Geheimnisse der modernen Physik: Zeit

Beginnen Sie Ihr Studium der Physik der Zeit mit diesen Fragen: Was ist eine Uhr? Was bedeutet es, wenn man sagt, dass "die Zeit vergeht"? Was ist der "Pfeil der Zeit"? Betrachten Sie dann das Konzept der Entropie und wie es den Schlüssel für die einseitige Ausrichtung der Zeit in unserem Universum darstellt.

Betrachten Sie die Zeit aus einer philosophischen Perspektive. Der "Präsentismus" geht davon aus, dass die Vergangenheit und die Zukunft nicht real sind; nur der gegenwärtige Augenblick ist real. Die Gesetze der Physik scheinen jedoch den "Eternalismus" zu unterstützen - die Ansicht, dass alle Momente in der Geschichte des Universums gleichermaßen real sind.

Wie messen wir den Lauf der Zeit? Entdecken Sie, dass praktische Belange die Suche nach immer genaueren Uhren angetrieben haben. Im 18. Jahrhundert wurde das Problem der Längengradbestimmung mit einem Zeitmesser von beispielloser Genauigkeit gelöst. Die heutigen GPS-Navigationsgeräte arbeiten mit Uhren, die bis auf eine Milliardstel Sekunde genau gehen.

Begeben Sie sich auf die Suche nach dem Verständnis der Zeit. Warum gibt es einen Pfeil der Zeit? Erforschen Sie, wie Gedächtnis und Alterung uns in der Zeit orientieren. Betrachten Sie dann unumkehrbare Prozesse, wie das Zerbrechen eines Eies oder das Schmelzen von Eis. Diese verdeutlichen, dass die Zeit nur in eine Richtung läuft.

Verfolgen Sie die Geschichte des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, der von vielen Physikern als dasjenige physikalische Gesetz angesehen wird, das am ehesten die nächsten tausend Jahre unverändert überdauern wird. Der zweite Hauptsatz besagt, dass die Entropie - der Grad der Unordnung in einem geschlossenen System - nur zunimmt oder gleich bleibt.

Die physikalischen Gesetze von Isaac Newton sind vollständig umkehrbar; Teilchen können sich in der Zeit vorwärts oder rückwärts bewegen, ohne dass es zu Widersprüchen kommt. Dies entspricht jedoch nicht unserer Erfahrung in der Welt, in der der Pfeil der Zeit grundsätzlich mit irreversiblen Prozessen und der Zunahme der Entropie verbunden ist.

Erforschen Sie die Fortschritte in der Physik seit Newtons Zeit, die Ausnahmen von der Regel aufzeigen, dass Wechselwirkungen zwischen sich bewegenden Teilchen vollständig reversibel sind. Könnten unumkehrbare Reaktionen zwischen Elementarteilchen den Pfeil der Zeit erklären? Wägen Sie die Beweise für und gegen diese Ansicht ab.

Die Quantenmechanik ist die präziseste Theorie, die je erfunden wurde, und doch führt sie zu verblüffenden Interpretationen der Natur der Realität. Untersuchen Sie einen Quantenzustand, den so genannten Kollaps der Wellenfunktion, der möglicherweise dem Pfeil der Zeit zugrunde liegt. Sind die Hinweise auf die Unumkehrbarkeit real oder nur illusorisch?

Nachdem Sie festgestellt haben, dass der Pfeil der Zeit auf Entropie zurückzuführen sein muss, beginnen Sie mit einer eingehenden Untersuchung dieses Phänomens. In den 1870er Jahren schlug der Physiker Ludwig Boltzmann eine Definition der Entropie vor, die erklärt, warum sie in der Zukunft zunimmt. Analysieren Sie diese Idee im Detail.

Vertiefen Sie Ihr Verständnis von Entropie, indem Sie verschiedene makroskopische Systeme untersuchen und sich fragen, welches System eine höhere und welches eine niedrigere Entropie aufweist. Beurteilen Sie auch James Clerk Maxwells berühmtes Gedankenexperiment über einen Dämon, der sich scheinbar über den Grundsatz hinwegsetzt, dass die Entropie immer zunimmt.

Boltzmann erklärt, warum die Entropie in der Zukunft größer sein wird, aber er zeigt nicht, warum sie in der Vergangenheit kleiner war. Lernen Sie, dass die Physik diesen Unterschied nur erklären kann, wenn sie davon ausgeht, dass das Universum in einem Zustand mit sehr geringer Entropie begann. Diese Annahme wird als Vergangenheitshypothese bezeichnet.

Kann die Physik Licht auf die menschlichen Aspekte des Pfeils der Zeit wie Gedächtnis, Ursache und Wirkung und freier Wille werfen? Erfahren Sie, dass alltägliche Erfahrungen, die Sie für selbstverständlich halten, auf den entropiearmen Zustand des Universums beim Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren zurückgehen.

Eine mögliche Erklärung für die Ordnung im Universum ist, dass es sich um eine zufällige Fluktuation aus einem ungeordneten Zustand handelt. Könnte das gesamte Universum eine solche Fluktuation sein, die nun in die Unordnung zurückkehrt? Untersuchen Sie ein Szenario namens "Boltzmann-Gehirn", das das Gegenteil nahelegt.

Entdecken Sie, dass der Maxwellsche Dämon der Schlüssel zum Verständnis ist, wie Komplexität und Leben in einem Universum existieren können, in dem die Entropie zunimmt. Überlegen Sie, wie das Leben nicht nur mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik und dem Pfeil der Zeit vereinbar ist, sondern aus ihnen erwächst.

Wenden Sie sich der Art und Weise zu, wie Menschen die Zeit wahrnehmen, die sich stark von der Uhrzeit unterscheiden kann. Konzentrieren Sie sich insbesondere auf Experimente, die unser Zeitempfinden erhellen. Zum Beispiel zeigen Tests, dass wir, obwohl wir glauben, den gegenwärtigen Moment wahrzunehmen, tatsächlich 80 Millisekunden in der Vergangenheit leben.

Die Erinnerung an die Vergangenheit und die Projektion in die Zukunft sind für das menschliche Bewusstsein von entscheidender Bedeutung, wie Fälle zeigen, in denen diese Fähigkeiten beeinträchtigt sind. Untersuchen Sie, was im Gehirn passiert, wenn wir uns erinnern, und erforschen Sie verschiedene Arten von Erinnerungen und das Phänomen falscher Erinnerungen und falschen Vergessens.

Nach Einsteins spezieller Relativitätstheorie gibt es keinen über das gesamte Universum verteilten Moment in der Zeit. Stattdessen ist die Zeit eine von vier Dimensionen der Raumzeit. Erfahren Sie, wie diese "relative" Sichtweise der Zeit mit Lichtkegeln, die Vergangenheit und Zukunft darstellen, sinnvoll dargestellt wird.

Mit der Entwicklung einer allgemeinen Relativitätstheorie, die die Schwerkraft mit einbezieht, hat Einstein eine Revolution in unserem Verständnis des Universums eingeleitet. Verfolgen Sie, wie seine Idee, dass die Schwerkraft aus der Verformung der Raumzeit resultiert, zur Entdeckung der schwarzen Löcher und des Urknalls führte.

Verwenden Sie eine einfache Analogie, um zu verstehen, wie eine Zeitmaschine funktionieren könnte. Im Gegensatz zu Filmszenarien, in denen sie sich entmaterialisiert und rematerialisiert, wäre eine echte Zeitmaschine ein Raumschiff, das sich durch alle Zwischenpunkte zwischen zwei Orten in der Raumzeit bewegt. Untersuchen Sie auch die Paradoxien der Zeitreise.

Stephen Hawking zeigte, dass schwarze Löcher Strahlung aussenden und daher Entropie besitzen. Da die Entropie im heutigen Universum überwiegend in Form von schwarzen Löchern vorliegt und es im frühen Universum keine schwarzen Löcher gab, muss die Entropie in der tiefen Vergangenheit viel geringer gewesen sein.

Verfolgen Sie die Geschichte des Universums von kurz nach dem Urknall bis in die ferne Zukunft, wenn das Universum aus praktisch leerem Raum mit maximaler Entropie bestehen wird. Erfahren Sie, was an diesem Bild eines sich auflösenden Universums gut begründet ist und was weniger sicher ist.

Erforschen Sie drei verschiedene Denkweisen über den Urknall - als tatsächlichen Beginn des Universums; als "Abprall" von einer symmetrischen Version des Universums auf der anderen Seite des Urknalls; und als eine Region, die eine inflationäre Ausdehnung in einem viel größeren Multiversum erlebte.

Die Möglichkeit, dass der Urknall in einem Multiversum entstanden ist, bietet eine plausible Erklärung dafür, warum die Entropie beim Urknall gering war und der Pfeil der Zeit entstand. Aber sind diese Theorie und die damit verbundene Idee eines anthropischen Prinzips seriöse Wissenschaft oder Science-Fiction?

Nutzen Sie das Gelernte, um eine Reihe verschiedener Möglichkeiten zu untersuchen, die den Ursprung der Zeit im Universum erklären. Abschließend stellt Professor Carroll eine seiner Lieblingstheorien vor und weist darauf hin, dass noch viel zu tun ist, bevor das Geheimnis der Zeit endgültig gelöst ist.