Zurück zur Zukunft

Wie kommt die Richtung in die Zeit?

Während die Vergangenheit unabänderlich ist und wir uns an sie erinnern können, ist die Zukunft offen und nicht Teil unserer Erinnerung. Dieser Unterschied zwischen Vergangenheit und Zukunft rührt nicht von den atomaren Bewegungsgesetzen her, die keine Zeitrichtung auszeichnen. Doch wieso geht dann eine Ursache stets ihrer Wirkung voraus? Wieso ist die Welt voller irreversibler Vorgänge, bei denen die Entropie immer nur zunimmt? Und wieso hat die Zeit eine Richtung? Auf diese Fragen, denen schon Ludwig Boltzmann nachging, gibt es zwar keine abschließenden Antworten. Doch man hat interessante Einblicke gewonnen, die zu weitreichenden Spekulationen Anlass geben.

Auf den ersten Blick scheint es so, als könnte der quantenmechanische Messprozess der Zeit eine Richtung geben. Vor der Messung ist das Messobjekt z. B. in einem uns unbekannten Quantenzustand. Nach der Messung, die den „Kollaps“ der Objektwellenfunktion verursacht, kennen wir den dann vorliegenden Quantenzustand. Doch diese Sichtweise bezieht sich auf unseren Kenntnisstand, der sich durch den Messprozess irreversibel verändert hat. Tatsächlich gehen das Messobjekt und das Messgerät, die anfangs unabhängig voneinander waren, durch die Messung in einen komplizierten verschränkten Quantenzustand über. Dieser Vorgang ist reversibel und lässt sich prinzipiell (und in einfachen Fällen auch praktisch) umkehren.

Die Quantentheorie ermöglicht es vorherzusagen, wie sich ein in einem Anfangszustand präpariertes Objekt bei einer Messung verhalten wird. Doch man kann auch den Endzustand festlegen, in dem sich das Objekt nach der Messung befinden soll, und rückwirkende Aussagen machen. Dazu wiederholt man das Experiment und wählt die Messungen aus, bei denen das Objekt im gewünschten Endzustand war. Es gibt jedoch Unterschiede zwischen einer solchen Retrodiktion und einer Vorhersage. So ist der Impuls eines Photons nach einer Ortsmessung unbestimmt, seinen Impuls vor der Messung können wir aber erschließen, wenn das Photon von einer Strahlungsquelle kam, die nicht im thermischen Gleichgewicht mit ihrer Umgebung war. Nicht die Quantenphysik führt demnach zu einem Unterschied zwischen Vergangenheit und Zukunft sondern ein schon vorliegender thermischer Nichtgleichgewichtszustand.

Dass das Universum noch weit vom thermischen Gleichgewicht entfernt ist und seine Entropie mit der Zeit zunimmt, ist nur möglich, weil seine Entropie in der Vergangenheit viel kleiner war als heute. Dementsprechend war auch der Zustand des Universums früher viel unwahrscheinlicher als heute. Doch wie konnte es in diesen Zustand gelangen? Lawrence Schulman von der Clarkson University gibt eine interessante Erklärung. Demnach hatte das Universum nach dem Urknall zunächst eine relativ hohe Entropie. Die Materie war ionisiert und die dominierenden elektromagnetischen Kräfte hatten wegen der gegenseitigen Abschirmung der Ladungen nur kurze Reichweite. Der sich ausbildende Zustand hoher Entropie zeichnete sich durch eine gleichmäßige Materieverteilung aus  Die Expansion des Universums führte aber zu einer Abkühlung, sodass die Ladungen neutrale Atome bilden konnten (wodurch das Universum für die kosmische Hintergrundstrahlung transparent wurde). Plötzlich dominierte die Gravitation. Für diese langreichweitige Kraft war die homogene Materieverteilung ein Zustand extrem niedriger Entropie.

Durch seine Expansion kam das Universum also in einen Zustand des extremen thermischen Nichtgleichgewichts, der sich irreversibel entwickelte. Dadurch verursachte die kosmische Entwicklung den thermodynamischen Zeitpfeil. Demnach sind die besonderen Anfangsbedingungen des Universums für sein weiteres Schicksal verantwortlich. Wenn der Kosmos jedoch in einen Endzustand münden würde, der ebenfalls besonderen Bedingungen unterliegt, so hätte dies auch Auswirkungen auf die jetzt ablaufenden Prozesse. Wenn das Universum nach einer Phase beschleunigter Expansion schließlich in einem „Big Crunch“ mit sehr niedriger Entropie zusammenstürzen sollte, hätte das nach Schulmans Berechnungen interessante Konsequenzen. In der Expansionsphase, in der die Entropie zunimmt, machen sich hypothetische Störungen der kosmischen Entwicklung immer erst in der Zukunft bemerkbar. In der Kontraktionsphase hingegen, in der die Entropie schließlich wieder abnimmt, wirken sich Störungen jedoch zu früheren Zeiten und somit in der Vergangenheit aus. In dieser Phase würde die Zeit in gewisser Hinsicht rückwärts laufen.

Wie könnte man diese Auswirkungen der zukünftigen kosmischen Entwicklung auf das gegenwärtige Geschehen nachweisen? Dazu müsste man Vorgänge untersuchen, die so langsam ablaufen, dass sie noch in die Kontraktionsphase des Universums hineinreichten. Das könnte der radioaktive Zerfall von extrem langlebigen Atomkernen oder die Entwicklung von Galaxien sein. Allerdings ist noch unklar, in welcher Weise die zukünftige Entwicklung des Universums diese Vorgänge beeinflussen würde. Ob die kosmische Zukunft wirklich auf die Vergangenheit wirkt und welche Konsequenzen dies für den Ablauf der Zeit hätte – das wird die Zukunft zeigen.

RAINER SCHARF

AL