Relativitätstheorie, Wurmlöcher und Zeitreisen

Das kann nur bedeuten, dass diese Zeit von Natur aus eine kosmische Signifikanz in sich birgt und beinahe so, als wäre sie der temporale Knotenpunkt für das gesamte Raum-Zeit Kontinuum … doch andererseits kann das alles nur ein dummer Zufall sein!Doc Emmet Brown - Zurück in die Zukunft II

Dass ich ein ausgesprochener Fan der Zurück in die Zukunft Trilogie bin, ist dem aufmerksamen Leser meiner Beiträge sicher nicht entgangen. In kaum einer anderen Geschichte wird so konsequent augenzwinkernd und gleichzeitig so konsistent und widerspruchsfrei mit der Zeit gespielt. Und dann noch die Sprüche von Doc Brown – einfach göttlich. In diesem Beitrag möchte ich mich aber etwas ernsthafter mit dem Thema Zeitreisen beschäftigen und sozusagen en passant mit einem hartnäckigen Mythos aufräumen.
Aber beginnen wir erst mal mit ein paar Grundlagen. Nach der Relativitätstheorie von Albert Einstein sind die drei Dimensionen des erlebbaren Raums und die Zeit keine getrennten Konzepte, sondern können nur zusammen betrachtet werden. Die Sprache ist von der sogenannten Raumzeit. Aus der Relativitätstheorie ergeben sich eine ganze Reihe von Vorhersagen, von denen bis zum heutigen Tage alle eingetroffen sind. Daher gelten Einsteins Theorien, sowohl die allgemeine Relativitätstheorie, die die Interaktion zwischen Massen und der Raumzeit betrachtet, wie auch die spezielle Relativitätstheorie, die den Ablauf der Zeit in bewegten Systemen in Beziehung zur Geschwindigkeit setzt, damit zurecht als unumstößliche Grundpfeiler der heutigen Astrophysik. Beide Theorien sind eng miteinander verknüpft, jedoch ist gerade die spezielle Relativitätstheorie mit unserer Alltagserfahrung nur schwer in Einklang zu bringen.

Die spezielle Relativitätstheorie


Grob vereinfacht besagt die SRT: Je schneller ich mich in Bezug zu einem anderen System bewege, umso langsamer vergeht für mich die Zeit in Bezug zu der Zeit in diesem System. Ein Astronaut, der mit annähernd Lichtgeschwindigkeit nach Proxima Centauri und wieder zurück reisen würde, käme in eine Welt zurück, in der sein Zwilling deutlich gealtert wäre.

Schwer vorstellbar – nicht wahr?

Albert Einstein hat für diese Theorie niemals den Nobelpreis erhalten, was daran liegen mag, dass die Konsequenzen seiner Theorie so unglaublich sperrig sind. Andererseits hat gerade diese Theorie die Fantasie über alle Maßen angeregt, denn die Tatsache, dass erlebte Zeit veränderlich ist, öffnet ja die verführerische Möglichkeit der Zeitreisen. Womit wir wieder bei Zurück in die Zukunft sind.
Die Möglichkeit von Zeitreisen in die Zukunft ist also eine direkte Schlußfolgerung aus der SRT – man muss nur einen Rundflug mit hohen Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit absolvieren. Eine Reise in die Vergangenheit ist nach der SRT hingegen völlig unmöglich, da der Lorentz-Faktor, der die relative Zunahme der Zeit im ruhenden Bezugssystem angibt, immer größer 1 sein muss. Und damit wird der wunderbare DeLorean von Doc Brown wohl leider vorerst eine unterhaltsame Fantasie bleiben, zumindest nach der geltenden Physik.

Zeitparadoxa

Jetzt verbietet die Physik und gerade die ART ja so wundervolle Science-Fiction Ideen wie Wurmlöcher, Warp-Antriebe oder auch das Beamen aus Star Trek nicht ausdrücklich. Allerdings sind die erforderlichen Energiemengen riesig groß oder es werden ebenfalls riesige Mengen exotischer Materie benötigt, einer Materieform, die nur auf dem Papier existiert. Zwar gibt es erste experimentelle Nachweise exotischen Verhaltens von Materie im Labormaßstab, doch bewegt sich der Nachweis im Bereich von wenigen Atomen. Aber um diese Details soll es heute nicht gehen. Wer dennoch diese Themen vertiefen möchte, kann dies gerne anhand der obigen Links tun.

Nein, wir wollen für den Augenblick einmal annehmen, dass uns diese Technologien auf wundersame Weise bereits zur Verfügung stehen und überlegen, inwieweit es uns dann möglich sein könnte, die Grenzen der SRT zu überwinden. Denn eine sehr hartnäckige Interpretation der Wurmlöcher-Theorien besagt, dass mit ihrer Hilfe Reisen in die Vergangenheit möglich sein müssten. Eine Interpretation, mit der viele SF-Autoren genüsslich spielen.
So viel vorweg – diese Interpretation ist aktuell wissenschaftlich sehr umstritten. Bevor wir uns aber diesen Überlegungen widmen, möchte ich erst mal kurz darstellen, welche paradoxe Möglichkeiten eine Umkehrung des Zeitpfeils eröffnen würden. Und dass diese Paradoxa ordentlich Stress auslösen können, sieht man allein an Marty McFly aus Zurück in die Zukunft, der eigentlich immer atemlos den Ereignissen hinterher hechelt, um das zuvor angerichtete Durcheinander wieder ins Lot zu bringen.
Veränderungen in der Vergangenheit scheinen also zu Schwierigkeiten zu führen. Das wird am besten am sogenannten Großvaterparadoxon deutlich: GroßvaterparadoxonWären wir in der Lage, in die Vergangenheit zu reisen, könnten wir dort auf die sicher verwerfliche Idee kommen, unseren eigenen Großvater zu töten. Das würde dazu führen, dass wir niemals das Licht der Welt erblicken würden und daher auch niemals in die Vergangenheit gereist wären. Welchen Zustand hätte dann unser Ich, nachdem der Rauch der Pistole sich verzogen hat?
Sehr schön finde ich auch die folgende Überlegung in einem Post aus einem Internetforum: „Reise ich selbst in die Vergangenheit und hindere mich daran in die Vergangenheit zu reisen, bin ich nicht in die Vergangenheit gereist und konnte mich daher auch nicht hindern, was bedeuten würde ich könnte in die Vergangenheit reisen und mich daran hindern in die Vergangenheit zu reisen, was aber bedeuten würde ich hätte mich daran gehindert in die Vergangenheit zu reisen und zu verhindern das ich in die Vergangenheit reise, was bedeuten würde…“

Wenn also Zeitreisen möglich wären, würden sie auch mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit auftreten, was zu einer instabilen Vergangenheit führen würde. Allein die Tatsache, dass ich hier sitze und diese Zeilen schreibe und Ihr vor dem Bildschirm diese Zeilen lesen könnt, beweist, dass niemand in unserer Vergangenheit rumgepfuscht hat. Und in Zeiten des Internets kann theoretisch jeder meine Seite besuchen – was leider noch nicht geschehen ist – und damit haben wir offenbar alle eine stabile Vergangenheit. Jetzt kann man natürlich alternative Zeitlinien und parallele Realitäten einführen, eine Möglichkeit, mit der auch in Zurück in die Zukunft II genüsslich gespielt wird. Das verlagert das Problem aber nur, da man damit auch in einer alternativen Vergangenheit landet und nicht mehr in die eigene Zukunft zurückkehren könnte. Das ist ein Spielfeld für die Multiversen-Theorie und damit ein Fass, dass ich hier jetzt ganz bestimmt nicht aufmachen werde.

Wurmlöcher und Zeitreisen

Aufgrund der vorhergehenden Überlegungen sollte der Zeitverlauf aus Gründen der Konsistenz zwingend linear in die Zukunft zeigen und damit einen Pfeil darstellen, zumindest was die makroskopische Welt angeht. Auf der Ebene der Quanten scheint dies anders gelagert zu sein, aber die Quantenmechanik widerspricht bekanntlich ja in vielen Bereichen unserer Alltagserfahrung. Wenn der Zeitpfeil in der makroskopischen Welt aber zwingend in die Zukunft zeigt, was würde dies für Wurmlöcher, Warp-Antriebe & Co. bedeuten? Dazu…

Ein Gedankenexperiment
Nehmen wir einmal an, wir könnten ein Wurmloch nach Beteigeuze, einem roten Überriesen im Sternbild Orion, öffnen. Beteigeuze ist 650 Lichtjahre entfernt. Nehmen wir weiterhin an, dass wir die Raumzeit vollständig krümmen könnten und unser Wurmloch uns genau zu dem Augenblick in der Raumzeit bringen würde, den wir bei der Betrachtung der Schulter des Orion mit einem Teleskop auf der Erde jetzt gerade sehen. Wir würden also aus unserer Sicht 650 Jahre in die Vergangenheit reisen, denn das was wir auf der Erde durch unsere Teleskope sehen, ist bei Beteigeuze bereits vor 650 Jahren geschehen. Bei Beteigeuze steigen wir aus unserem Wurmloch und uns fällt mit Schrecken ein, dass wir zu Hause den Herd angelassen haben. Nicht schlimm – Reisen mit Wurmlöchern gehen schnell. Also öffnen wir ein neues Wurmloch in Richtung der Erde und begeben uns wieder nach Hause. Allerdings kommen wir nun weitere 650 Jahre in der Vergangenheit an und damit 1300 Jahre vor unserer Abreise – und die war gefühlt erst vor wenigen Minuten. Wurmlöcher – also das perfekte Werkzeug für Zeitreisende?

Moment mal, was war denn mit dem Zeitparadoxon und der Konsistenzbedingung? Wenn Zeitreisen auf diese Art stattfinden würden, wären wir ja bei der Rückkehr zur Erde in einer anderen Zeitlinie gelandet und könnten den Herd selbst dann nicht ausmachen, wenn wir 1300 Jahre abwarten würden. Und darüber hinaus – wie kämen wir wieder zurück in unsere eigene Zeitlinie in der Zukunft? Jedenfalls nicht mit einem Wurmloch.

Da also die Reise in die eigene Vergangenheit aus logischen Gründen prinzipiell unmöglich erscheint, folgt daraus, dass Wurmlöcher – sollten sie denn existieren – nur die Krümmung des Raums im Bezugssystem des Reisenden erlauben dürfen. Dass heißt, dass sich bei Durchgang durch ein Wurmloch bei nicht-relativistischen Geschwindigkeiten keine Zeitdilatation in Bezug auf den Abreiseort ergeben darf. Damit bewegen wir uns aber sozusagen mit Lichtgeschwindigkeit auf ein neues Problem zu. Dazu…

Ein weiteres Gedankenexperiment
Wir öffnen wieder ein Wurmloch nach Beteigeuze und durchschreiten es, allerdings landen wir diesmal nicht in der Vergangenheit, sondern haben nur die 650 Lichtjahre in wenigen Schritten durchmessen. Mal abgesehen von dem kleinen Problem, dass sich Beteigeuze in der Zwischenzeit bewegt hat – was aber eine lösbare Aufgabenstellung bei der Planung der Wurmlochkoordinaten darstellt – erscheint diese Form eines Wurmlochs äußerst praktikabel, erlaubt sie uns doch jetzt das Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit.

Der Science-Fiction Autor in mir ist geradezu begeistert. Der Physiker in mir stöhnt hingegen genau an dieser Stelle schmerzerfüllt auf, denn nichts darf sich nach der geltenden Physik schneller bewegen als das Licht. Wir haben hier also einen fundamentalen Widerspruch in der geltenden Physik. Nach der Relativitätstheorie ist die Raumkrümmung zu einem Wurmloch mathematisch möglich und eine ganze Reihe theoretischer Physiker haben sich mit diesem Thema beschäftigt. Albert Einstein selber hat zusammen mit Nathan Rosen in seinen Arbeiten zur Einstein-Rosen-Brücke die grundlegenden Prinzipien erläutert. Allerdings gingen die beiden zu diesem Zeitpunkt und auch viele Physiker heute noch von einem Wurmloch der ersten Art aus, was, wie wir gelernt haben, gegen die Konsistenzbedingung des Zeitpfeils verstößt. Sollten hingegen Wurmlöcher der zweiten Art physikalisch machbar sein, würde dies eine überlichtschnelle Informationsübertragung zwischen zwei Punkten im Universum ermöglichen. Dies ist aber vordergründig ein Widerspruch gegen die Relativitätstheorie, da sich nichts schneller als das Licht bewegen darf, auch keine Information. Man könnte nun argumentieren, dass sich ja nicht die Information bewegt hat, sondern das sich die Raumzeit selbst verändert hat, aber auch in dieser Frage sind sich die theoretischen Physiker uneins.

Einiges deutet also darauf hin, dass Wurmlöcher prinzipiell unmöglich sind. Das wäre sehr schade, denn bei den Entfernungen im Universum bedeutet dies, dass wir auf der Erde festsitzen. Allerdings ist bezüglich Wurmlöcher das letzte Wort in der Physik noch nicht gesprochen. Sollten Wurmlöcher entgegen der Erwartungen am Ende doch ein reales physikalisches Phänomen darstellen, dann tendiere ich dazu, dass sie keinesfalls den Zeitpfeil umkehren können, denn Zeitreisen stellen ein zu großes logisches Problem dar. Dies würde aber bedeuten, dass Wurmlöcher nicht allein durch Schwarze Löcher erzeugt werden können, denn große Massen verzerren die Zeit. Daher ist da wohl noch etwas anderes im Spiel.


Ich möchte diesen Beitrag mit einem weiteren Zitat schließen, um all denjenigen die Tür offen zu halten, die die Hoffnung nicht aufgeben wollen, einmal die Pyramiden in Ägypten zur Zeit der Bauarbeiten besuchen zu können.

Um 1900 hat der amerikanische Mathematiker, Physiker und Astronom Simon Newcomb eine ganze Reihe von Artikeln publiziert, in denen er behauptete, dass Maschinen, die schwerer als Luft sind, niemals fliegen könnten. Das sei „so klar bewiesen, wie man ein physikalisches Faktum nur beweisen kann“. Wenige Jahre später haben Orville und Wilbur Wright gezeigt, dass das Gegenteil wahr ist.Rüdiger Vaas - Bild der Wissenschaft (*)

(*) Der Artikel von Rüdiger Vaas ist lesenswert, diskutiert er doch die Möglichkeiten der Wurmlöcher und Warp-Antriebe aus einer etwas anderen Perspektive.


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4 Antworten auf „Relativitätstheorie, Wurmlöcher und Zeitreisen“

  1. Schöner Artikel, danke!

    Der von Dir am Schluss erwähnte Rüdiger Vaas hat übrigens ein ganzes Buch zum Thema geschrieben: über Zeitreisen, Wurmlöcher, schwarze Löcher etc. im Rahmen der Relativitätstheorie (und Quantenphysik!), aber auch mit vielen Beispielen aus der Science-fiction … es sind, glaube ich, über 100 Romane und Kurzgeschichten erwähnt.

    TUNNEL DURCH RAUM UND ZEIT (Kosmos-Verlag)
    https://www.kosmos.de/buecher/ratgeber/astronomie/bildbaende-sachbuecher/5454/tunnel-durch-raum-und-zeit

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