Im Jahr 1895 veröffentlichte der Engländer H. G. Wells seinen ersten Roman "Die Zeitmaschine". Einige Jahre später endete nicht nur die sechs Jahrzehnte währende Regentschaft der britischen Königin Victoria, sondern auch die zwei Jahrhunderte alte newtonsche Physik: Als Albert Einstein 1905 seine spezielle Relativitätstheorie vorstellte, warf er die überlieferte Vorstellung von Raum und Zeit über den Haufen. Etwas, was zuvor nur in der Fantasie von Sciencefiction-Autoren wie Wells existierte, war nun möglich: Reisen in die Zukunft. Gemäß Newtons Vorstellung verlief die Zeit überall gleichmäßig. Sie verging niemals schneller oder langsamer. Für Einstein dagegen war Zeit relativ.

Zeitreisen sind nicht nur möglich, sie haben sogar schon stattgefunden – wenn auch nicht so, wie Wells es sich vorgestellt hatte. Den bisherigen Rekord hält der Raumfahrer Sergei Konstantinowitsch Krikaljow. Im Verlauf seiner Karriere hat der russische Kosmonaut 803 Tage im Weltraum verbracht. Wie Einstein bewies, vergeht die Zeit für Objekte in Ruhe schneller als für solche, die sich relativ dazu in Bewegung befinden. An Bord der Raumstation Mir raste Krikaljow mit 27 000 Kilometern pro Stunde um die Erde. Insgesamt ist der Kosmonaut dadurch weniger gealtert als seine am Boden gebliebenen Mitmenschen – und zwar den 48. Teil einer Sekunde. Anders ausgedrückt ist Krikaljow also eine 48stel Sekunde in die Zukunft gereist.

Größere Geschwindigkeiten und Entfernungen machen den Effekt offensichtlicher. Verließe ein Astronaut die Erde für einen Rundflug mit 99,995 Prozent der Lichtgeschwindigkeit zum 520 Lichtjahre entfernten Stern Beteigeuze und kehrte ebenso rasant zurück, würde er aus seiner Sicht für diese Reise insgesamt gerade einmal zehn Jahre benötigen – dem fast lichtschnellen Raumfahrer käme die Strecke durch die hierbei auftretende relativistische Längenkontraktion viel kürzer vor. Aber auf der Erde wären inzwischen mehr als 1000 Jahre vergangen.

Sekundenbruchteile oder sogar Jahrhunderte in die Zukunft zu springen, ist theoretisch also möglich, trotz praktischer technischer Hürden. In die Vergangenheit zu reisen, ist dagegen erheblich schwieriger. In Einsteins spezieller Relativitätstheorie war es sogar unmöglich, bis der Physiker nach einem weiteren Jahrzehnt seine allgemeine Relativitätstheorie präsentierte. Sie hob dieses Verbot auf, zumindest auf dem Papier. Wie allerdings tatsächlich jemand rückwärts durch die Zeit reisen könnte, ist ein ungelöstes Problem, da die allgemeine Relativitätstheorie viele verschiedene Lösungen besitzt. Sie entsprechen jeweils Universen mit unterschiedlichen Eigenschaften, und nur einige erlauben solche Reisen.

Ob irgendeine dieser Lösungen tatsächlich unseren eigenen Kosmos beschreibt, ist eine offene Frage, die zudem weitere grundlegende Rätsel aufwirft. Wie sehr müssten wir an den Grundlagen der Physik drehen, damit Reisen in die Vergangenheit möglich sind? Und verhindert das All vielleicht auf irgendeine andere Weise solche Ausflüge, selbst wenn sie laut Einsteins Gleichungen erlaubt sind? Die theoretischen Physiker setzen sich mit solchen höchst spekulativen Fragen keineswegs deshalb auseinander, weil sie tatsächlich an Reisen in die Vergangenheit glauben, wie wir sie aus der Sciencefiction kennen. Vielmehr führt dieses Nachdenken zu erstaunlichen Erkenntnissen über die Natur des Universums, in dem wir leben – und vielleicht sogar darüber, wie es entstanden ist.

Universelles Tempolimit

Mit seiner speziellen Relativitätstheorie machte Einstein die Zeit verformbar. Er gelangte durch die Analyse zweier ganz grundlegender Ideen zu seinen revolutionären Schlussfolgerungen: Jedwedes Gesetz der Physik muss für alle Beobachter im Universum stets gleich sein, und zwar ganz unabhängig von ihrem Bewegungszustand. Die zweite Überlegung war, dass die Geschwindigkeit des Lichts ebenfalls eine unveränderliche Größe sein müsse, wo und wie auch immer man sie bestimmt. Denn wenn für jeden die gleichen physikalischen Gesetze gelten, müssen alle bei einer Messung der Lichtgeschwindigkeit zu ein und demselben Ergebnis kommen.

Für dieses universelle Tempolimit musste Einstein jedoch zwei tief in der Alltagserfahrung verwurzelte Annahmen über Bord werfen. Nun durften unterschiedliche Beobachter sowohl bei der Messung von Längen als auch von Zeitintervallen zu verschiedenen Ergebnissen kommen. Eine Uhr, die an einem vorbeisaust, tickt langsamer als eine, die sich in Ruhe befindet. Und ganz ähnlich ist die Länge eines vorbeifliegenden Lineals kleiner als die eines identischen, das stillhält. Doch für einen Beobachter, der sich mit einem der Gegenstände mitbewegt, tickt die Uhr ganz normal, und auch das Lineal hat seine übliche Länge.

Bei gewöhnlichen Verhältnissen sind die Raum und Zeit verzerrenden Effekte der speziellen Relativitätstheorie vernachlässigbar klein. Aber wenn sich etwas mit einem beträchtlichen Teil der Lichtgeschwindigkeit bewegt, sind sie nicht länger zu übersehen. Das zeigte sich inzwischen bei vielen Experimenten. So ist etwa die Lebensdauer eines instabilen Teilchens, des Myons, erheblich größer, wenn es sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegt.

Zurück in die Vergangenheit

Raumfahrer und Myonen können also in die Zukunft reisen. Lässt sich die Richtung auch umkehren? Der berühmte österreichische Mathematiker und Logiker Kurt Gödel war der Erste, der mit Hilfe der allgemeinen Relativitätstheorie ein Universum entwarf, in dem Reisen in die Vergangenheit möglich sind. Er präsentierte das theoretische Modell seinem engen Freund Einstein als Geschenk zu dessen 70. Geburtstag. Es hat zwei besondere Eigenschaften: Einerseits rotiert es, was den Kollaps durch die Schwerkraft der enthaltenen Materie verhindert. Einstein wünschte sich von jedem kosmologischen Modell eine solche Stabilität. Zum anderen erlaubt es Reisen in die Vergangenheit, was bei dem Beschenkten wiederum ein tiefes Unbehagen auslöste. In Gödels Kosmos kann ein Astronaut immer geradeaus fliegen und so wieder zu seinem Ursprungsort zurückkehren – aber zu einem Zeitpunkt in der Vergangenheit. Solche Bahnen nennen Physiker "geschlossene zeitartige Kurven".

Eine derartige Kurve kehrt zeitversetzt zu ihrem vierdimensionalen Anfang zurück. In Gödels rotierendem Universum umrundet diese Bahn das ganze All, ähnlich wie der Äquator die Erdkugel. Physiker haben sich seither eine ganze Reihe von geschlossenen zeitartigen Kurven ausgedacht, die Reisen in die Vergangenheit erlauben, jedenfalls in der Theorie. Ein realer Flug entlang einer solchen Strecke wäre allerdings völlig unspektakulär. Der Raumfahrer würde das Weltall mit Sternen und Planeten ganz normal an sich vorüberziehen sehen, und für ihn würde auch die Zeit wie gewohnt vergehen. Anders als in einigen Filmen würden sich also beispielsweise nicht die Uhrzeiger an Bord rückwärtsdrehen. Und trotzdem käme er in seiner eigenen Vergangenheit an.

Die mögliche Existenz solcher Kurven führt zu paradoxen Szenarien. Wie kann man die Vergangenheit ändern, wenn sie doch schon geschehen ist? Die Anhänger der Kausalität dürfte beruhigen, dass Astronomen keinerlei Hinweis auf ein rotierendes Universum gefunden haben. Gödel selbst hat offenbar erfolglos Galaxienkataloge auf Anzeichen durchforstet, die seine Theorie stützen würden. Er hat zwar kein realistisches Modell des Universums entwickelt, aber immerhin gezeigt, dass geschlossene zeitartige Kurven vollkommen im Einklang mit den Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie stehen. Die Formeln verbieten Reisen in die Vergangenheit also nicht. Neuerdings ersinnen Zeitreise-Enthusiasten auch Möglichkeiten, die mit lokalen Krümmungen der Raumzeit auskommen. Gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie verzerren Planeten, Sterne, Galaxien und andere massereiche Körper die Raumzeit. Das wiederum beeinflusst die Bewegung dieser Objekte. In extremen Fällen könnte sich die Raumzeit so stark verbiegen, dass sie einen Weg von der Gegenwart zur Vergangenheit erschafft.

Theoretiker haben einige exotische Mechanismen vorgeschlagen, um solche Pfade durch die Zeit zu legen. In einer 1991 veröffentlichten Arbeit zeigte der US-Astrophysiker J. Richard Gott von der Princeton University, wie kosmische Strings – unendlich lange Strukturen, dünner als ein Atom, die im jungen Universum entstanden sein könnten – an ihren Überschneidungen geschlossene zeitartige Kurven möglich machen. Und Kip Thorne vom California Institute of Technology begann 1983 mit der Untersuchung so genannter Wurmlöcher, die eine Art Tunnel zwischen verschiedenen Regionen der Raumzeit darstellen und so Reisen in die Vergangenheit erlauben könnten. "Verbindet man in der allgemeinen Relativitätstheorie zwei verschiedene Regionen des Raums, so verknüpft man zugleich zwei verschiedene Regionen der Zeit", erläutert Sean Caroll, ein Kollege von Thorne.

Unmögliche Wurmlöcher

Der Eingang eines Wurmlochs wäre kugelförmig – ein dreidimensionaler Eingang in einen vierdimensionalen Tunnel. Wie bei allen geschlossenen zeitartigen Kurven wäre auch die Reise durch ein Wurmloch unspektakulär, so Caroll. "Man löst sich nicht auf und wird auch nicht zu einem anderen Zeitpunkt wieder zusammengesetzt. Solche Visionen aus der Sciencefiction sind in keiner anerkannten Theorie möglich." Zwar können Physiker Gleichungen formulieren, die Wurmlöcher und weitere geschlossene zeitartige Kurven beschreiben, doch alle Modelle bieten ernsthafte Fallstricke. Um überhaupt ein Wurmloch zu erzeugen, benötigt man negative Energie. Ohne sie würden der sphärische Eingang und der vierdimensionale Tunnel sofort implodieren. Eine solche Struktur wäre praktisch kaum stabil oder vielleicht sogar grundsätzlich unmöglich, sagt Caroll: "Negative Energie bereitet in der Physik eine Menge Probleme."

Aber selbst wenn sich ein Wurmloch offen halten ließe, kämen die nächsten Schwierigkeiten. Teilchen, die sich hindurchbewegen, würden diesen Weg schleifenartig immer wieder durchlaufen. Dabei wüchse ihre Energie über alle Grenzen. Und da Energie ebenso wie Masse die Raumzeit deformiert, kollabiert das Wurmloch in diesem Szenario zu einem Schwarzen Loch. "Wir sind zwar nicht 100-prozentig sicher, dass das passiert", räumt Caroll ein, "aber es scheint eine vernünftige Annahme zu sein, dass das Universum den Bau einer Zeitmaschine dadurch verhindert, dass es diese in ein Schwarzes Loch verwandelt."

Im Gegensatz zu Schwarzen Löchern, die eine natürliche Folge der allgemeinen Relativitätstheorie sind, handelt es sich bei Wurmlöchern und geschlossenen zeitartigen Kurven um künstliche Konstrukte, die die Grenzen der Theorie ausloten sollen. Selbst wenn Wurmlöcher physikalisch nicht plausibel sind – wichtig ist, dass sie nicht der allgemeinen Relativitätstheorie widersprechen. "Es ist seltsam, dass wir so nahe daran sind, die Möglichkeit von Zeitreisen auszuschließen, und es doch nicht wirklich schaffen. Ich finde das schon ärgerlich", sagt Caroll, entnervt davon, dass eine so elegante Theorie wie die von Einstein etwas so offensichtlich Unglaubwürdiges erlaubt. Doch das Nachdenken darüber führt die Physiker auch zu einem besseren Verständnis unserer Naturgesetze. Möglicherweise hätte unser Universum gar nicht erst entstehen können, wenn ein Weg rückwärts in der Zeit grundsätzlich verboten wäre.

Die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt das Universum auf seinen größten Skalen. Die Quantenmechanik dagegen ist eine Art Handbuch für atomare Größenordnungen und bietet eine Spielwiese für besonders überraschende Phänomene mit geschlossenen zeitartigen Kurven. Die Erscheinungen können sogar den Ursprung des Kosmos betreffen. Bei sehr kleinen Längen von etwa 10^-30 Zentimetern erwarten Forscher wie John Friedman von der University of Wisconsin-Milwaukee, dass die Topologie der Raumzeit regelrecht brodelt. Und solche zufälligen Fluktuationen könnten auch zu geschlossenen zeitartigen Kurven führen, wenn nichts Grundlegendes es verhindert. Lassen sich derartige Fluktuationen vergrößern, um eine Zeitmaschine zu bauen? "Es gibt keinen formalen Beweis dafür, dass makroskopische, geschlossene zeitartige Kurven komplett unmöglich sind", antwortet Friedman. "Aber die meisten Forscher, die sich mit diesen allgemeinen Fragen auseinandergesetzt haben, würden wohl dagegenwetten."

Ein Kosmos, der sich selbst erschafft

Eine Schleife in der Raumzeit zu erzeugen, ob auf der Quantenebene oder im kosmischen Maßstab, erfordert zweifellos extreme physikalische Bedingungen. Und der wahrscheinlichste Ort und Zeitpunkt, an dem solche extremen Umstände geherrscht haben könnten, ist die Geburt des Universums.

In einer 1998 veröffentlichten Arbeit vertraten Gott und Li-Xin Li, ein jetzt an der Universität Peking tätiger Astrophysiker, die Ansicht, geschlossene zeitartige Kurven seien nicht nur möglich, sondern notwendig, wenn man die Geburt des Kosmos erklären will. "Wir untersuchten die Frage, ob eine Zeitschleife am Anfang des Universums dem All erlauben könnte, sich selbst zu erschaffen", erklärt Gott.

Das Universum von Gott und Li enthält, wie auch das Standardmodell der Kosmologie, eine Periode der Inflation: Ein alles durchdringendes Energiefeld treibt die anfänglich rasante Expansion des Kosmos an. Viele Kosmologen denken, dass der Prozess unzählige unterschiedliche Universen neben unserem eigenen hervorbringt. "Es ist schwierig, die Inflation anzuhalten, wenn sie erst einmal angefangen hat", erläutert Gott. "Eher erhalten wir eine sich ewig verzweigende Struktur. Einer dieser Äste ist unser Universum. Doch wir müssen uns fragen, wie der Stamm des Baums entsteht. Wir vermuteten, einer der Zweige könnte eine Schleife bilden und zu dem Stamm werden." Eine einfache zweidimensionale Darstellung dieses selbststartenden Kosmos von Gott und Li ähnelt der Zahl 6, wobei die Raumzeitschleife unten und unser Universum oben ist. Die Inflation erlaubte dem Universum, so argumentieren die beiden Forscher, auszubrechen und sich zu unserem Kosmos zu entwickeln.

Es ist zwar schwer, sich dieses komplexe Modell vorzustellen, aber Gott sieht einen entscheidenden Vorteil darin, dass es die Notwendigkeit eliminiert, das Universum aus dem Nichts zu erschaffen. Andererseits haben beispielsweise Alexander Vilenkin von der Tufts University, Stephen Hawking von der University of Cambridge und James Hartle von der University of California in Santa Barbara durchaus Modelle entworfen, in denen das Universum aus dem Nichts entsteht. Gemäß den Gesetzen der Quantenmechanik ist der scheinbar leere Raum von virtuellen Teilchen erfüllt, die spontan entstehen und sich wieder vernichten. Hawking und seine Kollegen denken, das Universum könnte auf die gleiche Weise aus einer Quantenfluktuation entstanden sein.

Derzeit haben wir keine Möglichkeit zu überprüfen, ob eine dieser Theorien korrekt ist. Der berühmte Physiker Richard Feynman verglich das Universum mit einer von Göttern gespielten Schachpartie. Die Wissenschaftler beobachten es und versuchen, die Regeln zu verstehen. Sie sehen etwa, wie Bauern immer nur ein Feld vorwärtsziehen. Wenn die Forscher niemals die Eröffnung eines Spiels beobachten, wissen sie nicht, dass sich die Figuren dann zwei Felder weit bewegen können. Und wenn sie Zeuge werden, wie ein Bauer in eine Königin umgewandelt wird, würden sie auch das für einen Verstoß gegen die Regeln halten, obwohl so ein Zug möglich ist. Nur hat ihn niemand zuvor beobachtet.

Die Erforschung von Zeitreisen ist in einer ähnlichen Situation. Wir untersuchen die Grenzen der physikalischen Gesetze, indem wir außergewöhnliche Umstände betrachten. Reisen in die Vergangenheit sind nicht verboten, sie treten nur in dem uns vertrauten Universum nicht auf. Die Verwandlung eines Bauern in eine Königin könnte zu den Regeln der Relativitätstheorie gehören und damit für die Frage wichtig sein, wie das Universum entstanden ist.

Solche spekulativen Ideen scheinen eher philosophischer als physikalischer Natur zu sein. Doch im Augenblick sind Quantenmechanik und allgemeine Relativitätstheorie – zwei mächtige, aber der Alltagserfahrung widersprechende Theorien – alles, was wir haben, um unser All zu beschreiben. Die Wissenschaftler besitzen keine klare Vorstellung, was passiert, wenn sie versuchen, Quantenmechanik und Relativitätstheorie zusammenzubringen. Es liefert nicht immer schlüssige Ergebnisse, stückchenweise die Mathematik aus beiden Welten miteinander zu vermischen. Aber die Theoretiker können kaum etwas anderes tun, denn sie wissen nicht, wie sie sonst auf sinnvolle Weise vorankommen könnten.

Wird eine zukünftige Theorie die Möglichkeit von Reisen in die Vergangenheit ein für alle Mal beseitigen? Oder wird sich einmal mehr zeigen, dass das Universum noch seltsamer ist, als wir es uns vorstellen können? Die Physik hat seit Einsteins Neudefinition von Zeit und Raum gewaltige Fortschritte gemacht. Zeitreisen, für Wells reine Fiktion, sind inzwischen eine bewiesene Realität, jedenfalls in eine Richtung. Ist es wirklich unmöglich, sich eine kosmische Symmetrie vorzustellen, die es uns erlaubt, sowohl im Raum als auch in der Zeit in alle Richtungen zu steuern? Auf diese Frage antwortete Gott mit einer Anekdote. Einstein unterhielt sich einmal mit einem Kollegen. Dieser zückte plötzlich ein Notizbuch. "Was ist das?", fragte Einstein. "Ein Notizbuch", antwortete der andere, "in das ich sofort jeden wichtigen Gedanken schreibe." Darauf Einstein: "Ich habe nie eines gebraucht. Ich hatte in meinem ganzen Leben nur drei gute Ideen." Und die Moral der Geschichte? "Ich denke", schloss Gott, "wir warten auf einen neuen guten Einfall."