von Lisa Zyga , Phys.org
(Phys.org) — Philosophen haben lange vor Einstein und der modernen Physik über die Natur der Zeit debattiert. Aber in den 106 Jahren seit Einstein war die vorherrschende Ansicht in der Physik, dass die Zeit als vierte Dimension des Raums dient, ein Bereich, der mathematisch als 4D-Minkowski-Raumzeit dargestellt wird. Einige Wissenschaftler, darunter Amrit Sorli und Davide Fiscaletti, Gründer des Space Life Institute in Slowenien, argumentieren jedoch, dass die Zeit völlig unabhängig vom Raum existiert. In einer neuen Studie haben Sorli und Fiscaletti gezeigt, dass zwei Phänomene der Speziellen Relativitätstheorie – die Zeitdilatation und die Längenkontraktion – besser im Rahmen eines 3D-Raums beschrieben werden können, in dem die Zeit die Größe ist, mit der die Veränderung (d.h. die Bewegung der Photonen) in diesem Raum gemessen wird.
Die Wissenschaftler haben ihren Artikel in einer aktuellen Ausgabe der Physics Essays veröffentlicht. Die Arbeit baut auf ihren früheren Artikeln auf, in denen sie die Definition der Zeit als numerische Ordnung der materiellen Veränderung untersucht haben.
Die Hauptkonzepte der Speziellen Relativitätstheorie – dass die Lichtgeschwindigkeit in allen Inertialbezugsrahmen gleich ist und dass es keinen absoluten Bezugsrahmen gibt – werden traditionell im Rahmen der Minkowski-Raumzeit formuliert. In diesem Rahmen werden die drei räumlichen Dimensionen intuitiv visualisiert, während die zeitliche Dimension mathematisch durch eine imaginäre Koordinate dargestellt wird und nicht konkret visualisiert werden kann.
In ihrer Arbeit argumentieren Sorli und Fiscaletti, dass die Konzepte der Speziellen Relativitätstheorie zwar solide sind, aber die Einführung der 4D-Minkowski-Raumzeit zu einem jahrhundertelangen Missverständnis der Zeit als vierte Dimension des Raums geführt hat, dem jegliche experimentelle Unterstützung fehlt. Sie argumentieren, dass bekannte Zeitdilatationsexperimente, wie die, die zeigen, dass Uhren in Hochgeschwindigkeitsflugzeugen tatsächlich langsamer laufen als in Ruhe, die Spezielle Relativitätstheorie und die Zeitdilatation unterstützen, aber nicht notwendigerweise die Minkowski-Raumzeit oder die Längenkontraktion. Nach herkömmlicher Auffassung laufen die Uhren bei hohen Geschwindigkeiten aufgrund der Natur der Minkowski-Raumzeit selbst langsamer, was sowohl auf die Zeitdilatation als auch auf die Längenkontraktion zurückzuführen ist. Sorli und Fiscaletti argumentieren jedoch, dass die langsamen Uhren besser durch die relative Geschwindigkeit zwischen den beiden Bezugsrahmen beschrieben werden können, die die Uhren messen, und nicht durch die, von denen die Uhren ein Teil sind. In dieser Sichtweise sind Raum und Zeit zwei getrennte Entitäten.
Mit Uhren messen wir die numerische Ordnung der Bewegung im 3D-Raum, so Sorli gegenüber Phys.org. Die Zeit ist vom Raum in dem Sinne „getrennt“, dass die Zeit keine vierte Dimension des Raums ist. Stattdessen existiert die Zeit als numerische Ordnung der Veränderung in einem 3D-Raum. Unser Modell über Raum und Zeit basiert auf Messungen und entspricht besser der physikalischen Realität.
Um den Unterschied zwischen den beiden Sichtweisen der Zeit zu verdeutlichen, betrachten Sorli und Fiscaletti ein Experiment mit zwei Lichtuhren. Der Tickmechanismus jeder Uhr besteht aus einem Photon, das zwischen zwei Spiegeln hin und her reflektiert wird, so dass der Weg eines Photons von einem Spiegel zum anderen einen Tick der Uhr darstellt. Die Uhren sind rechtwinklig zueinander auf einer Plattform angeordnet, wobei Uhr A horizontal und Uhr B vertikal ausgerichtet ist. Wenn die Plattform mit hoher Geschwindigkeit horizontal bewegt wird, sollte sich die Uhr A gemäß dem Phänomen der Längenkontraktion in der 4D-Raumzeit zusammenziehen, so dass das Photon einen kürzeren Weg zurücklegen muss, was dazu führt, dass sie schneller tickt als die Uhr B.
Sorli und Fiscaletti argumentieren jedoch, dass die Längenkontraktion der Uhr A und der daraus resultierende Unterschied in den Tickraten der Uhren A und B nicht mit der speziellen Relativitätstheorie übereinstimmen, die postuliert, dass die Lichtgeschwindigkeit in allen Inertialsystemen konstant ist. Sie sagen, dass, wenn man die Photonengeschwindigkeit für beide Uhren gleich hält, beide Uhren mit der gleichen Rate ticken sollten, ohne dass es zu einer Längenkontraktion für Uhr A kommt. Sie zeigen mathematisch, wie man das Problem auf diese Weise lösen kann, indem man die 4D-Raumzeit von Minkowski durch einen 3D-Raum ersetzt, der Galilei-Transformationen für drei Raumkoordinaten X, Y und Z und eine mathematische Gleichung (Selleri-Formalismus) für die Transformation der materiellen Änderungsgeschwindigkeit beinhaltet, die völlig unabhängig von den Raumkoordinaten ist.
Sorli erklärt, dass diese Vorstellung, dass beide Photonenuhren gleich schnell ticken, nicht im Widerspruch zu den Experimenten mit fliegenden Uhren und anderen Tests steht, die die Zeitdilatation gemessen haben. Dieser Unterschied, sagt er, ist auf einen Unterschied zwischen Photonenuhren und Atomuhren zurückzuführen.
Die Rate der Photonenuhren in schnelleren Inertialsystemen wird sich gegenüber den Photonenuhren in einem Ruhe-Inertialsystem nicht verlangsamen, weil die Lichtgeschwindigkeit in allen Inertialsystemen konstant ist, sagte er. Die Rate der Atomuhren wird sich verlangsamen, weil die „Relativität“ der physikalischen Phänomene auf der Skala der Pi-Mesonen beginnt.
Er erklärte auch, dass ohne Längenkontraktion die Zeitdilatation existiert, aber auf eine andere Art und Weise als gewöhnlich gedacht.
Die Zeitdilatation existiert nicht in dem Sinne, dass sich die Zeit als vierte Dimension des Raums ausdehnt und als Folge davon die Uhrenrate langsamer ist, erklärte er. Zeitdilatation bedeutet einfach, dass sich in einem schnelleren Inertialsystem die Veränderungsgeschwindigkeit verlangsamt, und das gilt für alle Beobachter. GPS bestätigt, dass Uhren in Orbit-Stationen andere Raten haben als die Uhren auf der Oberfläche des Planeten, und dieser Unterschied gilt für Beobachter, die sich auf der Orbit-Station und auf der Oberfläche des Planeten befinden. So interpretiert, erfordert die ‚Zeitdilatation‘ keine ‚Längenkontraktion‘, die, wie wir in unserem Papier zeigen, zu einem Widerspruch durch die unterschiedlich positionierten Lichtuhren in einem bewegten Inertialsystem führt.
Er fügte hinzu, dass die alternative Definition der Zeit auch mit dem Zeitbegriff des Mathematikers und Philosophen Kurt Gödel übereinstimmt.
Die Definition der Zeit als eine numerische Ordnung der Veränderung im Raum ersetzt das 106 Jahre alte Konzept der Zeit als physikalische Dimension, in der die Veränderung verläuft, sagte Sorli. Wir betrachten die Zeit nur noch als eine mathematische Größe der Veränderung, die wir mit Uhren messen. Dies entspricht einer Gödelschen Auffassung von Zeit. Bis 1949 hatte Gödel einen bemerkenswerten Beweis erbracht: ‚In jedem Universum, das durch die Relativitätstheorie beschrieben wird, kann es keine Zeit geben.‘ Unsere Forschung bestätigt Gödels Sichtweise: Zeit ist keine physikalische Dimension des Raums, durch die man in die Vergangenheit oder Zukunft reisen könnte.
In Zukunft wollen Sorli und Fiscaletti untersuchen, wie diese Sichtweise der Zeit mit der weiteren Umgebung übereinstimmt. Sie merken an, dass andere Forscher untersucht haben, die Idee der Raumzeit zugunsten von getrennten Raum- und Zeiteinheiten abzuschaffen, aber oft vorschlagen, dass diese Perspektive am besten im Rahmen eines Äthers formuliert wird, einem physikalischen Medium, das den gesamten Raum durchdringt. Im Gegensatz dazu sind Sorli und Fiscaletti der Meinung, dass sich die Idee besser im Rahmen eines 3D-Quantenvakuums modellieren lässt. Anstatt den Raum als Medium zu betrachten, das Licht trägt, wird die Ausbreitung des Lichts durch die elektromagnetischen Eigenschaften (die Permeabilität und Permittivität) des Quantenvakuums bestimmt.
Wir entwickeln ein mathematisches Modell, bei dem die Schwerkraft ein Ergebnis der verringerten Energiedichte eines 3D-Quantenvakuums ist, die durch die Anwesenheit eines bestimmten stellaren Objekts oder materiellen Körpers verursacht wird, so Sorli. Trägheitsmasse und Gravitationsmasse haben denselben Ursprung: die verringerte Energiedichte eines Quantenvakuums. Dieses Modell liefert exakte Berechnungen für die Merkur-Perihelpräzession als Berechnungen der allgemeinen Relativitätstheorie.