Serie zum Osnabrücker Wissensforum Gestern oder Morgen. Warum läuft die Zeit nicht rückwärts?

Von Jochen Gemmer (Gastautor)

Jochen Gemmer ist Professor für Theoretische Physik. Foto: HavergoJochen Gemmer ist Professor für Theoretische Physik. Foto: Havergo

Osnabrück. Beim 11. Osnabrücker Wissensforum im November 2018 haben 33 Professoren der Universität Osnabrück Fragen von Lesern der Neuen Osnabrücker Zeitung beantwortet. Heute als Beitrag: Gestern oder Morgen. Warum läuft die Zeit nicht rückwärts?

Eine naheliegende Frage, die sich jedem stellen sollte, der sich ein wenig mit Physik beschäftigt. Denn tatsächlich sind praktisch alle grundlegenden „Bewegungsgesetze“, also Gleichungen, die bestimmen, wie Bewegungen ablaufen können, „zeitumkehr-invariant“. Das heißt, nach diesen Gleichungen ist alles, was vorwärts passieren kann, auch rückwärts erlaubt. Das naheliegende Beispiel sind vielleicht die Newtonschen Gesetze, welche die Bewegung von Pendeln, Bällen, Planeten, et cetera beschreiben. Prinzipiell findet sich die Zeitumkehrinvarianz aber ebenso in der Quantenmechanik und der Relativitätstheorie.

Zahlreiche Vorgänge

Das ist auch im Alltag näherungsweise zu beobachten: Die Bewegung eines schweren Pendels an einem langen Faden ist über gewisse Zeiträume sogar fast identisch mit ihrer eigenen Rückwärtsversion. Auch ein kleiner, schwerer Ball der in einem Bogen geworfen wird, könnte auf fast derselben Bahn zurückgeworfen werden. Sieht man Filme solcher Vorgänge, kann man typischerweise nicht unterscheiden, ob sie vorwärts oder rückwärts laufen.

Es lassen sich irritierenderweise aber auch zahllose Vorgänge beobachten, die der fundamentalen Zeitumkehrinvarianz zu widersprechen scheinen: Eine heiße Tasse Kaffee etwa wird in einem normaltemperierten Raum immer nur abkühlen, sie wird nicht, umgekehrt, heißer werden. Hat die Zeit nun also eine Vorzugsrichtung?

Winzige Zitterbewegungen

Betrachten wir zum besseren Verständnis ein Beispiel aus der Küche: Wir füllen die linke Hälfte einer Schüssel mit Mehl und die rechte mit Kakao. Nun rühren wir im Uhrzeigersinn so lange, bis sich Mehl und Kakao vollständig gemischt haben. Nach einem Moment des Wartens rühren wir präzise rückwärts, gegen den Uhrzeigersinn. Wird sich das Gemisch nun entmischen bis Mehl und Kakao wieder in den Hälften der Schüssel getrennt sind? Wahrscheinlich nicht. Wäre die Welt tatsächlich von der Newtonschen Physik bestimmt und würden die Mehl- und Kakaopartikel nach dem ersten Rühren wieder völlig zur Ruhe kommen, dann müsste diese Trennung aber stattfinden.

Selbst in einer Newtonschen Welt sind die Partikel aber nach dem ersten Rühren nicht wirklich in Ruhe, sie führen immer noch winzige, unkontrollierbare Zitterbewegungen, sogenannte Wärmebewegungen aus. Diese Wärmebewegungen können wir nicht umkehren, daher gelingt es uns nicht, genau in die „Rückwärtslösung“ der Newtonschen Gleichungen zu kommen, selbst wenn wir präzise rückwärts rühren könnten.

Zwei Gruppen

Warum aber kommen wir bei diesen mikroskopischen Abweichungen nicht mal in die Nähe des Mehl-Kakao-getrennten Anfangszustands zurück? In der statistischen Physik werden alle mikroskopisch möglichen Anordnungen von Mehl- und Kakaopartikeln durchgezählt und in zwei Gruppen geteilt: Solche, die einer makroskopischen Mehl-Kakao-Trennung, und solche, die einer makroskopischen Mischung entsprechen. Man findet, dass es viel, viel mehr „Mischungsanordnungen als „Trennungsanordnungen“ gibt. Die Wärmebewegung macht es den Partikeln unmöglich auf dem genauen „Rückweg“ wieder präzise in die ursprünglichen Trennungsanordnungen zu kommen, sie werden immer knapp daneben landen. Da es aber so viel mehr Mischungsanordnungen gibt, bedeutet „knapp daneben“ eben praktisch immer: in einer der zahllosen Mischungsanordnungen. Daher erscheinen Mehl und Kakao weiterhin gemischt.

Geht man von einer Quantenwelt aus, dann wird die Frage nach der Ursache der faktischen Irreversibilität noch etwas schwieriger. Die vollständige Antwort wird bis heute erforscht, auch an der Universität Osnabrück.


Über das Internetangebot der Universität Osnabrück sind die Beiträge des 11. Wissensforums auch als Video abrufbar unter www.uni-osnabrueck.de/wissensforum.

Das 12. Wissensforum findet am Freitag, 15. November 2019, statt.

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