In
der Physik gilt die Zeit als 4. Koordinate, kommt zu den 3 Raumkoordianten hinzu
(vgl. 4-dimensionales Kontinuum von Bernhard Riemmann );
in der allgemeinen Relativitätstheorie ( )
spricht man auch von einem Raum-Zeit-Kontinuum. Danach sind auch Aussagen über
die Zeit relativ.Die von Einstein
1905 begründete spezielle Realtivitätstheorie schuf einen neuen Zeitbegriff
für die Physik: die Zeit wird nicht mehr durch die Drehung der Erde, sondern
durch die Lichtgeschwindigkeit (299792 km/s) definiert. Diese Zeit wird in der
formaltheoretischen Betrachtung mit dem Raum so verknüpft, daß sie
zusammen mit den drei Raumdimensionen einen vierdimensionalen Raum (Kontinuum)
aufspannt. Als Koordinate büßte die Zeit ihre Absolutheit ein, wurde
zu einer nur realtiven Zahl in einem Bezugssystem. Eine den Tatsachen
der gesamten Physik angemessene Raumzeitauffassung war gefunden worden. Eine weitere
Folgerung aus der speziellen Realtivitätstheorie ist die Äquivalenz
von Masse (m) und Energie (E), sodaß E = mc² ist (Äquivalenzprinzip).
Die von Einstein 1916 begründete allgemeine Relativitätstheorie dehnte
die Erkenntnisse der speziellen Relativitätstheorie auf beschleunigte Systeme
aus. Schwerkraft und Beschleunigung sind gleichwertig. Es ist für einen Beobachter
innerhalb eines begrenzten Bereichs der Raumzeit unmöglich zu entscheiden,
ob er eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung ausführt oder sich
in einem Gravitationsfeld befindet (Prinzip der Äquivalenz von Trägheit
und Masse). Ein abgeschlossener Beobachter kann also durch keinerlei Experimente
herausfinden, ob er sich in einem Gravitationsfeld befindet oder außerhalb
eines solchen beschleunigt bewegt. Nach Einstein ist die Gravitation nicht allein
als eine Kraft anzusehen; er sah sie als eine Folge der Raumkrümmung. In
der allgemeinen Relativitätstheorie stellt sich der Raum jedenfalls als Folge
der Anwesenheit von Massen dar; in der Nachbarschaft einer besonders großen
Masse ist die Raumkrümmung entsprechend größer und nimmt mit zunehmendem
Abstand von dieser Masse ab. Die Gesamtheit aller Massen im Weltall bedingt die
Gesamtkrümmung des Universums. - Die Relativitätstheorie löste
Probleme, die sich aus der Beobachtung der Ausbreitung elektromagnetischer und
optischer Erscheinung ergaben, insbesondere der Ausbreitung des Lichts in beliebig
bewegten Systemen. Die Resultate der mit Hilfe der Realativitätstheorie gedeuteten
Beobachtungen weichen von den Beobachtungsresultaten der klassischen Mechanik
und Elektrodynamik nur dann erheblich ab, wenn es sich um sehr große Entfernungen
im unendlichen Kosmos handelt.
Zeitdehnung (Zeitdilatation)
Die Zeitdehnung (Zeitdilatation)
gemäß der Relativitätstheorie ( )
macht man sich am besten mit dem Zwillinge-Paradoxon
verständlich: Die nach der speziellen Relativitätstheorie zu erwartende
Erscheinung, daß ein mit sehr großer, eventuell sogar mit Fast-Lichtgeschwindigkeit
fliegender hypothetischer Raumfahrer nach seiner Rückkehr zur Erde seinen
Zwillingsbruder stark gealtert vorfindet oder dieser sogar verstorben ist, während
der Astronaut selbst nur wenig älter geworden ist. Ein Beispiel: Beschleunigt
man ein raumschiff nach dem Star auf der Erde konstant mit 1 g, also einfacher
Erdbeschleunigung, Richtung Arktur (Arcturus) im Sternbild Ochsentreiber (Bootes)
in 36 Lichtjahren Entfernung und kehrt nach Erreichen von Arktur um, indem man
wieder mit 1 g bremst, so würden bei der Rückkunft im Raumschiff
knapp 15 Jahre, auf der Erde aber fast 80 Jahre vergangen sein.Die
Zeit in einem gleichförmig mit der Geschwindigkeit v bewegten System
läuft - von einem ruhenden System aus gesehen - um den Faktor
langsamer ab (c = Vakuumslichtgeschwindigkeit); dagegen erscheint die Zeit
- von dem bewegten System aus gesehen - im ruhenden System um den gleichen Faktor
langsamer zu verstreichen. | Befindet sich ein Beobachter
im Zustand gleichförmiger Bewegung bzw. ruht er in einem Inertialsystem ( ),
geht nach der speziellen Relativitätstheorie jede relativ zu ihm bewegte
Uhr aus seiner Sicht langsamer. Diesem Phänomen unterliegen allerdings nicht
nur Uhren, sondern - wie gesagt - jeder beliebige Vorgang und damit die Zeit im
bewegten System selbst. Dabei ist die Zeitdilatation umso stärker, je größer
die Relativgeschwindigkeit der Uhr ist, woraus folgt, daß sie nicht im alltäglichen
Leben, sondern erst bei Geschwindigkeiten beobachtbar ist, die im Vergleich zur
Lichtgeschwindigkeit nicht vernachlässigbar klein sind. Die Tatsache, daß
für alle Beobachter die Zeit des jeweils anderen langsamer verstreicht, stellt
jedoch keinen Widerspruch dar, wie eine nähere Betrachtung der Relativität
der Gleichzeitigkeit aufzeigt.
Gravitative Zeitdilatation
Bei der gravitativen Zeitdilatation
handelt es sich um ein Phänomen der allgemeinen Relativitätstheorie
( ).
Mit der gravitativen Zeitdilatation bezeichnet man den Effekt, daß eine
Uhr, wie auch jeder andere Prozeß, in einem Gravitationsfeld langsamer abläuft
als außerhalb desselben. So läuft die Zeit auf der Erdoberfläche
um etwa den Faktor 7 10-10 langsamer ab als im fernen, näherungsweise
gravitationsfreien Weltraum. Genauer gesagt: jeder gegenüber dem Gravitationsfeld
ruhende Beobachter mißt eine längere bzw. kürzere Ablaufzeit von
Vorgängen, die in identischer Weise im bzw. außerhalb des Gravitationsfelds
ausgelöst wurden (wie z.B. eine Oszillation des elektrischen Feldstärkevektors
eines Lichtstrahls, welche als Zeitbasis verwendet werden kann). Anders als bei
der Zeitdilatation durch Bewegung ist die gravitative Zeitdilatation nicht gegenseitig:
Während der im Gravitationsfeld weiter oben befindliche Beobachter die Zeit
des weiter unten befindlichen Beobachters langsamer ablaufen sieht, sieht der
untere Beobachter die Zeit des oberen Beobachters entsprechend schneller ablaufen.
Zeitreisen
Zeitreisen bedeuten Bewegungen in der Zeit bzw. auch
durch die Zeit. Mittels der Relativitätstheorie ( )
sind Szenarien beschreibbar, in denen durch den Effekt der Zeitdilatation ( )
Reisen in die Zukunft stattfinden. Ob hingegen auch Reisen in die
Vergangenheit, wie sie in vielen Science-Fiction-Erzählungen beschrieben
werden, überhaupt prinzipiell physikalisch, logisch oder metaphysisch möglich
wären, wird vielfach bezweifelt, jedenfalls gibt es dafür keinerlei
empirische Evidenz.Einsteins Relativitätstheorie ( )
bietet verschiedene Möglichkeiten für die Zeitreisen:| Zeitreisen
in die Zukunft | Wenn man mit einem fast
lichtschnellen Raumschiff (es reichen u.U. auch relativistische Geschwindigkeiten
um 10% der Lichtgeschwindigkeit) die Erde verläßt und nach Ablauf einer
Reisedauer wieder zurückkehrt, so ist auf der Erde ein längerer Zeitraum
verstrichen als an Bord des Raumschiffes. Die Ursache dafür ist die Zeitdilatation
( ),
die gemäß Einsteins spezieller Relativitätstheorie ( )
bei derartig hohen Geschwindigkeiten auftritt. Der genaue Ablauf einer solchen
Zeitreise ist als Zwillinge-Paradoxon ( )
beschrieben. Gemäß Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie
( )
ist der Lauf der Zeit auch von den Gravitations- und Beschleunigungsbedingungen
abhängig, denen ein System unterworfen ist. So vergeht die Zeit z.B. in einer
orbitalen Erdumlaufbahn von einigen 100 km Höhe geringfügig schneller
als auf Meereshöhe. Dieses Phänomen ließe sich als Zeitreise in
die Zukunft interpretieren, wobei sowohl eine schnellere als auch eine langsamere
Reise möglich ist. Die gravitative Zeitdilatation ( )
kann auf einem Neutronenstern 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. | | Zeitreisen
in die Vergangenheit | Gemäß
Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ( )
ist es denkbar, daß zwei verschiedene Bereiche der Raumzeit über sogenannte
Wurmlöcher miteinander verbunden sein könnten. Wenn es wirklich
so ist, daß die beiden Ausgänge eines solchen Wurmloches zwei Bereiche
unterschiedlicher Zeit verbinden, dann ist eine Zeitreise auch in die Vergangenheit
möglich. Allerdings zeigen Rechnungen, daß Wurmlöcher normalerweise
nicht unbedingt stabil sind und so schnell kollabieren, daß eine Passage
nicht möglich ist. Hätte man eine hypothetische Materie mit negativer
Energiedichte zur Verfügung, die sogenannte exotische Materie,
so könnte man damit ein Wurmloch stabilisieren. Die dazu erforderliche Menge
an exotischer Materie steht aber, soweit bekannt, im gesamten Universum nicht
zur Verfügung. 1949 entdeckte Kurt Gödel, daß eine Lösung
der Allgemeinen Relativitätstheorie, bei der das Universum rotiert, das Zurückkehren
eines Objekts in seine eigene Vergangenheit ermöglicht. Ein solches Universum
wird als R-Universum (Gödel-Universum) bezeichnet.
Auch wenn bewiesen werden kann, daß unser Universum nicht rotiert, zeigt
das R-Universum, daß die Einsteinschen Feldgleichungen ein Universum mit
geschlossenen zeitartigen Kurven zulassen. Folglich gehört das gleichförmige
Vergehen der Zeit nicht zu den von vorneherein notwendigen Eigenschaften eines
Universums, das den Gleichungen genügt. Eventuell wäre auf einer speziellen
Flugbahn in der Umgebung eines hinreichend schnell rotierenden Schwarzen Loches
( )
eine Reise in die eigene Vergangenheit möglich. Man nimmt derzeit jedoch
an, daß es keine derart schnell rotierenden Schwarzen Löcher gibt.
Eine Zeitreise in die Vergangenheit ist auch in der Umgebung zweier kosmischer
Strings möglich, die hinreichend schnell aneinander vorbei fliegen; jedoch
ist die Existenz solcher Strings derzeit noch umstritten. Laut einer sehr umstrittenen
Interpretation wird durch Superluminares Tunneln für Teilchen
bzw. Photonen eine Zeitumkehr erreicht, d.h.: aus der experimentellen Anordnung
dem Tunnel schienen die Teilchen herauszukommen, bevor
sie hineingestrahlt wurden. Jedoch wurde bei diesen Experimenten eine sehr umstrittene
Definition des Signalzeitpunktes verwendet. Vergangenheitsreisen werfen auch die
Frage auf, wie die Paradoxa vermieden werden, die sich in diesem Zusammenhang
aus der Verletzung der Kausalität ergeben können, wie z.B. das Großvater-Paradoxon
( ).
Als mögliche Antwort käme vor allem die Everettsche Viel-Welten-Theorie
in Frage, gemäß der die Vergangenheit, in die man reist, in einer Parallelwelt
angesiedelt ist. Der ursprüngliche Ablauf der Dinge und ein durch einen Eingriff
in die Vergangenheit modifizierter Ablauf ereignen sich dann beide. Insbesondere
ist es demnach für den Reisenden unmöglich, wieder in seine ursprüngliche
Version der Gegenwart zurückzukehren, wohl aber in eine Parallelwelt, die
dieser nahezu identisch ist. Wenn von Reisen in die Vergangenheit
die Rede ist, werden gelegentlich auch hypothetische überlichtschnelle Teilchen,
sogenannte Tachyonen, ins Spiel gebracht. Könnte sich
ein Teilchen mit Überlichtgeschwindigkeit von A nach B bewegen,
so ließe sich immer ein Beobachter finden, für den die Bewegung von
B nach A stattfände. Da die Beobachter die zeitliche Reihenfolge
der Ereignisse A und B unterschiedlich beurteilen, bewegt sich für
alle Beteiligten das Tachyon von der Vergangenheit in die Zukunft. | Zeitreisen
sind ein alter Menschheitstraum und werden deshalb oft gern in Science-Fiction-Literatur
und im Science-Fiction-Film thematisiert. Insbesondere sind die Probleme
im Zusammenhang mit der Kausalität bei Zeitreisen in die Vergangenheit ein
beliebtes Thema. Dabei wird gern der Schmetterlingseffekt aus der
Chaostheorie thematisiert. Das bedeutet, daß selbst kleinste
Veränderungen in der Vergangenheit extreme Auswirkungen auf die weitere Entwicklung
haben können, die unter Umständen mit der Nicht-Existenz des Zeitreisenden
enden. Gelöst wird dieses Problem nicht selten mit der überraschenden
Pointe, daß die Zeitreise von Beginn an Teil der bekannten Vergangenheit
war und durch die Zeitreise ein Kreis geschlossen wird.In dem Roman Der
letzte Tag der Schöpfung von Wolfgang Jeschke ( )
beipielsweise reisen Menschen in die Vergangenheit und schaffen dadurch parallele,
voneinander abweichende Zukünfte, aus denen verschiedene weitere Personen
in die Vergangenheit reisen.
Zeitmessung     In
der Astronomie ist vor allem die Einteilung der Zeit in kleinere Abschnitte wichtig.
Dabei spielt insbesondere die Rotationsperiode der Erde eine Rolle, die den Tag
definiert. Da die Rotationsgeschwindigkeit der Erde veränderlich ist, führte
man ein gleichförmiges Zeitmaß, zunächst die Ephemeridenzeit
(EZ oder ET [Ephemeris Time] ),
dann die Dynamische Zeit (DZ oder DT [Dynamical Time] )
ein. Drei verschiedene Faktoren beeinflussen die Erdrotation:| (1.) | Säkulare
Veränderungen, wie sie v.a. durch die Gezeitenreibung im System Erde-Mond
( )
auftreten. Sie bewirken eine Verlängerung des Tages von 0,0016 Sekunden pro
Jahrhundert. | | (2.) | Fluktuationen
als Folge von Massenverlagerungen im Erdkörper, vielleicht unregelmäßig,
vielelicht aber auch mit langfristiger Periode von mehreren Jahrzehnten. Durch
Aufsummieren dieser Effekte kann es zu Unterscheiden zwische einem gleichförmigen
Zeitmaß und der mit Hilfe der Erdrotation bestimmten Zeit zu vielen Sekunden
kommen. | | (3.) | Jahresperiodische
Schwankungen als Folge von abschmelzvorgängen an den Polarkappen oder anderer
meteorologischer Effekte. dabei geht die Erde im Juli um 0,06 Sekunden nach, im
November um 0,05 Sekunden vor. |
WeltzeitDie Weltzeit (WZ oder Universalzeit, UT [Universal Time])
ist die Zonenzeit des Meridians von Greenwich (vgl. Weltuhrzeit ).
Die WZ 0 (UT 0) ist die aus astronomischen Zeitbestimmungen gewonnene
Weltzeit; die WZ 1 (UT 1) ist die Weltzeit WZ 0 (UT 0), die
aber wegen der Polbewegung korrigiert ist; die WZ 2 (UT 2) ist die WZ 1
(UT 1), die zusätzlich wegen der jahresperiodischen Schwankungen der
Erdrotation korrigiert ist. Die Koordinierte Weltzeit (KWZ oder UTC) ist
die Grundlage für die Zeitzeichen des Rundfunks und der Zeitzeichensender.
Sie wird dem lauf der Sonne angepaßt und darf von der WZ 1 um nicht
mehr als 0,7 Sekunden abweichen, erreicht die Differenz zwischen KWZ und WZ 1
einen größeren wert, so muß eine Schaltsekunde addiert oder subtrahiert
werden.
Ephemeridenzeit
Bei der Epemeridenzeit (EZ oder ET [Ephemeris Time])
handelt es sich um die Zeit, die auf die Ephemeriden (Tabellen - meist in Jahrbüchern
veröffentlicht - zu den Positionen der Sterne, Planeten und Monde), und zwar
auf die Ephemeridensekunde zurückgeht. Die Ephemeridenzeit wird vor allem
aus den Beobachtungen des Mondes gegenüber dem Hintergrund der Sterne (Sternbedeckungen
durch den Mond) sowie mit den Atomuhren ( )
ermittelt, während die Weltzeit ( )
aus Sterndurchgängen durch dem Meridian abgeleitet und von den Unregelmäßigkeiten
der Erdrotation beeinflußt wird. Die Ephemeridenzeit wurde 1960 von der
Internationalen Astronomischen Union zur Berechnung der Ephemeriden eingeführt.
Es ist ein nahezu exakt gleichförmiges Zeitmaß. Die Differenz EZ
WZ ( )
ist für 1900 Januar 0,5 gleich Null gesetzt. In der Folge leifen die beiden
Skalen auseinander. 1984 wurde die Ephemeridenzeit von der Dynamischen Zeit
(DZ oder DT [Dynamical Time] )
in den astronomischen Jahrbüchern abgelöst. Eine Ephemeridensekunde
ist die Länge einer tropischen Sekunde (1/31556925,97474 eines tropischen
Jahres) zum Termin 1900 Januar 0,5 Ephemeridenzeit.
Dynamische Zeit
1984 wurde - wie gesagt - die die zuvor verwendete
Ephemeridenzeit ( )
durch die Dynamische Zeit abgelöst. Es gibt zwei verschiedenen Zeitskalen:| (1.) | Terrestriale
Dynamische Zeit (TDZ oder TDT [Terrestrial Dynamic Time]); sie bezieht sich
auf Beobachter auf der Erde. | | (2.) | Baryzentrische
Dynamische Zeit (BDZ oder BDT [Barycentric Dynamic Time]; sie bezieht sich
auf den Schwerpunkt des Sonnensystems. | Die Differenz
zur Weltzeit ( )
ist erst einige Zeit später aus Beobachtungen von Gestirnen bestimmbar. Für
1996 gilt z.B. als extrapolierte Differenz TDZ WZ ( )
= + 62 Sekunden. Die TDZ eilt also der Weltzeit um über eine Minute
voraus.
Atomzeit
Die Atomzeit ist die Zeit, die mittels Atomuhren ( )
bestimmt und mit IAZ (Internationale Atomzeit) oder ITA (International Atomic
Time) abgekürzt wird. Sie ist die am genauesten zu bestimmende Zeitskala
für den Gebrauch in der Astronomie und resultiert aus Analysen des Internatinalen
Büros für Maße und Gewichte von Atomzeit-Standards in mehreren
Ländern, darunter auch der Physikalische-Technischen Bundesanstalt
in Braunschweig. Fundamentale Einheit der IAZ ist die SI-Sekunde ( ).
Der Nullpunkt der Zählweise der IAZ wurde willkürlich festgelegt: 01.01.1958
0 Uhr WZ 2 ( ).
Offiziell eingeführt wurde die IAZ zum 01.01.1972 - sie kann aber bis zum
01.01.1958 zurückgerechnet werden. Es ergibt sich folgende Umrechnung: IAZ
KWZ ( )
= N (Sekunden). So war N ab 01.01.1990 + 25 Sekunden, ab 01.01.1991 + 26
Sekunden, ab 01.07.1992 + 27 Sekunden und ab 01.01.1993 + 28 Sekunden
u.s.w.. An den genannten Terminen wurde jeweils eine Schaltsekunde zugefügt.
Ferner gilt: TWZ (Terrestrische Dynamische Weltzeit) = IAZ + 32 Sekunden.
Atomuhr
Die Atomuhr ist die Uhr, in der charakteristische Frequenzen
bestimmter Atome und Moleküle (wie z.B. Ammoniak, Rubidium, Wasserstoff,
Thallium und Cäsium) für eine genaue Zeitmessung herangezogen werden.
Im allgemeinen werden diese hochfrequenten Schwingungen dazu benutzt, um die restlichen
Ungenauigkeiten einer Quarzuhr auszugleichen. Während Quarzuhren bereits
eine Genauigkeit von etwa 1:109 aufweisen,, erreichen Atomuhren eine
Genauigkeit von 1:109 und besser. Die Ephemeridensekunde ( )
konnte so zu 9192631770 (plus/minus 20) Perioden der Cäsium-Schwingung
(bei ungestörtem Atomzustand) bestimmt werden. Eine Atomsekunde ist dagegen
das zeitliche Intervall, in das exakt 91926631770 Perioden des Cäsium-Atoms
hineinpassen (SI-Sekunde). Genauer gesagt handelt es sich um den Übergang
zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Gesamtzustandes der Atome von
Cäsium 133. |