Zeit „existiert“ nicht? Vom absoluten Raum und der absoluten Zeit zum „Quantenschaum“

Vom absoluten Raum und der absoluten Zeit zum Quantenschaum

Auf der langen Reise der Menschheit zum Verständnis des Universums waren Zeit und Raum schon immer die grundlegendsten Konzepte. Wir leben auf einer Bühne, die aus Zeit und Raum besteht, und alle Ereignisse finden auf dieser Bühne statt und entfalten sich. Mit der Entwicklung der Physik werden die Natur und die Beziehung von Zeit und Raum ständig neu definiert. Diese Erkundungsreise führt von Newtons absolutem Raum und Zeit über Einsteins Relativitätstheorie bis hin zur Quanten- und Kosmologie in der modernen Physik. Was ist Quantenschaum? Warum sagte der Akademiker Shi Yigong, dass „Zeit nicht existiert“? Lassen Sie uns gemeinsam dieses mysteriöse Bild von Raum und Zeit enthüllen.

Von der absoluten Raumzeit zur relativen Raumzeit

Im 17. Jahrhundert schlug Newton die klassischen Konzepte von Zeit und Raum vor. In Newtons theoretischem Rahmen sind Zeit und Raum völlig unabhängig und absolut. Die Zeit ist wie eine gleichmäßig fließende Linie, die unter allen Bedingungen und Positionen gleich bleibt. Der Raum ist ein unendlich ausgedehnter Behälter, in dem sich Objekte frei bewegen. Zeit und Raum bilden eine von Objekten oder Ereignissen unabhängige Bühne, auf der alle physikalischen Phänomene stattfinden. Dieses Konzept legte nicht nur den Grundstein für die klassische Physik, sondern bildete auch den Kern der mechanischen Sicht des Universums, die davon ausgeht, dass das Universum wie eine riesige Uhr ist, die durch die Wechselwirkung von Objekten und Kräften angetrieben wird.

Bevor die Relativitätstheorie vorgeschlagen wurde, fand Newtons Ansicht über absolute Zeit und absoluten Raum breite Anerkennung, insbesondere in seinem Werk „Mathematical Principles of Natural Philosophy“, in dem Newton die Ansichten über absolute Zeit und absoluten Raum systematisch darlegte. In Newtons mechanischem System wird das Inertialsystem als ein Referenzsystem definiert, das stationär ist oder sich mit gleichmäßiger Geschwindigkeit auf einer geraden Linie relativ zum absoluten Raum bewegt. Galileis Relativitätsprinzip wurde im Rahmen von Newtons absoluter Sicht von Raum und Zeit weiterentwickelt. Die Galilei-Transformation beschreibt die Umwandlung von Raum und Zeit zwischen verschiedenen Inertialsystemen und zeigt an, dass die Zeit- und Raumskalen in verschiedenen Inertialsystemen unverändert bleiben. Mit anderen Worten: Nicht nur Zeit und Raum sind absolut, sondern auch die Gleichzeitigkeit ist absolut: Wenn in einem Inertialsystem zwei Ereignisse gleichzeitig auftreten, kann man auch beobachten, dass sie in allen Inertialsystemen gleichzeitig auftreten.

Um die Existenz des absoluten Raums zu beweisen, entwarf Newton ein berühmtes physikalisches Experiment, das Newton-Eimer-Experiment: Es gibt einen Eimer voller Wasser. Wenn der Eimer und das Wasser zunächst still stehen, ist die Wasseroberfläche flach. Wenn sich der Eimer zu drehen beginnt, bleibt die Wasseroberfläche flach, wenn sich das Wasser noch nicht synchron mit dem Eimer gedreht hat. Wenn sich das Wasser allmählich synchron mit dem Eimer dreht, wird die Wasseroberfläche konkav. Selbst wenn der Eimer irgendwann aufhört, sich zu drehen, rotiert das Wasser weiter und die Oberfläche behält ihre konkave Form. Newton glaubte, dass die konkave Form der Wasseroberfläche auf die Trägheit zurückzuführen sei, die durch die Rotation des Wassers relativ zum absoluten Raum verursacht wird. Dies zeigte, dass der Bewegungszustand des Wassers von einem bestimmten absoluten Referenzsystem abhängt und unterstützte somit die Existenz des absoluten Raums.

Abbildung Newton-Eimer-Experiment

Im 19. Jahrhundert förderte Maxwells elektromagnetische Theorie erneut die Entwicklung der Physik. Er vereinte Elektrizität, Magnetismus und Licht durch ein Gleichungssystem. Allerdings war man damals in der Physik allgemein der Ansicht, dass elektromagnetische Wellen Äther als Ausbreitungsmedium benötigten. Diese Theorie hatte ein entscheidendes Problem: Wenn sich die Erde im Äther bewegte, dann müsste sich die Lichtgeschwindigkeit in Richtung der Erdbewegung ändern, genauso wie das Gehen gegen den Wind langsamer wird. Wissenschaftler versuchten, die Relativbewegung zwischen der Erde und dem Äther durch das Michelson-Morley-Experiment nachzuweisen. Dies war der Ausgangspunkt für die Verifizierung durch Michelson und Morley.

Im Jahr 1887 entwickelten die amerikanischen Physiker Albert Michelson und Edward Morley ein ausgeklügeltes Interferenzexperiment, das als Michelson-Morley-Experiment bekannt wurde. Der Versuchsaufbau besteht im Wesentlichen aus einem Interferometer, das den Lichtstrahl in zwei Pfade aufspaltet, einen entlang der Erdumlaufrichtung und einen senkrecht zur Erdbewegungsrichtung. Durch Vergleich der unterschiedlichen Weglänge des Lichts auf den beiden Wegen versuchten sie, die Bewegung der Erde durch den Äther, den sogenannten Ätherwind, zu ermitteln.

Gemäß der Ätherhypothese müsste sich bei einer Bewegung der Erde durch den Äther die Lichtgeschwindigkeit entlang der Erdbewegungsrichtung verlangsamen, während die Lichtgeschwindigkeit in vertikaler Richtung unverändert bleibt. Die Idee des Experiments besteht darin, dass es bei der Wiedervereinigung der beiden Lichtstrahlen zu einer gewissen Abweichung in den Interferenzstreifen kommt, was darauf hindeutet, dass die Lichtgeschwindigkeit durch die Bewegung der Erde beeinflusst wird. Die experimentellen Ergebnisse waren jedoch völlig unerwartet: Es gab keinen signifikanten Unterschied in der Lichtgeschwindigkeit zwischen den beiden Lichtwegen und die Interferenzstreifen verschoben sich nicht wie erwartet. Dieses Ergebnis zeigt, dass die Lichtgeschwindigkeit scheinbar immer gleich ist, unabhängig davon, ob sich die Erde bewegt oder nicht. Die experimentellen Ergebnisse zeigen jedoch, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist und nichts mit der Richtung der Erdbewegung zu tun hat. Diese Entdeckung widersprach der Galilei-Transformation, da sich gemäß der Galilei-Transformation die Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Inertialsystemen bei relativer Bewegung ändern sollte. In diesem Widerspruch stand Maxwells elektromagnetische Theorie im Gegensatz zur traditionellen klassischen Mechanik.

Abbildung Michelson-Morley-Ätherwindexperiment

Erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts entstand Einsteins Relativitätstheorie, die das traditionelle Konzept von absoluter Zeit und absolutem Raum völlig auf den Kopf stellte und den oben genannten Konflikt löste. Er schlug vor, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist und in jedem Trägheitssystem konstant bleibt, ein Prinzip, das den Kern der Relativitätstheorie bildet.

Mithilfe der speziellen Relativitätstheorie wies Einstein darauf hin, dass Zeit und Raum nicht unabhängig voneinander sind, sondern eng miteinander verbunden sind und ein vierdimensionales Raum-Zeit-Ganzes bilden. Die Position jedes Objekts im Universum wird nicht nur durch die dreidimensionalen Raumkoordinaten, sondern auch durch die Zeitkoordinaten bestimmt. In seiner Theorie sind Zeit und Raum nicht länger festgelegt. Wenn sich ein Objekt der Lichtgeschwindigkeit nähert, verlangsamt sich für den Beobachter die Zeit und der Raum zieht sich zusammen. Einstein führte diesen Rahmen ein und verlieh Zeit und Raum eine einheitliche Natur.

Wie bereits erwähnt, ist eine Kernannahme der speziellen Relativitätstheorie das Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, d. h., die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum bleibt unabhängig von der Geschwindigkeit des Beobachters konstant. Dieses Prinzip ist entscheidend für die Phänomene der Zeitdilatation und Längenkontraktion. Die gemessene Lichtgeschwindigkeit ist immer gleich, unabhängig davon, ob sich der Beobachter relativ zur Lichtquelle bewegt.

Einstein schlug auch das Relativitätsprinzip vor, das besagt, dass die Gesetze der Physik für alle Trägheitsbezugssysteme gleich sind und sich mit dem Bewegungszustand des Beobachters nicht ändern. Das Relativitätsprinzip erklärt in Verbindung mit der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, warum sich Zeit und Raum mit der Geschwindigkeit verändern. Dieses Phänomen zeigt, dass Zeit und Raum relativ sind und vom Bewegungszustand des Objekts abhängen. Einstein ging noch einen Schritt weiter und enthüllte in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie die Natur der Schwerkraft. Bei der Schwerkraft handelt es sich nicht um die Anziehung zwischen Objekten, sondern um die Verzerrung des umgebenden Raums und der Zeit durch die Masse. Die Raumzeit kann mit einer gespannten Gummimembran verglichen werden. Wenn ein großes Masseobjekt darauf platziert wird, sinkt die Gummimembran ein und bildet eine Vertiefung, während andere kleinere Objekte entlang dieser Vertiefung in Richtung der Mitte der großen Masse gleiten.

Quantenschaum

Nach der bisherigen Beschreibung in der Relativitätstheorie betrachten wir es als eine glatte, kontinuierliche vierdimensionale Struktur, die die Bewegung von Himmelskörpern beschreiben kann und auch auf die Bewegung von Objekten im makroskopischen Raum anwendbar ist. Doch mit dem Aufkommen der Quantenmechanik haben Wissenschaftler entdeckt, dass die Natur von Raum und Zeit in der Quantenwelt auf mikroskopischer Ebene weitaus komplexer und geheimnisvoller ist, als wir uns vorgestellt hatten.

Eines der Kernkonzepte der Quantenmechanik ist die Heisenbergsche Unschärferelation. Sie besagt, dass wir Geschwindigkeit und Position eines Teilchens nicht gleichzeitig genau messen können. Es ist verständlich, dass im Maßstab des Alltags der Raum präzise gemessen werden kann und Positionen scheinbar festgelegt sind. Auf der Quantenebene ist die Messung von Position und Geschwindigkeit jedoch begrenzt und das Verhalten der Teilchen ist ungewiss. Diese Eigenschaft bedeutet, dass der Weltraum auf einer winzigen Raum- und Zeitskala ebenfalls voller Schwankungen sein kann. Es ist nicht mehr statisch, sondern verändert sich ständig und ist äußerst aktiv. Dieses Phänomen lässt sich in der makroskopischen Physik nicht beschreiben, in der Quantenphysik ist es jedoch eine grundlegende Eigenschaft, die nicht ignoriert werden kann.

Vor diesem Hintergrund der Unsicherheit schlugen Wissenschaftler das Konzept des Quantenschaums vor. Wenn wir extrem kleine Raum- und Zeitskalen beobachten, ist der Raum nicht so glatt wie in der makroskopischen Welt, sondern weist zufällige Schwankungen auf, die Blasen ähneln. Dieser Schaum besteht aus vielen winzigen Partikeln und Energie, die kurzzeitig erzeugt und schnell wieder vernichtet werden, wodurch eine dynamische Struktur entsteht. Es ist wie die Wellen, die Sie auf der Oberfläche des Ozeans sehen; Obwohl die Oberfläche insgesamt kontinuierlich ist, gibt es an bestimmten Punkten im Raum und in der Zeit Wellen, die ständig erzeugt und wieder verschwinden.

Wissenschaftler spekulieren außerdem, dass die Manifestation der Raumzeit auf Quantenebene ein komplexes dynamisches Netzwerk sein könnte und dass die glatte Raumzeit, die wir beobachten, nur ihre Manifestation auf makroskopischer Ebene ist. Ähnlich wie Wellen im Ozean aus der Ferne betrachtet kontinuierlich erscheinen, bei mikroskopischer Betrachtung jedoch unzählige wogende Wassermoleküle sichtbar werden, zeigt Quantenschaum, dass die grundlegende Zusammensetzung der Raumzeit eine äußerst aktive Netzwerkstruktur sein könnte. Dieses Quantenschaumphänomen ist nicht nur eine Spekulation der Quantenmechanik, sondern auch ein wichtiger Hinweis, der die Quantenphysik und die allgemeine Relativitätstheorie verbindet. Einsteins Relativitätstheorie beschreibt erfolgreich die Gravitationsbeziehung zwischen makroskopischen Himmelskörpern, aber die Frage, wie sich Quantenmechanik und Gravitationstheorie auf mikroskopischer Ebene vereinen lassen, bleibt in der wissenschaftlichen Gemeinschaft ein ungelöstes Problem. Man geht davon aus, dass Quantenschaum eine Manifestation der Quantengravitation ist. Das bedeutet, dass die Gravitation in extrem kleinen Maßstäben auch auf eine völlig neue Art und Weise funktionieren könnte. Wenn diese Theorien weiter verifiziert werden können, könnte Quantenschaum zu einem Schlüsselelement im wissenschaftlichen Verständnis von Raum und Zeit werden.