Benutzer:Ce/Entwurf:Zeit

Unter der Zeit versteht man das der Veränderung zugrundeliegende Phänomen, das als Übergang von der Vergangenheit über die Gegenwart in die Zukunft wahrgenommen wird. Im Gegensatz zur Zeit steht die Ewigkeit, die nicht als unendlich fortdauernde Zeit, sondern als etwas grundsätzlich von ihr verschiedenes ("Zeitlosigkeit") verstanden wird.

So grundlegend das Konzept der Zeit auch ist, so schwierig ist seine begriffliche Definition. Augustinus formulierte das Problem in seinen Confessiones so: "Was also ist 'Zeit'? Wenn mich niemand danach fragt, weiß ich es; will ich es einem Fragenden erklären, weiß ich es nicht."

Wesentlich für das Konzept der Zeit sind die Begriffe Zeitpunkt und Dauer. Der Zeitpunkt ist die Antwort auf die Frage "wann?". Er kennzeichnet in der Regel ein bestimmtes kurzes Ereignis (z.B. "Der Vortrag beginnt um 18:30", das Ereignis ist der Beginn des Vortrags). Der Zeitpunkt ist eng verknüpft mit dem Konzept der Gleichzeitigkeit: Der Zeitpunkt eines Ereignisses wird in der Regel durch ein anderes, gleichzeitiges Ereignis angegeben ("bei Sonnenuntergang", oder "um 3 Uhr" = "wenn die Uhr 3 zeigt").

Die Dauer hingegen ist die Antwort auf die Frage "wie lange?". Sie bezieht sich in der Regel auf einen Vorgang, wobei sie den zeitlichen Abstand zwischen den Zeitpunkten des Beginns und des Endes dieses Vorgangs bezeichnet, also die Länge eines Zeitintervalls. Sie wird in Zeiteinheiten wie Stunden, Minuten und Sekunden angegeben. Uhren messen prinzipiell die Dauer, die Bestimmung von Zeitpunkten ist nur indirekt über die vergangene Zeit seit einem definierten Zeitpunkt möglich.

Weiterhin wesentlich kennzeichnend für das Konzept der Zeit sind die Zeitmodi: Ein Zeitpunkt liegt entweder in der Vergangenheit, in der Gegenwart oder in der Zukunft. Die Vergangenheit ist dabei der Bereich der Tatsachen, die Zukunft der Bereich der Möglichkeiten. Das Vergehen der Zeit macht aus Möglichkeiten Tatsachen, aus Zukunft Vergangenheit. Alles Handeln erfolgt in der Gegenwart. Die Zeitmodi drücken sich in der Grammatik durch die Tepmi Präsens (Gegenwart), Präteritum (Vergangenheit) und Futur (Zukunft) aus.

Eng mit den Zeitmodi verwandt, aber keineswegs dasselbe Konzept ist die Zeitordnung: Von zwei Zeitpunkten ist der eine früher, gleichzeitig oder später als der andere. In den Naturwissenschaften tritt stets nur die Zeitordnung, jedoch nicht die Zeitmodi auf. Allerdings treten im Rahmen der Relativitätstheorie auch Ereignisse mit nichtvergleichbaren Zeiten auf (Relativität der Gleichzeitigkeit).

Es ist allerdings nicht unumstritten, dass überhaupt alle Menschen das Konzept der Zeit kennen. Bei einer Untersuchung der Sprache der Hopi kam Benjamin Lee Whorf zur (nicht von allen Forschern geteilten) Schlussfolgerung, diese Sprache enthalte keine Begriffe für die Zeit. Dies führte zur Sapir-Whorf-Hypothese oder linguistischen Relativitätsprinzip, nach der das Denken von der gesprochenen Sprache abhängt.

Grundlegende Zeitbegriffe

Eine der Ursachen für die Schwierigkeit, die Zeit zu definieren, ist die Tatsache, dass mit diesem Wort unterschiedliche, wenngleich miteinander zusammenhängende Begriffe beschrieben werden.

Zunächst muss man unterscheiden zwischen objektiver und subjektiver Zeit.

Die objektive Zeit ist die Zeit, wie sie mit Uhren bestimmt wird und in die Formulierung von Naturgesetzen eingeht. Als Teil der Beschreibung der objektiven Welt ist sie Gegenstand der Physik, und nur sie wird in den Naturwissenschaften verwendet.

Die subjektive Zeit ist die Zeit, wie sie von den Menschen wahrgenommen und organisiert wird. Ausdrücke wie "keine Zeit haben" und "Zeitdruck" beziehen sich auf diesen Aspekt der Zeit. Die subjektive Zeit ist geprägt von der persönlichen und gesellschaftlichen Organisation der Zeit, aber auch von den biologischen und irdischen Rhythmen wie dem Tag-Nacht-Zyklus un den Jahreszeiten. Als Teil der Beschreibung der subjektiven und gesellschaftlichen Wirklichkeit ist sie Gegenstand der Psychologie und der Gesellschaftswissenschaften.

Weiterhin unterscheidet man zwischen dem zyklischen und dem linearen Zeitmodell.

Das zyklische Zeitkonzept betont die Wiederkehr des Gleichen oder zumindest ähnlichen. Auf einen Tag folgt ein weiterer Tag, auf ein Jahr ein weiteres Jahr, auf einen Pulsschlag ein weiterer Pulsschlag. Dieses Zeitverständnis ist vor allem im fernöstlichen Kulturkreis ausgeprägt, wo es z.B. in Form des Kreislaufs der Wiedergeburt auch auf das menschliche Leben angewendet wird. Auf zyklischen Vorgängen beruht aber auch nahezu die gesamte Zeitmessung, von den Kalendersystemen bis hin zur modernen Definition der Sekunde über die Frequenz eines bestimmten atomaren Übergangs des Cäsium-Atoms.

Das lineare Zeitkonzept hingegen betont die Veränderung und die Unumkehrbarkeit der Zeit, den Unterschied zwischen Vergangenheit und Zukunft. Dieses Zeitverständnis ist ein chronoloigisaches bzw. historisches: Die Geschichte schreitet fort, was war, kommt nicht wieder. Dieses Zeitverständnis ist vor allem im christlich geprägten westlichen Kulturkreis vorherrschend. Im Christlichen Verständnis beginnt das Leben mit der Geburt, und endet nach dem Tod entweder mit der Erlösung oder mit der ewigen Verdammnis. Dasselbe gilt auch für die Welt selbst: Ihre Zeit reicht von der Schöpfung bis zum jüngsten Tag, und diese Zeit wird genau einmal durchlaufen. Das lineare Zeitverständnis ist eng verbunden mit dem Konzept der Kausalität, das gerade keine Zyklen zulässt: Die Wirkung einer Ursache kann niemals zugleich ihre eigene Ursache sein. In der Physik tritt dieses lineare Zeitkonzept vor allem in der Thermodynamik über das Konzept der Entropie und dem dadurch definierten Zeitpfeil, sowie in der Kosmologie über das Urknallmodell auf. Dagegen ist das lineare Zeitverständnis u.a. Grundlage der Geschichtswissenschaft und der Evolutionstheorie.

Eine andere Unterscheidung ist die zwischen der Quantität der Zeit und der Qualität der Zeit.

Die Quantität der Zeit ist das, was in den Naturwissenschaften, insbesondere der Physik, verwendet wird. Hier geht es um Messung von Zeiträumen bzw. Zeitintervallen, also um die Frage, wie lange ein Vorgang dauert, wie schnell eine Veränderung vor sich geht, oder wie oft sich ein Vorgang in einer bestimmten Zeit wiederholt. Dem Zeitpunkt hingegen wird keinerlei Bedeutung zugemessen, in der Tat ist eines der Grundpostulate der Physik die sogenannte Homogenität der (objektiven) Zeit: Es spielt keinerlei Rolle, wan ein Experiment ausgeführt wird; solange alle äußeren Einflüsse identisch sind, wird das Experiment auch das gleiche Ergebnis liefern. Aus dieser Symmetrie lässt sich mit dem Noether-Theorem die Energieerhaltung ableiten.

Hingegen beruht die Astrologie genau auf der gegenteiligen Annahme: Dass jeder Zeitpunkt eine eigene Qualität habe, die ihn von jedem anderen Zeitpunkt unterscheidet. Horoskope dienen dazu, diese Qualität des Zeitpunkts aus der Position der Planeten abzulesen und dadurch zum Beispiel den richtigen Zeitpunkt für bestimmte Unternehmungen zu bestimmen.

Zeit in der Philosophie

Das Wesen der Zeit war von Anfang an Thema der Philosophie. Die wesentlichen Fragen lauten hierbei:

• Ist Zeit ein objektives Phänomen, oder nur ein Konstrukt unserer Wahrnehmung?
• Sind Vergangenheit und Zukunft real, oder gibt es in Wahrheit nur die Gegenwart?
• Ist Zeit oder Bewegung das grundlegende Konzept?

Näheres hierzu siehe unter Zeit (Philosophie).

Die Wahrnehmung der Zeit

Die subjektive Zeitwahrnehmung ist vor allem geprägt vom Phänomen des Fließens der Zeit: Es scheint stets eine ausgezeichnete Stelle in der Zeit zu geben, die wir Gegenwart nennen, und die sich kontinuierlich von der Vergangenheit in die Zukunft zu bewegen scheint. Die Vergangenheit wird dabei in der Form von Erinnerungen wahrgenommen, die Gegenwart erscheint in den Sinneseindrücken, und die Zukunft wird nicht unmittelbar wahrgenommen, sondern tritt in Form unserer Erwartungen und Pläne in Erscheinung.

Dieses Fortschreiten der Zeit scheint kontinuierlich zu erfolgen, wobei jedoch die Geschwindigkeit durchaus veränderlich scheint. So vergeht die Zeit "wie im Flug", wenn man sich mit etwas angenehmen beschäftigt, während sie beim Warten oder bei unangenehmen Tätigkeiten quälend langsam fortzuschreiten scheint. Die scheinbare Geschwindigkeit der Zeit hängt auch davon ab, wieviele Eindrücke man in dieser Zeit erlebt. Ereignisreiche Zeiträume werden vor allem in der Rückschau subjektiv als länger empfunden als ereignisarme Zeiträume. Näheres hierzu siehe unter Zeitgefühl.

Betrachtet man die Wahrnehmungsmechanismen jedoch genauer, so zeigt sich, dass zeitliche Wahrnehmungen alles andere als kontinuierlich erfolgen. Vielmehr gibt es verschiedene Schwellen, die die Zeitwahrnehmung kennzeichnen:

• Die Fusionsschwelle gibt an, wie weit zwei Eindrücke zeitlich auseinanderliegen müssen, damit sie nicht mehr als gleichzeitig wahrgenommen werden. Sie ist abhängig vom jeweiligen Sinnesorgan. Beispielsweise werden bei optischen Eindrücken Ereignisse, die weniger als 20 bis 30 Millisekunden auseinander liegen, als Gleichzeitig wahrgenommen, für akustische Eindrücke hingegen reichen bereits drei Millisekunden, um Eindrücke als zeitlich getrennt wahrzunehmen.
• Die Ordnungsschwelle gibt an, wie weit zwei Eindrücke zeitlich auseinanderliegen müssen, damit wir ihre Reihenfolge unterscheiden können. Diese Schwelle ist unabhängig vom Sinnesorgan etwa 20 bis 30 Millisekunden. Das bedeutet insbesondere, dass es Sinneseindrücke geben kann, bei denen wir zwar eindeutig feststellen können, dass sie nicht gleichzeitig waren, aber dennoch nicht sagen können, welcher von beiden früher war.
• Die Gegenwartsdauer von etwa 3 Sekunden gibt an, welcher Zeitraum uns jeweils "gegenwärtig" ist. Ereignisse innerhalb dieser Zeit sind uns unmittelbar bewusst, danach sind sie nur noch als Erinnerung zugänglich.

Zudem rechnet das Gehirn die Verarbeitungszeit für Sineseindrücke zurück, so dass wir ein konsistentes Bild des Zeitablaufs erhalten. Nur in Ausnahmesituationen können wir die Verarbeitungszeit wahrnehmen, so z.B. beim reflexmäßigen Zurückziehen der Hand von einer heißen Herdplatte, bei dem wir den Schmerz später wahrnehmen als das Zurückziehen der Hand.

Näheres hierzu siehe unter Zeitwahrnehmung.

Biologische Uhren

Alle Lebewesen, einschließlich des Menschen, folgen eigenen Zyklen. So öffnen sich die Blüten einer Blume am Morgen und schließen sich am Abend, und der Mensch durchläuft in derselben Zeit einen Schlaf-Wach-Rhythmus. Es gibt aber auch Zyklen anderer Länge, wie beispielsweise die Monatsregel der Frau. Experimente haben nun ergeben, dass all diese Zyklen durch innere Uhren bestimmt werden, die zwar mit äußeren Einflüssen synchronisiert werden, amsonsten jedoch autonom ablaufen. So öffnet und schließt eine Blume auch in vollständiger Dunkelheit regelmäßig ihre Blüten, und auch der menschliche Wach-Schlaf-Zyklus dauert ohne äußere Zeitvorgaben weiterhin ungefähr einen Tag.

Näheres hierzu siehe unter Chronobiologie.

Die Zeitbegriffe der Physik

In der modernen Physik ist die Zeit, wie alle physikalischen Größen, operational definiert, also über ein Messverfahren. Zu diesem Zweck verwendet man ein physikalisches System bzw. Gerät, das periodisch wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt. Die vergangene Zeit wird dann durch Zählen der Perioden bestimmt. Ein solches Gerät nennt man Uhr.

Obwohl dieses Messprinzip bereits seit den ersten mechanischen Uhren gleich ist, hat sich der Begriff der Zeit selbst mit der Entwicklung der Physik stark verändert. Der Zeitbegriff Newtons entsprach noch stark der intuitiven Vorstellung von der Zeit. Er beschrieb die Zeit folgendermaßen:

„Die absolute, wahre und mathematische Zeit verfließt an sich und vermöge ihrer Natur gleichförmig und ohne Beziehung auf irgendeinen äußeren Gegenstand.“ (Mathematische Prinzipien der Naturlehre, 1687)

Probleme mit diesem absoluten Zeitbegriff zeigten sich erst im Zusammenhang mit der Elektrodynamik. Aus dieser ergab sich, dass das Licht sich im Vakuum stets mit einer festen Geschwindigkeit fortbewegt. Im Raum- und Zeit-Konzept Newtons konnte dies aber nur in einem bestimmten Bezugssystem der Fall sein (Äthersystem genannt, da man annahm, die Lichtwellen breiteten sich in einer Äther genannten Substanz aus), da sich die Geschwindigkeit des Beobachters zur Geschwindigkeit des Lichtstrahls addieren sollte. Der Versuch von Michelson und Morley, die Geschwindigkeit zu messen, zeigte jedoch keine messbare Bewegung der Erde gegenüber dem Äther.

Hendrik Antoon Lorentz erklärte dieses Null-Resultat dadurch, dass bei Bewegung die Länge von Maßstäben verkürzt und der Gang von Uhren verlangsamt werden. Diese Veränderungen stellte er sich als physikalische Vorgänge vor; die Konzepte von Raum und Zeit ließ er unangetastet. Albert Einstein hingegen dehnte das Relativitätsprinzip der Mechanik auf die Elektrodynamik aus und erkannte, dass dafür die Konzepte von Raum und Zeit verändert werden mussten. Dies führte zur speziellen Relativitätstheorie, in der Raum und Zeit zu einem einzigen Gebilde, der Raumzeit, zusammengefasst sind. Nach Einstein geht also nicht eine absolut bewegte Uhr langsamer, sondern die relativ zu ihm bewegte Uhr misst weiterhin akkurat die in ihrem Bezugssystem ablaufende Zeit, die aber aus seiner Sicht langsamer abläuft (Zeitdilatation).

Eine Folge der Vereinigung von Raum und Zeit zur Raumzeit ist die Relativität der Gleichzeitigkeit. Für bestimmte Paare von Ereignissen stimmen nicht alle Beobachter darin überein, welches dieser Ereignisse zeitlich früher passiert ist. Das bedeutet insbesondere, dass die klassische Einteilung der Ereignisse in Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft nicht mehr für alle Ereignisse eindeutig (beobachterunabhängig) möglich ist.

So revolutionär die Behandlung von Raum und Zeit in der speziellen Relativitätstheorie auch war, so hielt sie doch an einen Aspekt des Newtonschen Konzepts fest: Die Raumzeit der speziellen Relativitätstheorie ist völlig unabhängig von den physikalischen Vorgängen, die sich in ihr abspielen. Sie bildet, wie schon Newtons Raum und Zeit, nur eine Art „Bühne“, auf der sich die physikalischen Vorgänge abspielen. Dies änderte sich mit Einsteins Gravitionstheorie, der allgemeinen Relativitätstheorie. In dieser ist die Raumzeit selbst ein dynamisches Objekt, das von der Materie beeinflusst wird und diese beeinflusst. Anders als bei Newton existiert nicht ein Gravitationsfeld in der Raumzeit, sondern Gravitationsfeld und Raumzeit sind ein- und dasselbe. Dies führt zum Beispiel dazu, dass in der Nähe eines schweren Körpers wie etwa eines Planeten die Zeit langsamer verläuft.

Die allgemeine Relativitätstheorie hat auch dramatische Auswirkungen auf die Kosmologie: Mit ihr lässt sich aus der beobachteten Expension des Universums ableiten, dass das Universum erst seit etwa 10 bis 15 Millionen Jahren existiert. Den Anfang des Universums markiert der Urknall, bei dem nicht nur die Materie, sondern auch Raum und Zeit selbst entstanden sind. Der Urknall ist daher in diesem Modell der Beginn der Zeit, ein "vor dem Urknall" ist schon rein begrifflich nicht sinnvoll. Theoretisch wäre als Gegenstück zum Urknall auch der so genannte Big Crunch denkbar, in dem das Universum wieder in sich zusammenfällt und die Zeit an ein Ende kommt. Die derzeitigen Beobachtungsdaten sprechen aber gegen dieses Szenario.

Eine völlig andere Rolle spielt die Zeit in der Quantenmechanik. Hier werden die Observablen (beobachtbare Größen) durch selbstadjungierte Operatoren auf einem Hilbertraum dargestellt. Die Definition eines Zeitoperators erfordert jedoch nach einem Argument von Wolfgang Pauli eine nach unten unbeschränkte Energie, im Widerspruch sowohl zu theoretischen Überlegungen als auch zur Beobachtung. Daher tritt die Zeit, anders als der Ort, in der Quantenmechanik nicht als Observable, sondern nur als Parameter auf.

Diese ungleiche Behandlung der Zeit in der Quantenmechanik ist auch ein Problem bei der Quantisierung der allgemeinen Relativitätstheorie (Quantengravitation). Die Vereinigung von Allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik ist eines der großen Probleme der modernen Physik. Zwar gibt es mit den Stringtheorien und der Loop-Quantengravitation bereits theoretische Ansätze, die aber alle noch nicht experimentell überprüft werden konnten. In all diesen Ansätzen jedoch verliert die Zeit für kurze Zeiträume ihren stetigen Charakter. Zeitintervalle unterhalb der Planck-Zeit lassen sich nicht mehr sinnvoll definieren.

Auch in einem anderen Zusammenhang tritt die Zeit in der Quantenmechanik auf: Nach einer Messung muss das gemessene System durch einen anderen Zustand beschrieben werden als vorher ("Kollaps der Wellenfunktion"). Dieser Kollaps ist irreversibel, da der Endzustand nicht die vollständige Information über den Ausgangszustand enthält. Die Interpretation des Messvorgangs steht im Zentrum der verschiedenen Interpretationen der Quantenmechanik, wobei verschiedene Interpretationen auch verschiedene Implikationen bezüglich der Zeit bedingen. Manche Interpretationen interpretieren diesen Kollaps als einen physikalisch realen, objektiven und eigenständigen Vorgang. Nach diesen Versionen würde durch den Messvorgang eine Zeitrichtung bereits durch die fundamentalen Gesetzmäßigkeiten der Quantenmechanik bevorzugt. Der Messvorgang würde dabei unmittelbar den Übergang von Möglichkeiten in Fakten, also von Zukunft in Vergangenheit darstellen. Andere Interpretationen hingegen erklären den Kollaps als Ausdruck unseres veränderten Wissens, dem kein physikalischer Vorgang entspricht. In diesen Interpretationen ist durch den Kollaps per se keine Zeitrichtung ausgezeichnet.

Sieht man vom Kollaps-Problem ab, so sind die fundamentalen Naturgesetze – mit Ausnahme der für einige radioaktive Zerfälle verantwortlichen schwachen Wechselwirkung – vollständig invariant gegenüber Zeitumkehr zu sein, d.h. wenn ein Vorgang möglich ist, dann ist auch der zeitumgekehrte Vorgang möglich (man könnte also nicht unterscheiden, ob ein Film, der diesen Vorgang zeigt, vorwärts oder rückwärts läuft). Nach dem CPT-Theorem gilt dies sogar für die schwache Wechselwirkung, sofern man gleichzeitig mit der Zeitumkehr auch den Raum spiegelt und Teilchen mit Antiteilchen vertauscht. Diese Symmetrie in den fundamentalen Gleichungen der Physik widerspricht jedoch unserer Alltagserfahrung, nach der die meisten Vorgänge nur in einer Richtung ablaufen: Ein Glas kann auf den Boden fallen und zerspringen, aber die Scherben werden sich nie von selbst wieder zu einem Glas zusammensetzen, das dann vom Boden heraufspringt. Dieser Sachverhalt wird durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik auf rein statistische Effekte zurückgeführt: Im Prinzip könnten sich zwar die Scherben wieder zu einem Glas vereinigen, aber die Wahrscheinlichkeit, dass dies passiert, ist so gering, dass es effektiv unmöglich ist. Diese Wahrscheinlichkeiten werden durch die Entropie beschrieben, die nur zu-, aber niemals abnimmt. Man spricht auch vom thermodynamischen Zeitpfeil.

Näheres hierzu siehe unter Zeit (Physik)