Einleitung
In der Newtonschen Physik hatten Raum und Zeit ihre unabhängigen Identitäten, und niemand brachte sie jemals durcheinander. Mit der im frühen 20. Jahrhundert aufgestellten Relativitätstheorie wurde es fast unvermeidlich, über die Raumzeit zu sprechen. In der Relativitätstheorie gilt es nicht mehr, dass Raum und Zeit getrennte, objektive Bedeutungen haben. Was wirklich existiert, ist Raumzeit, und sie in Raum und Zeit aufzuteilen, ist lediglich eine nützliche menschliche Konvention.
Einer der Hauptgründe, warum die Relativitätstheorie den Ruf hat, schwer verständlich zu sein, ist, dass unsere Intuition uns trainiert, Raum und Zeit als getrennte Dinge zu betrachten. Wir erfahren, dass Objekte eine Ausdehnung im „Raum“ haben, und das scheint eine ziemlich objektive Tatsache zu sein. Letztlich reicht es für uns aus, weil wir uns im Allgemeinen mit Geschwindigkeiten weit unter der Lichtgeschwindigkeit durch den Weltraum bewegen, also funktioniert die vorrelativistische Physik.
Aber diese Diskrepanz zwischen Intuition und Theorie macht den Sprung zu einer Raum-Zeit-Perspektive etwas einschüchternd. Was noch schlimmer ist, die Darstellungen der Relativitätstheorie verfolgen oft einen Bottom-up-Ansatz – sie beginnen mit unseren alltäglichen Vorstellungen von Raum und Zeit und ändern sie in den neuen Kontext der Relativitätstheorie.
Wir werden ein bisschen anders sein. Unseren Weg in die spezielle Relativitätstheorie könnte man sich als von oben nach unten vorstellen, indem man die Idee einer einheitlichen Raumzeit von Anfang an ernst nimmt und sieht, was das bedeutet. Wir müssen unser Gehirn ein wenig anstrengen, aber das Ergebnis wird ein viel tieferes Verständnis der relativistischen Perspektive auf unser Universum sein.
Die Entwicklung der Relativitätstheorie wird normalerweise Albert Einstein zugeschrieben, aber er lieferte den Schlussstein für ein theoretisches Gebäude, das im Bau war, seit James Clerk Maxwell in den 1860er Jahren Elektrizität und Magnetismus zu einer einzigen Theorie des Elektromagnetismus vereinte. Maxwells Theorie erklärte, was Licht ist – eine oszillierende Welle in elektromagnetischen Feldern – und schien der Geschwindigkeit, mit der sich Licht ausbreitet, eine besondere Bedeutung beizumessen. Die Idee eines ganz von selbst existierenden Feldes war damals für Wissenschaftler nicht ganz intuitiv, und es war natürlich, sich zu fragen, was eigentlich in einer Lichtwelle „schwingt“.
Verschiedene Physiker untersuchten die Möglichkeit, dass sich Licht durch ein Medium ausbreitet, das sie den leuchtenden Äther nannten. Aber niemand konnte Beweise für einen solchen Äther finden, also waren sie gezwungen, immer kompliziertere Gründe zu erfinden, warum diese Substanz nicht nachweisbar sein sollte. Einsteins Beitrag im Jahr 1905 bestand darin, darauf hinzuweisen, dass der Äther völlig überflüssig geworden war und dass wir ohne ihn die Gesetze der Physik besser verstehen könnten. Wir mussten lediglich eine völlig neue Vorstellung von Raum und Zeit akzeptieren. (OK, das ist viel, aber es hat sich als absolut gelohnt.)
Einsteins Theorie wurde als spezielle Relativitätstheorie oder einfach spezielle Relativitätstheorie bekannt. In seinem Gründungspapier „Zur Elektrodynamik bewegter Körper“, plädierte er für ein neues Denken über Länge und Dauer. Er erklärte die besondere Rolle der Lichtgeschwindigkeit, indem er postulierte, dass es im Universum eine absolute Geschwindigkeitsbegrenzung gibt – eine Geschwindigkeit, mit der sich Licht zufällig bewegt, wenn es sich durch den leeren Raum bewegt – und dass jeder diese Geschwindigkeit als gleich messen würde. egal wie sie sich bewegten. Damit das funktionierte, musste er unsere konventionellen Vorstellungen von Zeit und Raum ändern.
Aber er ging nicht so weit, dafür zu plädieren, Raum und Zeit zu einer einheitlichen Raumzeit zu verbinden. Dieser Schritt wurde Anfang des 20. Jahrhunderts seinem ehemaligen Universitätsprofessor Hermann Minkowski überlassen. Die Arena der speziellen Relativitätstheorie ist heute als Minkowski-Raumzeit bekannt.
Sobald Sie die Idee haben, sich Raum-Zeit als einheitliches vierdimensionales Kontinuum vorzustellen, können Sie damit beginnen, Fragen zu ihrer Form zu stellen. Ist die Raumzeit flach oder gekrümmt, statisch oder dynamisch, endlich oder unendlich? Die Minkowski-Raumzeit ist flach, statisch und unendlich.
Einstein arbeitete ein Jahrzehnt lang daran, zu verstehen, wie die Schwerkraft in seine Theorie integriert werden könnte. Sein letztendlicher Durchbruch war die Erkenntnis, dass die Raumzeit dynamisch und gekrümmt sein kann und dass die Auswirkungen dieser Krümmung das sind, was Sie und ich als „Schwerkraft“ erfahren. Die Früchte dieser Inspiration sind das, was wir heute allgemeine Relativitätstheorie nennen.
Die spezielle Relativitätstheorie ist also die Theorie einer festen, flachen Raumzeit ohne Schwerkraft; Die allgemeine Relativitätstheorie ist die Theorie der dynamischen Raumzeit, in der die Krümmung die Schwerkraft hervorruft. Beide gelten als „klassische“ Theorien, obwohl sie einige Prinzipien der Newtonschen Mechanik ersetzen. Klassisch bedeutet für Physiker nicht „nicht-relativistisch“; es bedeutet „Nicht-Quantum“. Alle Prinzipien der klassischen Physik sind im relativistischen Kontext vollständig intakt.
Wir sollten bereit sein, unsere vorrelative Vorliebe für die Trennung von Raum und Zeit aufzugeben und ihnen zu erlauben, sich in der einheitlichen Arena der Raumzeit aufzulösen. Der beste Weg dorthin ist, noch genauer darüber nachzudenken, was wir mit „Zeit“ meinen. Und der beste Weg, dies zu tun, besteht darin, noch einmal darauf zurückzugreifen, wie wir über den Weltraum denken.
Betrachten Sie zwei Orte im Weltraum, wie z. B. Ihr Zuhause und Ihr Lieblingsrestaurant. Wie groß ist der Abstand zwischen ihnen?
Das kommt darauf an, denkt man sofort. Es gibt die Entfernung „in Luftlinie“, wenn wir uns vorstellen könnten, einen vollkommen geradlinigen Weg zwischen den beiden Punkten zu nehmen. Aber es gibt auch die Entfernung, die Sie auf einer realen Reise zurücklegen würden, bei der Sie vielleicht darauf beschränkt sind, öffentliche Straßen und Bürgersteige zu nehmen und Gebäude und andere Hindernisse auf dem Weg zu vermeiden. Die Route, die Sie nehmen, ist immer länger als die Luftlinie, da eine gerade Linie die kürzeste Entfernung zwischen zwei Punkten ist.
Betrachten Sie nun zwei Ereignisse in der Raumzeit. Im Fachjargon der Relativitätstheorie ist ein „Ereignis“ nur ein einzelner Punkt im Universum, der durch Orte in Raum und Zeit festgelegt ist. Ein Ereignis, nennen Sie es A, könnte „um 6 Uhr zu Hause“ sein, und Ereignis B könnte „um 7 Uhr im Restaurant“ sein. Behalten Sie diese beiden Ereignisse im Gedächtnis und denken Sie an eine Reise zwischen A und B. Sie kann sich nicht beeilen, früher nach B zu kommen; Wenn Sie um 6:45 Uhr im Restaurant ankommen, müssen Sie herumsitzen und bis 7:XNUMX Uhr warten, um das Ereignis in Raumzeit zu erreichen, das wir mit B gekennzeichnet haben.
Nun können wir uns ebenso wie bei der räumlichen Distanz zwischen Wohnung und Restaurant fragen, wie viel Zeit zwischen diesen beiden Ereignissen vergeht.
Sie könnten denken, dass dies eine Fangfrage ist. Wenn eine Veranstaltung um 6 Uhr und die andere um 7 Uhr stattfindet, liegt eine Stunde dazwischen, richtig?
Nicht so schnell, sagt Einstein. In einem antiquierten, Newtonschen Weltbild, sicher. Zeit ist absolut und universell, und wenn die Zeit zwischen zwei Ereignissen eine Stunde beträgt, ist das alles, was gesagt werden muss.
Die Relativitätstheorie erzählt eine andere Geschichte. Nun gibt es zwei unterschiedliche Vorstellungen davon, was mit „Zeit“ gemeint ist. Eine Vorstellung von Zeit ist eine Koordinate der Raumzeit. Die Raumzeit ist ein vierdimensionales Kontinuum, und wenn wir Orte darin spezifizieren wollen, ist es bequem, jedem Punkt darin eine Zahl namens „die Zeit“ zuzuordnen. Das ist im Allgemeinen das, was wir im Sinn haben, wenn wir an „6 Uhr“ und „7 Uhr“ denken. Das sind Werte einer Koordinate in der Raumzeit, Bezeichnungen, die uns helfen, Ereignisse zu lokalisieren. Jeder soll verstehen, was wir meinen, wenn wir sagen „Treffen um 7 Uhr im Restaurant“
Aber, sagt die Relativitätstheorie, so wie sich die Entfernung in Luftlinie im Allgemeinen von der Entfernung unterscheidet, die Sie tatsächlich zwischen zwei Punkten im Raum zurücklegen, wird die Zeitdauer, die Sie erleben, im Allgemeinen nicht die gleiche sein wie die universelle Koordinatenzeit. Du erlebst eine Zeit, die mit einer Uhr gemessen werden kann, die du auf der Reise mit dir trägst. Dies ist die richtige Zeit entlang des Pfades. Und die von einer Uhr gemessene Dauer hängt, genau wie die vom Kilometerzähler Ihres Autos gemessene Entfernung, von der Strecke ab, die Sie nehmen.
Das ist ein Aspekt dessen, was es bedeutet zu sagen, dass „Zeit relativ ist“. Wir können sowohl an eine gemeinsame Zeit in Form einer Raumzeitkoordinate denken als auch an eine persönliche Zeit, die wir individuell auf unserem Weg erfahren. Und Zeit ist wie Raum – diese beiden Begriffe müssen nicht zusammenfallen. (Wie der Historiker Peter Galison betonte, ist es kein Zufall, dass Einstein zu einer Zeit in einem Schweizer Patentamt arbeitete, als der schnelle Bahnverkehr die Europäer dazu zwang, darüber nachzudenken, wie spät es in anderen Städten auf dem ganzen Kontinent war, um besser bauen zu können Uhren wurden zu einer wichtigen technologischen Grenze.)
Dennoch muss es eine Art und Weise geben, in der Zeit nicht wie Raum ist, sonst würden wir einfach von vierdimensionalem Raum sprechen, anstatt der Zeit eine eigene Bezeichnung zu verdienen. Und wir denken hier nicht an den Zeitpfeil – im Moment befinden wir uns in einer einfachen Welt mit wenigen beweglichen Teilen, in der Entropie und Irreversibilität keine Dinge sind, um die wir uns Sorgen machen müssen.
Der Unterschied ist folgender: Im Raum beschreibt eine Gerade die kürzeste Entfernung zwischen zwei Punkten. In der Raumzeit hingegen liefert ein gerader Weg die längste verstrichene Zeit zwischen zwei Ereignissen. Es ist dieser Sprung von der kürzesten Entfernung zur längsten Zeit, der die Zeit vom Raum unterscheidet.
Unter einem „geraden Weg“ in der Raumzeit verstehen wir sowohl eine gerade Linie im Raum als auch eine konstante Bewegungsgeschwindigkeit. Mit anderen Worten, eine Trägheitsbahn, eine ohne Beschleunigung. Fixieren Sie zwei Ereignisse in der Raumzeit – zwei Orte im Raum und entsprechende Momente in der Zeit. Ein Reisender könnte die Reise zwischen ihnen in einer geraden Linie mit konstanter Geschwindigkeit machen (was auch immer diese Geschwindigkeit sein muss, damit sie zur richtigen Zeit ankommen), oder sie könnten auf einem nicht trägen Weg hin und her sausen. Die Hin- und Her-Route wird immer mehr räumliche Entfernung beinhalten, aber weniger Eigenzeit verstreichen lassen, als die gerade Version.
Warum ist das so? Weil die Physik es sagt. Oder, wenn Sie es vorziehen, weil das Universum so ist. Vielleicht werden wir irgendwann einen tieferen Grund aufdecken, warum es so sein musste, aber nach unserem derzeitigen Wissensstand ist es eine der grundlegenden Annahmen, auf denen wir die Physik aufbauen, und keine Schlussfolgerung, die wir aus tieferen Prinzipien ableiten. Gerade Linien im Raum sind die kürzest mögliche Distanz; Gerade Wege in der Raumzeit sind die längstmögliche Zeit.
Es mag widersprüchlich erscheinen, dass Pfade mit größerer Entfernung weniger Zeit benötigen. Das ist okay. Wenn es intuitiv wäre, hätte man nicht Einstein sein müssen, um auf die Idee zu kommen.
Angepasst von Die größten Ideen im Universum von Sean Carroll, mit Genehmigung von Dutton, einem Imprint der Penguin Publishing Group, einer Abteilung von Penguin Random House LLC. Copyright © 2022 Sean Carroll.
