Zeitreisen und das Rätsel der bewegten Uhren

Professor PETER MCOWAN

Fakultät für Elektroingenieurswesen und Computerwissenschaft, Queen-Mary-Universität, London

Ticktack ist das vertraute Geräusch einer Uhr und der Zeit, die vergeht. Wir wissen alle, was Zeit ist - jedenfalls glauben wir das zu wissen. Wenn wir zusammen in einem Zimmer sind, zeigt meine Uhr die gleiche Zeit wie deine Uhr, und mein Ticktack ist dasselbe wie deines: Die Zeit vergeht für uns im gleichen Rhythmus. Auch wenn du in einem fernen Land Urlaub machst, wäre dein und mein Ticktack dasselbe, auch wenn deine Uhren eine andere Tageszeit anzeigen. Aber Zeit ist interessant, weil sie verschieden schnell vergehen kann, wenn du dich sehr schnell bewegst. Wenn du das Ticktack an Bord eines schnellen Raumschiffs misst, sieht es langsamer aus als das Ticktack einer Uhr auf der Erde. Wissenschaftler nennen diesen seltsamen Effekt die Zeitdilatation. Sie entsteht, weil für das Licht eine Geschwindigkeitsbegrenzung gilt.

Um die Zeitdilatation zu verstehen, müssen wir zuerst etwas über das Licht verstehen.

Licht, das sich durch das Vakuum des Weltraums bewegt, hat eine feste Geschwindigkeit. Wissenschaftler bezeichnen sie als c und sie beträgt etwa 300000 Kilometer pro Sekunde. Zwar kann das Licht langsamer werden, wenn es durch dichte Materie wie Glas wandert, aber im freien

Raum ist seine Geschwindigkeit immer c, und diese Geschwindigkeit c ist immer gleich, egal in welche Richtung du das Licht scheinen lässt.

Es ist diese feste Lichtgeschwindigkeit, die zur Zeitdilatation führt: Die Zeit verläuft in einem superschnellen Raumschiff langsamer als auf der Erde. Dies ist die wissenschaftliche Grundlage dafür, wie jemand im Prinzip in die Zukunft reisen könnte: So schnell zu fliegen, dass nur Tage vergehen, während auf der Erde Jahre vergehen.

Das scheint verrückt, aber nur deswegen, weil wir uns im realen Leben niemals schnell genug bewegen können, um das zu bemerken. Doch wenn du dich mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen könntest, dann würde dein Ticktack, von der Erde aus gesehen, eher ein Tiiiiicktaaaack werden. Damit du ein Gefühl dafür bekommst, was hier vor sich geht, brauchen wir eine Lichtuhr in einem durchsichtigen Raumschiff.

Die Lichtuhr in unserem Raumschiff funktioniert ganz einfach: Sie besteht aus einer Glühbirne an einer Seite des Raumschiffs und einem Spiegel auf der anderen Seite. Außerdem brauchen wir die superschnellen Triebwerke hinten. Wenn das Raumschiff steht, wird die Glühbirne angeschaltet, und das Licht rast hinüber zum Spiegel und wird reflektiert. »Tick« ist die Zeit, die es für den Weg zum Spiegel braucht, und »Tack« ist die Zeit, die es für den Rückweg vom Spiegel benötigt.

Wenn wir einen Spiegel in 300000 Kilometer Entfernung hätten, dann würde das Licht von einer (sehr hellen) Glühbirne eine Sekunde zum Spiegel brauchen und eine Sekunde zurück, weil das Licht mit der Geschwindigkeit c reist, sodass der Lichtblitz 300000 Kilometer in einer Sekunde schafft.

In dem unbewegten Raumschiff blinkt unsere Lichtuhr unbeirrt ihr Ticktack immer gleich schnell, und wir könnten alle Uhren auf der Erdeso stellen, dass sie dasselbe Ticktack haben.

Unbewegte Zeit, wahrgenommen auf der Erde

Aber jetzt starten wir unser durchsichtiges Raumschiff, sodass es sich sehr, sehr schnell bewegt, und beobachten es von der Erde aus. Der erste Blitz von der Glühbirne saust in Richtung des Spiegels, doch wenn wir es von der unbewegten Erde aus betrachten, dann hat sich in der Zeit, die das Licht dorthin braucht, der Spiegel inzwischen weiterbewegt. Die Strecke, die der Spiegel zurückgelegt hat, hängt davon ab, wie schnell das Raumschiff ist; wenn es sehr schnell ist, dann hat das Licht einen viel längeren, schrägen Weg, bis es den Spiegel erreicht. Weil das Licht Weiterreisen muss und die Lichtgeschwindigkeit c immer gleich ist, kann das aus unserem Blickwinkel nur bedeuten, dass die Zeit, die es zu dem verschobenen Spiegel braucht, länger ist. Das Tick unserer unbewegten Lichtuhr ist nun ein Thick der bewegten Uhr.

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Nach der Reflexion des Lichts geschieht dasselbe: Das Licht hat vom Spiegel einen längeren Weg zurück zum Ausgangspunkt, das Tack ist also ein Taaack. Wenn wir es von der Erde aus betrachten, dann läuft die bewegte Uhr also langsamer als die ruhende, und es scheint, dass im bewegten Raumschiff weniger Zeit vergangen ist. Wenn die langsame Uhr des Raumschiffs z. B. erst ein Uhr erreicht hat, während es auf der Erde schon fünf Uhr ist, dann wäre das Raumschiff vier Stunden in die Zukunft gereist.

Du kannst dir diese Zeitdilatation auch mit ein paar einfachen Buchstabenformen vorstellen. Wenn die Uhr unbewegt ist, dann wandern die Lichtblitze hin und her wie zwei Buchstaben I, weil die Lichtquelle und der Spiegel sich direkt gegenüberstehen. Das erste I ist der Weg zum Spiegel, das zweite ist der Weg zurück. Wenn sich das Raumschiff bewegt, ist der Weg des Lichts, von der Erde aus gesehen, eher wie ein V. Das Licht muss nun einen längeren Weg in einem Winkel zurücklegen, um am bewegten Spiegel an der Spitze des V reflektiert zu werden und dann wieder einen längeren Weg zurück zum Ausgangspunkt zurückzulegen. Der Unterschied zwischen den Abständen II und V bedeutet, dass, von der Erde aus gesehen, der Weg des reflektierten Lichtblitzes bei der bewegten Uhr länger ist, sodass sie langsamer geht.

Das ist die Grundidee der Zeitdilatation. Sie ist eine Annahme der Relativitätstheorie, die einer der großen Durchbrüche war, die dem Wissenschaftler Albert Einstein gelangen (wobei natürlich die Details seiner Theorie ein bisschen komplizierter sind). Obwohl die Erde meine Uhr als langsam sieht, bin ich aus meiner Sicht, wenn ich selbst im Raumschiff bin, in Ruhe, und die Erde bewegt sich von mir weg; ich sehe also die Uhr der Erde langsamer als meine eigene. Sowohl die Sicht der Erde als auch die Sicht des Raumschiffs sind richtig - warum also reist nur das Raumschiff in die Zukunft?

Mathematisch lässt sich zeigen, dass auch die Veränderung der

Geschwindigkeit eine Zeitdilatation erzeugt. Weil nur das Raumschiff seine Geschwindigkeit verändern muss, um umzukehren und zur Erde zurückzukommen, sind die Bedingungen beim Flug des Raumschiffs andere als die der Erde. Die Zeitdilatation der superschnellen Bewegung des Raumschiffs und der Kehrtwende auf halbem Weg ist der Grund für den Zeitunterschied, der das zurückkehrende Raumschiff auf einer Einbahnstraße vorwärts in die Zukunft der Erde schießt.

Wir können bisher Raumschiffe nicht annähernd schnell genug fliegen lassen, dass sie der Lichtgeschwindigkeit nahekommen, aber es gibt einige interessante Experimente, die zeigen, dass Einsteins Idee der Zeitdilatation richtig ist. In einem Teilchenbeschleuniger - wie denen am CERN in der Schweiz - werden Teilchen bis auf nahe Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, und praktischerweise haben viele ihre eigene »Uhr« an Bord. Die Halbwertszeit eines Teilchens ist ein Maß für die Zeit, die es besteht, bevor es in andere Teilchen zerfällt. Wir können die Halbwertszeit im Labor messen, wenn das Teilchen in Ruhe ist, und wir können sie auch messen, wenn es sich bewegt. Dabei zeigt sich, dass diese »Halbwertszeit-Uhr« langsamer läuft, wenn sich das Teilchen bewegt, als wenn es in Ruhe ist, und zwar genau um den Faktor, den Albert Einstein genannt hatte.

 
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