Wie funktionieren Zeitreisen?

Physiker können mathematisch berechnen, wie Reisen in die Vergangenheit funktionieren könnten. Aber wenn Zeitreisen möglich sind, welche Folgen würden sie haben?

Veröffentlicht am 6. Jan. 2021, 11:00 MEZ
Hier abgebildet ist ein Foto des Roboter-Restaurants in Tokio, das die Vorstellung einer Zeitreise verdeutlichen soll.

Zeitreisen faszinieren Wissenschaftler und Schriftsteller schon seit mindestens 125 Jahren. Hier abgebildet ist ein Foto des Roboter-Restaurants in Tokio, das die Vorstellung einer Zeitreise verdeutlichen soll.

Bild Photo Illustration by Matthew Pillsbury, Edwynn Houk Gallery

Ich sitze zu Hause fest, ihr sitzt zu Hause fest, wir alle sitzen alle zu Hause fest. Auf Reisen zu vergnüglichen Urlaubszielen oder Festivals müssen wir womöglich noch eine ganze Weile verzichten. Aber wie wäre es mit einer Reise durch die Zeit? Und zwar nicht nur auf die langweilige Art, bei der wir darauf warten, dass die Zukunft eine Sekunde nach der anderen eintrifft. Wie wäre es, wenn man nach Belieben durch die Zeit springen könnte? Vorwärts in die Zukunft oder rückwärts in die Vergangenheit, so einfach wie das Drücken von Knöpfen auf dem Armaturenbrett eines aufgemotzten DeLorean, genau wie im Film „Zurück in die Zukunft“?

Von Zeitreisen träumen die Menschen seit mindestens 125 Jahren. H.G. Wells schrieb seinen bahnbrechenden Roman „Die Zeitmaschine“ im Jahr 1895, und Physiker und Philosophen verfassen seit fast einem Jahrhundert ernsthafte Abhandlungen über das Thema.

Was die wissenschaftliche Erforschung von Zeitreisen aber wirklich in Gang brachte, war die Vorstellung der Zeit als Dimension, die in den letzten Jahren des 19. Jahrhunderts aufkam. Wir können uns problemlos durch den Raum bewegen – warum also nicht auch durch die Zeit?

Ende des 19. Jahrhunderts stellten sich Wissenschaftler die Zeit als eine Dimension wie den Raum vor, in der Reisende überall hingehen können. Diese Aufnahme des Tokyu Plaza in Tokios Omotesando Harajuku illustriert die Vorstellung einer Vielzahl von Orten und Zeiten.

Bild Photo Illustration by Matthew Pillsbury, Edwynn Houk Gallery

„Im Raum kann man hingehen, wohin man will. Also kann man vielleicht auch in der Zeit gehen, wohin man will“, sagt Nikk Effingham, ein Philosoph an der University of Birmingham in Großbritannien. „Von dort ist es nur noch ein kleiner Sprung zu Zeitmaschinen.“

Theorien der Zeitreisen

Wells war ein Schriftsteller, kein Physiker. Aber die Physik sollte ihn bald einholen. Im Jahr 1905 veröffentlichte Albert Einstein den ersten Teil seiner Relativitätstheorie, die als spezielle Relativitätstheorie bekannt ist. Darin sind Raum und Zeit formbar; Messungen von Raum und Zeit hängen von der relativen Geschwindigkeit der messenden Person ab.

Ein paar Jahre später zeigte der deutsche Mathematiker Hermann Minkowski, dass in Einsteins Theorie Raum und Zeit als zwei Aspekte einer einzigen vierdimensionalen Einheit namens Raumzeit betrachtet werden können. Im Jahr 1915 entwickelte Einstein dann den zweiten Teil seiner Theorie, die allgemeine Relativitätstheorie. Die allgemeine Relativitätstheorie betrachtet die Schwerkraft in einem neuen Licht: Anstatt sie als Kraft zu betrachten, beschreibt die allgemeine Relativitätstheorie sie als eine Krümmung oder Verformung der Raumzeit.

Aber die spezielle Relativitätstheorie reicht vorerst aus, um mit der Betrachtung von Zeitreisen zu beginnen. Die Theorie „stellt fest, dass die Zeit dem Raum viel ähnlicher ist, als wir zuvor dachten“, sagt Clifford Johnson, ein Physiker an der University of Southern California. „Also können wir womöglich alles, was wir mit dem Raum machen können, auch mit der Zeit machen.“

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Nun ja, fast alles. Die spezielle Relativitätstheorie gibt uns keine Möglichkeit, in der Zeit zurückzureisen, aber sie gibt uns eine Möglichkeit, vorwärts zu reisen – und zwar mit einer Geschwindigkeit, die man tatsächlich kontrollieren kann. Dank der speziellen Relativitätstheorie kann es sogar passieren, dass zwei Zwillinge unterschiedlich alt sind – das berühmte „Zwillingsparadoxon“.

Nehmen wir an, man macht sich in einem Raumschiff mit einer enorm hohen Geschwindigkeit (nahe der Lichtgeschwindigkeit) auf den Weg zum benachbarten Doppelsternsystem Alpha Centauri, während der eigene Zwilling auf der Erde bleibt. Wenn man wieder nach Hause kommt, wird man feststellen, dass man nun viel jünger ist als der eigene Zwilling. Das wirkt kontraintuitiv, aber an der physikalischen Erklärung gibt es auch nach mehr als einem Jahrhundert nichts zu rütteln.

„Es ist mit der speziellen Relativitätstheorie absolut beweisbar, dass der Astronaut, der nahezu mit Lichtgeschwindigkeit reist, viel jünger sein wird als sein Zwilling, wenn er zurückkommt“, sagt Janna Levin, Physikerin am Barnard College in New York. Interessanterweise scheint die Zeit für beide Zwillinge genauso zu vergehen wie immer; erst wenn sie wieder vereint sind, zeigt sich der Unterschied.

Vielleicht waren beide in ihren Zwanzigern, als die Reise begann. Wenn der Reisende zurückkommt, sieht er nur ein paar Jahre älter aus als bei der Abreise, während der Zwilling vielleicht schon Enkelkinder hat. „Sein Erleben der vergangenen Zeit ist für ihn völlig normal. Seine Uhren ticken im normalen Rhythmus, er altert normal, Filme laufen im richtigen Tempo“, sagt Levin. „Er ist nicht weiter in seine eigene Zukunft gereist als normal. Aber er ist in die Zukunft seines Zwillings gereist.“

Mit der allgemeinen Relativitätstheorie fangen die Dinge erst richtig an, interessant zu werden. Laut dieser Theorie krümmt ein massereiches Objekt Raum und Zeit. Das kennt man vielleicht aus Diagrammen oder Videos, in denen das mit einem Ball veranschaulicht wird, der in eine dehnbare Oberfläche einsinkt.

Daraus folgt nicht nur, dass Reisen mit hoher Geschwindigkeit den Lauf der Zeit beeinflussen, sondern auch, dass die bloße Nähe zu einem massereichen Objekt wie einem Schwarzen Loch das eigene Erleben der Zeit beeinflusst. (Dieser Fakt war von zentraler Bedeutung für die Handlung des Films „Interstellar“ von 2014, in dem Matthew McConaugheys Charakter Zeit in der Nähe eines massereichen Schwarzen Lochs verbringt. Als er nach Hause zurückkehrt, stellt er fest, dass seine eigentlich junge Tochter alt geworden ist).

Um das Großvaterparadoxon zu umgehen, könnten Spekulationen von Physikern zufolge mehrere Zeitlinien existieren. Auf diesen Bildern des Nakagin Capsule Tower in Tokio scheint die Zeit mit unterschiedlicher Geschwindigkeit zu vergehen.

Bild Photo Illustration by Matthew Pillsbury, Edwynn Houk Gallery

Aber Schwarze Löcher sind nur der Anfang. Physiker spekulieren auch über die Auswirkungen einer viel exotischeren Struktur, die sie als Wurmloch bezeichnen. Wurmlöcher könnten – falls sie denn existieren – einen Ort in der Raumzeit mit einem anderen verbinden. Ein Astronaut, der im Jahr 3000 in ein Wurmloch in der Andromeda-Galaxie fliegt, könnte am anderen Ende in unserer eigenen Galaxie im Jahr 2000 herauskommen. Aber es gibt einen Haken: Während es mehr als genug Beweise für die Existenz von Schwarzen Löchern gibt – Astronomen haben letztes Jahr sogar eines fotografiert –, sind Wurmlöcher weitaus spekulativer.

„Man kann sich vorstellen, eine Brücke von einer Region der Raumzeit zu einer anderen Region der Raumzeit zu bauen“, erklärt Levin, „aber das würde Arten von Masse und Energie erfordern, von denen wir nicht wissen, ob sie in der Realität existieren – Dinge wie negative Energie.“ Sie sagt, es sei zwar „mathematisch denkbar“, dass Strukturen wie Wurmlöcher existieren könnten, aber sie seien womöglich kein Teil der physikalischen Realität.

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Damit würde sich auch die beunruhigende Frage stellen, was mit unseren Konzepten von Ursache und Wirkung passiert, wenn Zeitreisen in die Vergangenheit möglich wären. Das berühmteste dieser Rätsel ist das sogenannte Großvaterparadoxon. Angenommen, man reist in jene Zeit zurück, als der eigene Großvater noch ein junger Mann war. Man tötet ihn (vielleicht aus Versehen), was bedeutet, dass entweder die eigene Mutter oder der eigene Vater nicht geboren wird. Das wiederum bedeutet, dass man selbst auch nicht geboren wird und deshalb auch nicht durch die Zeit reisen und den eigenen Großvater töten kann.

Existieren mehrere Zeitlinien?

Im Laufe der Jahre haben Physiker und Philosophen über verschiedene Lösungen für das Großvaterparadoxon nachgedacht. Eine Möglichkeit ist, dass das Paradoxon einfach beweist, dass keine solchen Reisen möglich sind. Die Gesetze der Physik müssen irgendwie Zeitreisen in die Vergangenheit verhindern. Das war auch die Ansicht des verstorbenen Physikers Stephen Hawking, der diese Regel die chronology protection conjecture (dt.: Chronologieschutz-Hypothese“) nannte. Wohlgemerkt er hat nie die tatsächliche Physik hinter einer solchen Regel spezifiziert.

Aber es gibt auch andere, faszinierendere Lösungen. Vielleicht sind Zeitreisen in die Vergangenheit möglich, und dennoch können Zeitreisende die Vergangenheit nicht ändern, egal wie sehr sie es versuchen. Effingham, dessen Buch „Time Travel: Probability and Impossibility“ (dt.: Zeitreisen: Wahrscheinlichkeit und Unmöglichkeit) Anfang 2020 veröffentlicht wurde, formuliert es so: „Man könnte die falsche Person erschießen, oder man könnte seine Meinung ändern. Oder Sie erschießen die Person, die Sie für Ihren Großvater halten, aber es stellt sich heraus, dass Ihre Großmutter eine Affäre mit dem Milchmann hatte, und das war die ganze Zeit Ihr Großvater. Sie haben es nur nicht gewusst.“

Das bedeutet auch, dass die vieldiskutierte Fantasie, Hitler vor Ausbruch des Zweiten Weltkriegs zu töten, nicht umsetzbar ist. „Es ist unmöglich, weil es nicht passiert ist“, sagt Fabio Costa, ein theoretischer Physiker an der University of Queensland in Australien. „Das steht nicht mal zur Debatte. Wir wissen, wie sich die Geschichte entwickelt hat. Es gibt keinen zweiten Versuch.“

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In der Tat mutmaßt Effingham, dass ein Zeitreisender im Falle einer unveränderlichen Vergangenheit wahrscheinlich gar nichts tun kann. Unsere bloße Existenz zu einer Zeit, in der wir nie existiert haben, wäre ein Widerspruch. „Dem Universum ist es egal, ob das, was Sie verändert haben, darin besteht, dass Sie Hitler getötet haben oder dass Sie ein Atom von Position A nach Position B bewegt haben“, sagt Effingham.

Aber noch ist nicht alles verloren. Die Szenarien, die Effingham und Costa sich ausmalen, bedingen ein einziges Universum mit einer einzigen „Zeitlinie“. Doch einige Physiker spekulieren, dass unser Universum nur eines unter vielen ist. Wenn das der Fall ist, dann können Zeitreisende, die die Vergangenheit besuchen, vielleicht doch tun, was sie wollen, was ein neues Licht auf das Großvaterparadoxon werfen würde.

„Vielleicht beschließt man, aus welchem Grund auch immer, zurückzugehen und dieses Verbrechen [den Großvater zu töten] zu begehen. Dadurch ‚verzweigt‘ sich die Welt in zwei verschiedene Realitäten“, sagt Levin. Das Ergebnis: „Obwohl Sie scheinbar Ihre Vergangenheit verändern, verändern Sie sie nicht wirklich; Sie erschaffen eine neue Geschichte.“ Diese Idee der multiplen Zeitlinien ist das Grundprinzip der Filmtrilogie „Zurück in die Zukunft“. Im Gegensatz dazu unternimmt Bruce Willis’ Figur in dem Film „12 Monkeys“ mehrere Zeitreisen, aber alles spielt sich entlang einer einzigen Zeitlinie ab.

Arbeit für die Zukunft

Worüber sich alle einig zu sein scheinen, ist, dass in absehbarer Zeit niemand einen zeitreisenden DeLorean bauen oder ein maßgeschneidertes Wurmloch konstruieren wird. Stattdessen konzentrieren sich die Physiker darauf, jene Arbeit zu vollenden, die Einstein vor einem Jahrhundert begann.

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Selbst nach mehr als 100 Jahren hat noch niemand herausgefunden, wie man die allgemeine Relativitätstheorie mit der anderen großen Säule der Physik des 20. Jahrhunderts in Einklang bringen kann: der Quantenmechanik. Einige Physiker glauben, dass eine lange gesuchte vereinheitlichte Theorie der Quantengravitation neue Erkenntnisse über die Natur der Zeit liefern wird. Zumindest, so sagt Levin, scheint es wahrscheinlich, „dass wir über die allgemeine Relativitätstheorie hinausgehen müssen, um die Zeit zu verstehen“.

Derweil überrascht es niemanden mehr, dass wir weiterhin davon träumen, durch die Zeit genauso wie durch den Raum reisen zu können. „Die Zeit hängt mit allem zusammen, was wir tun“, sagt Johnson. „Sie spielt eine große Rolle dabei, wie wir die Welt wahrnehmen. Wenn wir also in der Lage wären, mit der Zeit zu spielen – es ist nicht überraschend, dass wir davon besessen sind und darüber phantasieren.“

Der Artikel wurde ursprünglich in englischer Sprache auf NationalGeographic.com veröffentlicht.

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