Thermodynamischer Zeitpfeil statistisch erzeugt

BLOG: Quantenwelt

Gedanken eines Experimentalphysikers
Quantenwelt

Eigentlich ist es ziemlich überraschend, dass fast alle physikalischen Gesetze, die so etwa seit dem 16./17. Jahrhundert mathematisch formuliert wurden, symmetrisch in der Zeit sind. Symmetrisch in der Zeit bedeutet, dass von ihnen beschriebene Vorgänge vorwärts genauso ablaufen würden wie rückwärts. Stellen Sie sich eine Billardkugel vor, die eine andere Billardkugel stößt und dieser ihren Impuls, ihre Bewegungsmenge überträgt. Die stoßende Kugel kommt zum Stillstand, die gestoßene Kugel bewegt sich weiter. Würde man diesen Ablauf auf Film aufnehmen und Ihnen rückwärts vorspielen, so würde Ihnen nichts ungewöhnliches auffallen. Die Stoßgesetze sind Symmetrisch in der Zeit. Was vorwärts passieren kann, kann genauso auch rückwärts passieren. Das gilt aber nicht für alle Alltagsphänomene.

Stellen Sie sich das Bild einer weißen Billardkugel vor, die auf der Spielfläche ruht. Von allen Seiten rollen 15 bunte Kugeln auf sie zu, stoßen einander und die weiße Kugel so, dass sie am Ende in einem beinahe perfekten gleichseitigen Dreieck zur Ruhe kommen während die weiße als einzige davonrollt. Dieser Film lief offensichtlich rückwärts. Jeder einzelne Stoß ist ohne Frage vorwärts wie rückwärts denkbar, aber die ganze konzertierte Aktion von 15 Kugeln ist einfach nicht denkbar.

Noch schlechter können wir und vorstellen, wie sich Farbstoffmoleküle in einem Wasserglas verabreden, sich zu einem Tropfen an der Oberfläche zu vereinen und dort in die Luft zu springen. Auch dieser Prozess verletzt weder Energie- noch Impulserhaltung. Energie und Impuls sind in einem Wasserglas bei Raumtemperatur ausreichend vorhanden. Verletzt würde bei diesem Vorgang nur der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, nach dem es unmöglich ist, einem einzelnem Wärmebad Energie zu entziehen und diese in mechanische Energie umzuwandeln.

Verbieten kann man vieles, aber was ist der mikroskopische Hintergrund dieses Satzes? Warum ist es erlaubt, dass sich der in das Glas fallende Tropfen verteilt, während der gegenteilige Prozess verboten ist? Die Stoßgesetze zwischen Molekülen sind auch hier zeitlich symmetrisch. Dass Moleküle Quantenobjekte sind, ändert nichts wesentliches.

Mikroskopisch wird Thermodynamik durch statistische Mechanik erklärt. Wir unterscheiden Makrozustände von Mikrozuständen. Makrozustände sind definiert durch das, was man messen kann: Temperaturverteilungen, Teilchenverteilungen, Strömungen und einiges mehr. Mikrozustände sind durch den exakten Zustand jedes einzelnen Moleküls gegeben. Kennten wir für jedes Farbstoffmolekül und für jedes Wassermolekül Ort, Geschwindigkeit und Rotations- und Schwingungszustand, so könnten wir das Verhalten im Wasserglas für alle Zukunft und alle Vergangenheit berechnen.

Nun kennen wir aber Mikrozustände nicht. Wir können zu jeder Zeit nur den Makrozustand eines Systems beobachten und jeder solcher Makrozustände kann durch eine Vielzahl ähnlicher aber im Detail verschiedener Mikrozustände gebildet werden. Die statistische Mechanik geht nun davon aus, dass sich die Entwicklung eines Makrozustands hinreichend genau berechnen lässt, wenn man Statistik über die möglichen, ihn repräsentierenden Mikrozustände macht. Erstaunlicher Weise funktioniert das.

Dass sich Farbe im Weinglas mit der Zeit verteilt, ist eine statistische Aussage. Der Makrozustand, bei dem die Farbstoffmoleküle gleichmäßig verteilt sind, lässt sich mit überwältigend viel mehr Mikrozuständen realisieren als jede Abweichung von der Gleichverteilung. Eine gegebene Tintenwolke in einem Glas wird sich ausdehnen und verdünnen, weil eine etwas größere und verdünntere Wolke von erheblich mehr Mikrozuständen gebildet werden kann als eine kleinere, konzentriertere Wolke.

Dieses statistische Argument, ein physikalisches System entwickelt sich zum wahrscheinlicheren Zustand, wird oft als thermodynamischer Zeitpfeil bezeichnet. Tatsächlich funktioniert das Argument aber nur, wenn die Zeitrichtung bereits gegeben ist. Es geht davon aus, dass Vergangenheit und Gegenwart bereits gegeben sind und damit nicht statistisch bewertet werden müssen. Nur für die Zukunft werden statistische Verfahren verwandt.

Würden wir Statistik auch auf die Vergangenheit anwenden, so müsste man zu jedem Zeitpunkt annehmen, dass die Tintenwolke jetzt gerade die geringste Ausdehnung hat. Das ergibt sich einfach daraus, dass unter all den Mikrozuständen aus denen sich die momentane Wolke entwickelt haben könnte, die Zustände mit größerer und verdünnterer Wolke in der Mehrheit sind.1

Der thermodynamische Zeitpfeil entsteht in der statistischen Physik nicht von selbst. Er zeichnet nicht von sich aus eine Zeitrichtung (die Zukunft) von der anderen (der Vergangenheit) aus. Vielmehr entsteht er durch die Ungleichbehandlung von Vergangenheit und Zukunft. Nur weil wir die Vergangenheit als gegeben voraussetzen und die Zukunft statistisch berechnen, ergibt unsere Rechnung die beobachtete Zeit-Asymmetrie.

Anmerkungen:
1. Dieses Argument gegen die Behauptung, die statistische Physik würde eine Zeitrichtung vorgeben, habe ich schon vor langer Zeit irgendwo gelesen. Zuletzt begegnete es mir ein dem Buch Time’s arrow and Archimedes’ Point von Huw Price, das mir ein Freund geliehen hat.
Joachim Schulz

Veröffentlicht von

www.quantenwelt.de/

Joachim Schulz ist Gruppenleiter für Probenumgebung an der European XFEL GmbH in Schenefeld bei Hamburg. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann in der Quantenoptik, in der er die Wechselwirkung einzelner Atome mit Laserfeldern untersucht hat. Sie führte ihn unter anderem zur Atomphysik mit Synchrotronstrahlung und Clusterphysik mit Freie-Elektronen Lasern. Vier Jahre hat er am Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg Experimente zur kohärenten Röntgenbeugung an Biomolekülen geplant, aufgebaut und durchgeführt. In seiner Freizeit schreibt er zum Beispiel hier im Blog oder an seiner Homepage "Joachims Quantenwelt".

42 Kommentare

  1. Der Zeitpfeil scheint also etwas fundamentales und nicht etwas emergentes zu sein. Darauf deutet auch die Quantengravitationstheorie Causal Dynamical Triangulation (und auch Causal Sets), welche Eigenschaften unserer Raumzeit gut erklären kann und nur zu funktionieren scheint, wenn es einen Zeitfpeil auf elementarster Ebene gibt:

    Simply put, each individual simplex is like a building block of spacetime, but the edges that have a time arrow must agree in direction, wherever the edges are joined. This rule preserves causality, a feature missing from previous theories. When simplexes are joined in this way, the manifold evolves in an orderly fashion, and eventually creates the observed framework of dimensions.

  2. Erinnert mich auch an die Auffassungen von Lee Smolin.
    Die Zeit ist fundamental wegen Vergangenheit (ist Vorgabe) und Zukunft (ist unklar).
    Nicht sie ist emergent, sondern der Raum entwickelt sich mit dem Zeitpfeil emergent.
    Die Relativität der Zeit kann gegen eine Relativität der Abstände “getauscht” werden.
    An den Ergebnissen von SRT und ART soll sich dabei nichts ändern.

  3. Schöner Beitrag. Nur habe ich die Überschrift jetzt nicht verstanden: “Zeitpfeil in statistischer Physik entlarvt”. Ist der Zeitpfeil gerade eben nicht in statistischer Physik entlarvt worden?

    Das beruht ja auf Loschmidts Umkehreinwand. Sean Carroll hat dieses alte Paradoxon in den Wissenschaftsblogs wieder unter den Namen “past hypothesis” auf den öffentlichen Tisch gebracht. Wenn ich das richtig verfolgt habe, geht Carrolls Argument auf David Z Albrechts Buch “Time and Chance” zurück.

    Albrecht hat auch “QM and Experience” geschrieben. Kennst Du das? Und was hältst du davon?

    • Hallo Markus,
      Der thermodynamische Zeitpfeil wird ja in populärwissenschaftlichen Werken oft so verkauft, als käme eine Zeitrichtung als Viel-Teilchen-Effekt aus der Thermodynamik heraus. Wie Herr Holzherr sagt als etwas emergentes. Wenn man nun aber genau hinsieht, entlarvt sich der thermodynamischer Zeitpfeil als etwas anderes, nämlich als Konsequenz der Ungleichbehandlung von Vergangenheit und Zufall. Das wollte ich mit der Überschrift vorbereiten.
      Ich habe tatsächlich vorher eine Hand voll anderer Überschriften ausprobiert, aber die waren alle entweder recht lang oder verschwiegen das eigentliche.

      • Ich verstehe immer noch nicht, wie Du es meinst, wobei ich schon davon ausgehe, das Du es richtig verstehst. Ich würde es (dann) nur in anderen Worten fassen.

        Die statistische Physik erklärt doch “nur” den doppelseitigen Zeitpfeil (). Wahrscheinlich meinst Du das mit der Ungleichbehandlung von Vergangenheit und Zufall (?), doch sobald du von Vergangenheit spricht, hast du ja eine Richtung eigentlich schon ausgezeichnet.

        Ich denke, wir müssen einfach nur sagen, ohne weitere Kenntnis und nur mittel statistischer Physik kommt man zum Schluss, dass die Entropie immer anwächst, egal ob man in der Zeit voranschreitet oder zurückschreitet.

        Kurz: Solange die Zeit im Betrag anwächst, nimmt die Entropie zu.

        Man braucht also eine zusätzliche Annahme, nämlich wann der Startpunkt (niedriger Entropie) lag, um den Zeitpfeil auf eine Richtung einzuschränken (dem Ast, auf dem wir uns befinden). Diese nennen wir dann die positive Richtung. Diese Einschränkung bzw. Auswahl kommt aber gerade nicht aus der statistische Physik.

        Stimmst Du dem so zu?

  4. Kennten wir für jedes Farbstoffmolekül und für jedes Wassermolekül Ort, Geschwindigkeit und Rotations- und Schwingungszustand, so könnten wir das Verhalten im Wasserglas für alle Zukunft und alle Vergangenheit berechnen.

    Dass soetwas 2014 immer noch geschrieben wird, ist unglaublich. Weder können wir das praktisch, noch reichen die genannten Informationen aus (schon wegen des thermischen GG mit der Umgebung). Eine Idealisierung sollte man schon als Idealisierung einführen und nicht so tun, als schriebe man über etwas Reales.

  5. Eine gegebene Tintenwolke in einem Glas wird sich ausdehnen und verdünnen, weil eine etwas größere und verdünntere Wolke von erheblich mehr Mikrozuständen gebildet werden kann als eine kleinere, konzentriertere Wolke.

    Wenn Sie das Glas mit der kleinen Tintenwolke ins Gefrierfach stellen gälte ebenfalls, dass eine größere und verdünntere Wolke von erheblich mehr Mikrozuständen gebildet werden kann, als die kleinere, konzentriertere Wolke. Sie beobachten dann aber, dass sich nichts ändert.

    Irgendetwas stimmt also an der Erklärung nicht.

  6. Hm, sieht so aus, daß das zur Diskussion ausartet.
    Ein Hintergedanke: wieviel Zeitpfeile gibt es, oder nur einen?
    Klar sind die Randbedingungen Vergangenheit ……. Zukunft.

  7. Ist der thermodynamische oder gravitative Zeitpfeil die tickende Uhr, die wir alle auch ohne Uhr erleben? Oder ist es nicht vielmehr so, dass die wachsende Entropie oder ein ähnliches Mass für gravitativ gebundene Massen wie im verlinkten Artikel beschrieben einfach eine Unterscheidung zwischen früherem und späteren Zustand ermöglichen, selber aber keine tickende Uhr repräsentieren?

    Kausal verknüpfte Ereignisse einer Ereigniskette scheinen mir weit besser zum Bild der tickenden Uhr zu passen, denn Kausalität beinhaltet auch immer eine zeitliche Ordnung: Das verursachende Ereignis – die Causa – geht dem verursachten Ereignis immer voraus, sonst gäbe es keinen kausalen Zusammenhang.

    Man stelle sich vor, was passiert, wenn eine Person einen Wasserfall betrachtet. Das Licht, welches von dem hinunterstürzenden Wasser ausgeht und schliesslich in das Auge des Betrachters fällt, wird dort von einem photochemischen Prozess in ein elektrisches Signal umgewandelt und in mehrere Schritten im Auge verarbeitet bevor es durch den Sehnerv ins Gehirn geleitet wird wo es von Hirnzentren weiter verarbeitet wird. Keinen dieser Vorgänge kann man umkehren, weder die Vorgänge die im Auge und Gehirn passieren noch den Strahlengang vom Wasserfall bis zur Netzhaut des Betrachters. Und in jedem Augenblick fällt wieder neues und anderes Licht auf meine Netzhaut und die Verarbeitung ist dementsprechend etwas anders. Hier würde ich nach der tickenden Uhr suchen und nicht bei der Entropie.

  8. Sind Vergangenheit und Zukunft physikalische Begriffe ? Ich glaube nicht, dass man diese bei der Beschreibung physikalischer Vorgänge verwenden darf.

    Denn wenn man diese Begriffe zur Beschreibung physikalischer Vorgänge verwendet, dann muss es auch einen ausgezeichneten Zeitpunkt geben, nämlich den der Gegenwart, das ist der Zeitpunkt, der Zukunft und Vergangenheit trennt. In der Physik gibt es aber keinen ausgezeichneten Zeitpunkt. Alle Zeitpunkte sind gleichartig und gleichwertig. Keiner geht dem anderen in irgendeinem Rang vor.

    Der menschliche Umgang mit der Zeit ist auch ein ganz anderer als der der Physik. Wir beziehen Unbestimmtheiten der Zukunft, und deren Veränderung durch Zwangsbedingungen, die in der Vergangenheit liegen, aber zukünftige Möglichkeiten beeinflussen, wie selbstverständlich in die Beurteilung der Gegenwart ein. Unsere Vorhersagen im Alltag berücksichtigen, dass die Gegenwart aus in der Zukunft liegenden Unbestimmtheiten, die immer bestimmter werden, buchstäblich entsteht. Wir betrachten erst die Vergangenheit, sehen darin die Randbedingungen für die Zukunft, und sagen dann erst die Gegenwart vorher. Gegenwart wird sozusagen von uns aus Vergangenheit und Zukunft konstruiert, indem wir die Dynamik des von der Vergangenheit bestimmten Bedingungsgefüges für die Möglichkeiten in der Zukunft ins Kalkül ziehen.

    Die Physik geht aber davon aus, dass die Realität nicht konstruiert wird, sondern einfach da ist und sich nur verändert. Mit periodischen (identisch widerkehrenden) Veränderungen misst sie dann Zeitabstände zwischen den Veränderungen. Wenn man davon ausgeht, das Vergangenheit und Zukunft existieren, wie wir das im Alltag wie selbstverständlich annehmen, dann hat die Physik einen zu eingeschränkten Blickwinkel auf das, was existiert.

    Unsere Zeitauffassung zieht also die fixierte Welt der Vergangenheit und die Einschränkungen, die diese für die Vielfalt der Möglichkeiten, die in der Zukunft liegen, bedeuten, in Betracht. Für uns wird durch Einschränkungen der Unbestimmtheiten in der Zukunft eine bestimmte Gegenwart. Dieser Werdungsprozess ist von der Physik nicht beschreibbar, da der Beobachtungsgegenstand methodisch als exsistierend angenommen wird und nicht nur als eine Menge von sich verändernden Unbestimmtheiten.

    Wir haben also im Alltag einen sehr komplexen Umgang mit der Zeit, den die Physik methodisch nicht nachvollziehen kann. Daher muss sie bei der Erklärung der Zeit wohl aus methodischen Gründen scheitern. Erst wenn sie ihre Methodik erweitert, und in der Lage ist, ihren Untersuchungsgegenstand, die Realität, quasi entstehen zu lassen, dann könnte sich das ändern.
    Grüsse
    Fossilium

    • “Daher muss sie bei der Erklärung der Zeit wohl aus methodischen Gründen scheitern.”
      Ich würde meinen: nein.
      Offensichtlich ist das Universum zeitasymmetrisch, darin gibt es Zeitsymmetrien.
      Wir kennen lediglich das zugrundeliegende Gesetz noch nicht, aber die Zeit muß
      global als fundamentale Realität existieren, heißt, es gab auch ein “vor dem Urknall”.
      Der Urknall ist in der Zeit unsere erste Vergangenheit, die Anfangsbeobachtung.
      Es ist dann ein ausgezeichneter Zeitpunkt wie die Gegenwart, die nicht stillsteht.
      Die Zeitpunkte auf dem Zeitpfeil sind nicht gleichwertig, wir beobachten Evolution.
      Das Universum befindet sich in der Gegenwart nicht im Gleichgewichtszustand.
      Das wird der Zustand der Zukunft sein, aber nicht im Sinne der Thermodynamik.
      Im Gleichgewicht ist kein Zeitpfeil mehr erkennbar, zeitsymmetrische Fluktuationen ja.
      Die lokale Relativität im Universum schließt nicht eine Globalität des Universums aus.
      Die ART läßt sich umformulieren zur “shape dynamics” mit universeller Zeit, das ist
      eine physikalisch bevorzugte Synchronisierung, die lokal nicht gemessen werden kann.

  9. Entsteht Vergangenheit durch Schmutz, durch Beschmutzung?
    Nur in einer Modellwelt sind die meisten physikalischen Vorgänge umkehrbar. In der Realwelt ist der Stoss zweier Billiardkugeln aber nicht umkehrbar, denn die Reibung zwischen Kugel und Unterlage zehrt etwas an der Bewegungsenergie der Kugeln, so dass der Weg weg vom Aufprallpunkt nicht gleich durchlaufen wird wie der Hinweg.
    Die unvermeidliche Imperfektion in der Realität (der Schmutz), die sich in Phänomen wie Reibung, Wärmeabstrahlung etc. äussert, ist zugleich die Quelle von Irreversibilität und damit von Vergangenheit und Zukunft. Die Schmutzspur die etwas imperfektes hinterlässt, gibt diesem Imperfekten zugleich eine Geschichte und damit eine Vergangenheit und eine Zukunft. Sogar der Doppelspaltversuch zeigt, dass ein perfekter Doppelspalt keine Information hinterlässst, welchen Weg ein den Doppelspalt passierendes Teilchen genommen hat. Ist aber einer der beiden Spalte “verschmutzt”, dann hinterlässt das Teilchen eine Spur, die zeigt, welchen der beiden Spalte es passiert hat.
    Auch das in einem Kommentar weiter oben skizzierte Gedankenexperiment von den Prozessen der Informationsverarbeitung von der Netzhaut einer eine Szene beobachtenden Person bis hin zu den diversen Hirnzentren ist gerade auch darum eine irreversible Folge von Prozessen weil er mit thermodynamischen Vorängen weit entfernt vom Gleichgewicht verbunden ist.
    Wer also eine Erinnerung hinterlassen will, der muss sich zwangsläufig beschmutzen und die Schmutzspur definiert einen Zeitpfeil.

    • @Martin Holzherr:
      Ohne Frage entsteht der Zeitpfeil, indem in eine Zeitrichtung Reibung und thermische Strahlung Energie und Impuls verteilt, während sie sich bei Umkehrung des Geschehens konzentrieren. Und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik beschreibt das korrekt. Der Punkt meines hiesigen Beitrags ist ja nur, dass die statistische Mechanik diese Beobachtung nur reproduziert, wenn man die Asymmetrie zwischen Zukunft und Vergangenheit voraussetzt.

  10. Zeit hängt eng mit dem Begriff der Veränderung zusammen, oder „zeitlos“ ausgerückt, mit dem Begriff des Unterschiedes. Ein Unterschied zwischen zwei Objekten ist aus sich heraus zunächst zeitlos, selbst eine geordnete Folge von Unterschieden kommt noch ohne den Zeitbegriff aus (z.B. eine Folge logischer Unterschiede = grösser, noch grösser, usw.). Damit eine geordnete Folge von Unterschieden als Veränderung – und damit zeitabhängig – wahrgenommen wird muss etwas hinzukommen: das ist das, was die Unterschiede in der geordneten Folge entstehen lässt.

    Ohne einen Entstehungsvorgang in die Betrachtungen einzubeziehen, sind alle Betrachtungen von Unterschieden zeitlos. Nur wenn ein Unterschied entsteht, entsteht ein Vorher und Nachher – und bei identischen Unterschieden hintereinander Zeitabstände. Die Entstehung eines Unterschiedes zu ignorieren heisst: die Zeit ausser Betracht zu lassen.

    Deshalb kann man die Zeit nur verstehen, wenn man eine Idee von der Genese von Existenz, wenigstens von der Genese von Gegenwart, am besten von der Genese der Realität hat. Die Physik betrachtet die Veränderungen in der Realität ohne die „Entstehung der Realität“ selbst zu berücksichtigen. Sie setzt damit die Existenz von Zeit voraus. Sie betrachtet sie als unabhängige Variable, nicht als konstituierenden Bestandteil der Realität.

    Würde sie die Realität konstruieren, wie in den Computerspielen, würde die Zeit von selbst dabei herauskommen, wie in den Programmen, in denen sich die neuen Randbedigungen der Berechnung aus dem Ergebnis der vorherigen Berechnung ergeben, und so Bild für Bild im Rechentakt aufgebaut wird. Die Zeit des Geschehens auf dem Bildschirm lässt sich so gewissermassen ein- und herstellen. Ich muss aber erst eine bestimmte virtuelle Gegenwart entstehen lassen, um die Parameter für den nächsten Rechenschritt zu haben, und um damit die nächste Gegenwart zu erzeugen.

    Ich erzeuge etwas Neues aus Altem, im primitivsten Fall einen Unterschied, und dieser Herstellungs v o r g a n g definiert die Zeit mit einem Vorher und Nachher. Bei allem anderen wird – wenn ich es richtig sehe – die Existenz einer Zeit vorausgesetzt.
    Grüsse Fossilium

      • Hallo Herr Senf,
        doch, kommt vom Programm. Ich kann jeden Zeitfluss per Programm einstellen, sogar stehende Zeit. Zeit kann auch deshalb nicht als fundamentale Realität existieren, weil es in dieser Realität Phänomene gibt, die gar keine Zeit haben. Zum Beispiel kann man Strahlung keinen eigenen Zeitfluss zuordnen, und Strahlung ist der Hauptbestandteil unserer erfahren Welt – der meiste Teil unserer Welt existiert also ohne Zeit.
        Ausserdem sind Zeitdauern nach Einstein relativ, können von daher auch nichts Fundamentales sein.
        Grüsse Fossilium

        • Hallo Herr Senf,
          es ist wirklich nicht alles so fundamental wie man meint.
          Mir ist nämlich eingefallen: auch der Raum ist nichts Fundamentales.
          Ein Bose-Einstein-Kondensat, bei dem eine Menge Atome miteinander verschränkt sind, ist ein Objekt mit äusserer Gestalt und Ausdehnung. Es hat also ein Inneres, darin kann man aber nichts lokalisieren und keine Ereignisse beobachten. Daher kann man in diesen Objekten keine Raumzeit definieren, es sind sozusagen Löcher in Raum und Zeit.
          Finde ich witzig – was es nicht alles gibt, man wundert sich bald über nichts mehr.
          War nur so eine Bemerkung am Rande.
          Grüsse Fossilium

          • fällt mir noch ein:
            wenn innerhalb verschränkter Objekte kein Raum definiert ist, können – nach dem Zerfall des verschränkten Objektes – die Bestandteile natürlich überall sein. Nicht lokale Phänomene könnten damit erklärt werden, ist jedenfalls eine Überlegung wert.
            Grüsse Fossilium

          • Raum kann eher emergent sein, Zeit besser nicht.
            Es gibt immer Anfang und Ende, auch wenn das Bild steht.

        • Nach Einstein in der SRT ja und lokal (nur) mit Minkowski.
          Für ein Photon da “vergeht keine Zeit” in der 4D-Raumzeit.
          In anderen Theorien ….. Loop, String ….

  11. Der Urknall gab:
    kalt und heiß
    langsam und schnell
    klein und groß

    aber Zeit gab er nicht, der Mensch musste es erfinden….

  12. Vielen Dank für den tollen Artikel. Wäre dann Zeit eine Veränderung hin zum Mittelwert von möglichen Zuständen? Je zergliederter etwas ist, desto mehr Möglichkeiten gibt es und desto mittelmäßiger ist mein Mittelwert und desto schneller der Ausgleich.

  13. Mir ist noch was zu dem Beitrag eingefallen: es wurde ja behauptet, und das ist gut möglich, das Naturgesetze (was immer das sein soll) zeitsymmetrisch sind, dass also beim Wechsel des Vorzeichens des Zeitparameters in den Formeln der Theorie gleichartige Zustände wie bei pos. Vorzeichen resultieren.
    Das könnte ja von daher kommen, dass Naturgesetze Mögliches beschreiben. Mögliches unterliegt aber offenbar nicht der Raumzeit unserer Anschauung.
    Denn wenn einer meinen Ort nicht kennt, dann gibt es die Möglichkeit, dass ich mich im nasskalten Deutschland aufhalte, und die Möglichkeit, dass ich mich im sonnenwarmen Italien aufhalte, gleichzeitig. Im Raum der Möglichkeiten existieren zur gleichen Zeit sich ausschliessende Möglichkeiten. Im dreidimensionalen Raum mit unserer erfahrenen Zeit existiert nichts, das sich gegenseitig ausschliesst. Oder anders gesagt: Die Raumzeit des Raumes existierender Möglichkeiten muss eine andere sein, wenn dort zum gleichen Zeitpunkt etwas existiert, was im Realraum nicht existieren kann.
    Naturgesetze wirken im Raum der Möglichkeiten, sie eliminieren darin nämlich all die Möglichkeiten, die nicht mit ihnen im Einklang sind. Folglich beeinflussen sie etwas, was sich ausserhalb unserer erfahrenen Raumzeit befindet. Das was sie bewirken ist damit unabhängig von unserer erfahrenen Zeit. Man kann daher die Zeitachse rauf oder runterlaufen, was dabei passiert, hängt nicht von der Richtung ab, Naturgesetze folgen mindestens einer anderen Zeit, wenn sie nicht vollkommen unabhängig von der Zeit sind.
    Oder anders ausgedrückt: die Zeitsymmetrie der Naturgesetze kommt nicht aus den Naturgesetzen selbst, sie s i n d nicht (intrinsisch) zeitsymmetrisch, sondern sie führen nur zu zeitsymmetrischen Ergebnissen in dem speziellen Fall, in dem wir sie auf Objekte innerhalb der Raumzeit anwenden.
    In der erfahrenen Wirklichkeit gibt es natürlich einen Zeitpfeil, die erfahrene Wirklichkeit besteht ja ja nicht aus Möglichkeiten, sondern aus Bestimmtheiten. Da liegen wohl ganz andere (beschränkte) Verhältnisse vor als im Raum der Möglichkeiten.

    Sorry für die lange Rede, ich hör jetzt auf, aber mir platzt manchmal der Kopf vor lauter Ideen.

    Grüsse Fossilium

    • Das mag daran liegen, daß wir nur die Naturgesetze von heute kennen.
      Die sind per Evolution aus den Naturgesetzen von “ganz früher” entstanden.
      Die haben wir noch nicht entschlüsselt, also die “Physik um den Urknall rum”.
      Diese frühen Gesetze hätten den Zeitpfeil schon in sich, und dann vererbt.
      Hört sich doch gut an – Senf

    • das war auch meine Schlussfolgerung. Wenn man alle Mikrozustände wie Schablonen übereinanderlegt bekommt man eine Schablone mit 0 Information. Das bedeutet die Zeit ist ein Beweis dafür, dass es einen anderen “Raum” gibt, in dem Nichts ist. Ohne diesen würde es keine Kohärenz geben und die Naturgesetze wären nicht das was sie sind. Es sind 2 Räume miteinander verknüpft, fragt sich nur wie genau.

  14. Symmetrisch in der Zeit bedeutet, dass von ihnen beschriebene Vorgänge vorwärts genauso ablaufen würden wie rückwärts.

    Ist es nicht eine Forderung an die Kohärenz, dass eine auf eine diskrete Menge angewendete Naturgesetzlichkeit [1] auch auf diese angewendet rückschlüssig funktionieren muss, sofern sie funktioniert?

    MFG
    Dr. W

    [1] ‘Naturgesetze’ sind von Subjekten ‘gesetzt’, nicht von der Natur selbst

    • PS:
      Bevor hier Missverständnisse aufkommen, bestimmte Datenlagen erlauben natürlich retroanalytisch (das Fachwort) nur einen Bereich dessen, was vorher da war, Regelmengen (“Naturgesetze” und Ähnliches betreffend) berücksichtigend, festzustellen.
      Dieser ist klar umgrenzt.

  15. Zeitsymmetrie kommt bei vielen Naturgesetzen vor, kann aber auch gebrochen werden. In der Wikipedia liest man dazu:

    Although in restricted contexts one may find this symmetry, the observable universe itself does not show symmetry under time reversal, primarily due to the second law of thermodynamics. Hence time is said to be non-symmetric, or asymmetric. However, quantum noninvasive measurements are predicted to violate time symmetry,[1] contrary to their classical counterparts, although it has not yet been experimentally confirmed.

    Ein Beispiel von bewusstem T-Symmetriebruch liegt bei der experimentellen Realisation des topologischen Haldane-Modells vor, wo der Quanten-Hall-Effekt eine intrinsische Komponente der Bandstruktur ist und nicht durch ein externes Magnetfeld zusatnde kommt.

    Einen Bruch der Zeitumkehrsymmetrie findet sich auch bei gewissen Phasenübergängen bei gewissen (unterdotierten) Hochtemperatursupraleitern

    Here, using angle-resolved photoemission with circularly polarized light, we find that, in the pseudogap state, left-circularly polarized photons give a different photocurrent than right-circularly polarized photons, and therefore the state below T* is rather unusual, in that it breaks time
    reversal symmetry

    Scheinbar gilt folgendes: Zeitumkehrsymmetrie ist die Regel, aber nicht zwingend. Sie kann unter bestimmten Bedingungen gebrochen werden. Es scheint ähnlich zu sein wie mit vielen Symmetrien, selbst so alltäglichen wie der Symmetrie von linker und rechter Gesichtshälfte: Symmetrische Gesichter sind die Regel, aber nur die Regel, nicht Gesetz.

  16. Eine Uhr auf quantenmechanischer Ebene könnte ganz neue Einblicke in die Eigenschaften der Zeit geben. Ein experimenteller Aufbau, der dies versucht wird in Investigating the origin of time with trapped ions beschreiben. Man liest dazu:;

    First, in quantum theory clocks are affected by quantum fluctuations, have inherent uncertainties, and when a clock and a system interact they necessarily disturb each other[1].
    Second, an isolated quantum system in an energy eigenstate is in a stationary state. It does not evolve in terms of external time (except for a physically meaningless over-
    all phase). However, even in this case internal degrees of freedom can be used as clocks and define an internal time[1]. Since the state is stationnary, this internal time is totally uncorrelated to the external time.

  17. Eine Sache habe ich noch nie verstanden und möchte die Damen und Herren Physiker hier bitten, mir zu erklären:

    Der Zeitpfeil geht offensichtlich in Richtung zunehmender Entropie — das ist das, was wir beobachten. Auf diese Weise wird der Zeitpfeil mit dem menschlichen Erleben verknüpft. Könnte es nicht sein, dass gerade darin das Problem liegt?
    Als Gedankenspiel könnten wir uns einen Film vorstellen, in dem ein gefülltes Glas zerbricht. Der Film könnte prinzipiell vorwärts wie rückwärts laufen. Im Gedankenspiel ist aber die Filmvorführung Teil eines zweiten Films, in dem ein Beobachter die Wiedergabe des zerbrechenden Glases betrachtet. Für diesen Beobachter ist der Zeitpfeil klar: Es ist die Standard-Abspielrichtung des Filmes, die auch bei der Aufnahme des zweiten Filmes eingehalten wurde. Der gefilmte Beobachter sieht also ein unversehrtes Glas, das in der Folge zerbricht und seinen Inhalt vergießt. Am Ende des (zweiten) Films kennt der Beobachter das Ergebnis des Prozesses und kann sich an den Startzustand und das unversehrte Glas erinnern, das war vorher nicht der Fall.
    Dieser zweite Film, in dem der erste vorkommt, kann nun auch wieder in beide Richtungen abgespielt werden. Wichtig ist aber, dass der Zeitpfeil des Beobachters hier an den Zeitpfeil der zunehmenden Entropie des Glases gekoppelt ist. Je weiter zurück der Film läuft, umso weniger Information hat der Beobachter darin.
    Ließen wir dagegen den ersten Film ohne Kopplung an den Beobachter zurücklaufen, dann würde dieser Information gewinnen und könnte sich, wenn das unversehrte Glas erreicht ist, an das zerbrochene erinnern.

    Genauso stellen wir uns vor, dass, wenn wir die Zeit rückwärts laufen lassen könnten, dabei unser eigener Zeitpfeil nicht umgedreht würde: Wir wollen in der kommenden nächsten Minute die Situation vor einer Minute sehen. Da wir wie im Film an die Ereignisse gebunden sind, geht das nicht. Ob unser eigener Film gerade vor oder zurück läuft, können wir als Mitspieler im Film nicht feststellen.

    Die Frage wäre demnach nicht, ob der absolute Zeitpfeil in Richtung zunehmender oder abnehmender Entropie oder überhaupt läuft, sondern, warum unser Erleben an zunehmende Entropie gekoppelt ist. Das könnte vielleicht mit der Funktionsweise unseres Gehirns zusammenhängen.

    Grüße, Kai

  18. PHYSIK DER ZEIT: DIE ENTDECKUNG DER NEUEN ZEITORDNUNG.

    Die Beobachtung innerhalb der Zeit.
    Dass sich die Ereignisse nur im Zeitkontext beobachten lassen ist eine wichtige Feststellung. Wir erkennen nämlich, dass wir grundsätzlich in der Lage sind, die Objekte der Vergangenheit aus der Perspektive der Gegenwart zu beobachten.
    Die Vergangenheit scheint der Zeitaspekt zu sein, in dem sämtliche Objekte der Beobachtung enthalten sind. Die Irreversibilität der Vergangenheit könnte dafür verantwortlich sein, dass die beobachtbare Welt, eine Welt der Gegenstände und der unzerstörbaren Energien ist.
    Die Gegenwart enthält allein die Instanz der Beobachtung – den Beobachter (Lichtpanel der Kamera, Detektor eines Messgeräts etc.).
    Lediglich die Zukunft scheint in dem Prozess der Beobachtung keine Rolle zu spielen – die Zukunft ist, so die landläufige Meinung, kein Bestandteil der beobachtbaren Wirklichkeit, denn sie existiert “(noch) nicht wirklich” und ist mehr oder minder “zufällig”.
    Wie sich bald herausstellen wird, stimmt das nicht ganz.

    Die kausale Ordnung der Zeit.
    Unsere bisherige Vorstellung von der Zeit ist vollständig kausal.
    Der Zeitpfeil, ob wir ihn thermodynamisch oder kosmologisch nennen, hat eine Richtung – die Zeit verläuft von der Vergangenheit in Richtung der Zukunft. Die Ereignisse lassen sich entlang dieses Zeitpfeils, abhängig von ihrem Zeitpunkt einordnen. Die von Einstein postulierte Unmöglichkeit der Gleichzeitigkeit der Ereignisse, ergibt sich aus der Tatsache, dass keine zwei Ereignisse am selben Ort und zur selben Zeit stattfinden können (denn wenn wir die Gegenwart als punktbezogen verstehen, besitzen einzelne Punkte der Raumzeit jeweils eigene, unverwechselbare Gegenwart).
    Die kausal geordnete Zeit bildet zusammen mit dem Raum ein Kontinuum, in dem jeder Punkt durch drei Raum- und eine Zeitkoordinate definiert werden kann.
    Die kausale Ordnung der Zeit besitzt innerhalb der menschlichen Vorstellung die Mächtigkeit eines Naturgesetzes.
    Die Richtung der kausal geordneten Zeit ist unumkehrbar.

    Die deterministische Ordnung der Zeit.
    Wir sind gerade dabei, eine andere, parallele Ordnung der Zeit zu entdecken.
    https://perspektivenlogik.files.wordpress.com/2015/04/img_0845.jpg
    Fig. 1

    ___________________
    Behauptung a)
    Wir behaupten, dass jedes Ereignis zwar Vergangenheit und Zukunft besitzt, dass aber die Zukunft eines Ereignisses, bezogen auf seine Gegenwart, in der Vergangenheit stattfindet.

    Beweis a)
    Die Zukunft eines Ereignisses E findet solange statt, solange E nicht stattfindet, ergo bevor E stattfindet, ergo die Zukunft E findet kausal gesprochen in der Vergangenheit E statt (s. Fig. 1,2).

    Behauptung b)
    Wir behaupten, dass die Vergangenheit eines Ereignisses, bezogen auf seine Gegenwart, in der Zukunft stattfindet.

    Beweis b)
    Die Vergangenheit eines Ereignisses E findet erst dann statt, wenn E bereits geschehen ist, ergo nachdem E geschehen ist, ergo die Vergangenheit E findet kausal gesprochen (und bezogen auf die Gegenwart des Ereignisses E) in Zukunft statt (s. Fig. 1,2).
    ____________________

    Bei der deterministischen Ordnung der Zeit handelt es sich um gegenwarts- und ereignisbezogene Zeitordnung (s. Fig 2)

    Die Verbindung mit der Quantentheorie.
    Wenn das, was wir oben behauptet haben stimmt, und die Vergangenheit der Zeitaspekt ist, der sämtliche Objekte der Beobachtung beinhaltet, dann ist die Annahme berechtigt, dass die Zukunft der deterministischen Zeitordnung observabel ist, denn sie, wie wir gerade gezeigt haben, in der Vergangenheit des jeweiligen Ereignisses stattfindet (s. Fig 2).
    Wenn dem so ist, dann ergibt es sich eine zwingende begriffliche Korrelation zwischen der Zukunft der deterministischen Zeitordnung und dem Zustand der Superposition.

    Wir behaupten berechtigterweise, dass der Zustand der Superposition und die Zukunft der deterministischen Zeitordnung als Begriffe äquivalent sind.
    Wir behaupten somit, dass die Quanteneffekte, welche sich im Zustand der Superposition beobachten lassen, die sichtbaren Merkmale der Zukunft sind – der Zukunft, welche sich auf die Gegenwart der Messung bezieht und der Zukunft, welche im Augenblick der Messung keine Zukunft mehr ist, sondern die Gegenwart der Messung – das Ereignis E ist im Doppelspaltexperiment der Augenblick, in dem die Spaltendetektoren aktiviert werden und der Augenblick, in dem auf dem Bildschirm statt einem Interferenzmuster das Abbild der beiden Spalten erscheint).
    Innerhalb des Modells der deterministischen Ordnung der Zeit ist es einfach, den Superpositionszustand und den Kollaps der Wellenfunktion als Zeiteffekte zu beschreiben.

    Der Übergang zwischen dem Zustand der Superposition und dem Zustand, in dem die Schrödinger-Gleichung nicht gilt ist der Übergang von der Zukunft in die Gegenwart der Messung (hier zeigt sich in aller Deutlichkeit die Andersartigkeit der deterministischen Ordnung der Zeit – innerhalb der kausalen Ordnung der Zeit würden wir nie von einem Übergang von der Zukunft in die Gegenwart, sondern von einem Übergang von der Vergangenheit in die Gegenwart der Messung reden – die deterministische Ordnung der Zeit existiert daher als eine eigenartige Zeitordnung und ist mitnichten ein Paradoxon).

    Ich behaupte hiermit neben der längst überfälligen Entdeckung einer deterministischen Zeitordnung, eine einfache, eine vollständige und eine widerspruchsfreie Interpretation des quantenphysikalischen Effektes der Superposition und der Ursache für den Kollaps der Wellenfunktion erstellt zu haben.
    Ich behaupte somit nebenbei die Physik der Zeit begründet zu haben.
    https://perspektivenlogik.files.wordpress.com/2015/04/img_0853.jpg
    Fig. 2

    Grüße, Maciej

    • Howdy!

      Dass sich die Ereignisse nur im Zeitkontext beobachten lassen ist eine wichtige Feststellung. Wir erkennen nämlich, dass wir grundsätzlich in der Lage sind, die Objekte der Vergangenheit aus der Perspektive der Gegenwart zu beobachten.

      Nur hierzu kurz:
      ‘Ereignisse’ lassen sich ‘beobachten’, wenn Veränderung, die auch ‘Zeit’ genannt werden darf, stattfindet und i.p. Beobachtung und Theoretisierung geeignete Subjekte bereit stehen, die sich derart interessieren und dementsprechend verlautbaren.
      Die ‘Vergangenheit’ wird in diesen Subjekten gepflegt und zwar als erfasst und wiederum als ausschnittsartig, näherungsweise und an Interessen gebunden.
      Insofern sind ‘wir grundsätzlich in der Lage Vergangenheit aus der Gegenwart’ als gemessen habend zu betrachten, in der Folge einzuordnen, zu theoretisieren (meint wörtlich: die Sichtenbildung) und zu lernen.

      MFG + schönen dritten Ostertag noch (falls gefeiert),
      Dr. W

  19. @Dr. W
    Ich weiß, was Du mit “lernen” meinst.
    Zum “lernen” ist die Zukunft geeigneter.

    @ Joachim
    Wegen Dr. W müssen wir wahrscheinlich bei der 2. Version bleiben.
    Es ist auch ok.
    m

  20. Pingback:Dimension oder Parameter Zeit » Quantenwelt » SciLogs - Wissenschaftsblogs

Schreibe einen Kommentar