Raum – Zeit


Von Karl Sumereder

Was ist Raum? Worin befindet sich dieser? Woher kommt er? Dehnt sich der Raum selbst aus? Warum hat der Raum drei Dimensionen? Was ist Zeit? Warum bewegt sich Zeit vorwärts? Was macht die Zeit, wenn sie vergeht? Was ist Raum-Zeit in der heutigen Physik? Es ist nicht möglich „Was-ist-Fragen“ zu beantworten. Derartige Fragen werden häufig gestellt und sind mit der Vorstellung von den Dingen innewohnenden Wesenheiten verbunden. Diese Fragen führen auch zu Debatten über die Bedeutung von Worten und Begriffen oder zur recht nutzlosen Diskussion über Definitionen. „Was-ist-Fragen“ werden aufgeworfen, weil wie in unserem Falle gehofft wird herauszufinden, was Raum, Zeit, Raum-Zeit eigentlich sind. Dies ist uns aber genauso unbekannt, wie die Antwort auf die Frage, was Materie und Energie letztlich sind. Wir können deren Dynamik beschreiben und Formeln darüber aufstellen. Die Frage nach dem Wesen und der Herkunft ist aber nicht zu beantworten. Wir wissen auch nicht, ob Elementarteilchen wie Protonen, Neutronen und Elektronen, ja der ganze subatomare Teilchenzoo, „elementar“ in irgendeinem bedeutsamen Sinn dieses Ausdrucks sind oder nicht.

Der Raum

Der Raum ist ein großes Rätsel in der Physik. Um die Materie ist etwas, worin sie sich befindet. Wenn alles verschwindet, bis zum letzten Staub- und Gas-Atom, ist vermeintlich Nichts, Leere. Leerer Raum ist aber kein Nichts. Er ist real. Er kann sich krümmen. Zellen und Atome bestehen aus leerem Raum. Raum wird definiert als eine Ausdehnung in Höhe, Länge und Breite. Für uns gibt es oben und unten, links und rechts, vorne und hinten. Die für unsere Sinne erkennbare augenfälligste Eigenschaft des Universums ist, dass dieses drei Raumdimensionen und eine Zeitdimension hat. Das Vorhandensein von Raum und Zeit wird auf ein stattgefundenes zentrales Ur-Ereignis zurückgeführt. Unter dem althochdeutschen Begriff „rümi“, seit dem 8. Jahrhundert bekannt, wurde weit, geräumig, oder unter dem mittelhochdeutschen „rûm“ nicht Ausgefülltes, freier Platz, verstanden.

Bis in das 5. Jahrhundert vor unserer Zeitrechnung waren ausschließlich mythische Raumvorstellungen vorherrschend. Spätestens seit der griechischen Antike beruht die Raumvorstellung auf der Geometrie, die durch Euklid (ab zirka 550 v. u. Z.) formalisiert wurde. Es stellte sich auch die Frage nach der Unendlichkeit und der unendlichen Teilbarkeit des Raumes. Durch die Entwicklung der nichteuklidischen Geometrie ab 1793 durch Carl Friedrich Gauß, dann in der Folge vor allem durch Nikolai Iwanowitsch Lobatschewski ab 1826 und durch Bernhard Riemann ab 1854 wurden grundlegende Postulate der euklidischen Geometrie in Frage gestellt und schließlich als nicht allgemeingültig verworfen. Philosophisch ist strittig, ob der Raum „an sich“ unabhängig von Wahrnehmung und Vorstellung existiert oder lediglich eine Anschauungsform des wahrnehmenden Subjektes ist, ob mathematischer Raum, physikalischer Raum und der Raum der Erfahrung zusammenfallen.

Raum in unserer heutigen Vorstellung ist gleichbedeutend mit Vakuum, also der Abwesenheit von Objekten. Raum so besehen existiere nicht, da Raum = Nichts, kein physikalisches Objekt sei. Der Raumsinn ist die Fähigkeit von Tieren und Menschen, die hilft, sich richtungsbezogen zurechtzufinden und sich angemessen zu bewegen. Dabei wirken mehrere Sinnesorgane zusammen. Vor allem Auge, Ohr, Muskulatur, Lage- und Gleichgewichtssinn. Gleich hinter den Augen überkreuzen sich die beiden Sehnervenbahnen. Dieses Chiasma opticum ermöglicht räumliches Sehen. Auch Pflanzen haben, obwohl nicht bewegungsfähig, Eigenschaften zur Orientierung. Beispielsweise wenden sie ihre Blätter oder Blüten der hauptsächlichen Richtung des Lichteinfalls zu. Selbst einzellige Organismen vermögen es, sich von einem nicht bekömmlichen chemischen Milieu wegzubewegen. Beim Sehen von räumlicher Tiefe, also der Raumwahrnehmung, wird zum einen die Entfernung eines Objekts wahrgenommen, zum anderen erfolgt über die Kenntnisse der Umwelt und der darin vorkommenden Objekte eine Information über die räumliche Tiefe. Unsere Sinne sind aber auf die Wahrnehmung maximal dreidimensionaler geometrischer Strukturen begrenzt. Der Raum ist in der Philosophie eine Anschauungsform, in der Physik eine sich in drei Dimensionen erstreckende geometrische Größe, in der Mathematik eine mit einer Struktur versehene Menge. Das Universum ist uns ein Raum in seiner maximal erkennbaren Ausdehnung und der darin vorhandenen Objekte. Der Weltraum ist eine nicht fest eingegrenzte physikalische Ausdehnung.

Kurz noch eine metaphysische Raum-Erörterung: Der Philosoph Immanuel Kant (1724–1804) verstand unter metaphysischer Erörterung eine Argumentation die zeige, dass der untersuchte Gegenstand von vorneherein, a-priori ist. Gründe für das a-priori von Raum sind seiner Ansicht nach:

  • Damit man Empfindungen als etwas von außerhalb ansehen kann, muss es einen Raum geben.
  • Man kann sich nicht vorstellen, dass es keinen Raum gibt.
  • Der Raum an sich ist etwas Ungeteiltes. Einzelne Räume sind immer Teile des Raumes an sich.
  • Raum ist als eine unendlich gegebene Größe sich vorzustellen.

Die Zeit

Auch die Definition der Zeit ist eine große Frage der Physik und Philosophie. Wir nehmen an, dass Zeit immer mit Bewegung zu tun hat, also von Bewegung abhängig ist. Wäre die Welt bewegungslos erstarrt, würde keine Zeit vergehen. Es gibt so gesehen, im Unterschied zu anderen Ansichten, keine absolute Zeit, die unabhängig von Dingen und Ereignissen existiert, sondern relative, gewöhnliche Zeit; diese als ein wahrnehmbares Maß der Dauer durch Bewegung; eine gewöhnliche Zeit, die wir nach Sekunden, Stunden, Tage, Monate und Jahre bemessen. Zeit ist also das Nacheinander von Ereignissen in bestimmten messbaren Abschnitten. Zeit ist so ein Grundbegriff zur Erfassung der Bewegung von Materie. Zeit ist eine vierte Dimension des Kosmos, wovon unsere Sinne die drei räumlichen Ausdehnungen wahrnehmen. Zeit und Raum gehören zu den Grundtatsachen unseres Wahrnehmens und Denkens.

In der Antike haben sich unter anderen die Philosophen Platon, Aristoteles und später Augustinus mit dem Phänomen Zeit auseinandergesetzt. Aristoteles (384–322) definierte die Zeit als die Zahl der Bewegungen im Hinblick auf das Früher oder Später, vor allem in Bezug auf den Lauf der Gestirne. 1638 führte Galileo Galilei die Zeit (Formelzeichen t) als unabhängige Veränderlichkeit bei der formelhaften Darstellung physikalischer Vorgänge ein. In der Neuzeit waren es vor allem Newton, Leibniz, Kant, Heidegger und Bergson, die sich mit dem Phänomen Zeit beschäftigten. Für Immanuel Kant war die Zeit, wie der Raum, a-priori, von vornherein vorhanden. Er begründete dies folgendermaßen:

  • Man kann sich kein Aufeinanderfolgen vorstellen, wenn es keine Zeit gäbe.
  • Man kann sich nicht vorstellen, dass es keine Zeit gibt.
  • Die Zeit ist etwas Ungeteiltes.

Einzelne Zeitabschnitte sind immer Teil der Zeit an sich. 1787 definierte Isaac Newton die absolute Zeit. Sie verfließe gleichförmig und ohne Beziehung auf irgendeinen äußeren Gegenstand. Er behauptete, dass die absolute Zeit ohne konkrete Bewegung im Universum verrinne. Albert Einstein korrigierte 1905 schrittweise diese Auffassung über den absoluten Zeitbegriff. Er zeigte in seiner „Speziellen Relativitätstheorie“, dass Angaben über die Gleichzeitigkeit von Ereignissen vom Bewegungszustand des Beobachters abhängen. In seiner „Allgemeinen Relativitätstheorie“ verknüpfte er die Geometrie der physikalischen Raumzeit mit der Materieverteilung und deren Bewegung. Die Zeit ist für Einstein ein relativer Begriff, der eng mit dem Raum verknüpft ist (Raum-Zeit–Kontinuum). Albert Einstein und der Physiker und Philosoph Hans Reichenbach (1891–1953) hielten es für falsch, Raum und Zeit als bloße Eigenschaften unserer Wahrnehmung zu sehen. Sie sahen Raum und Zeit als Eigenschaften der äußeren Dinge. In der heutigen Physik wird gelehrt, dass es keine absolute Zeit gibt. Die Zeit wird subjektiv erlebt. Sie ist eine fundamentale Größe, über die sich zusammen mit dem Raum die Dauer von Vorgängen und die Reihenfolge von Ereignissen bestimmen lassen.

Der Zeitverlauf, der Zeitpfeil

Was macht die Zeit, wenn sie vergeht? So lautete eine berühmte Frage Einsteins. Der Zeitpfeil ist etwas, das die Vergangenheit von der Zukunft unterscheidet, indem der Zeit eine Richtung gegeben wird. Der psychologische Zeitpfeil ist die Richtung, in der wir die Vergangenheit, aber nicht die Zukunft erinnern. Der kosmologische Zeitpfeil ist die Richtung der Zeit, in der sich das Universum ausdehnt und nicht zusammenzieht. In der heutigen Physik ist eine Sekunde nicht mehr der 3600. Teil einer Stunde, diese der 24. Teil eines mittleren Sonnentages, sondern ist die Dauer von 9192631770 Schwingungen der Strahlung, eine natürliche Frequenz, die vom Cäsium- Atom 133 emittiert wird. Das scheinbare Fließen der Zeit wird von vielen Physikern und Philosophen als ein rein subjektives Phänomen oder gar als eine Illusion angesehen. Der amerikanische Physiker Brian Greene („Der Stoff aus dem der Kosmos ist“) ist der Ansicht, dass die Wahrnehmung von Zeit und Raum uns in die Irre führe, dass wir Opfer einer Täuschung sind. Das Fließen der Zeit nur in eine Richtung, in die Zukunft (Zeitpfeil), sei sehr eng mit dem Bewusstsein verknüpft, welches sich ebenso einer physikalischen Beschreibung oder Erklärung entziehe. Er meint auch, dass die Zeit vielleicht gar nicht fließe, und stellt die Frage, was wir mit den Uhren, nach deren Rhythmus wir leben, eigentlich messen. Die Zeit, die wir als vorwärts fließend wahrnehmen, ist gemäß dem britischen Physiker und Chemiker Peter W. Atkins eine unwiederholbare und nicht umkehrbare Ereignisfolge. Die Zeit kann individuell unterschiedlich schnell oder langsam vergehen. Jede(r) hat eine Erfahrung der Zeit. Sie vergeht subjektiv entweder besonders langsam oder schnell, je nachdem wie langweilig oder abwechslungsreich etwas ist. Der Philosoph Karl R. Popper („Das Ich und sein Gehirn“) meint, dass die Zeit umso schneller vergeht, je älter man wird. Je weniger man in einer gegebenen Zeitspanne zu tun vermöge, umso schneller scheint diese zu verstreichen. Man könne kleinen Kindern eine extrem langsam vergehende Zeit zuschreiben. Für ein Kind kann ein Tag einen langen Zeitraum darstellen. Ein Kind erlebt so viel während eines Tages, dass es sich schwertut, sich alle seine Erlebnisse anzueignen.

Die physikalische Raumzeit

Albert Einstein widerlegte Newtons Vorstellungen von Raum und Zeit als starre und absolute Faktoren. Raum und Zeit sind keine getrennten, absoluten, von einander unabhängige Größen, sondern hängen direkt voneinander ab. Zeit und Ort als separate Begriffe zu verstehen, ist zwar bei Alltagsgeschwindigkeiten richtig, nicht mehr aber bei Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit. Es zeige sich, dass Zeit und Ort eines Ereignisses sich gegenseitig bedingen, unabhängig vom betrachteten physikalischen System. Die Relativitätstheorie Einsteins baut ab 1905 auf der nicht-euklidischen Geometrie auf, was die Vorstellung von Raum und Zeit grundlegend veränderte. Er verknüpfte die drei Raumdimensionen mit der Zeitdimension zu einem vierdimensionalen Raum–Zeit-Kontinuum mit speziellen Eigenschaften. Die Zeit wird oft als vierte Dimension bezeichnet, sie ist jedoch nicht eine vierte Dimension des Raumes. Die Allgemeine Relativitätstheorie behandelt die Zusammenhänge der Raum-Zeit–Struktur mit der Gravitation und stellt einen zuvor nicht bekannten Mechanismus ihrer Wirkungsweise heraus. Es gibt auch nur eine Zeitdimension. Sie ist nicht zwei- oder mehrdimensional. Wenn die Zeit zweidimensional wäre, würden wir uns nicht nur vorwärts, sondern auch seitwärts, also in eine andere Zeit, bewegen. Die Verschmelzung von Zeit und Raum zur Raumzeit führt gemäß Peter W. Atkins („Schöpfung ohne Schöpfer“, Rowohlt, 1984) dazu, dass die Vergangenheit von der Gegenwart isoliert wird, nicht aber die Gegenwart von der Vergangenheit. Unser Universum ist seiner Meinung mit einer Form von Aktivität durchsetzt, mit Materie/Energie, was eine aufgewickelte Raumzeit sei.

Die Zeitlosigkeit

Die Physik lehrt, dass es keine absolute Zeit gibt. Die Zeit wird subjektiv erlebt und führt zur Einteilung in Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft. Zeit und Raum sind keine objektiven Eigenschaften unserer Welt. Es existieren aber reale physikalische Dinge, bei denen Zeit überhaupt keine Rolle spielt, die also zeitlos sind. Es handelt sich um Photonen, kleinste masselose Elementarteilchen des Lichts und der elektromagnetischen Wellen. Für diese mit Lichtgeschwindigkeit sich bewegenden masselosen Elementarteilchen steht die Zeit still. Die Erkenntnis über die Zeitlosigkeit wurde vom Physiker Markolf H. Niemz spekulativ auf mögliche Existenzformen jenseits von Raum und Zeit übertragen.

Die Zeitlosigkeit, die Ewigkeit, ist ein Seiendes ohne einen Wandel, eine totale Einheit mit allem. Es ist aber nicht gewährleistet, ob wir die Frage nach der Zeitlosigkeit überhaupt beantworten können. All unser Denken und alle unsere Vorstellungen sind nämlich zeitabhängig, also ohne Zeit gar nicht möglich. Wir wollen wissen, wo wir in dem, was wir als Raum und Zeit begreifen, eigentlich sind. Wir beziehen uns einerseits auf die Vergangenheit und andererseits mit den Zielen und Zwecken auf die unmittelbare Zukunft. Wir versuchen, uns in Raum und Zeit zu orientieren, als einen Teil unserer Ich-Identität. „Wissen“ bedeutet ein geistiges Abspeichern, um dieses für spätere Anlässe zur Verfügung zu haben. Den Begriff „später“ gibt es aber in der Zeitlosigkeit nicht. Unser, eine Kontinuität stiftendes Gedächtnis, zieht unbewusst eine raum-zeitliche Spur unserer unmittelbaren Vergangenheit wie den Kondensstreifen eines Flugzeugs am Himmel, eine Spur, die aber nach einiger Zeit undeutlicher wird. Gerulf Stix hat dazu in seinen gereimten Gedanken „Der Traum vom ewigen Leben“ (private Schriften) prägnant und einfühlsam alles gesagt, was zu sagen ist. Er hat darin die Grenzen unseres Begreifens aufgezeigt. Ein Mehrwissen ist einfach nicht möglich.

Bearbeitungsstand: Donnerstag, 27. März 2014

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