Zeitreisen

Zeitreisen - wozu?

Eine Reise durch die Zeit unternimmt ständig jeder von uns: In jedem Augenblick machen wir einen Schritt in die Zukunft. Doch sind wir fest an den stetigen Fluss der Zeit gebunden, wir können weder schneller vor geschweige denn zurück in der Zeit gehen. Wer von uns hat aber nicht schon davon geträumt, einmal in die Zukunft zu reisen, um mit den Lottozahlen der nächsten Ziehungen zurück zu kehren und damit seinem Glück ein wenig nachzuhelfen?

Auf zum Milchstraßenzentrum!

Im Prinzip ja, würde sicher die Antwort von Radio Eriwan auf unsere Frage lauten. Es gibt tatsächlich eine recht einfache Methode, in der Zeit zu reisen. Man braucht dazu nicht mehr als ein supermassives Schwarzes Loch, etwa von der Größe, wie es im Zentrum der Milchstraße zu finden ist. Hier kann man seine Rakete vorsichtig auf eine stabile Umlaufbahn möglichst nahe dem Ereignishorizont manövrieren, so dass die Gezeitenkräfte durchaus noch erträglich bleiben. Bei einem stellaren Schwarzen Loch wäre das nicht möglich. Der Ereignishorizont liegt viel näher zur Singularität, so dass die Gezeitenkräfte hier mörderisch wirken und jeden sich nähernden Astronauten zerreißen würden.

Unser Astronaut umkreist nun also munter das Milchstraßenzentrum, während seine Kollegen in einer Parkposition weit draußen warten. Was geschieht nun? Wenn die Kollegen die Uhr des Astronauten beobachten sehen sie, dass dessen Zeiger sich immer langsamer bewegen, je näher er dem Ereignishorizont kommt. Der Astronaut sieht das allerdings anders: Für ihn geht seine Uhr vollkommen normal, aber er kann erkennen, wie seine Kollegen von Minute zu Minute altern. Ja er sieht den ganzen Kosmos sich schnell entwickeln! Wenn der Astronaut sich nah genug am Horizont des Schwarzen Lochs und lange genug dort aufhält, wird er bei seiner Rückkehr die Beobachter- Kollegen nicht mehr kennen, denn hier haben inzwischen schon mehrere Generationen von Beobachtern ausharren müssen...

High Speed Zeitreisen

Zeit wird also durch Gravitation verlangsamt, wie wir schon wissen. Wenn unser Astronaut seinen Orbit verlässt und zurück kehrt, hat er eine Reise in die Zukunft unternommen. Die ist allerdings irreversibel (nicht umkehrbar), er kann also nicht zurück zu dem Zeitpunkt, an dem er seine Reise antrat. Die Geschichte hat aber noch einen anderen Haken: Das zentrale Schwarze Loch der Milchstraße ist rund 28 000 Lichtjahre entfernt. So alt wird kein Astronaut, um auf normalem Weg dorthin zu gelangen.

Allerdings könnte man sich die weite Reise auch sparen. Denn denselben Effekt kann man erzielen, wenn man sich mit großen Geschwindigkeiten bewegt. Mit einem geeigneten Antrieb kann der Astronaut in Bereichen nahe der Lichtgeschwindigkeit umherfliegen, in denen dann die Zeitdilatation voll zum Tragen kommt. Wenn er zur Erde heimkehrt, wird er wiederum auf diese Weise eine irreversible Reise in die Zukunft gemacht haben. Doch könnte er wenigstens zu Lebzeiten das zentrale Schwarze Loch erreichen, um noch weiter in die Zukunft zu gelangen.

Auf diese Weise wird es aber leider nichts mit unserem Lottogewinn, da wir nicht in unsere Ausgangszeit zurück können. Auch der Großvater kann beruhigt sein Leben fristen, da niemand auf solchen Wegen in die Vergangenheit gelangt.

Aber vielleicht sollte er sich doch nicht zu früh freuen...?

Tiplers Bauplan einer Zeitmaschine

Man nehme Materie von mindestens 10 Sonnenmassen, besser noch von der Masse der gesamten Milchstraße und presse sie zu einem extrem dünnen Zylinder zusammen, in etwa so, als würde man ein Schwarzes Loch durch eine Spaghettimaschine quetschen. Diesen versetze man dann in hyperschnelle, relativistische Rotation, und schon hat man eine Zeitmaschine, mit welcher man in die Zukunft und in die Vergangenheit reisen kann. Man muss nur in möglichst geringem Abstand vorsichtig die rotierende "Nudel" umkreisen, und je nachdem, ob man sich mit oder gegen die Rotationsrichtung bewegt, geht man in der Zeit vor oder zurück.

Die Zeit in der Umgebung eines solchen Zylinders wird also schwingen und ein Körper, der sich sehr vorsichtig nähert, ist nicht zwangsläufig den unangenehmen Verformungen unterworfen wie bei einem Höllentrip durch eine Singularität.

Tipler prognostiziert nun, dass man sich auf einem sehr sorgfältig ausgewähltem spiraligen Kurs der Mitte des Zylinders nähern und in die verschiedenen Zeitzonen eintauchen kann. Je nachdem, wie schnell und wo man in diese Zonen gelangt, kann man beliebig weit in der Zeit vor- und zurückgehen oder sogar sich plötzlich in einer entfernten Galaxie wiederfinden. Um nicht in die chaosartig ineinander verwirbelte Raumzeit zu gelangen, muss man allerdings einen (sehr!) großen Bogen um die Enden des Zylinders machen, hier wäre jeder Aufenthalt absolut tödlich. Hält man sich aber nur in der Mitte des Zylinders auf, könnte man eine gute Chance zum Überleben des Abenteuers haben.

Im Querschnitt sieht man die Raumzeit- Umgebung des Zylinders. Direkt neben dem Zylinder befindet sich die "Verbotene Zone" (rot), hier wäre ein Aufenthalt schon aufgrund der enormen Gezeitenkräfte absolut tödlich. Wenn man in den grünen Ring eintaucht, begibt man sich in die Vergangenheit. Entsprechend weist der hellblaue Ring der Positivität den Bereich aus, in welchem eine Zeitreise in die Zukunft möglich ist.

Wie kommt Tipler nun eigentlich zu seiner Überzeugung, dass eine solche "Maschine" in der Tat Zeitreisen ermöglichen könnte? Um das zu verstehen, beschäftigen wir uns ein wenig mit der Allgemeinen Relativitätstheorie:

Um Bewegungen innerhalb der Raumzeit darzustellen, verwendet man vereinfachte Diagramme. Man benutzt eine senkrechte Achse, um Bewegungen in der Zeit darzustellen (t), die waagerechte (y) dient uns zur Veranschaulichung von Bewegungen in den 3 Raumdimensionen gleichzeitig (wir lassen die 3 Raumdimensionen zu einer einzigen schrumpfen). Das Diagramm ist nicht ganz realistisch, aber es wäre enorm schwierig, wollte man alle 4 Dimensionen darstellen. Blau dargestellt ist ein unbewegtes Teilchen. Da es sich nicht in Bezug auf einen Beobachter im Raum bewegt, sehen wir nur eine Bewegung senkrecht die Zeitachse hinauf.

In dieser Darstellung sieht man nun, wie sich ein Teilchen in der Raumzeit bewegt. Wenn es eine gleichmäßige Geschwindigkeit hat, ergibt sich eine schräg ansteigende gerade Linie. Durch beschleunigte oder verzögerte Bewegung erhält man eine Kurve. Bei Beschleunigung bewegt sich die Kurve von der Zeitachse weg, durch Abbremsen wieder auf sie zu. Solche Linien, ob Kurven oder Geraden innerhalb der Raumzeit nennt man Weltlinien. Eine Weltlinie repräsentiert also den Weg eines Teilchens oder von etwas anderem (z.B. einem Menschen) durch die vierdimensionale Raumzeit.

In diesem Diagramm sieht man die Weltlinien von Photonen. Wenn man das Diagramm der Realität entsprechend gestaltet, wird die Zeitachse in Sekunden unterteilt und die Raumachse in Lichtsekunden (die Strecke, die das Licht in 1 [s] zurücklegt, also 300 000 [km]). Eingezeichnet sind jetzt die Weltlinien von Photonen, sie steigen in einem Winkel von 45° an. Größer kann dieser Winkel niemals werden, sonst hätten die Teilchen mehr als Lichtgeschwindigkeit! Alles, was rechts oder links dieser Weltlinien liegt, bleibt für immer unerreichbar. Diesen Bereich bezeichnen wir einfach als "Irgendwo".

In dieses Diagramm wurde eine zweite Raumdimension (x) eingezeichnet. Hierdurch ergibt sich ein kegelförmiges Aussehen der Weltlinien, man nennt deshalb diese Weltlinien auch Lichtkegel. Wenn wir die Lichtgeschwindigkeit als obere Grenze akzeptieren, liegen alle anderen Weltlinien innerhalb dieser Lichtkegel. Doch man sieht noch mehr in diesem Diagramm: Am Kreuzungspunkt der Koordinatenlinien, also im Nullpunkt (t, x, y = 0), liegt die Gegenwart. Nach oben hin öffnet sich der Zukunftslichtkegel, nach unten geht es in die Vergangenheit. Wichtig hierbei ist zu wissen, dass jeder Punkt in der Raumzeit einen eigenen Lichtkegel aufweist!

Ein Teilchen, welches sich unterhalb der Lichtgeschwindigkeit bewegt, kann also jede Weltlinie innerhalb des Zukunftskegels als auch des Vergangenheitskegels einnehmen. Man nennt diese Bereiche auch zeitartig, weil die Zeit in jedem Moment des Teilchens eine Rolle spielt. Den Bereich außerhalb der Kegel bezeichnet man als raumartig, er ist solchen Teilchen wie Tachyonen vorbehalten, oder entspricht anderen Universen. Sie sind uns nicht zugänglich, die Zeit ist hier imaginär. Wie gesagt nennt man die Bereiche außerhalb der Lichtkegel auch einfach "Irgendwo". Liegt die Weltlinie direkt auf der Kegeloberfläche, stimmt also mit der eines Photons überein, nennt man sie lichtartig. Diese Weltlinie hat immer eine Steigung von 45°, und das Teilchen bewegt sich mit c.

aumzeitdiagramme zeigen uns auch, wie sich ein Teilchen in die Vergangenheit bewegen kann. Ereignisse folgen immer eins auf das andere und liegen daher nacheinander auf der Weltlinie, die stets von der Gegenwart in die Zukunft weist. Aber wie kann es sein, dass man trotz Bewegung mit weniger als c in die Vergangenheit geraten könnte? Man sieht im Diagramm eine Weltlinie, die fast in sich gekrümmt ist, wo also ein Ereignis wieder dann eintritt, als es in der Vergangenheit begann. Wie aber könnte eine Weltlinie so verbogen werden? Die Allgemeine Relativitätstheorie hat uns hierzu gezeigt, dass z.B. starke Gravitationsfelder die Raumzeit krümmen. Oder anders ausgedrückt, der Lichtkegel, in welchem sich Teilchen oder Mensch befinden, wird durch diese Krümmung geneigt oder gar gekippt (kleine dunkelblaue Kegel im Diagramm). Wenn demnach Teilchen oder Menschen eine derart stark gekrümmte Raumzeit durchlaufen, könnten sie tatsächlich in die Vergangenheit geraten! Und das, ohne gegen mathematische oder physikalische Gesetze zu verstoßen, und es ist dazu keine Überlichtgeschwindigkeit erforderlich.

Nun betrachten wir noch einmal den Zylinder, der mit mindestens halber Lichtgeschwindigkeit rotieren muss, damit genügend Fliehkräfte erzeugt werden und er nicht unter der eigenen Gravitation zusammen bricht.

Je näher man dem Zylinder kommt, umso mehr wird die umgebende Raumzeit mitgerissen. Weit außerhalb ist noch alles recht "normal", die Raumzeit ist flach und kaum verzerrt, und die Lichtkegel stehen senkrecht im Diagramm (Detail B). Die Zeit verläuft wie gewohnt von der Gegenwart in die Zukunft. Eingezeichnet sind der Übersichtlichkeit halber nur die Zukunftslichtkegel. Wenn man nun weiter vordringt, sieht ein außenstehender Beobachter, dass die Zeit immer mehr durch die Gravitation verlangsamt wird (ähnlich der Annäherung an den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs, siehe weiter oben). Hier würde ein Astronaut in die Zukunft reisen. Je weiter man aber nach innen kommt, umso mehr neigen sich die Kegel, bis sie sich schließlich bei einem Winkel von über 45° überschneiden (Detail A). Sie kippen über die x,y- Koordinaten in den negativen Zeitbereich, Raum und Zeit tauschen ihre Rollen.

Es bildet sich eine geschlossene zeitartige Schleife um den Zylinder, ein Zeitreisender kann mit einer Rakete von Lichtkegel zu Lichtkegel gelangen, ohne dass hierzu Geschwindigkeiten über der des Lichts erforderlich wären. Er kann durch vorsichtiges Navigieren auf spiralförmigen Bahnen beliebig rückwärts durch die Zeit reisen, muss aber peinlich darauf Acht geben, dem Zylinder nicht zu nahe zu kommen. Allerdings kann er maximal nur bis zu dem Zeitpunkt zurück, an welchem die Zeitmaschine geschaffen wurde. Der Traum, dem Bau der Pyramiden in Ägypten zuzusehen bleibt daher unerfüllt. Anders ist es mit der Zukunftsreise: sie kann beliebig weit in die Zukunft gehen, und dazu muss der Zylinder sogar nur einen kurzen Moment stabil sein.

Wie realistisch ist nun dieser Tipler-Zylinder? Mathematisch und physikalisch gesehen sind Zeitreisen zulässig. Tiplers Berechnungen haben noch heute ihre Gültigkeit und wurden von anderen Physikern bestätigt und verfeinert, die beschriebene Zeitmaschine würde tatsächlich funktionieren. Aber es gibt schier unüberwindbare Probleme, wollte man wenigstens 10 oder 20 Neutronensterne zusammenschalten. Die erste Schwierigkeit ist, sie über große Entfernungen transportieren zu müssen. Selbst wenn das einer Superzivilisation gelingen könnte, stände sie doch vor der unlösbaren Aufgabe, die Sterne vor dem Kollaps zu bewahren. Die ungeheure Gravitation würde sie sofort vereinigen und zu einem einzigen Schwarzen Loch kollabieren lassen, bevor noch die erforderliche superschnelle Rotation eingestellt werden könnte. Und wer wollte 20 oder gar 200 Neutronensterne dazu bringen, synchron mit mehreren Milliarden Umdrehungen pro Minute zu rotieren?

Die Allgemeine Relativitätstheorie birgt vielleicht noch manches Geheimnis, dessen Entdeckung uns dennoch irgendwann Reisen in der Zeit und vor allem auch in interstellaren Distanzen erlauben wird.

Natürliche Zeitmaschinen

Eine bessere Ausgabe des Tipler- Zylinders könnte sogar in der Natur vorkommen, so dass man sich die Mühe zum Einfang der Neutronensterne ersparen kann: kosmische Strings!
Zwar sind dies bislang rein theoretische Gebilde, die aber quasi als Überbleibsel des Urknalls durchaus existieren könnten.

Schleifen kosmischer Strings könnten sich zusammenlagern und dabei Energie in Form von Gravitationswellen verlieren, wie hier in einer Simulation von Richard Battye und Paul Shellard. Trotz hoher innerer bnung könnten sich Strings auflösen. Sie müssen aber nicht unbedingt in Form der hier gezeigten Schleifen vorliegen, sondern könnten auch Lichtjahre lange Fäden bilden. Dann wären sie genau passend für unsere Zeitmaschine.

Während ein Schwarzes Loch eine eindimensionale, punktförmige Singularität im Raumzeitkontinuum darstellt, ist ein kosmischer String zweidimensional. Zwar auch fast unendlich dünn, kann er sich aber über viele Lichtjahre weit erstrecken und hätte weitaus massivere Wirkungen auf die umgebende Raumzeit. Bis heute hat leider noch niemand einen kosmischen String nachgewiesen, das könnte aber vielleicht irgendwann über den Gravitationslinseneffekt gelingen. Sollten sie wirklich existieren, wären hochentwickelte Intelligenzen eventuell in der Lage, zwei kosmische Strings nebeneinander zu arrangieren, oder einen mit einem Schwarzen Loch zu koppeln. Noch besser wäre, könnte man zwei dieser Exoten mit hoher Geschwindigkeit aufeinander prallen lassen. Durch ein vorsichtiges Manöver in die Nähe des Geschehens würde man dann in die Lage versetzt, jeden Ort im All und zu jeder beliebigen Zeit zu besuchen. Sagt die Theorie...

Gödels Zeitmaschine

Dass Einsteins Relativitätstheorie grundsätzlich Zeitreisen nicht verbietet, bewies schon 1949 der Mathematiker Kurt Gödel (1906 bis 1978).

Wenn massive Objekte rotieren, das haben wir schon bei den Schwarzen Löchern gesehen, ziehen sie die umgebende Raumzeit in dieser Rotation mit. Das macht jeder sich drehende Körper, aber dieser Effekt ist bei sehr kleinen Massen, wie z.B. derjenigen der Erde, kaum nachweisbar. Sollte aber das Universum rotieren, könnten die Auswirkungen auf die Raumzeit sehr ausgeprägt sein.

Betrachten wir hierzu noch einmal zwei Lichtkegel. Jedem Punkt in der Raumzeit kommt ein eigener Lichtkegel zu (nach oben öffnet sich jeweils der Zukunftskegel, nach unten geht es in die Vergangenheit). Zwei entfernte Ereignisse A und B können nichts voneinander erfahren (ihre Weltlinien sind nochmals rot angedeutet). Erst wenn sich in der Zukunft die Lichtkegel überschneiden, können die Beobachter A und B Informationen voneinander erhalten. Wenn z.B. jetzt im Augenblick eine Supernova in der Andromeda- Galaxie explodiert, können wir erst in 2½ Millionen Jahren davon erfahren, nämlich erst wenn sich dann unsere Lichtkegel überlappen.

Falls wir in einem rotierenden Universum leben, könnten die Lichtkegel durch die in der Rotation mitgerissene Raumzeit geneigt oder sogar gekippt werden.

Sollte das geschehen, dann kann ein Beobachter von A nach B gelangen, ohne dass hierzu Überlichtgeschwindigkeit erforderlich wäre. Mehr noch, das ganze Universum könnte von einer umlaufenden Reihe gekippter Lichtkegel auf einer geschlossenen zeitartigen Schleife umbnt sein! Ein Beobachter wäre so imstande, von A ausgehend das ganze Universum zu durchlaufen und exakt zu seiner eigenen Startzeit wieder am Ausgangspunkt anzukommen. Das ganze Universum könnte nach Gödels Ansicht eine riesige Zeitmaschine sein.

Aber auch diese Sache hat leider einen Haken:

Falls sich wirklich eine zeitartige Schleife ausbildet, muss der Kosmos etwa eine Umdrehung in 70 Millionen Jahren machen. Wir können nur schwerlich eine Rotation nachweisen, falls sie aber stattfindet, ist diese Geschwindigkeit viel zu schnell und damit eher unwahrscheinlich. Und bei einem Alter des Universums von 13,7 Milliarden Jahren würde die kürzeste zeitartige Schleife einen Umfang von etwa 100 Milliarden Lichtjahren haben. Es wäre damit eine recht langweilige Zeitmaschine!

Dennoch geht auch aus Gödels Gleichungen hervor, dass die Relativitätstheorie Zeitreisen durchaus gestattet. Und aus seinen Berechnungen folgt, dass große rotierende Massen die Raumzeit mitreißen und dadurch Lichtkegel kippen können und geschlossene zeitartige Schleifen entstehen. Wie schon weiter oben gesehen, hat das Tipler auch für seine Maschine genutzt. Gegen das Gödel- Universum spricht zudem noch die Erkenntnis, dass ein expandierender Kosmos nicht rotieren kann. Dessen ungeachtet wird Gödels Modell immer wieder zu Betrachtungen über die Möglichkeit von Zeitreisen zu Rate gezogen.

Zeitreisen eiskalt

Wie Sie vielleicht schon dem Abschnitt über Wurmlöcher entnehmen konnten, sind solche Gebilde ebenfalls bestens als Zeitmaschine geeignet. Dass es aber noch einfacher geht, will Prof. Ronald Mallett, ein (vielleicht nicht ganz ernst zu nehmender?) theoretischer Physiker, beweisen: Er lässt das Licht eines Lasers im Kreis zirkulieren. Zwar hat Licht keine Masse, aber es soll seinen Berechnungen nach im Quantenbereich ebenfalls Auswirkungen auf die Raumzeit haben. Er hat schon nachgewiesen, dass zirkulierendes Licht in seiner Umgebung eine Art Strudel hervorruft.

Hintergrund seines Forschungstriebs ist sein im Alter von 33 Jahren zu früh verstorbener Vater, der sich allzu sehr dem Zigaretten- und Alkoholkonsum gewidmet hatte. Mallett (auf Youtube) will ihn nun nachträglich davon abhalten...

Man sieht, es ist nicht sehr einfach mit unseren irdischen Mitteln durch die Zeit zu reisen. Von der Vorstellung, wie sie in manchen Filmen oder der SF- Literatur dargestellt wird, dass man sich in eine "Maschine" setzt, die Zeit einstellt und die Reise schon beginnen kann, muss man sich ein für alle Mal trennen. Möglicherweise werden sich in der Zukunft ungeahnte Tore öffnen, von denen wir heute noch nichts wissen. Jedoch bleibt dann die Frage offen, wenn Zeitreisen wirklich von Physik und Mathematik erlaubt sind, warum wir noch keinen Besuch aus der Zukunft bekamen! So bleibt uns vorerst nur die Hoffnung, dass eines Tages Doc Emmitt Brown den Flux- Kompensator entwickelt und diesen in einen DeLorean einbaut. Zumindest wäre dies eine attraktive und ansprechende Methode, Reisen auf angenehme Weise in die Zeit zu unternehmen!

Zum Schluss sei zu diesem Thema unbedingt noch der Gastbeitrag Über Zeitreisen von Reiner Klinger empfohlen, der weitere, hier nicht genannte Aspekte aufzeigt.