Die Geschichte des Universums und der Pfeil der Zeit. Bildnachweis: NASA / GSFC.

Woher kommt unser Zeitpfeil?

Die Vergangenheit ist weg, die Zukunft noch nicht da, nur die Gegenwart ist jetzt. Aber warum fließt es immer so wie für uns?

So steht unser Vertrag geschrieben; So wird eine Einigung erzielt. Der Gedanke ist der Pfeil der Zeit; Erinnerung verblasst nie. Was gefragt wurde, ist gegeben; Der Preis ist bezahlt. “
-Robert Jordan

Jeder Moment, der vergeht, führt uns von der Vergangenheit in die Gegenwart und in die Zukunft, wobei die Zeit immer in die gleiche Richtung fließt. Zu keinem Zeitpunkt scheint es jemals stillzustehen oder umzukehren; Der „Pfeil der Zeit“ zeigt für uns immer nach vorne. Betrachtet man jedoch die Gesetze der Physik - von Newton bis Einstein, von Maxwell bis Bohr, von Dirac bis Feynman - so scheinen sie zeitsymmetrisch zu sein. Mit anderen Worten, die Gleichungen, die die Realität regeln, haben keine Präferenz dafür, wie die Zeit fließt. Die Lösungen, die das Verhalten eines Systems beschreiben, das den Gesetzen der Physik gehorcht, so wie wir sie verstehen, gelten für die Zeit, die in die Vergangenheit fließt, genauso wie für die Zeit, die in die Zukunft fließt. Aus Erfahrung wissen wir jedoch, dass die Zeit nur in eine Richtung fließt: vorwärts. Woher kommt also der Pfeil der Zeit?

Bei einem Ball in der Mitte des Sprunges werden die bisherigen und zukünftigen Flugbahnen von den Gesetzen der Physik bestimmt, aber die Zeit wird für uns nur in die Zukunft fließen. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer MichaelMaggs und (bearbeitet von) Richard Bartz, unter einer Lizenz von c.c.a.-s.a.-3.0.

Viele Menschen glauben, dass es einen Zusammenhang zwischen dem Pfeil der Zeit und einer Größe namens Entropie geben könnte. Während die meisten Menschen "Störung" normalerweise mit Entropie gleichsetzen, ist dies eine ziemlich faule Beschreibung, die auch nicht besonders genau ist. Stellen Sie sich stattdessen Entropie als Maß dafür vor, wie viel Wärmeenergie möglicherweise in nützliche mechanische Arbeit umgewandelt werden könnte. Wenn Sie viel von dieser Energie haben, die möglicherweise Arbeit leisten kann, haben Sie ein System mit niedriger Entropie, während Sie ein System mit hoher Entropie haben, wenn Sie sehr wenig haben. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist eine sehr wichtige Beziehung in der Physik und besagt, dass die Entropie eines geschlossenen (in sich geschlossenen) Systems nur über die Zeit hinweg zunehmen oder gleich bleiben kann; es kann niemals untergehen. Mit anderen Worten, im Laufe der Zeit muss die Entropie des gesamten Universums zunehmen. Es ist das einzige physikalische Gesetz, das eine bevorzugte Richtung für die Zeit zu haben scheint.

Standbild aus einem Vortrag über Entropie von Clarissa Sorensen-Unruh. Bildnachweis: C. Sorensen-Unruh von YouTube über https://www.youtube.com/watch?v=Mz8IM7pWkok.

Bedeutet das also, dass wir die Zeit nur so erleben, wie wir es tun, aufgrund des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik? Gibt es eine grundlegend tiefe Verbindung zwischen dem Pfeil der Zeit und der Entropie? Einige Physiker glauben das, und das ist sicherlich eine Möglichkeit. In einer interessanten Zusammenarbeit zwischen dem MinutePhysics-YouTube-Kanal und dem Physiker Sean Carroll, Autor von The Big Picture, From Eternity To Here, und einem Entropie- / Zeitpfeil-Fan, versuchen sie, die Frage zu beantworten, warum die Zeit nicht rückwärts fließt. Es überrascht nicht, dass sie den Finger direkt auf die Entropie richten.

Es ist wahr, dass Entropie den Pfeil der Zeit für eine Reihe von Phänomenen erklärt, einschließlich, warum Kaffee und Milch sich mischen, aber nicht entmischen, warum Eis zu einem warmen Getränk schmilzt, aber niemals spontan zusammen mit einem warmen Getränk aus einem kühlen Getränk entsteht, und warum ein gekochtes Rührei nie wieder in ungekochtes, getrenntes Eiweiß und Eigelb zerfällt. In all diesen Fällen hat sich ein Zustand mit anfänglich geringerer Entropie (mit mehr verfügbarer, arbeitsfähiger Energie) mit der Zeit in einen Zustand mit höherer Entropie (und geringerer verfügbarer Energie) verschoben. In der Natur gibt es viele Beispiele dafür, einschließlich eines Raums voller Moleküle: eine Seite voller kalter, sich langsam bewegender Moleküle und die andere voller heißer, sich schnell bewegender Moleküle. Geben Sie ihm einfach Zeit, und der Raum wird vollständig mit Teilchen mittlerer Energie gemischt, was einen starken Anstieg der Entropie und eine irreversible Reaktion darstellt.

Ein System, das unter den Anfangsbedingungen links eingerichtet und sich weiterentwickeln lässt, wird spontan zum rechten System und gewinnt dabei an Entropie. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer Htkym und Dhollm, unter einer Lizenz von c.c.-by-2.5.

Es ist jedoch nicht vollständig irreversibel. Sie sehen, es gibt eine Einschränkung, die die meisten Menschen vergessen, wenn es um das zweite Gesetz der Thermodynamik und Entropiezunahme geht: Es bezieht sich nur auf die Entropie eines geschlossenen Systems oder eines Systems, bei dem keine externe Energie oder Änderungen der Entropie hinzugefügt oder weggenommen werden . Eine Möglichkeit, diese Reaktion umzukehren, hatte sich der große Physiker James Clerk Maxwell bereits in den 1870er Jahren ausgedacht: Eine äußere Einheit, die eine Kluft zwischen den beiden Seiten des Raums öffnet, wenn die „kalten“ Moleküle darauf fließen können Eine Seite und die „heißen“ Moleküle fließen auf die andere. Diese Idee wurde als Maxwells Dämon bekannt und ermöglicht es Ihnen, die Entropie des Systems zu verringern!

Eine Darstellung von Maxwells Dämon, der Partikel auf beiden Seiten einer Kiste nach ihrer Energie sortieren kann. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer Htkym, unter einer Lizenz von c.c.a.-s.a.-3.0.

Damit können Sie natürlich nicht gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verstoßen. Der Haken ist, dass der Dämon eine enorme Menge Energie aufwenden muss, um die Partikel auf diese Weise zu trennen. Das System ist unter dem Einfluss des Dämons ein offenes System; Wenn Sie die Entropie des Dämons selbst in das Gesamtsystem der Teilchen einbeziehen, werden Sie feststellen, dass die Gesamtentropie tatsächlich insgesamt zunimmt. Aber hier ist der Kicker: Selbst wenn Sie in der Box leben und die Existenz des Dämons nicht erkennen könnten - mit anderen Worten, wenn Sie nur in einer Tasche des Universums leben würden, in der die Entropie abnimmt -, würde die Zeit noch länger dauern Du. Der thermodynamische Pfeil der Zeit bestimmt nicht die Richtung, in die wir den Lauf der Zeit wahrnehmen.

Unabhängig davon, wie wir die Entropie des Universums um uns herum verändern, vergeht die Zeit für alle Beobachter mit einer Geschwindigkeit von einer Sekunde pro Sekunde. Public Domain Bild.

Woher kommt also der Zeitpfeil, der mit unserer Wahrnehmung korreliert? Wir wissen es nicht. Was wir jedoch wissen, ist, dass der thermodynamische Pfeil der Zeit es nicht ist. Unsere Entropiemessungen im Universum kennen nur eine mögliche enorme Abnahme der gesamten kosmischen Geschichte: das Ende der kosmischen Inflation und ihren Übergang zum heißen Urknall. Wir wissen, dass unser Universum auf ein kaltes, leeres Schicksal zusteuert, nachdem alle Sterne ausgebrannt sind, nachdem alle Schwarzen Löcher zerfallen sind, nachdem dunkle Energie die ungebundenen Galaxien voneinander getrennt hat und Gravitationswechselwirkungen die letzten gebundenen planetaren und stellaren Überreste auslöschen . Dieser thermodynamische Zustand maximaler Entropie wird als „Hitzetod“ des Universums bezeichnet. Seltsamerweise hat der Zustand, aus dem unser Universum hervorgegangen ist - der Zustand der kosmischen Inflation - genau dieselben Eigenschaften, nur mit einer viel größeren Expansionsrate während der inflationären Epoche als in unserer gegenwärtigen, von der dunklen Energie dominierten Epoche.

Die Quantennatur der Inflation bedeutet, dass sie in einigen „Taschen“ des Universums endet und in anderen weitergeht, aber wir wissen noch nicht, wie die Entropie während der Inflation war oder wie sie den Zustand niedriger Entropie am verursacht hat Beginn des heißen Urknalls. Bildnachweis: E. Siegel, aus dem Buch Beyond The Galaxy.

Wie ist die Inflation zu Ende gegangen? Wie wurde die Vakuumenergie des Universums, die Energie, die dem leeren Raum selbst innewohnt, in ein thermisch heißes Bad aus Partikeln, Antiteilchen und Strahlung umgewandelt? Und ist das Universum während der kosmischen Inflation von einem Zustand mit unglaublich hoher Entropie zu einem Zustand mit niedriger Entropie während des heißen Urknalls übergegangen, oder war die Entropie während der Inflation aufgrund der möglichen Fähigkeit des Universums, mechanische Arbeit zu leisten, noch geringer? An diesem Punkt haben wir nur Theorien, die uns leiten; Die experimentellen oder beobachtenden Signaturen, die uns die Antworten auf diese Fragen geben würden, wurden nicht aufgedeckt.

Ab dem Ende der Inflation und dem Beginn des heißen Urknalls steigt die Entropie bis zum heutigen Tag an. Bildnachweis: E. Siegel, mit Bildern, die von ESA / Planck und der DoE / NASA / NSF-Task Force für die CMB-Forschung stammen. Aus seinem Buch Beyond The Galaxy.

Wir verstehen den Zeitpfeil aus thermodynamischer Sicht und das ist ein unglaublich wertvolles und interessantes Wissen. Aber wenn Sie wissen möchten, warum gestern in der unveränderlichen Vergangenheit liegt, morgen in einem Tag ankommt und die Gegenwart das ist, was Sie gerade leben, gibt Ihnen die Thermodynamik keine Antwort. Tatsächlich versteht niemand, was geschehen wird.

Dieser Beitrag erschien zum ersten Mal bei Forbes und wird Ihnen von unseren Patreon-Unterstützern werbefrei zur Verfügung gestellt. Kommentieren Sie unser Forum und kaufen Sie unser erstes Buch: Beyond The Galaxy!