Vom Anfang und Ende der Zeit (D.-E. Liebscher)

Vom Anfang und Ende der Zeit

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In diesem Vortrag werden neue Einsichten und Erkenntnisse über den Anfang und das Ende der Zeit vorgestellt. So kann man die Expansion des Universums sowohl beobachten als auch logisch herleiten. Dank des wissenschaftlichen Fortschritts kennt der Mensch die Geschichte des Universums immer besser und erfährt dadurch Neues über die physikalische Zeit und seinen geschichtlichen Maßstab. Was bedeutet dies für die Anfang und das Ende der Zeit und wie kann man sich das vorstellen? Wenn die generelle Widerspruchsfreiheit unserer Vorstellung von der Natur allgemein und der Zeit an einem Modell für das Universum geprüft werden soll, stoßen wir auf die Frage nach Anfang und Ende der Zeit, die nur durch logischen Schluss beantwortet werden kann, während das Modell durch Beobachtungen gestützt und korrigiert werden muss.

Die Zeit
Zeit ist Veränderung. Ohne Veränderung gibt es keine Zeit. Nach einer Präparation wird jeder Zustand in der Kette der Folgezustände im Allgemeinen nur einmal durchlaufen. Diese Monotonie generiert die Zeit.
Die Uhr
Zeitmessung ist die Zählung wiederkehrender Abläufe. Die gleichmäßigste Zeit ist die, die zu den Keplerschen Gesetzen und generell zur Newtonschen Mechanik am besten passt.
Die Richtung der Zeit
Selbst wenn man die Metapher vom ständigen Werden und Vergehen im Munde führt, so ist das Vergehen nie ein rückwärtslaufendes Werden. Die Zeitrichtung, die wir empfinden und physikalisch auch belegen können, ist die des thermodynamischen Ausgleichs.
Die Expansion des Universums
- Die Expansion des Universums als logischer Schluß
  Unterstellt man ein im Großen homogenes Universum, dessen mittlere Dichte nicht Null ist, dann gibt es (bisher) nur eine Theorie, die die dieses Universum widerspruchsfrei zu modellieren gestattet - die Allgemeine Relativitätstheorie. Einstein hat zwar als erstes gezeigt, dass diese eine statisches Universum als Lösung zulässt, aber diese ist instabil. Das Universum muss also expandieren oder kontrahieren. Kontraktion aber verhinderte den Zerfall thermischen Gleichgewichts zwischen den Materiekomponenten und damit die Bildung von Strukturen, wie wir sie im Universum beobachten. Das Universum muss expandieren.
- Die Expansion des Universums als Beobachtungsstatsache
  Mit wachsender Zuverlässigkeit findet man eine Fluchtbewegung der Galaxien. Die Strukturen im Spektrum der Galaxien sind um so mehr ins Langwellige verschoben, je weiter die Galaxien entfernt scheinen. Dabei ist die Entfernungsbestimmung das Problem, da die absolute trigonometrische Methode noch nicht einmal zur Entfernungsbestimmung innerhalb unserer Galaxis reicht und die relativen Methoden unter der Unsicherheit der universellen Leuchtstärken der einzelnen Objektklassen leiden.
- Das von der Gravitationstheorie Einsteins entworfene Bild
  Das Universum expandiert, aber die Expansion ist nur eine des Maßstabs. Es gibt keine Objekte, an denen sich die Galaxien vorbeibewegen. Die einzelne Galaxie ruht in ihrer Umgebung. Dazu braucht das Licht Zeit, um die Entfernungen zu durcheilen. Je weiter wir in das Weltall hinaussehen, desto tiefer sehen wir in die Vergangenheit des Universums. Jedes Teilvolumen des Kosmos expandiert in gleicher Weise und die Materie muss ihrem Druck gemäß dabei Arbeit leisten. So kein Austausch zwischen den einzelnen Komponenten der Materie stattfindet, verdünnen sich alle verschieden schnell. Am schnellsten verdünnt sich die Strahlung. Seit langer Zeit ist sie ohne Belang für den Verlauf der Expansion, dafür war sie in der fernen Vergangenheit die bestimmende Komponente der Materie.
Die beobachtbaren Momente der Geschichte des Universums
Zeitmaße im Universum (Physikalische Zeit und der geschichtliche Maßstab)
Die Mercator-Karte der Geschichte des Universums
Der Schluß auf den Anfang der Zeit
Zu einer bestimmten, nicht unendlich fernen Zeit wird der Maßstabsfaktor Null, die Entfernungen schrumpfen auf Null. Diesen Zeitpunkt könnten wir als Anfang unserer Zeitrechnung nehmen, wenn wir nur genau wüssten, wo er liegt.
Was müssen wir für die Zeit vor t=0 vermuten? Zunächst ist t=0 ein Rand der Welt. Er hat singuläre Eigenschaften -- eben das Verschwinden der Abstände der Punkte auf ihm. Die Krümmung der Welt und auch die Energiedichte werden unendlich. Alles hofft nun auf das Wort der Quantentheorie, die sich hier aber der Gravitationstheorie (d.h. der Allgemeinen Relativitätstheorie) stellen muss.
Der Schluß auf das Ende der Zeit
Für die Lichtuhr (das zwischen zwei weit entfernten Galaxien pendelnde Photon) hat unser Universum nicht nur einen Anfang, sondern auch ein Ende. Die exponentielle Expansion konstanter Rate, die uns in der Zukunft erwartet, verlängert den Weg des Photons unserer Lichtuhr so schnell, dass dieses am Ende nicht mehr folgen kann. Dies zeigt, dass alle Prozesse, die Wechselwirkung über kosmische Distanzen verlangen, einfach einfrieren.

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