Die Zeit erscheint uns linear: Wir erinnern uns an die Vergangenheit, erleben die Gegenwart und sagen die Zukunft voraus und bewegen uns fortlaufend von einem Moment zum nächsten. Aber warum ist das so und könnte die Zeit letztlich eine Art Illusion sein? In dieser Folge der mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Physiker Frank wilczek spricht mit dem Gastgeber Steven Strogatz über die vielen „Pfeile“ der Zeit und warum die meisten davon irreversibel zu sein scheinen, über das Wesen einer Uhr, darüber, wie Einstein unsere Definition von Zeit veränderte und über den unerwarteten Zusammenhang zwischen Zeit und unserer Vorstellung davon, was dunkle Materie sein könnte.

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Abschrift

STEVEN STROGATZ: Wir alle sind uns des Laufs der Zeit bewusst. Wir haben es im Wechsel der Jahreszeiten, im Rhythmus von Gesang und Tanz, im Erwachsenwerden und Älterwerden unserer Kinder gespürt. Ob es Ihnen gefällt oder nicht, Zeit ist ein grundlegender Teil des Lebens. Und im Laufe der Jahrtausende haben Wissenschaftler die Zeit im Allgemeinen als ein eindimensionales Ding betrachtet, als einen Pfeil, der sich immer vorwärts und niemals rückwärts bewegt. Doch je genauer wir die Zeit betrachten, desto komplizierter und mysteriöser wird sie. Heutige Wissenschaftler sind sich uneinig darüber, ob die Zeit oder zumindest unsere Erfahrung damit real oder illusorisch ist. Vielleicht bewegen wir uns nicht wirklich durch die Zeit. Vielleicht sind Gegenwart, Vergangenheit und Zukunft alle gleichermaßen real.

[Themenspiele]

Ich bin Steve Strogatz und das ist „The Joy of Why“, ein Podcast von Quanta Magazine, wo mein Co-Moderator, Janna Levin, und ich gehe abwechselnd einigen der größten unbeantworteten Fragen in Mathematik und Naturwissenschaften von heute nach.

In dieser Folge fragen wir theoretischer Physiker Frank Wilczek, "Was ist Zeit?" Wie haben wir es in der Vergangenheit definiert? Und wie könnte die Quantenphysik sie in Zukunft neu definieren?

Frank ist Herman-Feshbach-Professor für Physik am MIT, ein angesehener Professor an der Arizona State University und Professor an der Universität Stockholm. Er ist der Gewinner des Nobelpreis 2004 in Physik und den Templeton-Preis 2022. Und er ist Autor einer Reihe von Büchern, darunter zuletzt: Grundlagen: Zehn Schlüssel zur Realität. Frank, willkommen bei „The Joy of Why“.

FRANK WILCZEK: Vielen Dank. Froh hier zu sein.

STROGATZ: Nun, ich freue mich sehr, wieder mit Ihnen zu chatten. Ich habe Ihr ganzes Buch geliebt Grundlagen, und die Erklärung, die Sie mir über die Zeit gegeben haben und wie man über die Zeit nachdenkt, war für mich eine der ergreifendsten und schönsten. Aber ich möchte mit einer Art persönlichen Frage zu Ihrer Zeiterfahrung beginnen, einfach als Sohn und als Mensch, als Ehemann, ich weiß es nicht. Wie erleben Sie als Mensch Zeit und unterscheidet sich diese von der Erfahrung als Wissenschaftler?

WILCZEK: Nun, dieses Jahr wurde ich auf eine sehr schöne Art und Weise mit der Zeit konfrontiert. Dies ist der 50. Jahrestag meiner ersten wissenschaftlichen Arbeit und, nicht zufällig, auch meiner Hochzeit. Das ist 50 Jahre her…

STROGATZ: (lacht) Wow.

WILCZEK: Und ich habe über den Lauf der Zeit nachgedacht und bin in gewisser Weise in die Vergangenheit gereist, um diese entscheidenden Momente noch einmal Revue passieren zu lassen.

Es ist eine sehr interessante Frage, die Sie stellen, dass die Zeit, wie sie in unseren Gleichungen erscheint, … Nun, sie ist die Hauptvariable, unter der sich die Welt entfaltet. Es ist also ein Symbol, t, das erscheint in unseren Gleichungen. Und indem wir den Gleichungen folgen, erhalten wir Hinweise darauf, was t Ist. Und das verrät Ihnen, was seine Eigenschaften sind, die sich in den Dingen, die wir um uns herum sehen, und ihrem Verhalten widerspiegeln.

Aber die Zeit entwickelt sozusagen ein Eigenleben, weil man ihre Eigenschaften unabhängig von den Dingen, auf die sie einwirkt, diskutieren kann, insbesondere ihre Symmetrie.

Aber zurück zur Erfahrung der Zeit im Vergleich zu einer physischen Definition der Zeit – das, was im wahrsten Sinne des Wortes eine Falte darin mit sich bringt, ist, dass wir durch das Speichern von Informationen über die Vergangenheit und durch das Nachdenken über die Zukunft auf so physische Weise durch die Zeit reisen können Objekte, die den Gleichungen der Physik gehorchen, tun dies wirklich nicht.

Nur Zeitnachbarn reden in den Gleichungen wirklich miteinander. Aber in unserem Kopf können wir Erinnerungen speichern. Oder wir können an die Zukunft denken. Wir können wirklich durch die Zeit reisen.

STROGATZ: Das ist großartig. Dass es etwas in den Gleichungen gibt, auf das wir nur unendlich weit blicken. Wie Sie sagen, kommt es auf die zeitlichen Nachbarn an, oder? Die aktuellen Bedingungen sagen voraus, was im nächsten Moment in der Zukunft passieren wird.

WILCZEK: Ja, sicherlich funktioniert es im gegenwärtig verstandenen Rahmen des Grundrechts so. Es macht Spaß zu spekulieren, dass es letztendlich vielleicht eine globalere Struktur gibt, dass es Bedingungen gibt, die wir noch nicht erfasst haben und die die Entfaltung des Universums unvermeidlich und einzigartig machen.

Aber so wie es jetzt ist, sagen Ihnen die Gesetze, wie sich der Zustand der Welt in einem Moment so entwickelt, wie er im nächsten Moment ist.

STROGATZ: Was sind Ihrer Meinung nach die großen Geheimnisse der Zeit?

WILCZEK: Ich denke, ein Rätsel, das sehr fruchtbar ist, und ich denke, dass wir bei der Aufklärung vielleicht große Fortschritte gemacht haben, ist, dass die grundlegenden Gesetze der Physik so aussehen mit der Zeit nahezu reversibel, obwohl die alltägliche Erfahrung der Welt es nicht ist.

Das wirft also zwei Fragen auf: Wie kann man aus fundamentalen Gesetzen, die diese Reversibilitätseigenschaft haben, Erfahrungen machen, was grundsätzlich nicht der Fall ist?

Und zweitens, warum in aller Welt hatten die Gesetze diese Eigenschaft, wenn es doch nicht nur nicht notwendig ist, Erfahrungen zu beschreiben, sondern es auch irgendwie peinlich ist? Es stellt ein Problem dar, eine Herausforderung. Wie bringen wir diese Eigenschaft der Gesetze mit der Erfahrung in Einklang, die, wenn nicht sogar im Widerspruch, so doch zumindest in einem Spannungsverhältnis dazu zu stehen scheint?

Das sind zwei große Probleme, die meiner Meinung nach zwar weitgehend gelöst, aber immer noch sehr fruchtbar sind, insbesondere das erste: Warum sind die Gesetze so?

Und dann ist das ein noch größeres Problem – oder ein noch mysteriöseres und tiefgreifenderes Problem – die Art und Weise, wie wir jetzt unsere Beschreibung der Welt formulieren – in Form von Gesetzen, die Ihnen sagen, wie sich die Welt von Moment zu Moment entwickelt vollständig?

Es erscheint in gewisser Weise philosophisch unbefriedigend, weil es die Beschreibung der Welt in zwei Teile teilt. Das eine sind die Gleichungen und das andere ist der Zustand der Welt zu einem bestimmten Zeitpunkt, den man irgendwie einbringen muss, um die Dinge in Gang zu bringen.

STROGATZ: Mal sehen, ob ich das bekomme. Bei den Fragen geht es darum, warum die Gesetze diese nahezu reversible Eigenschaft haben.

WILCZEK: Ja.

STROGATZ: Die Frage „Gleichungen versus Anfangsbedingungen“ könnte man so formulieren.

WILCZEK: Ja ja.

STROGATZ: Einige Leute da draußen werden wissen, dass Sie Anfangsbedingungen sagen, ohne es zu sagen.

WILCZEK: Recht.

STROGATZ: Und es gibt auch diesen Jargon, der „Pfeil der Zeit”über – dass es sich in unserer Erfahrung so anfühlt, als würde die Zeit nur vorwärts fließen. Und Sie sagen, dass man das Gefühl hat, dass es eine gute Auflösung hat. Wir glauben, den Pfeil der Zeit zu verstehen.

WILCZEK: Ich glaube schon. Es ist eine lange Geschichte, die mit der Zeit immer überzeugender geworden ist. Aber ich denke, es gibt offenbar viele verschiedene Zeitpfeile, viele verschiedene Arten, in denen sich die Zukunft von der Vergangenheit unterscheidet. Es gibt sicherlich ein psychologisches Phänomen. Auch der zweite Hauptsatz der Thermodynamik. Es sagt einem, dass die Dinge zufälliger werden, ganz grob gesagt, hat aber auch eine präzise Formulierung. Es gibt den Strahlungspfeil der Zeit, der dazu neigt, von Dingen auszugehen und nicht hineinzukommen. Es gibt diesen Zeitpfeil, der mit der Evolution des Lebens verbunden ist. Und viele andere könnten Sie spontan erfinden. Überall, wo man hinschaut, sind Pfeile der Zeit. Es gibt Asymmetrien zwischen Zukunft und Vergangenheit.

Aber ich denke, jetzt können wir sie alle in einem Pfeil zusammenfassen. Genau wie der „Ein Ring, der sie alle regiert“, gibt es einen Pfeil, der sie alle regiert, und das ist der kosmologische Pfeil der Zeit.

Man könnte also sagen, wir haben das Rätsel gelöst, aber ich denke, es wäre zutreffender zu sagen, dass wir alle Rätsel in einem zusammengefasst haben, nämlich: Warum gab es überhaupt einen Urknall?

Die Schwerkraft mag es, Dinge zu verklumpen, aber das frühe Universum zur Zeit des Urknalls im Weltraum war sehr, sehr einheitlich. Die Schwerkraft war also völlig aus dem Gleichgewicht. Und was seitdem geschieht, ist, dass die Schwerkraft darum kämpft, das Gleichgewicht wiederherzustellen.

Die Materie dehnt sich also aus und kühlt ab, dann verklumpt sie und bildet (irgendwann) Sterne, die beginnen, Kernenergie freizusetzen, und Planeten, auf denen sich Lebewesen entwickeln können. Es gibt eine sehr plausible, sehr detaillierte Geschichte, die alle Pfeile mit diesem einen Pfeil der kosmischen Evolution in Einklang bringt.

STROGATZ: Ich finde es sehr – ich weiß nicht einmal, welches Adjektiv ich dafür verwenden würde, aber die Vorstellung, dass unsere Zeiterfahrung nur von der Gegenwart in die Zukunft fließt und dass Eier sich nicht von selbst entwirren und so etwas, das ist es Irgendwie verbunden mit der Entwicklung des gesamten Universums von seinem heißen, einheitlichen Zustand zu seinem aktuellen klumpigen, Sie wissen schon, galaxienbeladenen Stern ... Es ist einfach verrückt zu glauben, dass dieses Zeug, das so weit entfernt scheint, jetzt, wo ich ein bin, meine Rückenschmerzen beeinflusst Alter Mann, weißt du? Wirklich, oder? Letztendlich ist es das, was Sie sagen.

WILCZEK: Es ist sicherlich keine offensichtliche Geschichte, und ohne Berge von Beweisen, die im Laufe der modernen Wissenschaft entwickelt wurden, wäre sie unglaublich. Es ist also absolut erstaunlich.

STROGATZ: Wenn sich die Dinge nicht ändern würden – wenn wir uns beispielsweise ein Gedankenexperiment vorstellen könnten, bei dem sich nichts ändert, würde die Zeit dann noch existieren? Existiert die Zeit getrennt von den Ereignissen? Oder ist die Zeit eine Art Maß dafür, dass sich Dinge ändern?

WILCZEK: Nun, Sie können sich sicherlich vorstellen – und tatsächlich können Sie Lösungen der Grundgesetze der Physik konstruieren –, die so im Einklang mit allen Grundprinzipien stehen, die wir kennen, wo nichts passiert, und t ist immer noch ein Bestandteil dieser Gleichungen –

STROGATZ: Ein leeres Universum hätte also noch Zeit?

WILCZEK: Ja, die Zeit würde immer noch eine Rolle spielen. Und selbst in dieser Situation könnte man sich die Frage stellen: Was würde passieren, wenn man dieses universelle Gleichgewicht ein wenig stören würde? Und dann würde die Zeit enthüllt werden. Die Zeit wäre also gewissermaßen latent, scheint aber dennoch notwendig zu sein, um zu formulieren, wie die Situation ist. Wir sprechen von etwas, das unabhängig von der Zeit ist, aber das kann man nicht formulieren, ohne zu sagen, dass es etwas gibt, von dem es hätte abhängen können, das aber nicht der Fall ist.

STROGATZ: Es ist schon eine interessante Antwort. Ich bin ein wenig überrascht, dass du das sagst. Ich meine, soweit ich mich erinnere, magst du Philosophie. Ich glaube, Sie haben ein bisschen Philosophie studiert, oder?

WILCZEK: Sehr amateurhaft, auf eine sehr amateurhafte Art und Weise. Aber ich habe in letzter Zeit tatsächlich darüber nachgedacht, auf technischer Ebene. Aber denken Sie an einen Fluss, den Fluss eines Flusses. Es gibt zwei verschiedene Beschreibungen, die man sich für einen Fluss vorstellen kann, der sehr regelmäßig fließt.

In einer Beschreibung, die technisch gesehen Euler-Beschreibung genannt wird, würden Sie also angeben, wie hoch die Strömungsgeschwindigkeit an jeder Position ist, und das würde Ihnen eine vollständige Beschreibung der Strömung des Flusses liefern. Und wenn der Fluss regelmäßig ist, passiert möglicherweise nichts. Die Geschwindigkeiten würden sich mit der Zeit nicht ändern.

STROGATZ: Recht.

WILCZEK: Es gibt jedoch noch eine andere Beschreibung, die mit dem Namen Lagrange verbunden ist. Es ist eine Art Innenbeschreibung, bei der man dem Fluss einzelner Wassermoleküle folgt. Und dann bewegen sich diese Proben mit der lokalen Geschwindigkeit weiter. Und im Laufe der Zeit sind sie an einem anderen Ort und sehen daher eine andere Geschwindigkeit. Obwohl die Geschwindigkeit ursprünglich eine Funktion der Position war, nicht jedoch der Zeit. Aber von innen betrachtet, wenn man dem Fluss selbst folgt, dann passieren Dinge.

Beide Beschreibungen sind also gültig. Wenn wir diesen Fluss ein Universum nennen, ändert sich das Universum in gewisser Weise nicht. Aber wie man von innen heraus erfährt, verändert es sich. Es gibt viel Raum für dynamische Entwicklung, wenn man sich im Fluss befindet und mit dem Strom schwimmt.

Und ich denke, dass das, was im Universum passiert, möglicherweise auf einer tiefen Ebene geschieht. Wenn Sie eine Innenbeschreibung wünschen – eine Lagrange-Beschreibung im Gegensatz zur Euler-Beschreibung – ist das kein Widerspruch. Es ist einfach eine unterschiedliche Art, dasselbe Objekt, dieselbe Realität von innen oder von außen zu betrachten. Die Sicht eines Menschen im Vergleich zur Sicht eines Gottes.

STROGATZ: Ich möchte mit Ihnen die verschiedenen Vorstellungen von Zeit in der Wissenschaftsgeschichte untersuchen, beispielsweise von Newton bis Einstein. Aber in diesem Moment möchte ich Sie einfach fragen – und es ist natürlich lustig, wir reden immer wieder über Zeit, während wir über Zeit diskutieren. Wie ich schon sagte: „In diesem Moment werde ich Ihnen eine Frage zur Zeit stellen.“

WILCZEK: Es ist schwer zu entkommen, nicht wahr?

STROGATZ: Es ist schwer zu entkommen!

WILCZEK: Das ist, was sie sagten. Wenn es eine Illusion ist, dann ist es eine ziemlich überzeugende Illusion.

STROGATZ: Es ist eine sehr überzeugende Illusion. Ich wollte also Folgendes erreichen: Wir wissen, dass Einstein stark von einem Wissenschaftler/Philosophen namens Mach beeinflusst wurde. Ernst Mach. Wir reden über die Mach-Zahl beim Klang, aber es ist derselbe Mach. Okay, aber so: Mach. War dieser Typ sehr an operativen Definitionen von Dingen interessiert? So beginnt Einstein, der dort im Patentamt sitzt und über die Zeit nachdenkt, zu sagen: „Zeit ist das, was Uhren messen.“

Und darüber schreiben Sie viel in Grundlagen, und ich fand das eine sehr interessante Sicht auf die Dinge. Sie wollen – können Sie diese Idee aufgreifen? Sollten wir uns beispielsweise Zeit als etwas vorstellen, das Uhren messen, und nicht als eine nebulösere Definition von Zeit?

WILCZEK: Nun ja, ich denke schon, wenn wir auf einer grundlegenden Ebene wissenschaftlich und fruchtbar über die Zeit nachdenken wollen. Aber lassen Sie es mich ein wenig präzisieren.

STROGATZ: Es muss etwas ausgepackt werden.

WILCZEK: Das englische Wort „Zeit“ deckt einen weiten Bereich ab und kann in verschiedenen Bedeutungen verwendet werden, genau wie „Energie“, OK? Energie bedeutet im Kontext der wissenschaftlichen Diskussion etwas ganz Spezielles. Aber in der Umgangssprache hat es eine viel umfassendere Bedeutung, die auch unscharfe Kanten hat.

Ähnlich verhält es sich mit der Zeit: Wenn ich sage: „Zeit ist das, was Uhren messen“, beziehe ich mich auf das wissenschaftliche Konzept der Zeit, das äußerst fruchtbar ist und mit großer Präzision sehr weit getragen werden kann. Und um diese Aussage richtig zu verstehen, muss man auch den Begriff einer Uhr erweitern.

Eine Uhr ist alles auf der Welt, das sich in irgendeiner Weise ändert, da die Gesetze so formuliert sind, dass sich die Dinge als Funktion dieser Variablen ändern t. Und alles ändert sich, und die Dinge ändern sich auf unterschiedliche Weise. Sie ziehen um. Sie gehen chemische Reaktionen ein. Sie altern im biologischen Sinne. Und die bemerkenswerte Aussage ist, dass diese eine Variable in den Gleichungen dem Ganzen zugrunde liegt.

Man kann also Uhren haben, die nach ganz, ganz unterschiedlichen Prinzipien funktionieren. Es gibt Dinge, die die Bewegung der Erde um die Sonne überwachen. Es gibt Dinge, die den Wasserfluss überwachen, Wasseruhren. Sie könnten eine Uhr haben, die auf dem Zuschauen basiert wie jemand altert, ein Mensch altert. Das wäre keine sehr genaue Uhr, aber im Prinzip, und wenn man sich mit der Biochemie befasst, es könnte präziser gemacht werden. Es gibt viele, viele verschiedene Arten von Uhren, aber sie stimmen alle miteinander überein.

Wenn ich also sage, dass Uhren das messen, was Zeit ist, dann ist das mehr als eine bloße Aussage. Es hat einen sehr nicht trivialen Inhalt. Es besagt, dass alle Uhren, die richtig kalibriert und verstanden sind, unabhängig davon, auf welchem ​​Prinzip sie basieren, in der Lage sein werden, eine konsistente Einigung darüber zu erzielen, was die Zeit ist.

STROGATZ: Wir sind gleich wieder da.

[Pause für Anzeigeneinfügung]

STROGATZ: Willkommen zurück bei „The Joy of Why“.

Wenn ich hier ein wenig von der Philosophie zur Geschichte der Wissenschaft übergehe, scheint mir, dass ein großer Teil der Erfolgsgeschichte der Wissenschaft, insbesondere in dem, was wir oft als wissenschaftliche Revolution des 1600. Jahrhunderts und später bezeichnen, mit der Wissenschaft zu tun hatte Fähigkeit, die Zeit ziemlich gut zu messen. Dass es kein Zufall ist, dass Galileo, Huygens und Newton und, wissen Sie, ihre Nachfolger zur gleichen Zeit existierten, als mit der Herstellung guter Pendeluhren begonnen wurde. Und dass man die Bewegungsgesetze auf eine Art und Weise verstehen konnte, wie man sie nur schwer verstehen konnte, bevor man über gute Zeitmessgeräte verfügte.

Glaubst du, das ist richtig? Dass unser wissenschaftlicher Fortschritt wirklich von der Fähigkeit abhing, die Zeit gut zu messen?

WILCZEK: Es hat auf jeden Fall geholfen. Und vor allem, wenn man die Definition von Zeit erweitert, um die regelmäßige Bewegung von Planeten einzubeziehen, wie das Keplersche Gesetz, dass die Planeten in gleichen Zeiten gleiche Flächen überstreichen. Und natürlich war diese Beobachtung von zentraler Bedeutung für die Formulierung von Keplers Gesetzen, die zusammen mit Galileos Studium der Pendel und fallenden Körper zum Höhepunkt der wissenschaftlichen Revolution führten: Newtons Formulierung der klassischen Mechanik und der Gravitationsgesetze. Also ja, das alles basiert weitgehend auf Überlegungen, die im Großen und Ganzen Zeit gekostet haben.

STROGATZ: Wenn wir also vorspulen – natürlich bleiben wir hier immer noch bei diesen Zeitwortspielen –, rasen wir jetzt vorwärts zu Einstein. Bei Einstein erleben wir wirklich einige sehr seltsame – für viele Menschen kontraintuitive – Dinge, die passieren.

WILCZEK: Nun, als Einstein eine ausführlichere Beschreibung der Gravitationswechselwirkung formulierte, die über das Newtonsche Verständnis hinausgeht, und schon zuvor versuchte, der Symmetrie der Gleichungen der Elektrodynamik gerecht zu werden, gelangte Einstein zu einem flexibleren Zeitkonzept.

Lassen Sie mich also mit der speziellen Relativitätstheorie beginnen, die historisch gesehen die erste war. Wenn Sie sich in einem geschlossenen Labor befinden und einfach Experimente in Laboratorien durchführen, die sich mit konstanter Geschwindigkeit zueinander bewegen, kämen Sie zu den gleichen Gesetzen, unabhängig von der Geschwindigkeit. Das ist die Essenz der speziellen Relativitätstheorie. Aber um das zu erreichen, stellt sich heraus, dass das, was der eine Zeit nennen würde, der andere eine Mischung aus Raum und Zeit nennt. Es ist eine mathematisch einfache Mischung. Es ist das, was wir eine lineare Kombination nennen, aber es ist definitiv eine Mischung aus Raum und Zeit. Dies führt also zu der Idee, dass es eine gewisse Flexibilität bei der Definition der Zeit gibt.

Sie können gültige Gesetze der Physik mit dem gleichen Inhalt erhalten, indem Sie einige Zeit in Anspruch nehmen t oder eine andere Zeit, t $latex ^{prime}$ [t-prim], das ist eine Mischung aus t und x, Wobei x ist die Position. Das war also die spezielle Relativitätstheorie.

Und dann war das eine große Überraschung. weil Newton zum Beispiel die Zeit als eine Sache betrachtete. Newton war in erster Linie ein Theologe und glaubte, dass seine Arbeit darin bestand, zu verstehen, wie Gott wirkte. Und ich glaube, er stellte sich vor, dass Gott der Welt seine psychologische Zeit aufzwingt. Ja, die Idee, dass es unterschiedliche gültige Definitionen von Zeit geben könnte, wäre Newton sehr fremd gewesen.

Aber das ist es, was Einstein postuliert hat, und das ermöglicht es, sehr schöne Formulierungen der Gesetze der Physik zu erhalten und darin Regelmäßigkeiten zu finden, die sonst nur sehr schwer zu finden wären.

Und dann, in der Allgemeinen Relativitätstheorie, wird es noch seltsamer, weil man verschiedenen Menschen an verschiedenen Orten erlaubt, ihre eigenen auszuwählen t Version, welche dieser Zeiten Sie wählen sollen. Das nennt man lokale Lorentz-Invarianz. Jeder Mensch kann seine eigene Mischung aus Raum und Zeit für die Nutzung wählen. Und man muss die Gleichungen so formulieren, dass sie diese Wahlmöglichkeiten ermöglichen. Sie haben das, was man Symmetrie nennt. Obwohl die Formulierung der Gleichungen sehr unterschiedlich aussehen wird, wenn Menschen unterschiedliche Entscheidungen treffen, wird ihr Inhalt derselbe sein. Und nur ganz spezielle Gleichungen haben diese Eigenschaft.

Und Einstein war in einer unglaublichen Genieleistung in der Lage, aus diesem Prinzip eine verbesserte Theorie der Schwerkraft abzuleiten. Die Zeit verschmilzt mit dem Raum und die gesamte Raumzeit kann sich krümmen. Im Labormaßstab sind diese Effekte sehr, sehr gering. Aber wenn man über makroskopische Skalen spricht – die Skala der Erde und des Gravitationsfelds der Erde oder des Universums oder unter sehr extremen Bedingungen, etwa wenn es sehr große Massenkonzentrationen gibt, die den Raum in Schwarzen Löchern krümmen. Dann kommen flexiblere, biegsame oder auch verflüssigte Formen der Zeit zur Geltung.

STROGATZ: Hmm. Ich meine, es gibt viele Relativitätstests, Experimente, bei denen Atomuhren in Flugzeugen mitgeführt werden. Wenn die Leute diese Dinge, die Sie gerade erwähnt haben, noch nicht gehört haben, würde es wahrscheinlich ziemlich fantastisch klingen. Aber wir haben sehr gute, starke Beweise dafür, dass sie alle wahr sind, einschließlich sogar der GPS-Geräte die wir in unseren Autos verwenden. Wissen Sie, ich meine, wenn wir die allgemeine und spezielle Relativitätstheorie nicht berücksichtigen würden ...

WILCZEK: Nun, das GPS würde nicht funktionieren, da es sehr wichtig ist, die Zeit im GPS genau richtig zu bestimmen. Bei der Funktionsweise des GPS-Systems verwenden Sie ein sehr präzises Timing, um Entfernungen abzuleiten, und verlassen sich dabei auf die Tatsache, dass die Lichtgeschwindigkeit eine universelle Konstante ist. Ich vereinfache es ein wenig, aber das ist im Grunde die Wahrheit, ja.

Und da die Lichtgeschwindigkeit im Vergleich zu alltäglichen Geschwindigkeiten sehr, sehr groß ist, schlagen sich sehr kleine Fehler bei der Zeitmessung in erheblichen Entfernungsänderungen nieder. Wenn Sie also kleine Fehler im Umgang mit der Zeit machen, werden diese zu viel größeren Fehlern, wichtigen Fehlern im Raum, vergrößert. Sie müssen also sehr, sehr genau mit der Zeit umgehen, um GPS zu einem nützlichen System zu machen.

STROGATZ: Richtig, also die Tatsache, dass die Satelliten hoch oben sind, wo das Gravitationsfeld schwächer ist. Wissen Sie, es gibt all diese Satelliten, die Teil des GPS-Systems sind, und sie bewegen sich dort oben ziemlich schnell. All diese Dinge müssen berücksichtigt und korrigiert werden, und ich denke einfach, dass es ein großartiges Beispiel dafür ist, wie Sie vielleicht denken, dass es bei unserem Einstein nur um Schwarze Löcher oder das gesamte Universum geht, aber –

WILCZEK: Nun, es ist wirklich bemerkenswert, dass, wenn man auf Einsteins ursprüngliche Arbeit über die Spezielle Relativitätstheorie zurückblickt, er davon spricht, verschiedene Stationen zu synchronisieren und zu korrelieren, wenn man so will, damit sie sich auf die Definition von Raum und Zeit einigen können. Und mit etwas Humor erkennt man, dass es sich bei dem, was er da beschreibt, um das GPS-System handelt.

STROGATZ: Wow.

WILCZEK: Wissen Sie, Menschen bewegen sich mit Stäben und Uhren und nutzen die Lichtgeschwindigkeit zur Synchronisierung und, und, und messen dann die Entfernung. Es ist genau – es ist das GPS-System, richtig.

STROGATZ: Oh, darüber habe ich nie nachgedacht. Es gibt so viele Dinge, worüber ich Sie fragen möchte. Wie wäre es mit dunkler Materie? Ich weiß, das ist einer deiner Favoriten. Lasst uns davon hören. Was hat dunkle Materie mit der Zeit zu tun?

WILCZEK: Logischerweise hat es bestenfalls einen schwachen Bezug zur Zeit, aber es ist eine sehr interessante Geschichte, die sehr aufregend ist und in die ich mich im Moment stark verstricke. Also Dunkle Materie ist die Beobachtung, dass es ein ganzes Netzwerk von Phänomenen gibt, bei denen es so aussieht, als gäbe es mehr Schwerkraft, mehr Gravitationskraft, als wir auf die Anwesenheit von Materie zurückführen können.

Es sieht sehr danach aus, als ob es sich um eine neue Art von Teilchen handeln könnte, die zufällig nur sehr, sehr schwach mit der Materie interagiert, mit der wir uns seit Jahrzehnten beschäftigen, aber dennoch Schwerkraft ausübt. Und ich denke, ich weiß, was es ist, und es zeichnet sich eine Art Konsens darüber ab, dass dies eine gute Idee ist – etwas namens Axionen. Und jetzt kommt endlich die Verbindung zur Zeit.

Axionen wurden in die Physik eingeführt, nicht um dunkle Materie zu erzeugen, sondern um die seltsame Eigenschaft der Gesetze anzugehen: dass sie fast gleich sind oder fast den gleichen Inhalt haben, wenn man die Richtung der Zeit ändert. Obwohl sich die makroskopische Erfahrung also nicht so verhält, verhalten sich die mikroskopischen Gesetze doch so.

Warum? Wir haben eine sehr schöne Geschichte dazu.

Die Prinzipien der Relativitätstheorie und der Quantenmechanik sowie die tiefen Symmetrien des Standardmodells – die sogenannten Eichsymmetrien, die das Wesen der anderen Kräfte bestimmen – schränken die Wechselwirkungen, die Materie haben kann, stark ein. Wenn Sie also davon ausgehen, dass diese Prinzipien korrekt sind, ergeben sich starke Einschränkungen der Gesetze der Physik.

Und es stellt sich heraus, dass die Gesetze als fast zufällige Folge dieser Beschränkungen in der Zeit vorwärts und rückwärts fast gleich gelten. Das ist also ein enormer Triumph des theoretischen Verständnisses.

Aber es ist noch nicht ganz fertig. Und es gibt eine Interaktion, die mit den Grundgesetzen, den Grundprinzipien, würde ich sagen, im Einklang steht, die allen diesen Prinzipien gehorchen würde, aber nicht mit der Zeit umkehrbar wäre. Und es hat sich herausgestellt, dass diese Interaktion auch sehr, sehr gering ist.

Um dies tiefgreifend zu verstehen, besteht die Leitidee darin, ein weiteres großes Prinzip einzuführen. Das nennt man etwas Peccei-Quinn-Symmetrie nachdem die Physiker, die es eingeführt haben.

Dann erkannten einige von uns, dass es aufgrund dieses neuen Prinzips eine Vorhersage gibt, dass es eine neue Art von Teilchen geben muss, die ich Axion nenne, die absolut bemerkenswerte Eigenschaften hat. Es wird vorhergesagt, dass es sehr, sehr schwach mit gewöhnlicher Materie wechselwirkt. Und dann erkennen wir, dass, wenn man die Gleichungen durch den Urknall zieht, dieser genau auf die richtige Weise erzeugt wird, um die Dunkle Materie zu erzeugen, die Astronomen beobachtet haben.

Es ist gelinde gesagt sehr ermutigend, dass es automatisch dieses andere kosmologische Problem angeht. Und das Wunderbare, was in den letzten Jahrzehnten passiert ist – aber besonders jetzt mit zunehmender Geschwindigkeit – ist, dass es möglich ist, Experimente zu entwerfen, die sie entdecken, wenn sie da draußen sind.

Die Experimente sind sehr schwierig. Es ist wie das Problem, Neutrinos nachzuweisen, aber schwieriger – vielleicht wird es uns nicht mehr so ​​schwer erscheinen, wenn wir erst einmal die richtigen Tricks gelernt haben. Aber diese Experimente werden durchgeführt. In fünf bis zehn Jahren werden wir viel mehr wissen.

STROGATZ: Mir gefällt, dass Sie unsere Show hier mit der Erwähnung von fünf bis zehn Jahren beenden, weil ich mit einer hoffentlich ergreifenden oder emotionalen Note abschließen möchte, dass Sie einen Großteil der Arbeit, für die Sie besonders bekannt sind, geleistet haben ein Nobelpreis für, war am Anfang Ihrer Karriere. Wäre es nicht eine wunderbare Sache, wenn diese Axionen in fünf bis zehn Jahren gemessen und für genau richtig befunden würden?

WILCZEK: Es würde mir den Tag versüßen. Ich hoffe, es wäre nicht das Ende meiner Karriere, aber es würde mir auf jeden Fall den Tag versüßen.

STROGATZ: Nun, ich freue mich sehr, dass ich wieder mit Ihnen sprechen konnte, Frank. Deshalb haben wir mit dem theoretischen Physiker Frank Wilczek über das Geheimnis und die Schönheit der Zeit gesprochen. Frank, vielen Dank, dass du heute bei uns bist.

WILCZEK: Danke schön. Es ist eine Ehre und ein Privileg, wie man sagt.

[Themenspiele]

STROGATZ: Danke fürs Zuhören. Wenn Ihnen „The Joy of Why“ gefällt und Sie noch kein Abonnement haben, klicken Sie dort, wo Sie gerade zuhören, auf die Schaltfläche „Abonnieren“ oder „Folgen“. Sie können auch eine Bewertung für die Show hinterlassen. Es hilft den Leuten, diesen Podcast zu finden.

„The Joy of Why“ ist ein Podcast von Quanta Magazine, eine redaktionell unabhängige Publikation, die von der unterstützt wird Simons Foundation. Förderentscheidungen der Simons Foundation haben keinen Einfluss auf die Auswahl der Themen, Gäste oder sonstige redaktionelle Entscheidungen in diesem Podcast oder in Quanta Magazine.

„The Joy of Why“ wird produziert von PRX-Produktionen. Das Produktionsteam besteht aus Caitlin Faulds, Livia Brock, Genevieve Sponsler und Merritt Jacob. Der ausführende Produzent von PRX Productions ist Jocelyn Gonzales. Morgan Church und Edwin Ochoa leisteten zusätzliche Hilfe.

Aus Quanta MagazineJohn Rennie und Thomas Lin leisteten redaktionelle Leitung, mit Unterstützung von Matt Carlstrom, Samuel Velasco, Nona Griffin, Arleen Santana und Madison Goldberg.

Unsere Titelmusik stammt von APM Music. Julian Lin hat sich den Podcast-Namen ausgedacht. Die Episodenkunst stammt von Peter Greenwood und unser Logo stammt von Jaki King und Kristina Armitage. Besonderer Dank geht an die Columbia Journalism School und Bert Odom-Reed von den Cornell Broadcast Studios.

Ich bin Ihr Gastgeber, Steve Strogatz. Wenn Sie Fragen oder Kommentare an uns haben, senden Sie uns bitte eine E-Mail an [E-Mail geschützt] . Danke fürs Zuhören.