Willkommen in der Plankwelt

Die Zeit gehört wohl zu den ersten fundamentalen Meßgrößen. Schon vor über 3000 Jahren erkannten die Menschen im regelmäßigen Lauf der Gestirne am nächtlichen Himmel eine kosmische Uhr. Sie nutzten diese Uhr, um sich in den Jahreszeiten einzurichten und gaben ihren Tätigkeiten über das ganze Jahr hin eine zeitliche Ordnung.

Die Physik, so wie wir sie heute kennen, begann im 16. Jahrhundert mit Galileo Galilei. Als Junge maß er die Schwingungsdauer des hin und her pendelten Leuchters im heimatlichen Dom mit seinem Puls. Mit seinen Fallgesetzen begründete er die moderne Wissenschaften, und er erkannte die Bedeutung der Mathematik bei der Beschreibung der Natur.

Newton schrieb das erste bedeutende Lehrbuch der Physik. Sein Gravitationsgesetz und seine Lehrsätze zur Mechanik gehören noch nach 300 Jahren zum Lehrstoff an unseren Schulen. Der absolute
Raum und die absolute Zeit waren für ihn die Bühne, auf der das physikalische Geschehen ablief.

Erst Einstein zeigte vor 100 Jahren, am Anfang des vorherigen Jahrhunderts, die Grenzen der Gültigkeit des Newtonschen Weltbilds bei hohen Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit auf.

Albert Einstein beschäftigte sich als Beamter am Schweizer Patentamt berufsbedingt mit dem Wesen der Zeit. Die Koordination der Fahrpläne der inzwischen schnellfahrenden Eisenbahnzüge, die Übermittlung von Informationen durch die Telegraphen, der entstehende Funkverkehr durch den Äther, warf Fragen der Gleichzeitigkeit von Ereignissen auf. Ständige technische Neuerungen in der Nachrichtentechnik mussten beurteilt werden. Ihn beschäftigte damals die fehlende Symmetrie bei der Wechselwirkung elektrischer und magnetischer Phänomene. Letztendlich war er es dann, der den Mut hatte, die Ursache für diese fehlende Symmetrie in der herrschenden Vorstellung von der absoluten Zeit zu sehen.

Aus dem Postulat von der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit folgte dann die Vorstellung von der Relativität der Zeit. Die Zeitintervalle waren nicht mehr konstant wie bei Newton, sondern sie waren abhängig von der Bewegung. In verschieden sich bewegenden Bezugssystemen werden unterschiedliche Zeitintervalle gemessen. Bewegte Uhren gehen langsamer .

Die Newtonsche Mechanik, die bis dahin als das eherne Fundament der Physik angesehen wurde, musste diesen neuen Vorstellungen angepasst werden. Die Konsequenzen : Bewegte Massen werden schwerer und kinetische Energie wird in Massenenergie umgewandelt. Und daraus muss zwangsläufig folgen, Masse ist eine Form der Energie.

Innerhalb von wenigen Jahren wurde in der damaligen Welt das Genie Einsteins erkannt. Die neue Vorstellung von der Relativität der Zeit löste die Probleme, die die mechanische Äthertheorie für den Elektromagnetismus mit sich brachte. Einstein schaffte den Äther ab und er schaffte dafür die neuen Symmetrien des Elektromagnetismus und der Raumzeit mit der neuen Naturkonstanten c

In den nachfolgenden 10 Jahren arbeitete er konsequent weiter an bestehenden Widersprüchen und schuf die Allgemeine Relativitätstheorie. Ausgangspunkt seiner Überlegungen war die Äquivalenz von schwerer und beschleunigter Masse. Die Vorstellung von der Zeit differenzierte sich weiter aus. Nicht nur die Bewegung , sondern auch die Anwesenheit großer Massen und Energien beeinflussen die Zeitintervalle , sie krümmen die Zeit. In der Nähe eines Schwarzen Lochs, einer gewaltigen Ansammlung von Materie, wird die Zeit gedehnt bis zur Unendlichkeit.

Mit seiner neuen Allgemeinen Relativitätstheorie und mit dem experimentellen Nachweis anläßlich einer Sonnenfinsternis wurde Einstein 1919 auch außerhalb akademischer Kreise weltberühmt.

Eine neue Revolution bahnte sich an. Das Raumzeitgefüge ist nicht konstant. Das Weltall hatte einen Anfang und dehnt sich seitdem aus. Eine neue 5. Dimension wurde entdeckt. Die Raumzeitkrümmung ändert sich und benötigt einen Ordnungsparameter. Und dieser Ordnungsparameter ist die kosmische Temperatur. Erst 40 Jahre später sollte sich das Modell vom heißen Urknall aufgrund experimenteller Ergebnisse durchsetzen. Der Cobe-Satellit vermaß innerhalb weniger Stunden die kosmische Hintergundstrahlung. Es ergab sich exakt das Spektrum eines Schwarzen Strahlers bei 2.73 °K.

Ist die Temperatur eine Raumdimension oder eine Zeitdimension ?

Die Temperatur ist ein Maß für ungeordnete Schwingungen von Atomen, Molekülen aber auch von Vakuumfluktuationen. So wie man einer geordneten Schwingung eine reelle Frequenz zuordnen kann, so kann man einer ungeordneten Schwingung eine imaginäre Frequenz zuordnen. Der Kehrwert einer Frequenz ist die Schwingungsdauer. Die Temperatur ist daher gleichzusetzen mit einer im mathematischen Sinne imaginären Frequenz . Die reziproke Temperatur 1/T entspricht einer imaginären Zeit. Die Temperatur ist nach diesem Modell eine weitere zweite Zeitdimension.

Das mag alles konstruiert erscheinen, aber man erhält auf diese Weise den Brückenschlag zur Thermodynamik.

Die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantentheorie sind formuliert in den 4 Dimensionen von Raum und Zeit. Beide Theorien werden zwar durch hochpräzise experimentelle Daten bestätigt , sie sind aber unvollständig. Die eine Theorie führt zu Singularitäten , die andere kann denn Ursprung der Masse und ihre Werte bei den Elementarteilchen nicht erklären. Eine weitere 5. Dimension mit dem Einbeziehen der Thermodynamik verspricht , die derzeitigen Probleme zu lösen.

Die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantentheorie sind auch deshalb nicht miteinander vereinbar, weil sie zwei unterschiedliche Zeitbegriffe haben. Die ART ist eine stetige Theorie. Sie läßt die infinitesimale Änderung der Zeit mit dem Grenzübergang 0 zu. Das widerspricht der Erfahrung. Die Zeit beschreibt die Abfolge von Ursache und Wirkung, und zwischen Ursache und Wirkung muß immer ein zeitlicher Abstand sein. Es muß ein Zeitquant geben !
Für die ART muss ein Zeitbegriff entwickelt werden, der Sprünge in der Zeit zuläßt. Der Zeitbegriff muss weiter differenziert werden, wenn ART und die Quantentheorie unter einem Dach vereint werden sollen.

Was ist Zeit ?

Nach Einstein ist Zeit das, was eine Uhr mißt. Bei genauerer Betrachtung gibt es zwei verschiedene Uhren, die Pendeluhr und die radioaktive C14- Uhr. Die eine Uhr mißt die Schwingungszeit, die andere die Halbwertszeit . Bei der einen Uhr ist die Zeit reversibel, bei der anderen irreversibel. Reversibel ist ein Prozess, wenn er in der Zeit umkehrbar ist. Er ist dann hinsichtlich der Zeit symmetrisch.
Die Maxwell-Gleichungen sind z.B. zeitsymmetrisch. Nach diesen Gleichungen müßten die elektromagnetischen Wellen eigentlich auch wieder zur Quelle zurücklaufen können. In der Praxis tun sie das bekanntlich nicht. Diese Tatsach und dieser Widerspruch haben Richard Feynman schier zur Verzweiflung gebracht. Er konnte sich das nicht erklären.

Die Zeit muss daher aus einem reversiblen und einen irreversiblen Anteil bestehen. Es gibt in der Physik viele auf diese Weise zusammengesetzte Größen. Denken wir nur an die machanische Verformung. Sie enthält einen elastischen, reversiblen und einen plastischen, irreversiblen Anteil. Mathematisch läßt sich solch eine Meß-Größe durch eine komplexe Zahl ausdrücken, bestehend aus einer reellen und einer imaginären Zahl.

Folgt man diesem Gedankengang, so gibt es 2 Zeitdimensionen. In der 4. Dimension existiert die reelle umkehrbare Zeit, in der 5. Dimension existiert, die imaginäre Zeit , die mit dem Kehrwert der Temperatur 1/T gleichgesetzt werden kann.

Und jetzt wird es spannend !

Wir haben anfangs gesagt, daß Quantentheorie und Allgemeine Relativitätstheorie zwei unterschiedliche Zeitbegriffe haben und daß die Zeit der ART auf eine gewisse Weise quantisiert werden muß.

Die Quantenelektrodynamik, wie sie in den 40-iger Jahren des 20. Jahrhunderts entwickelt wurde, basiert auf der reellen reversiblen Zeit. Die Vorgänge der QED werden gedeutet durch sich überlagernde Wahrscheinlichkeitswellen. Das ist die eine Seite.

Auf der anderen Seite haben wir das Schwarze Loch. Das Schwarze Loch ist ein Objekt reinster Gravitation. Schwarze Löcher werden von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorausgesagt, sind aber streng genommen nicht berechenbare Singularitäten der ART. In den 70-iger Jahren hat Bekenstein einen Weg gefunden, Schwarze Löcher mit Hilfe der Thermodynamik zu berechnen. Die Fläche des Ereignishorizonts wird gleichgesetzt mit der Entropie des Schwarzen Lochs. Ein gekrümmtes Flächenelement hat das Quadrat der Plancklänge und entspricht einem Entropiequant. Auf diese Weise wird die Raumzeitkrümmung quantisiert und eine Brücke zur Thermodynamik geschlagen. Stephen Hawking hat dann nachgewiesen, daß das Schwarze Loch eine, wenn auch äußerst niedrige, Temperatur hat und daß es strahlt . Die sog. Hawking-Strahlung war 1972 die große Entdeckung des durch seine Behinderung bekannten Physikers.

Nach der Planckwelt-Theorie haben wir einen neuen Dualismus. In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurde die Theorie vom Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts entwickelt. De Broglie gab diesem Dualismus dann eine mathematische Form mit seiner berühmten Gleichung .
Lambda= h / Impuls.

Mit steigender Frequenz nimmt der Teilchencharakter des Lichts zu.

Beim jetzt vorliegenden Dualismus ist der eine Pol die reversible Zeit der Quantenmechanik und der andere Pol die irreversible Zeit der Schwarzen Löcher. Dazwischen hat die Zeit eine Mischform.
Bei den Lebewesen im Mesokosmos gibt es auf diese Weise die reversiblen Biorhythmen, die überlaert werden von einem irreversiblen Alterungsprozeß.

Quantentheorie werden in der Planckwelttheorie durch einen Dualismus miteinander verknüpft. Die Quantisierung der Gravitation und die Quantisierung der gekrümmten Raumzeit wird nicht erreicht durch das Wirkungsquantum h, sondern durch das Wärmequantum k.