Das Novikov-Prinzip – Wie das Universum Zeitreise-Paradoxa verhindert

Autor: DerSchneider

Einleitung

Die Allgemeine Relativitätstheorie verbietet Zeitreisen nicht. Im Jahr 1988 veröffentlichten die Physiker Michael Morris, Kip Thorne und Ulvi Yurtsever am California Institute of Technology eine bahnbrechende Arbeit in den Physical Review Letters. Sie arbeiteten nicht im Bereich der Science-Fiction, sondern innerhalb des strengen Rahmens der Allgemeinen Relativitätstheorie. Ihre Schlussfolgerung war präzise: Durchquerbare Wurmlöcher würden, wenn sie konstruiert und stabilisiert werden könnten, geschlossene zeitartige Kurven erlauben – den physikalischen Fachbegriff für echte Zeitreiseschleifen . Die Allgemeine Relativitätstheorie verbietet sie nicht .

Doch Zeitreisen werfen ein bekanntes Problem auf: das Großvater-Paradoxon. Wenn man in die Vergangenheit reist und seinen Großvater tötet, bevor die eigenen Eltern geboren wurden, verhindert man seine eigene Existenz – was bedeutet, dass man niemals gereist sein konnte, was wiederum bedeutet, dass der Großvater überlebt hat. Das Paradoxon scheint Zeitreisen logisch unmöglich zu machen .

Die Lösung des Rätsels

Der russische Physiker Igor Dmitrijewitsch Nowikow entwickelte in den 1980er Jahren eine Lösung für dieses Problem, die als Nowikow-Selbstkonsistenzprinzip bekannt wurde . Es besagt vereinfacht: Wenn ein Ereignis existiert, das ein Paradoxon erzeugen könnte, dann ist die Wahrscheinlichkeit, dass dieses Ereignis eintritt, gleich Null .

Nowikow verwendete kein menschliches Szenario, sondern ein mechanisches Modell, das sich besser mathematisch behandeln ließ: eine Billardkugel, die in ein Wurmloch geschossen wird, sodass sie in die Vergangenheit reist und mit ihrem früheren Selbst kollidiert – sie dadurch vom Kurs abbringt und daran hindert, überhaupt in das Wurmloch zu gelangen .

Das Ergebnis war bemerkenswert: Nowikow fand, dass es viele konsistente Trajektorien für dieselben Anfangsbedingungen gibt. Die Billardkugel könnte sich beispielsweise selbst nur geringfügig ablenken, sodass sie in der Vergangenheit leicht vom Kurs abkommt, was wiederum dazu führt, dass sie ihr früheres Selbst nur geringfügig ablenkt. Diese „Sequenz“ von Ereignissen ist vollständig konsistent und führt zu keinem Paradoxon . Nowikow zeigte, dass die Wahrscheinlichkeit solcher konsistenter Ereignisse ungleich Null ist, während die Wahrscheinlichkeit inkonsistenter Ereignisse Null ist .

Das Prinzip der minimalen Wirkung

Eine tiefere mathematische Fundierung erhielt das Nowikow-Prinzip durch Arbeiten, die es als Konsequenz des Prinzips der minimalen Wirkung interpretierten . In einer Arbeit von 1995 zeigten Carlini, Frolov, Mensky, Novikov und Soleng, dass für den Fall einer Billardkugel mit „harter Kugel“-Selbstwechselwirkung die einzigen möglichen Trajektorien (für ein Teilchen mit festen Anfangs- und Endpositionen, das das Wurmloch einmal durchquert), die die klassische Wirkung minimieren, genau jene sind, die global selbstkonsistent sind. Das Nowikow-Prinzip ist demnach eine natürliche Konsequenz des Prinzips der minimalen Wirkung .

Die Grundannahmen des Prinzips

Das Nowikow-Prinzip beruht auf zwei grundlegenden Annahmen :

1. Novikovs Prinzip der Selbst-Konsistenz: Nur konsistente Trajektorien treten auf. Führt eine Weltlinie zu einem logischen Widerspruch im Sinne des Großvater-Paradoxons, so ist diese Weltlinie ausgeschlossen; es existiert keine Lösung der Gleichungen.
2. Prinzip der „keine neuen Physik“: Die physikalischen Gesetze in lokalen Raum-Zeit-Regionen sind unabhängig von möglichen zeitlich geschlossenen Weltlinien. Forscher um Nowikow und Thorne hatten beide Prinzipien beachtet, wobei Letzteres jedoch auf die Anfangsbedingungen beschränkt ist: Die physikalischen Gesetze in einer lokalen Region bevor zeitlich geschlossene Weltlinien entstehen, sind dieselben wie in einer Welt, in der Zeitreisen unmöglich sind. Das bedeutet, dass Experimentatoren die Anfangsbedingung der Billardkugel beliebig wählen können – zu jeder Wahl der Anfangsbedingungen existieren konsistente Bahnen .

Das Nowikow-Prinzip setzt bestimmte Bedingungen voraus: Es nimmt an, dass es nur eine einzige Zeitlinie gibt und dass multiple alternative Zeitlinien nicht existieren oder nicht zugänglich sind – was als „kontrafaktische Definitheit“ bezeichnet wird .

Quantenmechanische Bestätigungen

In jüngerer Zeit hat die Quantenmechanik das Nowikow-Prinzip weiter untermauert. Forschungen zu Deutsch-Zeitschleifen (D-CTC) haben gezeigt, dass zeitumgekehrte Kausalität tatsächlich existieren kann – der finale Quantenzustand kann den Zustand innerhalb der Zeitschleife beeinflussen. Dies ist effektiv die Implementierung des Nowikow-Selbstkonsistenzprinzips . Es wurde gezeigt, dass die quantenmechanische Betrachtung der Materie formal alle Paradoxa entfernt .

Die Selbstkonsistenz wird dabei durch die anfangszustandsabhängige Durchquerbarkeit der Zeitschleife kontrolliert. Wenn der Anfangszustand rein war, bleibt der Endzustand ebenfalls rein – es findet keine unerwünschte Zunahme der Unordnung statt .

Die beunruhigende Implikation

Das Nowikow-Prinzip löst nicht nur das Großvater-Paradoxon auf – es impliziert etwas viel Tiefergehendes. Wenn die Selbstkonsistenz alle geschlossenen zeitartigen Kurven regelt, dann war jede Handlung in einer Zeitreiseschleife von vornherein vorbestimmt. Es gibt in dieser Physik keinen Raum für irgendeine Entscheidung, die hätte anders ausfallen können. Das Nowikow-Prinzip impliziert, dass in jedem Universum, in dem Zeitreisen möglich sind, jedes Ereignis in einer festen, unveränderlichen Struktur verriegelt ist – nicht durch eine identifizierbare Kraft oder ein Gesetz, sondern einfach durch die Anforderung der logischen Selbstkonsistenz über die Zeit hinweg .

Es wurde kein physikalischer Mechanismus identifiziert, der diese Konsistenz erzwingt. Sie muss einfach wahr sein, damit die Mathematik aufgeht. Was die Gleichungen offen lassen, ist ein Universum, in dem sich Ihre Entscheidungen zwar frei anfühlen mögen, während die Physik im Stillen darauf beharrt, dass keine einzige von ihnen jemals anders hätte sein können.

Die Physikerin Kip Thorne selbst betonte, dass Zeitreisen in Form von geschlossenen zeitartigen Kurven mehr als nur eine Rechtfertigung für theoretische Spekulation ist – sie ist ein konzeptionelles Werkzeug und ein erkenntnistheoretisches Instrument, um die fundamentalen Grundlagen der Allgemeinen Relativitätstheorie zu erforschen und erhellende Einsichten zu gewinnen .

Quellen:

1. Carlini, A., Frolov, V. P., Mensky, M. B., Novikov, I. D. & Soleng, H. H. (1995). „Time machines: the principle of self-consistency as a consequence of the principle of minimal action“. International Journal of Modern Physics D, 4(5), 557-580. 
2. (2015). „Quantum causality in closed timelike curves“. Physica Scripta, 90(8), 085101. 
3. Thorne, K. S. (1991). „Do the Laws of Physics Permit Closed Timelike Curves?“. Annals of the New York Academy of Sciences, 631, 182-193. 
4. Morris, M. S., Thorne, K. S. & Yurtsever, U. (1988). „Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition“. Physical Review Letters, 61(13), 1446-1449.