Seit jeher ist die Menschheit von der Idee der Zeitreise fasziniert. Von antiken Mythen und Legenden bis hin zu modernen Science-Fiction-Filmen – die Möglichkeit, die Vergangenheit zu verändern oder in die Zukunft zu blicken, fasziniert nach wie vor unsere Fantasie. Jetzt, da Wissenschaft und Technologie ein nie dagewesenes Niveau erreicht haben, bleibt die Frage, ob Zeitreisen wirklich möglich sind, einer der faszinierendsten und geheimnisvollsten Aspekte. Die Wissenschaft erforscht weiterhin die Natur der Zeit, führt Experimente durch und entwickelt Theorien, aber es ist immer noch unklar, ob echte Reisen in die Vergangenheit oder die Zukunft aus der Sicht der modernen Physik möglich sind und welche Risiken mit einer solchen Möglichkeit verbunden sind.

Zeitreise ist die Idee der hypothetischen Bewegung eines Objekts, einer Person oder einer Information durch verschiedene Zeitpunkte. Das Konzept umfasst mehrere Varianten von Ereignissen, wie z. B.: Reisen in die Vergangenheit und Interaktion mit Ereignissen, die bereits stattgefunden haben; Reisen in die Zukunft – sich in der Zeit vorwärts bewegen und mit Ereignissen interagieren, die noch nicht stattgefunden haben; Zeitlinien – die Idee, dass Zeitreisen verschiedene Realitätszweige oder parallele Zeitlinien schaffen können, wobei jede Realität unterschiedlichen Entscheidungen und Ereignissen entspricht, oder geschlossene Zeitkurven – ein theoretischer Ansatz, der die Existenz einer anderen Realität oder die Existenz einer anderen Zeitlinie oder geschlossener Zeitkurven annimmt^[1] .

Revolutionär im Zusammenhang mit Zeitreisen waren Einsteins spezielle und allgemeine Relativitätstheorien. Sie brachten die Konzepte der Raumzeit und der geschlossenen Zeitkurve hervor. Das fundamentale System der Raumzeit betrachtet Raum und Zeit als miteinander verbundene Elemente eines einzigen Kontinuums, in dem jedes Ereignis durch vier Koordinaten beschrieben werden kann: Länge, Breite, Höhe und Zeit, und das Gravitationskräften unterliegt. Die Raumzeit ist zu einem Schlüsselkonzept der modernen Physik geworden, das von der allgemeinen Relativitätstheorie bis zur Quantenmechanik reicht^[2] .

Das Konzept einer geschlossenen Zeitkurve kann man sich als eine zeitliche Schleife vorstellen, die die Flugbahn eines hypothetischen Beobachters beschreibt, der, immer von seinem eigenen Standpunkt aus durch die Zeit reisend, sich irgendwann an demselben Ort und in derselben Zeit wiederfindet, von dem aus er gestartet ist. Eine solche Kurve kann zu potenziellen Zeitparadoxien führen, d. h. zu logischen Widersprüchen, die sich aus vergangenen Ereignissen ergeben, die sich aufgrund von Zeitreisen ändern oder miteinander in Konflikt geraten^[3] .

Unsere gemeinsame Reise durch die Zeit

Grafische Darstellung einer geschlossenen Zeitkurve^[4]

Schon jetzt reisen wir mit der Geschwindigkeit von einer Sekunde pro Sekunde durch die Zeit in unsere nahe Zukunft. Einsteins spezielle Relativitätstheorie, auf der ein Großteil der modernen Physik beruht, besagt, dass das Vergehen der Zeit von der Geschwindigkeit abhängt, mit der wir reisen. Je schneller man reist, desto langsamer vergehen die Sekunden.  Ein Beobachter, der sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit bewegt, erlebt die Zeit mit all ihren Auswirkungen (Langeweile, Alterung usw.) viel langsamer als ein Beobachter in Ruhe^[5] . Einsteins andere Theorie, die allgemeine Relativitätstheorie, besagt hingegen, dass die Schwerkraft einen Einfluss auf den Lauf der Zeit hat: Je stärker die Schwerkraft in der Nähe ist, desto langsamer vergeht die Zeit^[6] .

Diese beiden grundlegenden Theorien lassen sich am Beispiel des globalen Ortungssystems GPS sehr gut veranschaulichen. Mit GPS kennen wir unsere genaue Position, indem wir mit Satelliten in einer hohen Erdumlaufbahn kommunizieren. Die Satelliten umkreisen die Erde mit einer Geschwindigkeit von 14.000 km/h und in einer Entfernung von über 20.000 Kilometern. Nach der speziellen Relativitätstheorie bewegen sich Satelliten viel schneller als die terrestrischen Geräte, an die sie Daten übertragen, und die Zeit vergeht für sie langsamer.

Bei GPS-Satelliten mit Atomuhren verringert sich dieser Effekt täglich um 7 Mikrosekunden, also 7 Millionstel Sekunden.  Nach der allgemeinen Relativitätstheorie ticken Uhren, die sich näher am Zentrum einer großen Gravitationsmasse wie der Erde befinden, jedoch langsamer als Uhren, die weiter entfernt sind. Die Uhren auf den GPS-Satelliten gehen also schneller, weil sie viel weiter vom Erdmittelpunkt entfernt sind als die Uhren auf der Erdoberfläche, und die Korrektur beträgt für die Uhren auf den GPS-Satelliten jeden Tag plus 45 Mikrosekunden. Erinnern wir uns an die negativen 7 Mikrosekunden aus der Berechnung der speziellen Relativitätstheorie, so erhalten wir 38 Mikrosekunden mehr auf den Uhren der GPS-Satelliten.

Die Atomuhren an Bord werden erst 38 Mikrosekunden später auf den nächsten Tag umgestellt als eine ähnliche Uhr auf der Erde. Eine solche Zeitverschiebung scheint wirklich unbedeutend zu sein, aber angesichts der Ultrapräzision der heutigen GPS-Technologie macht dies einen großen Unterschied^[7] . Der Large Hadron Collider hat regelmäßig subatomare Teilchen in die Zukunft geschickt und sie auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, wodurch sich ihre relative Zeit um das 6700-fache langsamer als bei stationären menschlichen Beobachtern bewegt.

Überträgt man diese Idee auf den Menschen als Konzept und lässt die technische Komponente außer Acht, kann man davon ausgehen, dass Reisen in die Zukunft durchaus möglich sind. Nehmen wir an, ein Mensch besteigt ein Raumschiff, das 99,995 % der Lichtgeschwindigkeit erreicht, und steuert einen 500 Lichtjahre entfernten Himmelskörper an: Die Reise dauert 500 Jahre, und die gleiche Zeit wird für die Rückkehr benötigt. Rechnet man 1000 Jahre hinzu, so findet sich der Reisende im Jahr 3024 auf der Erde wieder. Aber die Geschwindigkeit dieser Reise würde seine innere Uhr im Vergleich zur Erdzeit um den Faktor 100 verlangsamen, und der Reisende würde nur um 10 Jahre altern. Doch zwischen dem, was theoretisch möglich ist, und dem, was real ist, klafft eine große Lücke^[8] . Bisher kann das schnellste Raumschiff nur mit 635.000 km/h reisen, während die Lichtgeschwindigkeit 1.079.252.848,8 km/h beträgt, so dass wir bestenfalls mit etwas mehr als 0,06 % der Lichtgeschwindigkeit reisen können^[9] .

Paradoxien der Vergangenheit

Grafische Darstellung der Zeit im Universum^[10]

Theoretische Möglichkeiten für Zeitreisen in die Vergangenheit gibt es zuhauf, aber sie sind in der Regel mit unüberwindbaren Paradoxien verbunden und beruhen auf ausgefallenen theoretischen Konstrukten wie Wurmlöchern, schwarzen Löchern und kosmischen Strings (die möglicherweise gar nicht existieren). Die allgemeine Relativitätstheorie sagt die Existenz von “Wurmlöchern” voraus, einer Art Tunnel in der Raumzeit, der einen Punkt in einer Galaxie mit einem anderen verbindet.

Diese Idee beruht auf dem Konzept des schwarzen Lochs und der Gravitationsverformung. Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass, wenn ein schwarzes Loch eine Region der Raumzeit ist, in der die Gravitationsanziehung so stark ist, dass nicht einmal Licht von dort entkommen kann, d. h. es wirkt im Wesentlichen wie ein Vakuum und saugt alle Materie ein, dann gibt es theoretisch auch ein “weißes Loch”, das als Quelle fungiert, die Materie ausstößt^[11] . Während schwarze Löcher nie etwas nach außen lassen, lassen weiße Löcher nie etwas nach innen, und um ein Wurmloch zu erzeugen, nimmt man einfach ein schwarzes und ein weißes Loch und verbindet sie, um einen Tunnel zwischen ihnen zu bilden.

Aber selbst wenn man sich die Existenz eines solchen “Wurmlochs” theoretisch vorstellen kann, ist es sehr schwierig vorherzusagen, wie “sicher” es wäre und was mit den Teilchen darin passieren würde und ob es nicht sofort unter dem Einfluss der Schwerkraft zusammenbrechen würde. Nach Ansicht der Wissenschaftler würde die Stabilisierung eines solchen Wurmlochs eine Materieform mit negativer Masse^[12] erfordern. Und von all diesen hypothetisch möglichen Wurmlöchern, die ein Portal in der Raumzeit sein könnten, ist theoretisch nur die Existenz eines Schwarzen Lochs bewiesen, das Weiße Loch und die Materie mit negativer Masse bleiben nur eine Hypothese, die durch die Relativitätstheorie erlaubt ist^[13] .  

Die Idee der Zeitreise im Rahmen der Relativitätstheorien stößt häufig auf verschiedene Paradoxa, die logische oder zeitliche Widersprüche verursachen. Diese Paradoxa unterstreichen die Komplexität und Mehrdeutigkeit der Idee der Zeitreise und werden in der theoretischen Physik und Philosophie diskutiert. Das “Großvater-Paradoxon” beispielsweise betrachtet eine Situation, in der man in der Zeit zurückreist und etwas verändert, indem man beispielsweise den Großvater vor der Geburt der Eltern tötet. Es geht darum zu verstehen, wie sich dies auf die eigene Existenz auswirkt. Wenn dein Elternteil nicht geboren wird, existierst du folglich auch nicht, und du kannst nicht in der Zeit zurückreisen. Das “Grundy-Paradoxon” beschreibt eine Situation, in der Sie in der Zeit zurückgehen, um den Tod Ihres Großelternteils zu vermeiden und Ihre eigene Existenz zu ermöglichen. Wenn Ihr Großvater jedoch nicht tot ist, warum sollten Sie dann in der Zeit zurückreisen wollen?

Oder haben wir zum Beispiel das so genannte “Informationsparadoxon”: Wenn Informationen aus der Vergangenheit in die Zukunft gesendet werden, kann diese Information den Verlauf der Ereignisse so verändern, dass die Zukunft, aus der sie gesendet wurde, nicht eintritt? Dieses Paradoxon hat mit der Möglichkeit zu tun, die Zukunft mit Informationen aus der Zukunft zu verändern^[14] . Aus logischer Sicht deuten alle Paradoxa darauf hin, dass jede Veränderung in der Vergangenheit zwangsläufig Auswirkungen auf die Zukunft hat.

Am Schnittpunkt zweier Theorien

Wurmlöcher sind auch heute noch ein Thema der Science-Fiction^[15]

Während die Relativitätstheorie das Verhalten von großen Objekten wie Menschen, Himmelskörpern und sogar Galaxien beschreibt, beschreibt die Quantenmechanik sehr kleine Teilchen wie Elektronen und Photonen. Auf der Ebene dieser subatomaren Größenordnungen funktioniert die Physik auf eine Weise, die unsere Intuition verwirrt. Nach der mathematischen Modellierung eines jungen Wissenschaftlers an der Universität von Queensland in Australien, die auf den Postulaten der klassischen Dynamik beruht, wonach Daten über den Zustand eines Systems zu einem bestimmten Zeitpunkt die ganze Geschichte des Systems erzählen können, ist eine Reise in die Vergangenheit ohne Paradoxien möglich^[16] .

Der Wissenschaftler untersucht die Auswirkungen bestimmter nicht zufälliger Prozesse auf mehrere Regionen des Raum-Zeit-Kontinuums und zeigt, wie geschlossene zeitähnliche Kurven mit den Prinzipien des freien Willens und der klassischen Physik übereinstimmen können^[17] . Seine Arbeit zeigt, dass sich die Raumzeit potenziell anpassen kann, um Paradoxien zu vermeiden. Einfach ausgedrückt: Wenn ein Zeitreisender denkt, dass er durch irgendeine Handlung etwas verhindert oder verändert, reagiert das System so, dass sich die Ereignisse so anpassen, dass sie logisch mit jeder Handlung des Zeitreisenden vereinbar sind, um Paradoxien zu vermeiden und die Zukunft zu verändern. Egal was man tut oder wie sehr man sich bemüht, wichtige Ereignisse werden sich anpassen, um Ungereimtheiten zu vermeiden^[18] .

Ein Team der Universität Cambridge hat ein “Gedankenexperiment” durchgeführt, bei dem vergangene Ereignisse im Nachhinein verändert werden, was eine effiziente Zeitreise demonstriert, allerdings auf Quantenebene^[19] . Die Wissenschaftler nutzten das Prinzip der Quantenverschränkung, ein Phänomen, das den Zustand von zwei oder mehr Quantenobjekten beschreibt, bei dem ihre Eigenschaften so stark voneinander abhängen, dass es unmöglich wird, den Zustand jedes Objekts einzeln zu beschreiben, unabhängig von der Entfernung zwischen ihnen. Das bedeutet, dass eine Änderung des Zustands eines der “verschränkten Objekte” sich sofort auf den Zustand des anderen Objekts auswirkt, ungeachtet der physikalischen Entfernung, die sie trennt^[20] .

Die Quantenphysik ist immer ein wenig verwirrend; dieses Phänomen lässt sich am Beispiel von Taschenuhren verstehen. Zum besseren Verständnis stellen Sie sich vor, dass Sie sich ein Paar Taschenuhren teilen, die verwechselt werden: ein Exemplar ist in Ihrem Besitz und das andere haben Sie Ihrem Freund auf der anderen Seite des Planeten geschickt. Wenn Sie die Zeit auf Ihrer Uhr überprüfen und feststellen, dass sie 12:00 Uhr anzeigt, wissen Sie sofort, dass die Uhr Ihres Freundes ebenfalls 12:00 Uhr anzeigen wird, obwohl der Abstand zwischen den Uhren enorm ist.

In ihren Simulationen modellierte das Forscherteam zunächst die Verschränkung zweier Teilchen und schickte dann eines von ihnen in ein Experiment. Nach Abschluss des Experiments hatten die Wissenschaftler neue Informationen, die sie veranlassten, anders zu handeln. Anstatt sich mit einem unbefriedigenden Ergebnis zufrieden zu geben oder das Experiment komplett zu wiederholen, manipulierten sie das zweite Teilchen, um den vergangenen Zustand des ersten zu verändern und das Ergebnis des Experiments zu ändern. Selbst diese Simulation der Veränderung der Vergangenheit ist nicht fehlerfrei, da das Experiment die Vergangenheit nur in etwa 25 % der Zeit mit den neuen Informationen verändert^[21] . Also auf jeden Fall häufiger als nicht.

Ein Ergebnis, das für diejenigen, die die wissenschaftliche Forschung fördern, sowohl im öffentlichen als auch im privaten Sektor, insbesondere im militärischen Bereich, mehr als ausreichend ist, um Energie, Know-how und große Geldsummen in die Fortsetzung dieser Forschung zu investieren, deren offizielle Rechtfertigung in den westlichen Ländern darin besteht, eine Lösung zu finden, die interstellare Reisen innerhalb eines vernünftigen Zeitrahmens möglich und zugänglich macht[22] .

Das Spiel mit dem Licht

Illustration der experimentellen Plattform zur Realisierung der zeitlichen Reflexion^[23]

Die Wellenphysik hat auch etwas über Zeitreisen zu sagen. Forscher der City University of New York haben einen Durchbruch bei der Erzeugung von Zeitreflexionen auf Lichtbasis erzielt. Die übliche räumliche Reflexion von Licht tritt auf, wenn der Lichtstrom auf Materie trifft, deren optische Eigenschaften sich von denen der Luft auf seinem Weg unterscheiden, so dass er reflektiert wird, wie ein Tischtennisball, der an einer Wand abprallt. Ändert man jedoch die optischen Eigenschaften nicht an bestimmten Punkten im Raum, sondern entlang des gesamten Weges des Lichtstrahls zu einem bestimmten Zeitpunkt, so prallt der Lichtstrahl in der Zeit zurück und wiederholt seine Spuren, wie ein Tischtennisball, der zum letzten Spieler zurückkehrt, der ihn getroffen hat, und demonstriert damit das Konzept der zeitlichen Reflexion.

Die Wissenschaftler verwendeten ein spezielles Material namens Matte, das aus Anordnungen von mikroskopisch kleinen Stäben oder Ringen[24] besteht, die so konfiguriert werden können, dass sie mit Licht interagieren und dieses manipulieren, wodurch sich die optischen Eigenschaften des Materials im Bruchteil einer Nanosekunde ändern. Ein Beispiel für solche strukturellen Eigenschaften findet sich auch in der Natur, etwa im schimmernden Schillern eines Schmetterlingsflügels. Mit Hilfe eines Wellenleiters, der Mikrowellenlicht überträgt, haben die Wissenschaftler die Eigenschaften des Wellenleiters dynamisch verändert und so Zeitreflexionseffekte erzeugt.

Bei diesem Experiment traten ungewöhnliche Effekte auf, wie z. B. eine Veränderung der Farbe und der Frequenz des Lichts und die Umkehrung der Zeitkomponenten. Es ist, als ob man in einen Spiegel schaut, aber den Hinterkopf sieht, der auch eine andere Farbe haben kann. In der Studie wird auch festgestellt, dass sich die Lichtstrahlen, die bei diesem Prozess zusammenstoßen, auf ungewöhnliche Weise verhalten. Normalerweise verhält sich Licht wie eine Welle oder ein punktförmiges Projektil. Das Experiment hat gezeigt, dass sich Licht bei der Zeitreflexion auf beide Arten verhalten kann, je nachdem, wie die Wellen zusammenstoßen, was den Wissenschaftlern die Möglichkeit gibt, die Energie der Welleninteraktionen zu kontrollieren. Diese Forschung hat potenzielle Auswirkungen auf die Entwicklung neuer Technologien und das Verständnis grundlegender Aspekte der Physik, aber sie katapultiert uns weder in die Vergangenheit noch in die Zukunft^[25] .

Die Verwendung von Metamaterialien und das Zusammenspiel von optischen Effekten eröffnen neue Möglichkeiten in der Physik der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie. Wissenschaftlern am Imperial College London ist es gelungen, ein Laboranalogon eines Metamaterials zu schaffen, das Photonen sammelt und komprimiert; diese Art von Photonenkompressor weist die gleichen Eigenschaften auf wie schwarze Löcher^[26] .

Ein verblüffendes Ergebnis. Dennoch ruht die Idee der Zeitreise auf zwei Säulen: der Relativitätstheorie und der Quantenmechanik, die zwar für einige Aspekte des Universums sehr gut funktionieren, aber im Zusammenhang mit Zeitreisen unvereinbar sind. Fast alle Experimente sind theoretisch und funktionieren nur auf dem Papier in Form von Formeln und Berechnungen. Es ist daher wichtig zu erkennen, dass neue Entdeckungen und theoretische Modelle der Wechselwirkung zwischen Materie und Raumzeit nicht bedeuten, dass Zeitreisen Realität werden. Sicherlich haben diese Konzepte das Potenzial, unser Verständnis für die Struktur der Zeit zu erweitern, aber tatsächliche Schritte in Richtung physischer Zeitreisen sind derzeit eher reine Fantasie und wissenschaftliche Spekulation als eine nachweisbare reale Möglichkeit.

UK033

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^[1] https://medium.com/@ki90grq8y/ist-die-zeitreise-möglich-4edff90f1fa5 

^[2] https://www.ixbt.com/live/offtopic/chetyrehmernaya-vselennaya-kak-ee-ponyat-i-kak-predstavit-chto-vremya-eto-prostranstvo.html

^[3] https://medium.com/@ki90grq8y/ist-die-zeitreise-möglich-4edff90f1fa5 

^[4] https://www.scientificamerican.com/article/time-travel-simulation-resolves-grandfather-paradox/

^[5] https://www.amnh.org/exhibitions/einstein/time/a-matter-of-time

^[6] https://www.bbc.com/future/article/20231110-doctor-who-is-time-travel-really-possible-heres-what-physics-says

^[7] https://www.space.com/21675-time-travel.html

^[8] https://www.popularmechanics.com/science/math/a20718322/building-a-time-machine/

^[9] https://overclockers.ru/blog/Fantoci/show/114846/solnechnyj-zond-nasa-parker-ustanovil-esche-odin-rekord-skorosti-635-000-km-chas

^[10] https://mir24.tv/news/16506175/fizik-priznal-puteshestviya-vo-vremeni-vozmozhnymi

^[11] https://www.physicsoftheuniverse.com/topics_blackholes_wormholes.html

^[12] https://www.livescience.com/what-are-wormholes

^[13] https://www.livescience.com/wormholes-may-be-stable-after-all

^[14] https://ru.sputnik.kg/20230409/legche-v-buduschee-chem-v-proshloe-paradoksy-puteshestviy-vo-vremeni-1074202249.html

^[15] https://www.independent.co.uk/news/science/the-big-question-is-time-travel-possible-and-is-there-any-chance-that-it-will-ever-take-place-779761.html

^[16] https://www.uq.edu.au/news/article/2020/09/young-physicist-squares-numbers%E2%80%99-time-travel

^[17] https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6382/aba4bc/pdf

^[18] https://www.sciencealert.com/physicist-discovers-paradox-free-time-travel-is-theoretically-possible

^[19] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.150202

^[20] https://habr.com/ru/articles/765480/

^[21] https://thedebrief.org/scientists-successfully-simulate-backward-time-travel-with-a-25-chance-of-actually-changing-the-past/

[22] https://www.quora.com/How-can-we-solve-the-problem-of-Interstellar-travel-time-and-distance-limitations-for-human-exploration-of-other-planets-in-our-Galaxy

^[23] https://spectrum.ieee.org/time-reversal-interface

[24] Ein komplexes System von Daten: https://en.wikipedia.org/wiki/Array_(data_structure)

^[25] https://www.scientificamerican.com/article/light-can-travel-backward-in-time-sort-of/ , https://www.nature.com/articles/s41567-023-01975-y.epdf?sharing_token=VdRKZY-D7oEepAbkw7kbIdRgN0jAjWel9jnR3ZoTv0P-Y1zeDeMZfN0XstvlFFPW623hzPpIf8TQ2PzpcixbQoiW0atH7fNn9OhbtvBWndwFiU9NzNt2vqXs29TWwJ-qND8EypHgsNnqb38-RxBpB1oNk_11u81xb1KQ-Y3OP_IaAeRdfVJmhM6kb5Qxx5BcdioHqYLncqIohrObW9aaVIHPDKi4vYhAZzKn8PWpedA%3D&tracking_referrer=www.scientificamerican.com 

^[26] https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-9-7-724&id=477398