Die Zeit "fließt" nicht — Warum kommt nur die Zukunft? Ein neues Szenario des Zeitpfeils, erzeugt durch "Information"

1) „Der Fluss der Zeit“ war selbstverständlich, sollte es zumindest sein

Der Sekundenzeiger bewegt sich, der Morgen kommt und die Nacht bricht herein. Wir leben, als ob wir in einem Zug sitzen, der in eine Richtung fährt: „Vergangenheit → Gegenwart → Zukunft“. Wir werden geboren, altern und sterben – die Reihenfolge kehrt sich nicht um. Daher erscheint die Zeit als ein grundlegendes Element, das „von Anfang an da ist“, ähnlich wie die Luft.

Doch die Physik hat seit über 100 Jahren mit diesem „Selbstverständlichen“ zu kämpfen. Die Zeit lässt sich zwar messen, aber wenn es darum geht, „Was ist Zeit?“ in den Grundgleichungen der Welt zu erklären, wird es plötzlich fragwürdig.

2) Die Relativitätstheorie lässt die Zeit „dehnen und schrumpfen“, während die Quantenmechanik die Zeit als „Voraussetzung“ nimmt

Der erste Schock war die Relativitätstheorie. Die Zeit ist kein absoluter Fluss, der für alle gleich ist, sondern ändert sich durch Gravitation und Bewegung. Die Tatsache, dass Beobachter, die sich unterschiedlich bewegen, „Gleichzeitigkeit“ nicht in Einklang bringen können, zerstörte leise unsere Intuition. Die Zeit wurde mit dem Raum vereint und bildete ein vierdimensionales Gewebe namens „Raumzeit“.

Auf der anderen Seite ist die Quantenmechanik viel pragmatischer. Die Gleichungen der Quanten beschreiben, „wie sich etwas mit der Zeit verändert“, aber nicht den Ursprung der Zeit selbst. Die Zeit wird als „hintergrundmäßige Uhr“ von außen stillschweigend ausgeliehen.

Hier entsteht ein ernsthafter Widerspruch. Wenn man versucht, Gravitation (Relativitätstheorie) und Quanten (Quantenmechanik) auf die gleiche Grundlage zu stellen, um eine „einheitliche Theorie“ zu schaffen, kann die Zeit aus den Gleichungen verschwinden. Das Universum erscheint wie ein „eingefrorenes Bild“ – dies ist das berühmte „Problem der Zeit“.

3) „Die Zeit schreitet voran, weil die Entropie zunimmt“ – es fehlt der letzte Schritt

Ein klassischer Ansatz zur Erklärung des Zeitpfeils ist die Thermodynamik. Ein Glas zerbricht und die Scherben verteilen sich, aber sie kehren nicht von selbst in ihren ursprünglichen Zustand zurück. Die Richtung, in der die Unordnung (Entropie) zunimmt, erscheint als „Zukunft“. Man könnte sagen, dass das Gedächtnis nur in der Vergangenheit gebildet werden kann, was mit der Irreversibilität zusammenhängt.

Doch hier bleibt eine „Hausaufgabe“ offen. Die grundlegenden mikroskopischen Gesetze (die Gleichungen der Quanten) unterscheiden nicht zwischen Vergangenheit und Zukunft. Die Richtung der Zeit wird sichtbar, wenn man die Statistik vieler Teilchen und die Wechselwirkung mit der Umgebung einbezieht. Noch komplizierter ist das Problem der Anfangsbedingungen: „Warum begann das Universum mit niedriger Entropie?“ Warum hatte das Universum einen seltsam „geordneten Anfang“, obwohl es viel mehr ungeordnete Zustände gibt?

4) Die aufkommende „Revolution der Information“ – Information ist nicht nur ein „Buchhaltungssystem“

Eine „stille Revolution“ der letzten Jahre hat die Information in den Mittelpunkt gerückt. Früher war Information ein nützliches Werkzeug (eine mathematische Notiz), um Zustände und Wahrscheinlichkeiten zu ordnen. Doch an der Schnittstelle von Thermodynamik, Quanten und Gravitation reicht es nicht aus, „Information nur als abstraktes Konzept zu behandeln“.

Ein symbolisches Beispiel ist das Schwarze Loch. Wenn ein Schwarzes Loch durch Hawking-Strahlung thermisch verdampft, scheint die Information über die hineingefallenen Objekte „als Wärme verloren zu gehen“. Doch die Quantenmechanik erlaubt es nicht, dass Information vollständig verschwindet. Hieraus ergibt sich die Schlussfolgerung: „Information ist nicht beliebig. Sie ist die Physik selbst.“ Um Information zu löschen, sind Energiekosten erforderlich, und für die Speicherung und Aufzeichnung sind physikalische Ressourcen notwendig – Information ist nicht das Buchhaltungssystem der Welt, sondern ein Teil der Welt.

Darüber hinaus haben Diskussionen, die Gravitation und Thermodynamik verbinden, diese Idee unterstützt. Es sind Konzepte aufgetaucht, die die Geometrie (Krümmung) der Raumzeit aus Prinzipien der Entropie und Information ableiten, was darauf hindeutet, dass Gravitation eher eine „emergente Eigenschaft“ als eine „fundamentale Kraft“ sein könnte. So wie die Temperatur aus dem Verhalten von Molekülansammlungen entsteht, könnten auch Gravitation und Raumzeit aus tieferen Schichten hervorgehen.

5) Raumzeit als „Speichermedium“ – Das Universum vergisst keine Ereignisse

Der Kern des Artikels liegt hier: Die Raumzeit selbst als Medium zur Aufzeichnung von Informationen zu betrachten. Es gibt eine Schicht, die aus „diskreten Elementen mit begrenzter Kapazität“ besteht, nicht eine kontinuierliche und glatte Raumzeit wie in der Relativitätstheorie, und in dieser Schicht bleiben Spuren von Quanteninformationen erhalten – das ist die Vorstellung.

Wichtig ist die Haltung, dass „Aufzeichnung“ keine Metapher ist. Wechselwirkungen leiten immer Informationen in die Umgebung ab und hinterlassen Spuren. Auch wenn man die Gleichungen theoretisch rückwärts ablaufen lassen könnte, ist es in der Realität nahezu unmöglich, alles, einschließlich der „verstreuten Informationen“, vollständig zurückzuspulen. Ein zerbrochenes Glas kehrt nicht zurück, nicht nur weil es „unordentlich“ ist, sondern weil das Ereignis überall im Universum niedergeschrieben wurde – so lautet die Erklärung.

So enthält das Universum nicht nur „was jetzt ist“, sondern auch „was bisher geschehen ist“. Bereiche mit vielen Wechselwirkungen tragen viele Informationsspuren, während Bereiche mit wenigen Wechselwirkungen „nahezu leer“ sind. Die Raumzeit ist keine neutrale Bühne, sondern wird zu einem Teilnehmer, der die nächsten Ereignisse einschränkt und formt.

6) Zeit ist kein „Hintergrund“, sondern ein „Ergebnis“ – Die irreversible Ansammlung von Information erzeugt Ordnung

Hier beginnt der Teil, der in das „Wesen der Zeit“ vordringt. Anstatt die Zeit von Anfang an zu setzen, wird die zeitliche Ordnung aus der irreversiblen „Informationsaufzeichnung“ von Ereignissen aufgebaut.

Das Konzept ist einfach. Jedes Mal, wenn eine Wechselwirkung stattfindet, wird Information im Universum aufgezeichnet. Diese aufgezeichnete Information kann unter den Einschränkungen der Thermodynamik und Quanten „global nicht gelöscht“ werden. Dieses „Wachstum der unauslöschlichen Aufzeichnungen“ gibt die natürliche Reihenfolge der Ereignisse, den Zeitpfeil, vor. Ein früher Zustand hat weniger Aufzeichnungen, ein späterer Zustand mehr. Der Unterschied zwischen Zukunft und Vergangenheit zeigt sich als Asymmetrie, dass das Universum Informationen über die Vergangenheit hat, aber nicht über die Zukunft.

Der provokative Reiz dieses Rahmens liegt darin, dass er nicht zu sehr auf den „Anfangsbedingungen der Entropie-Lotterie“ beruht. Auch ohne vorauszusetzen, warum das Universum mit niedriger Entropie begann, kann man sagen: „Solange Wechselwirkungen stattfinden und Informationen irreversibel aufgezeichnet werden, schreitet die Zeit voran.“

7) Sogar dunkle Materie als „Informationsspuren“? – Der Duft einer ehrgeizigen Einheit

Geht man noch weiter, so wirkt sich diese „Ansammlung von Informationen“ auch auf die Gravitation aus. Wenn die Krümmung der Raumzeit nicht nur von Masse und Energie, sondern auch von der Verteilung von Quanteninformationen (insbesondere Verschränkung) abhängt, könnten Bereiche, die viele vergangene Wechselwirkungen aufgezeichnet haben, stärker gekrümmt sein (d.h. sich verhalten, als wäre die Gravitation stärker).

Der Autor deutet an, dass die „unsichtbare Gravitation“, die bei der galaktischen Rotation erforderlich ist, möglicherweise nicht durch unbekannte Teilchen (dunkle Materie) erklärt werden muss, sondern als „Restwirkung der in der Raumzeit angesammelten Informationen“ interpretiert werden könnte. Dunkle Materie, dunkle Energie und der Zeitpfeil könnten alle aus derselben „irreversiblen Informationsaufzeichnung“ stammen – dieser Satz symbolisiert den Ehrgeiz des gesamten Artikels.

Natürlich ist dies auch der Punkt, an dem die Diskussion am heißesten wird. Dunkle Materie ist ein „Bündel von Phänomenen“, das durch astronomische und kosmologische Beobachtungen festgestellt wurde. Obwohl die Erklärung nicht nur auf Teilchenhypothesen beschränkt ist, müssen alternative Vorschläge strengen Prüfungen standhalten. Je attraktiver die Einheit, desto höher die Hürde der Überprüfung.

8) Nicht als „philosophisch“ abtun: Wie kann man es testen?

Zeitkonzepte werden oft als „eher philosophisch denn wissenschaftlich“ betrachtet. Doch der Artikel versucht, die Überprüfbarkeit zu erreichen.

Zuerst das Schwarze Loch. Wenn Informationen nicht verloren gehen, sollten die Informationen der hineingefallenen Objekte vor dem Horizont in der Raumzeit aufgezeichnet werden und auch nach der Verdampfung Auswirkungen haben. Die Hawking-Strahlung könnte nicht völlig zufällig sein, sondern fein die „Geschichte“ des Schwarzen Lochs widerspiegeln. Auch wenn es mit der aktuellen Technik schwierig ist, gibt es ein Ziel, auf das man abzielen kann.

Dann das Labor. In kontrollierten Systemen wie Quantencomputern wird gezeigt, dass selbst wenn die grundlegenden Gleichungen reversibel sind, durch die Art und Weise, wie Informationen aufgezeichnet, verteilt und zurückgewonnen werden, ein „effektiver Zeitpfeil“ erzeugt wird. Der Versuch, universelle Diskussionen auf Labormaßstab zu reduzieren, ist bedeutend.

9) Reaktionen in sozialen Medien: Der Satz „Das Universum schreibt sich selbst die Zeit auf“ hat Eindruck gemacht

Wenn dieser Artikel verbreitet wird, reagieren die Menschen hauptsächlich auf zwei Punkte.

Ein Punkt ist der „poetische und kraftvolle Satz“. Der abschließende Satz „Zeit ist das, was das Universum sich selbst immer wieder aufschreibt“ wird leicht zitiert. Tatsächlich gibt es auf X (ehemals Twitter) Beiträge, die diesen Satz zitieren und von der Umkehrung des Zeitbegriffs überrascht sind.

Der andere Punkt ist das „Alles-in-einem-Gefühl“. Die Haltung, nicht nur den Zeitpfeil, sondern auch dunkle Materie und dunkle Energie auf die gleiche Grundlage zu stellen, wird als anregend empfunden. In den Snippets der X-Posts wird auch darauf hingewiesen, dass dunkle Materie, dunkle Energie und der Zeitpfeil aus einem einzigen Prozess stammen, und es gibt Bewegungen, die dies teilen.

In technikorientierten Gemeinschaften ist es interessant, dass Metaphern schnell in eine „ingenieurmäßige“ Richtung umgewandelt werden. In einem Thread auf Hacker News gibt es scherzhafte Kommentare, die das Universum mit einem „Versionskontrollsystem“ vergleichen, und Assoziationen, die die Lichtgeschwindigkeit als „Latenz der Informationsübertragung durch den Raum“ betrachten. Außerdem wird die einfache, aber scharfsinnige Frage gestellt: „Wenn Wechselwirkungen sich ansammeln, werden alte Galaxien dann zu Schwarzen Löchern?“

Und vor allem werden die ehrlichen Eindrücke der „beeindruckten Personen“ sichtbar. Kommentare wie „Es ist das erste Mal, dass ich lese, dass Zeit mit Information und Gravitation verknüpft wird, das ist unglaublich überzeugend“ ziehen die Leser in die Richtung „schwierig, aber interessant“.

Auf der anderen Seite wird die Begeisterung in den sozialen Medien, unabhängig von der Strenge des Inhalts, auch durch die „Stärke der Worte“ verstärkt. Zeit und Kosmologie haben von Natur aus ein starkes romantisches Magnetfeld. Deshalb wird die Frage, ob dies eine „Theorie, die zur Überprüfung herabsteigt“ oder eine „faszinierende einheitliche Geschichte“ ist, durch die zukünftige theoretische Entwicklung und die Ansammlung von Beobachtungen und Experimenten entschieden.

10) Zusammenfassung: Auf dem Weg zu einer Physik, die die Zeit nicht als „Voraussetzung“ nimmt

Der Artikel schlägt einen Paradigmenwechsel vor: von einer Weltanschauung, die die Zeit als „fließend“ voraussetzt, zu einer, die die Zeit als „Zunahme der Aufzeichnungen des Universums“ betrachtet. Die Raumzeit speichert Informationen, und Wechselwirkungen hinterlassen unauslöschliche Spuren. Daher entsteht eine Ordnung der Ereignisse, die wir als „Fortschreiten der Zeit“ bezeichnen.

Wenn diese Sichtweise wahr ist, könnten der Zeitpfeil, das Informationsproblem der Schwarzen Löcher, die Entstehung der Gravitation und sogar dunkle Materie und dunkle Energie durch einen einzigen Faden verbunden werden. Natürlich wird die Überprüfung umso schwieriger, je mehr man sie zu einem einzigen Faden verknüpft. Doch der Versuch, die Frage „Zeit ist kein Hintergrund“ durch eine konkrete physikalische Größe wie Information voranzutreiben, hat zumindest die Hitze, die es verdient, als „stille Revolution“ bezeichnet zu werden.

Quellen-URL

• Bezugnahme auf das Zeitproblem, die Behauptung, dass Zeit