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Zeitreisen, Zeitmaschinen und Zeitparadoxien sind nicht nur fantastische Themen der Science Fiction, sondern seltsamerweise auch eine reale physikalische Möglichkeit im Rahmen von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Dies eröffnet abenteuerliche Konsequenzen und könnte die Physik in eine Krise stürzen.

„Die Verbindung zwischen Science Fiction und Wissenschaft führt in beide Richtungen“, schrieb der Physiker und Kosmologe Stephen Hawking einmal. „Die von der Science Fiction präsentierten Ideen gehen ab und zu in wissenschaftliche Theorien ein. Und manchmal bringt die Wissenschaft Konzepte hervor, die noch seltsamer sind als die exotischste Science Fiction.“ Berühmte Beispiele sind „Contact“ (Roman von Carl Sagan 1985, Verfilmung 1997 von Robert Zemeckis) und „Interstellar“ (Film von Christopher und Jonah Nolan, 2014). Als Berater an beiden wirkte der Physik-Nobelpreisträger von 2017, Kip Thorne, mit, der dazu sogar Beiträge in renommierten physikalischen Fachzeitschriften publizierte. Darin bewiesen er und seine Kollegen, wie exotische Materie- und Raumzeit-Konfigurationen im Prinzip Bewegungen mit Überlichtgeschwindigkeit sowie in die ferne Zukunft und Vergangenheit erlauben.

Das ist kein Widerspruch zur Allgemeinen Relativitätstheorie, sondern basiert auf ihr. Zeitreisen und Zeitmaschinen – Physiker sprechen lieber von „geschlossenen zeitartigen Kurven“ – sind also konsistente Lösungen von Einsteins Feldgleichungen.

Dynamische Raumzeit

Die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt, wie Energie, Masse, Raum, Zeit und Schwerkraft zusammenhängen. Sie ist zusammen mit der Quantentheorie eine Hauptsäule im Gebäude der modernen Physik und empirisch-experimentell mit dieser die am besten bestätigte Theorie überhaupt. Demnach sind Raum und Zeit nicht die passive und starre Bühne allen Geschehens, sondern eine Einheit, die alle Ereignisse einschließt und aktiv mitgestaltet, die wiederum auf sie zurückwirken. Die Raumzeit wird von den Körpern und sogar von Licht beeinflusst – wie auch umgekehrt. Denn Masse verlangsamt die Zeit (relativ zu einem Bezugssystem in einem schwächeren Gravitationsfeld), krümmt den Raum und zwingt Strahlen auf krumme Touren. Das macht die Welt zu einer dynamischen und zugleich unverbrüchlichen Ganzheit. Die Raumzeit kann sich dehnen, stauchen, biegen und sogar umstülpen, als wäre sie aus Gummi – obwohl sie tatsächlich Myriaden Mal härter als Stahl ist.

Mit der Zeitdehnung in die Zukunft

Dass es Reisen in die Zukunft geben kann, ist unumstritten – und eine Konsequenz der von Einstein entdeckten Zeitdilatation: Je schneller sich ein Körper bewegt oder je stärker das Gravitationsfeld ist, in dem er sich befindet, umso langsamer vergeht seine Zeit relativ zu Uhren, die in Ruhe oder in der Schwerelosigkeit sind. Für Licht oder – von außen betrachtet – für Objekte am Rand eines Schwarzen Lochs vergeht überhaupt keine Zeit.

Wollte man beispielsweise 1.000 Jahre in die Zukunft reisen, müsste man mit dem erträglichen Beschleunigungs- und Bremsandruck von 1 G (entspricht der Erdschwerkraft) „nur“ mit bis zu 99,9992 Prozent der Lichtgeschwindigkeit zu einem 500 Lichtjahre entfernten Stern fliegen und wieder zurück. Aufgrund der Zeitdilatation wäre man dann selbst knapp 25 Jahre gealtert, während auf der Erde 1.000 Jahre vergangen wären. Ein wagemutiger Raumfahrer der Zukunft braucht also die Lichtgeschwindigkeit nicht zu überschreiten, um andere Sterne zu erreichen. Gemäß der Relativitätstheorie könnte er sogar innerhalb weniger Jahre zu fernen Galaxien fliegen, wenn er bloß nahe genug an die Lichtgeschwindigkeit herankäme. Seine Eigenzeit wäre dann relativ zu einem hypothetischen Zwillingsbruder, der auf der Erde zurückgeblieben ist, extrem verlangsamt.

Für Reisen in die eigene Vergangenheit oder Zukunft kann man die Zeitdilatation aber nicht ausnützen. Zwar vergeht der Zeitfluss für verschiedene Beobachter unterschiedlich schnell, aber er lässt sich deswegen weder umkehren noch überspringen. Die biologische Uhr tickt unaufhörlich weiter, und mehr Bücher kann man aufgrund der Zeitdehnung auch nicht lesen. Alarmierende Konsequenzen für die Physik hat dies ebenfalls nicht.

Kosmische Abkürzung: Weil der Stern Sirius 8,6 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, wären selbst fast lichtschnelle Raumfahrer 8,6 Jahre dorthin unterwegs. Doch die Allgemeine Relativitätstheorie enthält Schlupflöcher: Mit einem Wurmloch könnte man die Raumzeit – hier als zweidimensionale „Gummihaut“ dargestellt – so manipulieren, dass die Reise durch den Wurmloch-Tunnel viel kürzer als der normale Weg „außen herum“ ist. Mit weiteren Maßnahmen könnten Wurmlöcher sogar Reisen in die Vergangenheit eröffnen.

Vorstoß in die Vergangenheit

Reisen rückwärts durch die Zeit oder mit Überlichtgeschwindigkeit könnten es hingegen ermöglichen, Botschaften oder gar Menschen in die Vergangenheit zu senden und diese womöglich zu manipulieren. Für solche „Zeitschleifen“ oder „Zeitmaschinen“ gibt es diverse physikalisch ausgearbeitete Vorschläge (siehe Download). Im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie scheinen viele Möglichkeiten für geschlossene zeitartige Kurven zu existieren – also Optionen für Bewegungen oder Informationsflüsse in die Vergangenheit. Es wurden einige kosmologische Lösungen gefunden, die ein ganzes Universum betreffen, und diverse Modelle für örtlich beschränkte „Zeitmaschinen“. Unklar ist, ob sie im Prinzip realisierbar und stabil sind oder beispielsweise durch Quanten oder Quantengravitationseffekte verhindert würden.

Ob Zeitmaschinen-Hypothesen widerspruchsfrei sind, ist umstritten. Ein bewährtes Prinzip der Physik lautet freilich, dass alles, was nicht durch die Naturgesetze ausdrücklich verboten wird, auch existieren könnte. Außerdem zeigt die Wissenschaftsgeschichte, dass zahlreiche bizarre Phänomene, die Physikerinnen und Physiker am Schreibtisch ersonnen haben – nur auf Grundlage der bekannten Naturgesetze –, später tatsächlich entdeckt wurden. Und selbst wenn man beweisen könnte, dass Zeitschleifen nicht existierten, hätte man etwas Wesentliches über die fundamentalen Theorien gelernt. Zudem treiben Gedankenexperimente die Forschung voran, weil sie die Grenzen unseres Naturverständnisses ausloten und erweitern helfen sowie die Annahmen hinter den Theorien aufdecken.

Temporale Fragwürdigkeiten

Wenn es Zeitmaschinen gäbe, könnte das Gefüge von Ursachen und Wirkungen (Kausalität) durcheinandergeraten. Obwohl es weiterhin möglich bliebe, lokale Zeitordnungen zu identifizieren, würden Zeitschleifen die globale Zeitordnung und somit eine eindeutige Reihenfolge von Vergangenem und Künftigem unterminieren.

Die Möglichkeit von Zeitreisen scheint daher unserem Naturverständnis und der Logik vollkommen zu widersprechen. Denn Selbstbezüglichkeiten zwischen Zukunft und Vergangenheit führen zu einem Strudel von Paradoxien: Eine Wirkung könnte ihre eigene Ursache verhindern (Konsistenz-Paradoxon), und etwas könnte zu seiner eigenen Ursache werden (Bootstrap-Paradoxon; nach der Redewendung „sich an den eigenen Schuhriemen herausholen“, vergleichbar mit dem Lügenbaron Münchhausen, der sich am eigenen Schopf aus dem Sumpf zog).

Zum Beispiel könnte jemand in die Vergangenheit reisen und sich selbst als kleines Kind töten – doch dann wäre er später nicht am Leben, würde nicht in die Zeitmaschine steigen, könnte sich nicht umbringen, würde also doch leben … Oder eine Mathematikerin erfährt von einem Kollegen aus der Zukunft den Beweis eines bestimmten Theorems und veröffentlicht ihn in ihrer eigenen Zeit, sodass der Kollege ihn später in einer alten Fachzeitschrift gelesen haben wird – obwohl jedes einzelne Ereignis hier eine Ursache hat, scheint die kausale Schleife als Ganzes keine zu besitzen. Die beiden Paradoxien-Arten können sogar ineinander übergehen. Beispielsweise wird das Bootstrap-Paradoxon der Mathematikerin ein Konsistenz-Paradoxon, wenn sie den Kollegen daran hindert, mit der Zeitmaschine zurück in die Zukunft zu reisen.

Die Paradoxien verdeutlichen drastisch, zu welchen verwirrenden Komplikationen Zeitreisen führen könnten. Ursachen und Wirkungen wären vertauschbar, und die Kausalität – das Fundament der Naturwissenschaft, auf dem doch auch die Zeitmaschine stünde – müsste womöglich zusammenbrechen.

Die Suche nach Alternativen

Mitunter wurden die Zeitreise-Paradoxien als Indiz dafür interpretiert, die klassische Logik aufzugeben, der zufolge Aussagen entweder wahr oder falsch sein müssen und Widersprüche nicht akzeptiert werden. Außerdem haben manche Philosophen behauptet, das Problem der Zeitreisen könnte durch begriffliche Analysen sowie Metaphysik oder Logik gelöst werden, also ganz ohne Physik. Doch alle Argumente bislang waren nicht überzeugend oder zwingend.

Es ist nützlich, zwischen zwei verschiedenen Arten von Paradoxien zu unterscheiden:

  • Wahre Paradoxien – ein logischer Widerspruch in einem scheinbar plausiblen Argument.
  • Pseudoparadoxien – ein scheinbarer Widerspruch in einem völlig korrekten Argument.

Das Zwillingsparadoxon der Speziellen Relativitätstheorie mit Zeitreisen in die Zukunft ist eine ungefährliche Pseudoparadoxie. Doch Zeitreisen in die Vergangenheit könnten zu bedrohlichen wahren Paradoxien führen.

Im Prinzip gibt es nur drei Möglichkeiten, damit umzugehen, um Paradoxien zu vermeiden (siehe auch Download): Entweder man beweist, dass Zeitreisen in die Vergangenheit unmöglich sind. Oder man zeigt, dass sie harmlos sein müssen und somit keine logischen Widersprüche hervorrufen. Oder man formuliert die Physik radikal neu, erlaubt multiple Zeitlinien, Zeitverzweigungen. Oder Paralleluniversen, oder man gibt das Kausalitätsprinzip auf und somit fast jede Überzeugung, die man von der Welt hatte.

Um nicht befürchten zu müssen, dass das Durcheinander der Welt noch schlimmer wird, als es sowieso schon ist, versuchen viele Physiker und Philosophen zu zeigen, dass Zeitparadoxien unmöglich sind: entweder weil die Naturgesetze Zeitreisen gleichsam verbieten oder weil sie zumindest keine logischen und kausalen Widersprüche zulassen. Freilich können nicht alle diskutierten Argumente richtig sein, denn manche schließen sich wechselseitig aus. Und die Natur richtet sich sowieso nicht nach den Ängsten und Hoffnungen ihrer Erforscher.

Zeitschutz-Verordnung und das Selbstkonsistenz-Prinzip

Vielleicht steckt in den Naturgesetzen gleichsam eine Art Zeitpolizei: Alles, was zu Zeitparadoxien führen könnte, würde schon im Vorfeld unweigerlich aus dem Verkehr gezogen. Doch von welcher Art wäre ein solches Zeitreiseverbot?

Stephen Hawking formulierte eine „Vermutung zum Schutz der Zeitordnung“ („Chronology Protection Conjecture“), mit der er die Erhaltung der Zeitrichtung postulierte: „Danach verhindern die Naturgesetze in ihrem Zusammenwirken, dass makroskopische Körper Informationen in die Vergangenheit tragen können.“ In der Fachliteratur gibt es bereits Hunderte von Artikeln, die sich mit den technischen Feinheiten und der Überzeugungskraft dieser Vermutung auseinandersetzen.

Eine andere Art, logische Albträume zu vermeiden, ist die Forderung der Selbstkonsistenz. Sie beruht auf der wesentlichen Unterscheidung zwischen einer Beeinflussung und einer Änderung der Vergangenheit. Demnach könnte es Zeitreisen geben – aber nur so, dass keine Paradoxien entstehen. Zum Beispiel könnte der Zeitreisende nicht in der Lage sein, sich als Säugling zu töten, weil er danebenschießt oder plötzlich von Mitleid überfallen wird oder sich mit seinem Zwillingsbruder verwechselt, von dem er nichts gewusst hat. Tatsächlich zeigen aufwändige Modellrechnungen, dass solche selbstkonsistenten Historien möglich und vielleicht sogar zwingend sind.

Temporäres Fazit

  • Zeitreisen in die Zukunft sind aufgrund der Zeitdilatation bei fast lichtschnellen Bewegungen und in einem starken Gravitationsfeld möglich, aber nur relativ zu einem Bezugssystem mit geringer Geschwindigkeit oder Schwerkraft.
  • Zeitreisen in die Vergangenheit sind möglich im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie unter exotischen Bedingungen (extreme Rotationen, negative Energiedichten, effektive Überlichtgeschwindigkeiten). Doch Quanteneffekte verhindern eventuell die Entstehung von Zeitschleifen.
  • Ob Zeitparadoxien möglich sind, wenn es Reisen in die Vergangenheit gäbe, ist ebenfalls unklar, jedoch unwahrscheinlich.

Weitere Informationen

Rüdiger Vaas, Jahrgang 1966, ist Philosoph, Publizist, Dozent sowie Astronomie- und Physik-Redakteur beim Monatsmagazin „bild der wissenschaft“.
Neben zahlreichen wissenschaftsjournalistischen Arbeiten veröffentlichte er auch philosophische Fachartikel über Kosmologie, Wissenschaftstheorie, Anthropologie und Hirnforschung. Er ist Autor zahlreicher Bücher.

Downloads

Literatur

Bücher von Rüdiger Vaas zum Thema (alle Kosmos-Verlag, Stuttgart):

  • Tunnel durch Raum und Zeit. Einsteins Erbe – Schwarze Löcher, Zeitreisen und Überlichtgeschwindigkeit. (2018, 8. Aufl.)
  • Jenseits von Einsteins Universum. Von der Relativitätstheorie zur Quantengravitation. (2017, 4. Aufl.)
  • Signale der Schwerkraft. Gravitationswellen: Von Einsteins Erkenntnis zur neuen Ära der Astrophysik. (2017)
  • Hawkings neues Universum. Wie es zum Urknall kam. (2018, 6. Aufl.)

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