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Ist die Zeit überall im Universum gleich? - Das Problem der Zeit zwischen Relativitätstheorie und Quantenmechanik | Fakten zum Einschlafen - Das Universum · Fakten zum Einschlafen – Das Universum

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Willkommen bei Fakten zum Einschlafen. Das Universum.
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Die meisten von uns haben gelernt, dass die Zeit
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wie ein Fluss fließt, überall und für jeden gleich.
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Doch die moderne Physik zeigt, dass diese vertraute
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Vorstellung unvollständig ist. Isaac Newton prägte
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das Bild einer absoluten universellen Zeit, die
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unabhängig von allem existiert. Albert Einstein
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löste dieses Fundament auf, als er zeigte, dass
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die Lichtgeschwindigkeit für alle Beobachter
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konstant ist. Zeit wurde zu einer relativen geometrischen
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Eigenschaft der Raumzeit, in der es kein Universelles
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jetzt gibt, und Uhren je nach Bewegung und Gravitation
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unterschiedlich ticken. Diese Episode untersucht,
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wie sich die Definition der Zeit von den Newton'schen
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Gesetzen über Einsteins Relativitätstheorie bis
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hin zur modernen Quantenmechanik gewandelt hat.
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Wir betrachten das Hafele -Keating -Experiment
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mit Atomuhren in Flugzeugen, die präzise Definition
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der Sekunde durch Cäsium -133 und die tiefgreifenden
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Konflikte zwischen der dynamischen Raumzeit und
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der Quantenmechanik, die in der zeitlosen Vela
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-Devit -Gleichung gipfeln. Bei der Arbeit an
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dieser Episode kehrte ich immer wieder zu einer
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einfachen Frage zurück. Was bedeutet es, wenn
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unsere präziseste physikalische Größe möglicherweise
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gar nicht fundamental ist? Mich fasziniert, wie
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die Physik unsere Alltagserfahrung nicht nur
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erklärt, sondern sie auch radikal infrage stellt.
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Ich lade Sie ein, sich diesen leisen, aber tiefgreifenden
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Wandel unseres Zeitverständnisses anzuhören.
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Die meisten von uns haben gelernt, dass die Zeit
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wie ein Fluss fließt, überall gleich für jeden.
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Das Überraschende ist nicht, dass sich das als
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falsch herausgestellt hat. Das Überraschende
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ist, dass die präzisere Definition so viel seltsamer
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und so viel strenger begrenzt ist als die vertraute.
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Zwei perfekt synchronisierte Uhren. Eine steht
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im Royal Observatory in Greenwich. Die andere
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segelt an Bord eines Schiffes Richtung Kalibik.
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Im Jahr 1687 hätte Isaac Newton gesagt, dass
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diese beiden Uhren eine einzige absolute Zeit
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teilen. Sie ticken im Gleichklang. Nicht, weil
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sie gut gebaut sind, sondern weil das Universum
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selbst überall mit derselben Art fließt. Newton
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nannte dies die absolute, wahre und mathematische
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Zeit. Er definierte sie als etwas, das an sich
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und aus seiner eigenen Natur heraus gleichmäßig
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fließt, ohne Beziehung zu irgendetwas Äußerem.
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Sie war kein Ding, das man direkt berühren oder
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sehen konnte. Sie war die unsichtbare Bühne,
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auf der alle Bewegung sich abspielte. Sie war
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der universelle Parameter, der seine Bewegungsgesetze
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zum Funktionieren brachte. Kraft ist gleich Masse
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mal Beschleunigung. Und Beschleunigung ist die
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Änderungsrate der Position in Bezug auf die Zeit.
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Damit diese Gleichung für jeden Beobachter dasselbe
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Ergebnis liefert, musste die Zeit selbst für
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alle dieselbe sein. Das war nicht bloß praktisch.
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Es war grundlegend. Newton brauchte eine Variable
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bezeichnet mit dem schlichten Buchstaben T, auf
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die sich alle Beobachter einigen konnten. Ein
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Moment in London war ein Moment auf See. Eine
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Sekunde hier war eine Sekunde dort. Die kosmische
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Uhr tickte einmal für das gesamte Universum.
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Die Vorstellung passte so vollkommen zur Alltagserfahrung,
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dass sie unsichtbar wurde. Wir leben unser Leben
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nach lokalen Uhren, die alle übereinstimmen.
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Die Sonne geht auf, die Arbeit beginnt, Mahlzeiten
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finden statt, der Schlaf kommt. Der Fluss fühlt
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sich universell an. Newton selbst zog eine feine
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Unterscheidung, die spätere Generationen vergessen
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sollten. Er trennte die absolute Zeit, die nicht
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direkt wahrgenommen werden kann, von der relativen,
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scheinbaren Zeit, die von tatsächlichen Uhren
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und Himmelsbewegungen gemessen wird. Doch die
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Vorhersagekraft seiner Mechanik war so außergewöhnlich,
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dass diese Unterscheidung verblasste. Was im
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allgemeinen Bewusstsein blieb, war die kosmische
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Uhr, der Fluss der Zeit, das Universelle jetzt.
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Mehr als zwei Jahrhunderte lang schien diese
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Erklärung nicht nur ausreichend, sondern vollständig.
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Sie baute Brücken, sackte Finsternisse voraus,
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schickte Schiffe über Ozeane. Doch unter dem
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Erfolg lag eine stille Spannung. Eine, die Newton
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bemerkt, aber nicht auflösen konnte. Im Jahr
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1676. hatte der dänische Astronom Ole Römer die
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endliche Lichtgeschwindigkeit gemessen, indem
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er die Monde des Jupiter beobachtete. Licht brauchte
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Zeit, um zu reisen. Das bedeutete, dass Information
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sich nicht unendlich schnell durch den Raum bewegen
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konnte. Und wenn Information sich nicht unendlich
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schnell bewegen konnte, wie konnten dann alle
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Uhren im Universum ein einziges Absolutes jetzt
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teilen? Die Frage blieb unbeantwortet. Ein kleiner
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Riss in einem ansonsten perfekten Fundament.
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Der Riss weitete sich im 19. Jahrhundert. James
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Clerk Maxwell formulierte seine Gleichungen,
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die Licht als elektromagnetische Welle beschrieben,
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die sich mit einer bestimmten endlichen Geschwindigkeit
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ausbreitet. Diese Geschwindigkeit erschien als
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eine Naturkonstante, aber konstant in Bezug darauf.
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Die Newton'sche Mechanik nahm an, dass Geschwindigkeiten
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sich einfach addieren. Wenn man auf einem fahrenden
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Schiff nach vorn geht, ist die Geschwindigkeit
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relativ zum Ufer die Summe der beiden Bewegungen.
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Bewegt man sich auf eine Lichtquelle zu, sollte
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das Licht schneller erscheinen. Bewegt man sich
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von ihr weg, langsamer. Doch Maxwells Gleichungen
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enthielten keinen Term für die Bewegung des Beobachters.
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Die Lichtgeschwindigkeit war einfach, fest und
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unveränderlich, eingebettet in die Struktur der
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Gleichungen selbst. Das erzeugte eine echte Mehrdeutigkeit.
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Entweder lag Maxwell falsch oder Newtons Konzept
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der absoluten Zeit war unvollständig. Physiker
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versuchten verschiedene Reparaturen. Einige schlugen
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vor, dass Licht sich durch ein Medium namens
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Lichtäther bewegte. Und dass Maxwells konstante
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Geschwindigkeit relativ zu diesem Äther gemessen
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wurde. Doch Experimente, vor allem das Michelson
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-Mawley -Experiment im Jahr 1887, konnten keine
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Bewegung durch diesen vermeintlichen Äther nachweisen.
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Der Riss im Fundament wurde unübersehbar. Die
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Auflösung kam im Jahr 1905. Und sie war radikaler,
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als irgendjemand erwartet hatte. Albert Einstein
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justierte Newtons Zeit nicht nach. Er löste ihr
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Fundament vollständig auf. Einstein erkannte,
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wenn die Lichtgeschwindigkeit wirklich für alle
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Beobachter konstant ist, dann muss sich die Art
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ändern, wie wir Zeit messen. Man stelle sich
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zwei Beobachter vor. Einer steht auf einem Bahnsteig.
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Der andere sitzt in einem Zug, der am Bahnsteig
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vorbeifährt. Zwei Blitze schlagen in die Gleise
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ein, einer an jedem Ende des Bahnsteigs, genau
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in dem Moment, in dem die Mitte des Zugs die
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Mitte des Bahnsteigs passiert. Für den Beobachter
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auf dem Bahnsteig kommen die Blitze gleichzeitig
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an. Doch für den Beobachter im Zug, der sich
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auf den einen Blitz zubewegt und vom anderen
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entfernt, kommt das Licht des vorderen Blitzes
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vor dem Licht des hinteren Blitzes an. Beide
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Beobachter messen dieselbe Lichtgeschwindigkeit.
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Beide haben Recht. Es gibt keine absolute Gleichzeitigkeit.
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Es gibt kein universelles Jetzt. Das war keine
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Frage optischer Täuschung oder unvollkommener
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Messung. Es war eine geometrische Notwendigkeit,
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eingebaut in die Struktur von Raum und Zeit selbst.
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Im Jahr 1908 formalisierte Hermann Minkowski
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diese Einsicht, indem er die Zeit mit den drei
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Raumdimensionen zu einer einzigen vierdimensionalen
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Struktur vereinte, der Raumzeit. Die Zeit war
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keine separate Bühne mehr, auf der Ereignisse
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stattfanden. Sie war eine Dimension, verwoben
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mit dem Raum und die Trennung zwischen ihnen
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hing vom Bewegungszustand des Beobachters ab.
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Man stelle sich einen Leib rot vor. Man kann
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ihn auf viele Arten schneiden, senkrecht zu seiner
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Länge, schräg, ganz wie man will. Jede Schnittführung
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steht für die Aufteilung der Raumzeit in Raum
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und Zeit durch einen anderen Beobachter. Keine
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einzelne Schnittführung ist richtiger als eine
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andere. Der Leib selbst, die vollständige vierdimensionale
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Raumzeit, ist das, was wirklich ist. Aus dieser
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Formalisierung entstand ein neues, präzises Konzept,
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die Eigenzeit. Man kann sie sich wie einen Kilometerzähler
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für die Raumzeit vorstellen. So wie der Kilometerzähler
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eines Autos die entlang der Straße zurückgelegte
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Strecke misst, misst eine Uhr die Eigenzeit,
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die sich entlang ihres Weges durch die Raumzeit
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ansammelt. Das ist das einzige physikalisch invariante
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Maß für Dauer. Die Koordinatenzeit, die Beschriftung,
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die ein bestimmter Beobachter vergibt, wurde
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vom Bezugssystem abhängig. Sie wurde eine Sache
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der Konvention statt der physikalischen Notwendigkeit.
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Eine bewegte Uhr tickt langsamer im Verhältnis
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zur Koordinatenzeit eines ruhenden Beobachters.
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Das ist keine mechanische Fehlfunktion, keine
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Frage seltsam arbeitender Zahnräder. Es ist eine
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geometrische Eigenschaft der Raumzeit selbst.
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Es ist so real wie die Tatsache, dass ein Gewundener
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weg durch eine Landschaft mehr Stärke zurücklegt,
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als die Luftlinie vermuten lässt. Das Newton'sche
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Konzept einer absoluten universellen Zeit, die
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gleichmäßig fließt ohne Beziehung zu irgendetwas
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Äußerem, wurde ausdrücklich verworfen. Was überlebte,
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war bescheidener und exakter. Die Zeit wurde
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lokal, Geometrisch, relational. Die Grenze wurde
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scharf gezogen, das Konzept eines universellen
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Jetzt ist physikalisch bedeutungslos für räumlich
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getrennte Ereignisse. Nicht. Die Newton'sche
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Zeit wurde nicht vollständig verworfen, sondern
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eingegrenzt. Sie bleibt eine gültige Näherung,
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wenn Geschwindigkeiten klein sind im Vergleich
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zur Lichtgeschwindigkeit und Gravitationsfelder
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schwach. Unter diesen Bedingungen ist der Fehler
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der Annahme einer absoluten Zeit vernachlässigbar.
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Aber die Näherung ist nicht die Wirklichkeit.
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Im Jahr 1915 erweiterte Einstein diese Einsichten
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in seiner allgemeinen Relativitätstheorie. Die
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Zeit wurde nicht nur relativ zur Bewegung, sondern
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reagierte auf die Verteilung von Masse und Energie.
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Eine Uhr auf Meereshöhe tickt langsamer als eine
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Uhr, Auf einem Berggipfel. Die Uhr, die tiefer
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im Gravitationsfeld sitzt, näher an der Masse,
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die die Raumzeit krümmt, sammelt weniger Eigenzeit
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an. Das ist kein mechanischer Effekt. Es ist
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die Geometrie der Raumzeit selbst. Die Krümmung
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der Raumzeit in der Nähe eines massereichen Objekts
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bedeutet, dass die Zeit in verschiedenen Höhen
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unterschiedlich schnell fließt. Die geometrische
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Struktur wurde komplexer. Aber die Kerneinsicht
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blieb, die Zeit ist kein unabhängiger, absoluter
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Hintergrund. Genau dieser Erfolg erzeugte eine
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neue, konzeptionelle Spannung. Während die allgemeine
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Relativitätstheorie die Zeit dynamisch und geometrisch
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machte, behandelte eine andere, fundamentale
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Theorie, die in den 1920er Jahren entwickelt
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wurde, die Zeit ganz anders. Die Quantenmechanik
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der Rahmen für atomare und subatomare Phänomene
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behielt die Zeit als äußeren, absoluten, nicht
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dynamischen Parameter bei. In der Schrödinger
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Gleichung erscheint die Zeit als klassische Uhr,
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gegen die sich der Quantenzustand entwickelt.
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Sie ist nicht Teil des Quantensystems. Sie wird
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von außen auferlegt. Das ist der Kern dessen,
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was Physiker das Problem der Zeit nennen. Allgemeine
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Relativitätstheorie und Quantenmechanik, die
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beiden Säulen der modernen Physik, weisen der
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Zeit unvereinbare Rollen zu. In der einen ist
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die Zeit relational gekrümmt, aus der Geometrie
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hervorgehend. In der anderen ist sie fest, äußerlich,
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absolut. Wenn Physiker versuchen, diese Theorien
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zu einer Quantentheorie der Gravitation zu verbinden,
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wird die Spannung akut. Die Wieler -De Witt -Gleichung,
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eine zentrale Gleichung der kanonischen Quantengravitation,
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enthält überhaupt keine Zeitvariable. Sie beschreibt
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das Universum als zeitloses Quantensystem. Die
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Frage wird unausweichlich, wenn das Universum
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ein geschlossenes Quantensystem ist, was bedeutet
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dann Zeit? Wie entsteht eine zeitabhängige Wirklichkeit
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aus einer zeitlosen, fundamentalen Gleichung?
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Die Definition der Zeit verengte sich in ihrem
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Umfang, statt sich auszuweiten. Das Konzept zerfiel
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in verschiedene operationale Bedeutungen innerhalb
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unterschiedlicher theoretischer Rahmen. In der
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Relativitätstheorie ist die Zeit eine geometrische
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Dimension der Raumzeit mit der Eigenzeit als
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invariantem Maß. In der Quantenmechanik ist sie
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ein äußerer Entwicklungsparameter. In der Thermodynamik
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erhält die Zeit eine Richtung durch die Zunahme
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der Entropie. Das ist ein Pfeil, der von der
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Vergangenheit in die Zukunft zeigt und in den
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fundamentalen mikroskopischen Gesetzen fehlt.
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In der Metrologie wird die Sekunde operational
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durch atomare Übergänge definiert, mit expliziten
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relativistischen Korrekturen, um Uhren an verschiedenen
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Orten und in verschiedenen Gravitationspotentialen
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zu vergleichen. Die operationale Definition zeigt,
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Wie theoriebeladen unsere präzisesten Messungen
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geworden sind. Eine Atomuhr misst die Eigenzeit
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entlang ihrer eigenen Weltlinie. Um einen Koordinatenzeitstandard
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wie die internationale Atomzeit zu konstruieren,
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müssen Physiker sowohl die relativen Geschwindigkeiten
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der Uhren auf der Erdoberfläche als auch die
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Variation des Gravitationspotenzials in verschiedenen
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Höhen berücksichtigen. Die Zeit, die man auf
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dem Telefon abliest, ist keine einfache universelle
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Ablesung, sondern ein konstruierter Standard.
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Sie ist korrigiert durch die allgemeine Relativitätstheorie,
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synchronisiert durch komplexe Protokolle. Die
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kosmische Uhr ist ersetzt worden durch ein Netzwerk
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lokaler Uhren, von denen jede ihre eigene Eigenzeit
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misst, verbunden durch geometrische Gesetze.
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Ein bestimmtes Experiment machte dies sichtbar
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auf eine Weise, die abstrakte Theorie nicht konnte.
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Im Jahr 1971 setzten die Physiker Josef Hafele
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und Richard Keating Atomuhren in Verkehrsflugzeuge
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und flogen sie um die Welt, ostwärts und westwärts.
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Als die Uhren zurückkehrten und mit Ätherenzuhren
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am Boden verglichen wurden, zeigten sie unterschiedliche
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Zeiten. Die ostwärts fliegenden Uhren, die sich
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mit der Erdrotation bewegten, hatten Zeit verloren
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aufgrund ihrer höheren Relativgeschwindigkeit.
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Die westwärts fliegenden Uhren, die sich gegen
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die Erdrotation bewegten, hatten Zeit gewonnen.
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Ihre langsamere Nettogeschwindigkeit relativ
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zum Erdmittelpunkt bedeutete, dass die gravitative
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Zeitdilatation dominierte. Die gemessenen Unterschiede,
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obwohl in Nanosekunden gemessen, stimmten präzise
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mit den theoretischen Vorhersagen überein. Die
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Newton'sche Zeit wurde enger eingegrenzt als
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eine Näherung für niedrige Geschwindigkeiten
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und schwache Gravitation. Im Jahr 2019 vollendete
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die Neudefinition der Sibasis -Einheiten eine
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lange Entwicklung. Die operationale Definition
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der Sekunde wurde von jedem physischen Artefakt
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gelöst und vollständig an eine Naturkonstante
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gebunden. Diese Konstante ist die ungestörte
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Hyperfeinübergangsfrequenz des Grundzustands
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des Kelsium -133 -Atoms, festgelegt auf 9, 192
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,631 und 770 Schwingungen pro Sekunde. Die präziseste
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menschliche Zeitmessung bezog sich nicht mehr
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auf die Bewegung der Erde oder das Schwingen
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eines Pendels. Sie bezog sich auf die innere
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Struktur eines Atoms, korrigiert durch relativistische
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Geometrie. Was ungewiss bleibt, ist erheblich.
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Das Problem der Zeit in der Quantengravitation
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bleibt ungelöst. Es gibt keinen Konsens darüber,
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wie die Zeit aus einer zeitlosen, fundamentalen
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Gleichung hervorgeht oder ob sie überhaupt fundamental
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ist. Der Ursprung des thermodynamischen Zeitpfeils
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aus zeitsymmetrischen mikroskopischen Gesetzen
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bleibt heizelhaft. Warum begann das Universum
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in einem außerordentlich niedrigen Entropiezustand?
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Ob die Zeit fundamental, kontinuierlich oder
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diskret ist auf der Planck -Skala, ungefähr 10
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hoch minus 43 Sekunden, ist unbekannt. Das Gefühl,
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dass die Zeit fließt, Dass der gegenwärtige Moment
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sich bewegt, ist eine menschliche Erfahrung,
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keine physikalische Messung. Die Physik beschreibt,
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was Uhren tun, nicht, was der Geist fühlt. Die
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Verbindung zwischen beidem ist noch nicht verstanden.
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Und sie markiert eine Grenze, über die die physikalische
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Definition nicht hinausreicht. Mehrere konkurrierende
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Interpretationen bestehen fort, was die tiefere
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Natur der Zeit betrifft. Die Blockuniversumsicht,
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stark gestützt durch den Formalismus der Relativitätstheorie,
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behandelt alle Ereignisse als gleichermaßen real.
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Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft existieren
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in einer festen, vierdimensionalen Struktur.
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Die präsentistische Sicht, eher im Einklang mit
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der menschlichen Erfahrung, hält daran fest,
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dass nur der gegenwärtige Moment real ist. Das
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wachsende Blockuniversum versucht einen Kompromiss.
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Keine dieser Interpretationen hat innerhalb der
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Physik selbst formale Stabilisierung erreicht.
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Sie bleiben konzeptionelle Rahmen, um zu verstehen,
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was die Mathematik beschreibt. Sie sind nicht
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Schlussfolgerungen, die von der Mathematik erzwungen
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werden. Was aus früheren Definitionen verworfen
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wurde, ist erheblich. Die Vorstellung von Zeit
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als Substanz oder Flüssigkeit, die fließt, hat
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keinen Platz in der modernen Physik. Die Idee
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einer einzigen objektiven Rate für das gesamte
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Universum ist bedeutungslos. Der gegenwärtige
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Moment ist nicht global definiert. Diese Quenzen
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sind ebenso wichtig wie die positiven Definitionen.
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Sie verhindern, dass das Konzept sich in Mystik
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oder philosophische Spekulation jenseits seines
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physikalischen Gehalts aufbläht. Das Konzept
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wurde im Lauf der Zeit nicht großartiger. Es
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wurde enger und exakter. Was einst als universeller,
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absoluter Fluss beschrieben wurde, wird heute
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verstanden als lokale geometrische Eigenschaft,
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als bezugssystemabhängige Koordinate, Als äußerer
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Parameter in der einen Theorie und als emergentes
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Phänomen in der anderen. Die Struktur, die von
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Newton überlebte, ist die Erkenntnis, dass die
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Physik einen Parameter braucht, um Veränderung
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und Entlicklung zu benennen. Aber die Natur dieses
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Parameters hat sich verwandelt. Präzision ist
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stiller als Spekulation. Was die Zeit in ihrer
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modernen Exaktheit wirklich erfasst, ist kein
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kosmischer Fluss, sondern eine Menge strukturierter
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Beziehungen. Die Eigenzeit misst die Dauer entlang
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eines Weges durch die Raumzeit. Die Koordinatenzeit
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benennt Ereignisse für einen gewählten Beobachter.
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Die thermodynamische Zeit markiert die Richtung
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zunehmender Entropie. Die operationale Zeit ist
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das, was unsere besten Uhren messen. korrigiert
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durch unsere besten Theorien. Jede davon ist
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exakt innerhalb ihres Bereichs. Jede hat Grenzen,
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die verhindern, dass sie in Bereiche übergreift,
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in denen sie nicht gilt. Was ungelöst bleibt,
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ist kein Versagen des Konzepts, sondern ein Zeichen
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aktiver Forschung. Wie die Zeit aus der Quantengravitation
22:36
hervorgeht, ob sie fundamental oder emergent
22:39
ist, warum das Universum in einem niedrigen Entropiezustand
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begann, Das sind Fragen an der Grenze des gegenwärtigen
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Wissens. Sie sind keine Geheimnisse im Sinne
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unzugänglicher Rätsel. Sie sind technische Probleme,
22:53
die von bestimmten theoretischen Rahmen bearbeitet
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werden, jeder mit eigenen Annahmen und Vorhersagen.
23:00
Man stelle sich eine Atomuhr vor, die still ihre
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Eigenzeit tickt, korrigiert durch die Relativitätstheorie,
23:08
synchronisiert durch Protokolle, die Gravitation
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und Bewegung berücksichtigen. Das ist die präziseste
23:15
Definition von Zeit, die wir haben. Und sie ist
23:19
möglicherweise nicht fundamental. Irgendwo in
23:23
den Gleichungen, die Quantenmechanik und allgemeine
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Relativitätstheorie vereinen würden, könnte die
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Zeitvariable vollständig verschwinden und eine
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zeitlose Beschreibung hinterlassen, aus der unsere
23:35
Erfahrung von Dauer irgendwie hervorgehen muss.
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Die Uhr tickt weiter. während die Frage offen
23:41
bleibt.