Ein Hoch auf die Unordnung

Das Universum ist eine Zeitmaschine. Wir alle befinden uns auf einer Zeitreise von der Vergangenheit in die Zukunft, ob wir wollen oder nicht. Daran sind wir so sehr gewöhnt, dass es uns nicht seltsam erscheint. Aber wie kommt es eigentlich, dass die Zeit eine so eindeutige Richtung hat?

Der entscheidende Unterschied zwischen Vergangenheit und Zukunft ist: Früher war alles viel ordentlicher. Nein, das ist jetzt kein grummeliger Vorwurf an die verkommene Jugend von heute, das ist eine physikalische Tatsache. Die Entropie, ein Maß für die Unordnung im Universum, steigt laufend an. Für uns ist das ein Glück, es gäbe uns nämlich sonst gar nicht.

Das wirklich Erstaunliche am Phänomen der Zeit ist: Die Grundgleichungen der Physik machen gar keinen Unterschied zwischen Vergangenheit und Zukunft. Wenn wir einen Gummiball filmen, der über den Boden rollt und an der Wand abprallt, dann können wir diesen Film genauso gut auch umgekehrt abspielen, und es ist nicht zu erkennen, welche Zeitrichtung die richtige ist. Die Bewegung ist auch in umgekehrter Richtung physikalisch erlaubt, sie erscheint uns ganz natürlich und normal.

Genauso ist es mit der Bewegung der Planeten im Sonnensystem, und selbst das Verhalten von Elementarteilchen kann man rückwärts laufen lassen, ohne Naturgesetze zu verletzen: Genauso wie ein Lichtteilchen auf ein Atom treffen und absorbiert werden kann, darf ein Atom zeitlich umgedreht auch ein Lichtteilchen aussenden, das dann davonfliegt.

Trotzdem gibt es einen Unterschied zwischen Zukunft und Vergangenheit. An manchen Vorgängen erkennen wir bei einem Film ganz mühelos, ob er verkehrt oder in richtiger Zeitrichtung abgespielt wird: Wenn ein Glas vom Tisch rutscht, am Boden in dreihundertachtundzwanzig Scherben zerspringt und seinen Inhalt spritzend über den Teppich verteilt, dann ist das die richtige zeitliche Richtung. Wenn Scherben auf dem Boden sich plötzlich zu einem heilen Glas zusammenziehen, dabei Flüssigkeit aus dem Teppich saugen, gemeinsam auf den Tisch hüpfen und dort als vollständiges, gefülltes Glas stehenbleiben, dann kommt uns irgendetwas seltsam vor.

Ein unverletztes Glas auf meinem Schreibtisch entspricht einem höheren Grad an Ordnung als ein Scherbenhaufen in einer Teppichpfütze. Wenn das Glas nach unten fällt und zerbricht, dann bleibt ein ungeordneter Zustand übrig. Die Energie des Glases wird hauptsächlich in Wärme umgewandelt – die Moleküle des Bodens werden durch den Aufprall zum Schwingen angeregt.

Die Anfangsbedingungen des Vorgangs sind dabei nicht so wichtig: Wenn ich das Glas ein paar Millimeter weiter links vom Tisch fege, werden die Scherben am Ende anders angeordnet sein und die Moleküle im Boden anders schwingen, aber das Resultat ist noch immer ein nasser Scherbenhaufen.

Nun könnten die Schwingungen der Moleküle aber auch zufällig ihre Energie wieder genau in der richtigen Weise auf die Scherben übertragen, sodass sie nach oben hüpfen. Wenn sie einander exakt im richtigen Winkel treffen, und die Luftmoleküle dazwischen zufällig aus dem Weg gehen, dann könnten sie sich wieder zu einem Glas vereinen und auf meinen Schreibtisch zurückhüpfen. Doch dafür müssten unermesslich viele Anfangsbedingungen genau richtig zueinanderpassen, daher wird das nie geschehen. Es gibt viel mehr Möglichkeiten für das Glas, sich in Scherbenform auf dem Boden zu verteilen als ganz zu sein. Daher geht das eine recht leicht aus dem anderen hervor, aber nicht umgekehrt.

Das ist, als würde man tausend Würfel in eine Schachtel legen, sodass überall die Sechs nach oben zeigt. Das ist ein sehr geordneter Zustand. Wenn wir die Schachtel schütteln, werden die Zahlen zufällig gemischt – die Unordnung wird größer, das ist der statistisch zu erwartende Lauf der Welt. Natürlich ist es auch möglich, dass beim nächsten Mal aus der ungeordneten Würfelaugenverteilung wieder tausendmal die Sechs entsteht. Doch die Wahrscheinlichkeit dafür ist extrem gering.

Dass aus Ordnung Unordnung entsteht, ist für sich genommen nicht wirklich ein Naturgesetz, es ist bloß statistisch höchst wahrscheinlich – vorausgesetzt, man beginnt mit einem Zustand hoher Ordnung, etwa einem Glas, das auf dem Tisch steht. Wenn die Unordnung schon ziemlich groß ist, weil vielleicht das Glas nach Jahrtausenden zu Sand zermahlen wurde und Teil einer Sanddüne ist, dann ändert sich nicht mehr viel. So ähnlich geht es mir auch mit meinem Schreibtisch: Wenn nach zwei Monaten ein gewisses Maß an Unordnung erreicht ist, dann kann man in den darauffolgenden Wochen kaum mehr eine Veränderung feststellen.

Ohne Unordnung keine Zeit

Dass aus einem geordneten Zustand ein ungeordneterer wird, ist also ziemlich klar. Der wirklich erstaunliche Punkt ist: Warum war das Universum ursprünglich überhaupt in einem Zustand von niedriger Entropie, sodass die Unordnung seit dem Urknall kontinuierlich wachsen kann? Nur weil das Universum in recht geordneter Form begann, gibt es heute überhaupt so etwas wie eine zeitliche Entwicklung. Nur deshalb gibt es einen Unterschied zwischen gestern und morgen. Wäre das Universum in einem extrem ungeordneten Zustand entstanden – vielleicht als großer, leerer Raum mit ein paar schwarzen Löchern und wirr herumschwirrender Strahlung – dann wäre wohl niemals irgendwo Leben entstanden. Der Übergang von Ordnung zu Unordnung ist das, was im Universum Veränderung erst ermöglicht. Ohne wachsende Unordnung wäre unser Begriff der Zeit sinnlos.

Wie bitte? Ich soll trotzdem meinen Schreibtisch aufräumen, statt über Entropie zu philosophieren? Ja, ist schon gut. Nächste Woche dann.

Florian Aigner ist Physiker und Wissenschaftserklärer. Er beschäftigt sich nicht nur mit spannenden Themen der Naturwissenschaft, sondern oft auch mit Esoterik und Aberglauben, die sich so gerne als Wissenschaft tarnen. Über Wissenschaft, Blödsinn und den Unterschied zwischen diesen beiden Bereichen schreibt er jeden zweiten Dienstag in der futurezone.