines Artefakts spielt, das aus der Zukunft zurückgeschickt wird, um in der Gegenwart entdeckt zu werden". In der Science-Fiction-Anthologie Far Boundaries (1951) behauptet der Herausgeber August Derleth, eine frühe Kurzgeschichte über Zeitreisen sei An Anachronism; or, Missing One's Coach, die von einem anonymen Autor für das Dublin Literary Magazine in der Juni-Ausgabe 1838 geschrieben wurde. Während der Erzähler unter einem Baum auf eine Kutsche wartet, die ihn aus Newcastle upon Tyne abholen soll, wird er um mehr als tausend Jahre in die Vergangenheit zurückversetzt. In einem Kloster trifft er auf den ehrwürdigen Bede, der ihm die Entwicklungen der kommenden Jahrhunderte erklärt. Aus der Geschichte geht jedoch nicht hervor, ob diese Ereignisse real oder ein Traum sind. Ein weiteres frühes Werk über Zeitreisen ist Die Vorfahren des Kalimeros: Alexander, Sohn von Philipp von Makedonien von Alexander Veltman, veröffentlicht 1836. ⓘ
Charles Dickens' A Christmas Carol (1843) enthält frühe Darstellungen mystischer Zeitreisen in beide Richtungen, da die Hauptfigur, Ebenezer Scrooge, in vergangene und zukünftige Weihnachtsfeste versetzt wird. Andere Geschichten verwenden das gleiche Schema, in denen eine Figur natürlich einschläft und sich beim Aufwachen in einer anderen Zeit wiederfindet. Ein deutlicheres Beispiel für Zeitreisen in die Vergangenheit findet sich in dem populären Buch Paris avant les hommes (Paris vor den Menschen) des französischen Botanikers und Geologen Pierre Boitard aus dem Jahr 1861, das posthum veröffentlicht wurde. In dieser Geschichte wird der Protagonist durch die Magie eines "lahmen Dämons" (ein französisches Wortspiel mit Boitards Namen) in die prähistorische Vergangenheit versetzt, wo er einem Plesiosaurier und einem affenähnlichen Vorfahren begegnet und in der Lage ist, mit alten Kreaturen zu interagieren. Edward Everett Hales "Hands Off" (1881) erzählt die Geschichte eines namenlosen Wesens, möglicherweise die Seele eines kürzlich Verstorbenen, das in die altägyptische Geschichte eingreift, indem es Josephs Versklavung verhindert. Dies war möglicherweise die erste Geschichte, in der eine durch Zeitreisen entstandene alternative Geschichte erzählt wurde. ⓘ
Frühe Zeitmaschinen
Eine der ersten Geschichten, die Zeitreisen mit Hilfe einer Maschine beschreibt, ist "The Clock that Went Backward" von Edward Page Mitchell, die 1881 in der New York Sun erschien. Der Mechanismus grenzt jedoch an Fantasie. Eine ungewöhnliche Uhr läuft rückwärts, wenn sie aufgezogen wird, und befördert die Menschen in der Nähe in die Vergangenheit. Der Autor erklärt weder den Ursprung noch die Eigenschaften der Uhr. El Anacronópete (1887) von Enrique Gaspar y Rimbau war möglicherweise die erste Geschichte, in der ein Schiff auftaucht, das durch die Zeit reist. Andrew Sawyer bemerkte, dass diese Geschichte "die erste literarische Beschreibung einer Zeitmaschine zu sein scheint, die bisher bekannt ist", und fügte hinzu, dass "Edward Page Mitchells Geschichte 'The Clock That Went Backward' (1881) gewöhnlich als die erste Geschichte über eine Zeitmaschine beschrieben wird, aber ich bin mir nicht sicher, ob eine Uhr wirklich zählt". H. G. Wells' Die Zeitmaschine (1895) machte das Konzept der Zeitreise mit mechanischen Mitteln populär. ⓘ
Zeitreisen in der Physik
Einige Theorien, vor allem die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie, gehen davon aus, dass geeignete Geometrien der Raumzeit oder bestimmte Arten von Bewegungen im Raum Zeitreisen in die Vergangenheit und Zukunft ermöglichen könnten, wenn diese Geometrien oder Bewegungen möglich wären. In Fachartikeln erörtern Physiker die Möglichkeit geschlossener zeitähnlicher Kurven, d. h. Weltlinien, die geschlossene Schleifen in der Raumzeit bilden und es Objekten ermöglichen, in ihre eigene Vergangenheit zurückzukehren. Es ist bekannt, dass es Lösungen für die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie gibt, die Raumzeiten beschreiben, die geschlossene zeitähnliche Kurven enthalten, wie z. B. die Gödel-Raumzeit, aber die physikalische Plausibilität dieser Lösungen ist ungewiss. ⓘ
Viele Wissenschaftler sind der Meinung, dass Zeitreisen in die Vergangenheit höchst unwahrscheinlich sind. Jede Theorie, die Zeitreisen ermöglichen würde, würde potenzielle Kausalitätsprobleme aufwerfen. Das klassische Beispiel für ein Kausalitätsproblem ist das "Großvater-Paradoxon", bei dem es darum geht, in die Vergangenheit zu reisen und in die Zeugung der eigenen Vorfahren einzugreifen (wobei häufig der Tod eines Vorfahren vor der Zeugung angeführt wird). Einige Physiker, wie Novikov und Deutsch, haben vorgeschlagen, dass diese Art von zeitlichen Paradoxen durch das Novikov-Prinzip der Selbstkonsistenz oder eine Variation der Viele-Welten-Interpretation mit interagierenden Welten vermieden werden kann. ⓘ
Allgemeine Relativitätstheorie
Zeitreisen in die Vergangenheit sind theoretisch in bestimmten Raumzeitgeometrien der Allgemeinen Relativitätstheorie möglich, die Reisen mit höherer Geschwindigkeit als der Lichtgeschwindigkeit erlauben, wie z. B. kosmische Strings, durchfahrbare Wurmlöcher und Alcubierre-Antriebe. Die allgemeine Relativitätstheorie bietet eine wissenschaftliche Grundlage für die Möglichkeit von Zeitreisen in die Vergangenheit in bestimmten ungewöhnlichen Szenarien, obwohl Argumente aus der semiklassischen Gravitation darauf hindeuten, dass diese Schlupflöcher geschlossen werden können, wenn Quanteneffekte in die allgemeine Relativitätstheorie einbezogen werden. Diese semiklassischen Argumente veranlassten Stephen Hawking zur Formulierung der Chronologie-Schutz-Vermutung, die besagt, dass die fundamentalen Naturgesetze Zeitreisen verhindern. Ohne eine Theorie der Quantengravitation, die die Quantenmechanik und die allgemeine Relativitätstheorie zu einer vollständig vereinheitlichten Theorie verbindet, können Physiker jedoch nicht zu einem endgültigen Urteil in dieser Frage kommen. ⓘ
Unterschiedliche Raumzeitgeometrien
Die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt das Universum anhand eines Systems von Feldgleichungen, die die Metrik oder Abstandsfunktion der Raumzeit bestimmen. Es gibt exakte Lösungen für diese Gleichungen, die geschlossene zeitähnliche Kurven enthalten, d. h. Weltlinien, die sich selbst schneiden; ein Punkt in der kausalen Zukunft der Weltlinie liegt auch in ihrer kausalen Vergangenheit, eine Situation, die als Zeitreise beschrieben werden kann. Eine solche Lösung wurde zuerst von Kurt Gödel vorgeschlagen, eine Lösung, die als Gödel-Metrik bekannt ist, aber seine (und andere) Lösung erfordert, dass das Universum physikalische Eigenschaften hat, die es nicht zu haben scheint, wie Rotation und fehlende Hubble-Expansion. Ob die allgemeine Relativitätstheorie geschlossene zeitähnliche Kurven für alle realistischen Bedingungen verbietet, wird noch erforscht. ⓘ
Wurmlöcher
Wurmlöcher sind eine hypothetische verzerrte Raumzeit, die durch die Einsteinschen Feldgleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie ermöglicht wird. Eine vorgeschlagene Zeitreisemaschine, die ein durchquerbares Wurmloch nutzt, würde hypothetisch folgendermaßen funktionieren: Ein Ende des Wurmlochs wird auf einen signifikanten Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, vielleicht mit einem fortschrittlichen Antriebssystem, und dann zum Ausgangspunkt zurückgebracht. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den einen Eingang des Wurmlochs in das Gravitationsfeld eines Objekts zu bringen, das eine höhere Schwerkraft als der andere Eingang hat, und es dann an eine Position in der Nähe des anderen Eingangs zurückzubringen. Bei beiden Methoden führt die Zeitdilatation dazu, dass das Ende des Wurmlochs, das bewegt wurde, weniger gealtert oder "jünger" geworden ist als das stationäre Ende, wie es von einem externen Beobachter gesehen wird; allerdings verbindet sich die Zeit durch das Wurmloch anders als außerhalb, so dass synchronisierte Uhren an beiden Enden des Wurmlochs immer synchron bleiben, wie sie von einem Beobachter gesehen werden, der das Wurmloch durchquert, egal wie die beiden Enden sich bewegen. Das bedeutet, dass ein Beobachter, der in das "jüngere" Ende eintritt, das "ältere" Ende zu einem Zeitpunkt verlässt, an dem es genauso alt ist wie das "jüngere" Ende, so dass er aus der Sicht eines Beobachters von außen in der Zeit zurückgeht. Eine wesentliche Einschränkung einer solchen Zeitmaschine besteht darin, dass sie nur so weit in der Zeit zurückgehen kann wie die ursprüngliche Erschaffung der Maschine; im Wesentlichen ist sie eher ein Weg durch die Zeit als ein Gerät, das sich selbst durch die Zeit bewegt, und sie würde es nicht erlauben, die Technologie selbst in der Zeit zurück zu bewegen. ⓘ
Nach den derzeitigen Theorien über die Natur von Wurmlöchern würde der Aufbau eines durchquerbaren Wurmlochs die Existenz einer Substanz mit negativer Energie erfordern, die oft als "exotische Materie" bezeichnet wird. Technisch gesehen erfordert die Wurmloch-Raumzeit eine Energieverteilung, die gegen verschiedene Energiebedingungen verstößt, z. B. die Null-Energie-Bedingung sowie die Bedingungen der schwachen, starken und dominanten Energie. Es ist jedoch bekannt, dass Quanteneffekte zu kleinen, messbaren Verletzungen der Null-Energie-Bedingung führen können, und viele Physiker glauben, dass die erforderliche negative Energie aufgrund des Casimir-Effekts in der Quantenphysik tatsächlich möglich sein könnte. Obwohl frühe Berechnungen darauf hindeuteten, dass eine sehr große Menge an negativer Energie erforderlich sein würde, zeigten spätere Berechnungen, dass die Menge an negativer Energie beliebig klein gemacht werden kann. ⓘ
1993 argumentierte Matt Visser, dass die beiden Mündungen eines Wurmlochs mit einer solchen induzierten Taktdifferenz nicht zusammengebracht werden können, ohne Quantenfeld- und Gravitationseffekte zu induzieren, die entweder das Wurmloch zum Kollaps bringen oder die beiden Mündungen voneinander abstoßen würden. Aus diesem Grund könnten die beiden Mündungen nicht nahe genug zusammengebracht werden, um eine Kausalitätsverletzung zu bewirken. In einem Aufsatz aus dem Jahr 1997 stellte Visser jedoch die Hypothese auf, dass eine komplexe "römische Ring"-Konfiguration (benannt nach Tom Roman) aus einer Anzahl N von Wurmlöchern, die in einem symmetrischen Vieleck angeordnet sind, dennoch als Zeitmaschine fungieren könnte, obwohl er zu dem Schluss kommt, dass dies eher ein Fehler in der klassischen Quantengravitationstheorie als ein Beweis dafür ist, dass eine Kausalitätsverletzung möglich ist. ⓘ
Andere Ansätze auf der Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie
Ein anderer Ansatz ist ein dichter, sich drehender Zylinder, der gewöhnlich als Tipler-Zylinder bezeichnet wird. Diese GR-Lösung wurde 1936 von Willem Jacob van Stockum und 1924 von Kornel Lanczos entdeckt, aber erst 1974 durch eine Analyse von Frank Tipler als Möglichkeit für geschlossene zeitähnliche Kurven erkannt. Wenn ein Zylinder unendlich lang ist und sich schnell genug um seine Längsachse dreht, könnte ein Raumschiff, das auf einer spiralförmigen Bahn um den Zylinder fliegt, in der Zeit zurückreisen (oder vorwärts, je nach Richtung der Spirale). Die erforderliche Dichte und Geschwindigkeit ist jedoch so groß, dass gewöhnliche Materie nicht stark genug ist, um es zu bauen. Ein ähnliches Gerät könnte aus einem kosmischen String gebaut werden, aber es ist nicht bekannt, dass es einen solchen gibt, und es scheint auch nicht möglich zu sein, einen neuen kosmischen String zu erzeugen. Der Physiker Ronald Mallett versucht, die Bedingungen eines rotierenden Schwarzen Lochs mit Ringlasern nachzubilden, um die Raumzeit zu krümmen und Zeitreisen zu ermöglichen. ⓘ
Ein grundlegenderer Einwand gegen Zeitreiseschemata, die auf rotierenden Zylindern oder kosmischen Strings basieren, wurde von Stephen Hawking vorgebracht, der ein Theorem bewies, das zeigt, dass es nach der allgemeinen Relativitätstheorie unmöglich ist, eine Zeitmaschine eines speziellen Typs (eine "Zeitmaschine mit kompakt erzeugtem Cauchy-Horizont") in einer Region zu bauen, in der die Bedingung der schwachen Energie erfüllt ist, was bedeutet, dass die Region keine Materie mit negativer Energiedichte (exotische Materie) enthält. Lösungen wie die von Tipler gehen von Zylindern unendlicher Länge aus, die mathematisch leichter zu analysieren sind, und obwohl Tipler vorschlug, dass ein endlicher Zylinder geschlossene zeitähnliche Kurven erzeugen könnte, wenn die Rotationsrate schnell genug wäre, hat er dies nicht bewiesen. Hawking weist jedoch darauf hin, dass es aufgrund seines Theorems nicht möglich ist, "überall eine positive Energiedichte zu haben! Ich kann beweisen, dass man negative Energie braucht, um eine endliche Zeitmaschine zu bauen". Dieses Ergebnis stammt aus Hawkings Arbeit von 1992 über die Chronologie-Schutz-Vermutung, in der er "den Fall untersucht, dass die Kausalitätsverletzungen in einer endlichen Region der Raumzeit ohne Krümmungssingularitäten auftreten" und beweist, dass "es einen Cauchy-Horizont geben wird, der kompakt erzeugt wird und der im Allgemeinen eine oder mehrere geschlossene Null-Geodäten enthält, die unvollständig sein werden. Man kann geometrische Größen definieren, die den Lorentz-Boost und die Flächenzunahme beim Umrunden dieser geschlossenen Null-Geodäten messen. Wenn sich die Kausalitätsverletzung aus einer nicht kompakten Anfangsfläche entwickelt hat, muss die gemittelte schwache Energiebedingung am Cauchy-Horizont verletzt werden." Dieses Theorem schließt die Möglichkeit von Zeitreisen mittels Zeitmaschinen mit nicht kompakt erzeugten Cauchy-Horizonten (wie die Deutsch-Politzer-Zeitmaschine) oder in Regionen, die exotische Materie enthalten, nicht aus, was für durchfahrbare Wurmlöcher oder den Alcubierre-Antrieb und das Schwarze Loch genutzt würde. ⓘ
Quantenphysik
Theorem der Nicht-Kommunikation
Wenn ein Signal von einem Ort aus gesendet und an einem anderen Ort empfangen wird, dann zeigt die Mathematik der Gleichzeitigkeit in der Relativitätstheorie, dass alle Bezugsrahmen darin übereinstimmen, dass das Sendeereignis vor dem Empfangsereignis stattfand, solange sich das Signal mit Lichtgeschwindigkeit oder langsamer bewegt. Wenn sich das Signal schneller als das Licht bewegt, wird es in allen Bezugssystemen empfangen, bevor es gesendet wird. Man könnte sagen, dass sich das Signal in der Zeit rückwärts bewegt hat. Dieses hypothetische Szenario wird manchmal als tachyonisches Antitelefon bezeichnet. ⓘ
Quantenmechanische Phänomene wie die Quantenteleportation, das EPR-Paradoxon oder die Quantenverschränkung könnten den Anschein erwecken, dass ein Mechanismus geschaffen wird, der eine Kommunikation überlichtschnell oder Zeitreisen ermöglicht. Dieser Effekt wurde von Einstein als "spukhafte Fernwirkung" bezeichnet. ⓘ
Die Tatsache, dass die Kausalität in der Quantenmechanik erhalten bleibt, ist jedoch ein strenges Ergebnis der modernen Quantenfeldtheorien, und daher lassen moderne Theorien keine Zeitreisen oder FTL-Kommunikation zu. In jedem konkreten Fall, in dem FTL behauptet wurde, hat eine genauere Analyse gezeigt, dass zum Erhalt eines Signals auch eine Form der klassischen Kommunikation verwendet werden muss. Das Kommunikationsverbotstheorem ist ein allgemeiner Beweis dafür, dass die Quantenverschränkung nicht verwendet werden kann, um Informationen schneller als klassische Signale zu übertragen. ⓘ
Interagierende Viele-Welten-Interpretation
Eine Variante von Hugh Everetts Viele-Welten-Interpretation (MWI) der Quantenmechanik bietet eine Lösung für das Großvater-Paradoxon, bei dem der Zeitreisende in einem anderen Universum ankommt als in dem, aus dem er gekommen ist. Die akzeptierte Viele-Welten-Interpretation besagt, dass alle möglichen Quantenereignisse in sich gegenseitig ausschließenden Geschichten auftreten können. In einigen Varianten können jedoch verschiedene Universen miteinander interagieren. Dieses Konzept wird am häufigsten in der Science-Fiction verwendet, aber einige Physiker wie David Deutsch haben vorgeschlagen, dass ein Zeitreisender in einer anderen Geschichte landen sollte als der, in der er gestartet ist. Andererseits hat Stephen Hawking argumentiert, dass wir, selbst wenn die MWI korrekt ist, erwarten sollten, dass jeder Zeitreisende eine einzige, in sich konsistente Geschichte erlebt, so dass Zeitreisende in ihrer eigenen Welt bleiben und nicht in eine andere reisen. Der Physiker Allen Everett argumentierte, dass Deutschs Ansatz "eine Modifizierung grundlegender Prinzipien der Quantenmechanik beinhaltet; er geht sicherlich über die einfache Annahme der MWI hinaus". Everett argumentiert außerdem, dass, selbst wenn Deutschs Ansatz korrekt ist, dies bedeuten würde, dass jedes makroskopische Objekt, das aus mehreren Teilchen besteht, aufgespalten würde, wenn es durch ein Wurmloch in die Vergangenheit reist, wobei verschiedene Teilchen in verschiedenen Welten entstehen. ⓘ
Experimentelle Ergebnisse
Bestimmte durchgeführte Experimente erwecken den Eindruck einer umgekehrten Kausalität, die sich jedoch bei näherer Betrachtung nicht bestätigt. ⓘ
Bei dem von Marlan Scully durchgeführten Delayed-Choice-Quantum-Radiergummi-Experiment werden verschränkte Photonenpaare in "Signalphotonen" und "Leerlaufphotonen" aufgeteilt, wobei die Signalphotonen an einem von zwei Orten entstehen und ihre Position später wie beim Doppelspaltexperiment gemessen wird. Je nachdem, wie das Leerlaufphoton gemessen wird, kann der Experimentator entweder erfahren, von welchem der beiden Orte das Signalphoton ausgegangen ist, oder diese Information "auslöschen". Obwohl die Signalphotonen gemessen werden können, bevor die Entscheidung über die Idler-Photonen getroffen wurde, scheint die Entscheidung rückwirkend zu bestimmen, ob ein Interferenzmuster beobachtet wird oder nicht, wenn man die Messungen der Idler-Photonen mit den entsprechenden Signalphotonen korreliert. Da Interferenzen jedoch erst beobachtet werden können, nachdem die Leerlaufphotonen gemessen und mit den Signalphotonen korreliert wurden, können die Experimentatoren nicht im Voraus sagen, welche Wahl getroffen wird, indem sie sich die Signalphotonen ansehen, sondern nur, indem sie klassische Informationen aus dem gesamten System sammeln; somit bleibt die Kausalität erhalten. ⓘ
Das Experiment von Lijun Wang könnte ebenfalls einen Verstoß gegen die Kausalität darstellen, da es möglich war, Wellenpakete so durch einen Cäsium-Gaskolben zu schicken, dass das Paket 62 Nanosekunden vor seinem Eintritt aus dem Kolben auszutreten schien, aber ein Wellenpaket ist kein einzelnes wohldefiniertes Objekt, sondern eine Summe mehrerer Wellen unterschiedlicher Frequenzen (siehe Fourier-Analyse), und das Paket kann sich scheinbar schneller als das Licht oder sogar zeitlich rückwärts bewegen, selbst wenn keine der reinen Wellen in der Summe dies tut. Dieser Effekt kann nicht genutzt werden, um Materie, Energie oder Informationen schneller als das Licht zu übertragen, so dass auch dieses Experiment nicht gegen die Kausalität verstößt. ⓘ
Die Physiker Günter Nimtz und Alfons Stahlhofen von der Universität Koblenz behaupten, Einsteins Relativitätstheorie verletzt zu haben, indem sie Photonen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit verschickt haben. Sie geben an, ein Experiment durchgeführt zu haben, bei dem Mikrowellenphotonen "augenblicklich" zwischen zwei Prismen, die bis zu 0,91 m voneinander entfernt waren, übertragen wurden, wobei ein als Quantentunnelung bekanntes Phänomen zum Einsatz kam. Nimtz sagte der Zeitschrift New Scientist: "Das ist im Moment die einzige Verletzung der speziellen Relativitätstheorie, von der ich weiß". Andere Physiker sind jedoch der Meinung, dass dieses Phänomen nicht dazu führt, dass Informationen schneller als das Licht übertragen werden können. Aephraim Steinberg, ein Experte für Quantenoptik an der Universität von Toronto, Kanada, verwendet die Analogie eines Zuges, der von Chicago nach New York fährt, aber an jeder Station auf dem Weg Waggons aussteigen lässt, so dass sich das Zentrum des Zuges an jedem Halt vorwärts bewegt; auf diese Weise übersteigt die Geschwindigkeit des Zentrums des Zuges die Geschwindigkeit der einzelnen Waggons. ⓘ
Shengwang Du behauptet in einer von Fachleuten begutachteten Zeitschrift, die Vorläufer einzelner Photonen beobachtet zu haben, die sich im Vakuum nicht schneller als mit der Geschwindigkeit c bewegen. In seinem Experiment ließ er sowohl langsames Licht als auch Licht durch ein Vakuum laufen. Er erzeugte zwei einzelne Photonen, indem er eines durch Rubidiumatome schickte, die mit einem Laser gekühlt worden waren (wodurch das Licht verlangsamt wurde), und eines durch ein Vakuum. In beiden Fällen waren die Vorläufer offenbar den Hauptkörpern der Photonen voraus, und der Vorläufer bewegte sich mit c im Vakuum. Laut Du bedeutet dies, dass es keine Möglichkeit gibt, dass sich das Licht schneller als c bewegt und somit auch keine Möglichkeit, die Kausalität zu verletzen. ⓘ
Abwesenheit von Zeitreisenden aus der Zukunft
Viele haben argumentiert, dass die Abwesenheit von Zeitreisenden aus der Zukunft beweist, dass eine solche Technologie niemals entwickelt werden wird, was bedeutet, dass sie unmöglich ist. Dies ist vergleichbar mit dem Fermi-Paradoxon in Bezug auf das Fehlen von Beweisen für außerirdisches Leben. So wie die Abwesenheit außerirdischer Besucher nicht kategorisch beweist, dass es sie nicht gibt, beweist die Abwesenheit von Zeitreisenden nicht, dass Zeitreisen physikalisch unmöglich sind; es könnte sein, dass Zeitreisen physikalisch möglich sind, aber nie entwickelt werden oder vorsichtig eingesetzt werden. Carl Sagan schlug einmal die Möglichkeit vor, dass es Zeitreisende geben könnte, die aber ihre Existenz verschleiern oder nicht als Zeitreisende erkannt werden. Einige Versionen der allgemeinen Relativitätstheorie legen nahe, dass Zeitreisen nur in einer Region der Raumzeit möglich sind, die auf eine bestimmte Weise verformt ist, und dass Zeitreisende daher nicht in frühere Regionen der Raumzeit zurückreisen können, bevor diese Region existiert. Stephen Hawking erklärte, dass dies erklären würde, warum die Welt noch nicht von "Touristen aus der Zukunft" überrannt worden ist. ⓘ
Es wurden mehrere Experimente durchgeführt, um Menschen aus der Zukunft, die eine Zeitreisetechnologie erfinden könnten, dazu zu bewegen, zurückzukommen und sie den Menschen der Gegenwart vorzuführen. Veranstaltungen wie der "Destination Day" in Perth oder die "Time Traveler Convention" des MIT warben mit ständiger "Werbung" für eine Zeit und einen Ort, an dem sich zukünftige Zeitreisende treffen können. 1982 veranstaltete eine Gruppe in Baltimore, Maryland, die sich selbst als Krononauten bezeichnete, eine derartige Veranstaltung, bei der Besucher aus der Zukunft willkommen geheißen wurden. Diese Experimente boten nur die Möglichkeit, ein positives Ergebnis zu erzielen, das die Existenz von Zeitreisen beweist, sind aber bisher gescheitert - es ist nicht bekannt, dass Zeitreisende an einer der Veranstaltungen teilgenommen haben. Einige Versionen der Viele-Welten-Interpretation lassen den Schluss zu, dass Menschen aus der Zukunft zwar in der Zeit zurückgereist sind, aber zum Ort und zur Zeit des Treffens in ein Paralleluniversum. ⓘ
Zeitdilatation
Für die Zeitdilatation in der Speziellen Relativitätstheorie und die Gravitationszeitdilatation in der Allgemeinen Relativitätstheorie gibt es zahlreiche beobachtbare Belege, zum Beispiel die berühmte und leicht zu wiederholende Beobachtung des atmosphärischen Myonenzerfalls. Die Relativitätstheorie besagt, dass die Lichtgeschwindigkeit für alle Beobachter in jedem Bezugssystem invariant ist, d. h. sie ist immer dieselbe. Die Zeitdilatation ist eine direkte Folge der Invarianz der Lichtgeschwindigkeit. Die Zeitdilatation kann in einem begrenzten Sinne als "Zeitreise in die Zukunft" betrachtet werden: Eine Person kann die Zeitdilatation so nutzen, dass für sie ein kleiner Teil der Eigenzeit vergeht, während anderswo ein großer Teil der Eigenzeit vergeht. Dies kann durch Reisen mit relativistischen Geschwindigkeiten oder durch die Wirkung der Schwerkraft erreicht werden. ⓘ
Bei zwei identischen Uhren, die sich relativ zueinander bewegen, ohne zu beschleunigen, misst jede Uhr die andere als langsamer tickend. Dies ist aufgrund der Relativitätstheorie der Gleichzeitigkeit möglich. Die Symmetrie wird jedoch gebrochen, wenn eine Uhr beschleunigt wird, so dass für die eine Uhr weniger Eigenzeit vergeht als für die andere. Das Zwillingsparadoxon beschreibt dies: Ein Zwilling bleibt auf der Erde, während der andere auf seiner Reise in den Weltraum auf relativistische Geschwindigkeit beschleunigt wird, sich umdreht und zur Erde zurückkehrt; der reisende Zwilling altert aufgrund der Zeitdilatation, die er während seiner Beschleunigung erfährt, weniger als der Zwilling, der auf der Erde geblieben ist. Die allgemeine Relativitätstheorie behandelt die Auswirkungen der Beschleunigung und die Auswirkungen der Schwerkraft als gleichwertig und zeigt, dass die Zeitdilatation auch in Schwerkraftquellen auftritt, wobei eine Uhr, die sich tiefer in der Quelle befindet, langsamer tickt; dieser Effekt wird bei der Kalibrierung der Uhren auf den Satelliten des Global Positioning System berücksichtigt und könnte bei Beobachtern, die sich in unterschiedlichen Entfernungen von einer großen Schwerkraftquelle wie einem Schwarzen Loch befinden, zu erheblichen Unterschieden in den Alterungsraten führen. ⓘ
Eine Zeitmaschine, die dieses Prinzip nutzt, könnte zum Beispiel eine Kugelschale mit einem Durchmesser von fünf Metern und der Masse des Jupiters sein. Eine Person, die sich in ihrem Zentrum befindet, reist in der Zeit viermal langsamer vorwärts als ein entfernter Beobachter. Die Masse eines großen Planeten in eine so kleine Struktur zu quetschen, dürfte in naher Zukunft nicht im Rahmen der technischen Möglichkeiten der Menschheit liegen. Mit den derzeitigen Technologien ist es nur möglich, einen menschlichen Reisenden nach einigen hundert Tagen Weltraumreise um einige Millisekunden weniger altern zu lassen als seine Begleiter auf der Erde. ⓘ
Verlässt man mit einem fast lichtschnellen Raumschiff (es reichen unter Umständen auch relativistische Geschwindigkeiten um 10 % der Lichtgeschwindigkeit) die Erde und kehrt nach Ablauf einer bestimmten Reisedauer wieder zurück, ist auf der Erde ein längerer Zeitraum verstrichen als an Bord des Raumschiffes. Die Ursache dafür ist die Zeitdilatation, die nach der speziellen Relativitätstheorie von Albert Einstein bei derartig hohen Geschwindigkeiten auftritt. Der genaue Ablauf einer solchen Zeitreise ist unter Zwillingsparadoxon beschrieben. Ein praktisches Experiment hierzu ist das Hafele-Keating-Experiment mit Atomuhren an Bord eines kommerziellen Linienflugzeugs. ⓘ
Bei hinreichend großer Reisegeschwindigkeit und Beschleunigung wäre dabei im Prinzip in beliebig kurzer Reisedauer für den Reisenden eine beliebig ferne Zukunft auf der Erde erreichbar. Bei einer dem Menschen zumutbaren Beschleunigung erfordert jedoch eine Zeitverschiebung von Jahren auch eine Reisezeit aus der Sicht der Raumschiffbesatzung von über einem Jahr (jeweils rund 347 Tage für Beschleunigung und Abbremsen mit 9,81 m/s²). ⓘ
Für ein Objekt, das sich mit Vakuumlichtgeschwindigkeit bewegt, würde die Zeit stillstehen. Ein Photon, das sich im Vakuum bewegt, kann also theoretisch die Zeitspanne vom Beginn bis zum Ende des Universums „in einem Augenblick“ durchmessen. ⓘ
Nach der allgemeinen Relativitätstheorie ist der Lauf der Zeit auch von den Gravitations- und Beschleunigungsbedingungen abhängig, denen ein System unterworfen ist. So vergeht die Zeit etwa auf einem hohen Berg geringfügig schneller als auf Meereshöhe. Dieses Phänomen ließe sich als Zeitreise in die Zukunft interpretieren, wobei nicht nur eine raschere, sondern auch eine gebremste Reise möglich ist. ⓘ
Auf einem Neutronenstern kann die gravitative Zeitdilatation erheblich sein. So könnte ein hypothetischer Bewohner eines Neutronensterns eine zeitaufwändige Aufgabe in einer Umlaufbahn um den Stern erledigen, um einen Termin auf der Sternoberfläche leichter einhalten zu können. Im noch extremeren Gravitationspotential nahe dem Schwarzschildradius Schwarzer Löcher kann sich die Zeit gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie beliebig dehnen. ⓘ
Philosophie
Philosophen haben mindestens seit der griechischen Antike über die Natur der Zeit diskutiert; Parmenides vertrat beispielsweise die Ansicht, dass die Zeit eine Illusion ist. Jahrhunderte später vertrat Isaac Newton die Idee der absoluten Zeit, während sein Zeitgenosse Gottfried Wilhelm Leibniz die Ansicht vertrat, dass die Zeit nur eine Beziehung zwischen Ereignissen ist und nicht unabhängig ausgedrückt werden kann. Der letztgenannte Ansatz führte schließlich zur Raumzeit der Relativitätstheorie. ⓘ
Präsentismus vs. Eternalismus
Viele Philosophen haben argumentiert, dass die Relativitätstheorie Eternalismus impliziert, d. h. die Vorstellung, dass die Vergangenheit und die Zukunft in einem realen Sinne existieren und nicht nur als Veränderungen, die in der Gegenwart stattgefunden haben oder noch stattfinden werden. Der Wissenschaftsphilosoph Dean Rickles ist mit einigen Einschränkungen anderer Meinung, stellt aber fest, dass "der Konsens unter Philosophen zu sein scheint, dass die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie mit dem Präsentismus unvereinbar sind". Einige Philosophen sehen die Zeit als eine Dimension an, die den räumlichen Dimensionen gleichkommt, und meinen, dass künftige Ereignisse in demselben Sinne "bereits da" sind, in dem verschiedene Orte existieren, und dass es keinen objektiven Zeitfluss gibt; diese Ansicht ist jedoch umstritten. ⓘ
Der Präsentismus ist eine philosophische Schule, die davon ausgeht, dass die Zukunft und die Vergangenheit nur als Veränderungen existieren, die in der Gegenwart eingetreten sind oder eintreten werden, und dass sie keine eigene reale Existenz haben. Nach dieser Auffassung sind Zeitreisen unmöglich, da es keine Zukunft oder Vergangenheit gibt, in die man reisen könnte. Keller und Nelson haben argumentiert, dass es auch dann, wenn Objekte der Vergangenheit und der Zukunft nicht existieren, bestimmte Wahrheiten über vergangene und zukünftige Ereignisse geben kann, und dass es daher möglich ist, dass eine zukünftige Wahrheit über einen Zeitreisenden, der beschließt, in die Gegenwart zurückzureisen, das tatsächliche Erscheinen des Zeitreisenden in der Gegenwart erklären könnte; diese Ansichten werden von einigen Autoren bestritten. ⓘ
Der Präsentismus in der klassischen Raumzeit geht davon aus, dass nur die Gegenwart existiert; dies ist mit der speziellen Relativitätstheorie nicht vereinbar, wie das folgende Beispiel zeigt: Alice und Bob sind gleichzeitige Beobachter des Ereignisses O. Für Alice ist ein bestimmtes Ereignis E gleichzeitig mit O, aber für Bob liegt das Ereignis E in der Vergangenheit oder Zukunft. Alice und Bob sind sich also nicht einig darüber, was in der Gegenwart existiert, was dem klassischen Präsentismus widerspricht. Der "Hier-und-Jetzt-Präsentismus" versucht, dies in Einklang zu bringen, indem er nur die Zeit und den Raum eines einzigen Punktes anerkennt; dies ist unbefriedigend, weil Objekte, die aus dem "Hier und Jetzt" kommen und gehen, zwischen real und irreal wechseln, zusätzlich zum Fehlen eines privilegierten "Hier und Jetzt", das die "echte" Gegenwart wäre. Der "relativierte Präsentismus" erkennt an, dass es unendlich viele Bezugssysteme gibt, von denen jedes eine andere Menge gleichzeitiger Ereignisse hat, was es unmöglich macht, eine einzige "reale" Gegenwart zu unterscheiden, und daher entweder alle Ereignisse in der Zeit real sind - was den Unterschied zwischen Präsentismus und Eternalismus verwischt - oder jedes Bezugssystem in seiner eigenen Realität existiert. Die Möglichkeiten des Präsentismus in der speziellen Relativitätstheorie scheinen erschöpft zu sein, aber Gödel und andere vermuten, dass der Präsentismus für einige Formen der allgemeinen Relativitätstheorie gültig sein könnte. Im Allgemeinen wird die Idee der absoluten Zeit und des absoluten Raums als unvereinbar mit der allgemeinen Relativitätstheorie angesehen; es gibt keine universelle Wahrheit über die absolute Position von Ereignissen, die zu verschiedenen Zeiten stattfinden, und somit keine Möglichkeit, zu bestimmen, welcher Punkt im Raum zu einem bestimmten Zeitpunkt an der universellen "gleichen Position" zu einem anderen Zeitpunkt ist, und alle Koordinatensysteme sind gleichberechtigt, wie durch das Prinzip der Diffeomorphismusinvarianz gegeben. ⓘ
Das Großvater-Paradoxon
Ein gängiger Einwand gegen die Idee von Zeitreisen ist das Großvaterparadoxon oder das Argument des Selbstmordes. Wenn man in der Lage wäre, in der Zeit zurückzureisen, würden sich Ungereimtheiten und Widersprüche ergeben, wenn der Zeitreisende irgendetwas verändern würde; es gibt einen Widerspruch, wenn die Vergangenheit anders wird, als sie ist. Das Paradoxon wird üblicherweise mit einer Person beschrieben, die in die Vergangenheit reist und ihren eigenen Großvater tötet, was die Existenz ihres Vaters oder ihrer Mutter und damit ihre eigene Existenz verhindert. Philosophen stellen die Frage, ob diese Paradoxa beweisen, dass Zeitreisen unmöglich sind. Einige Philosophen antworten auf die Paradoxa mit dem Argument, dass Zeitreisen in die Vergangenheit zwar möglich sein könnten, dass es aber unmöglich wäre, die Vergangenheit in irgendeiner Weise zu verändern - eine Idee, die dem Novikovschen Prinzip der Selbstkonsistenz in der Physik ähnelt. ⓘ
Ontologisches Paradoxon
Erreichbarkeit
Die philosophische Theorie der Möglichkeit besagt, dass alles, was passieren kann, z. B. im Zusammenhang mit Zeitreisen, im Kontext aller mit der Situation zusammenhängenden Faktoren betrachtet werden muss. Wenn die Vergangenheit auf eine bestimmte Art und Weise geschehen ist, ist es nicht möglich, dass sie auf eine andere Art und Weise geschehen kann. Was geschehen kann, wenn ein Zeitreisender die Vergangenheit besucht, ist auf das beschränkt, was geschehen ist, um logische Widersprüche zu vermeiden. ⓘ
Prinzip der Selbstkonsistenz
Das Novikov-Prinzip der Selbstkonsistenz, benannt nach Igor Dmitrievich Novikov, besagt, dass alle Handlungen eines Zeitreisenden oder eines Objekts, das in die Vergangenheit reist, von Anfang an Teil der Geschichte waren und es daher unmöglich ist, dass der Zeitreisende die Geschichte in irgendeiner Weise "verändert". Die Handlungen des Zeitreisenden können jedoch die Ursache für Ereignisse in seiner eigenen Vergangenheit sein, was zu einer möglichen zirkulären Verursachung führt, die manchmal als Prädestinationsparadoxon, ontologisches Paradoxon oder Bootstrap-Paradoxon bezeichnet wird. Der Begriff Bootstrap-Paradoxon wurde durch Robert A. Heinleins Geschichte "By His Bootstraps" populär gemacht. Das Novikov-Prinzip der Selbstkonsistenz besagt, dass sich die lokalen physikalischen Gesetze in einer Region der Raumzeit, in der sich Zeitreisende befinden, nicht von den lokalen physikalischen Gesetzen in einer anderen Region der Raumzeit unterscheiden können. ⓘ
Der Philosoph Kelley L. Ross argumentiert in "Time Travel Paradoxes", dass in einem Szenario mit einem physischen Objekt, dessen Weltlinie oder Geschichte eine geschlossene Schleife in der Zeit bildet, eine Verletzung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik vorliegen kann. Ross verwendet den Film Somewhere in Time als Beispiel für ein solches ontologisches Paradoxon, in dem einer Person eine Uhr geschenkt wird und 60 Jahre später dieselbe Uhr in der Zeit zurückgebracht und derselben Figur geschenkt wird. Ross stellt fest, dass die Entropie der Uhr zunimmt und die Uhr, die in der Zeit zurückgebracht wird, mit jeder Wiederholung ihrer Geschichte mehr abgenutzt wird. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik wird von modernen Physikern als statistisches Gesetz verstanden, so dass abnehmende Entropie und nicht zunehmende Entropie nicht unmöglich, sondern nur unwahrscheinlich sind. Darüber hinaus nimmt die Entropie in isolierten Systemen statistisch gesehen zu, so dass nicht isolierte Systeme, wie z. B. ein Objekt, das mit der Außenwelt interagiert, weniger abgenutzt werden und die Entropie abnehmen kann, und es ist möglich, dass sich ein Objekt, dessen Weltlinie eine geschlossene Schleife bildet, am gleichen Punkt seiner Geschichte immer im gleichen Zustand befindet. ⓘ
Im Jahr 2005 schlugen Daniel Greenberger und Karl Svozil vor, dass die Quantentheorie ein Modell für Zeitreisen liefert, bei dem die Vergangenheit selbstkonsistent sein muss. ⓘ
In der Fiktion
Zeitreisethemen in der Science-Fiction und in den Medien können in drei Kategorien eingeteilt werden: unveränderliche Zeitlinie, veränderbare Zeitlinie und alternative Geschichten, wie in der Interpretation der interagierenden Welten. Der nichtwissenschaftliche Begriff "Zeitlinie" wird häufig verwendet, um sich auf alle physischen Ereignisse in der Geschichte zu beziehen, so dass der Zeitreisende bei veränderten Ereignissen als Erschaffer einer neuen Zeitlinie beschrieben wird. ⓘ
Physikalische Möglichkeit von Zeitreisen
Die Relativitätstheorie Albert Einsteins bietet verschiedene Möglichkeiten für Zeitreisen: ⓘ