Gegen Ende des 19.Jahrhunderts wurde die Existenz des Zeitparadoxons fast gleichzeitig aus wissenschaftlicher und aus philosophischer Sicht wahrgenommen. Im Werk des Philosophen Henri Iergson war die Zeit oder »Dauer« sowohl für das Verhältnis zwischen Mensch und Natur als auch für die Grenzen der Wissenschaft von großer Bedeutung. Der Wiener Physiker Ludwig Boltzmann betrachtete es als das Ziel seines Lebenswerks, die mit der Entwicklung verknüpfte Zeit in die Physik einzuführen.
Vor 80 Jahren erschien Henri Bergsons Schöpferische Entwicklung8. Darin behauptete Bergson, die Wissenschaft sei nur dort erfolgreich gewesen, wo sie den Gang der Natur auf eine monotone Wiederholung reduzieren konnte, und nannte als Beispiel die deterministischen Gesetze der klassischen Dynamik. Wann immer die Wissenschaft versucht habe, die schöpferische Potenz der Zeit, die Entstehung von Neuem zu beschreiben, habe sie scheitern müssen.
Bergsons Folgerungen wurden als ein Angriff auf die Wissenschaft gewertet. Man räumte gern ein, daß es der Wissenschaft nicht gelungen war, in die Bereiche einzudringen, die traditionell der Philosophie vorbehalten waren, etwa die Frage der Freiheit und die Ethik. Doch selbst auf den Gebieten, wo man hätte erwarten können, daß die Wissenschaft erfolgreich sein würde, war sie nach Ansicht Bergsons äußerst beschränkt. Unser Naturverständnis solle sich, so Bergson, nicht auf die Objekte stützen, die wegen ihres repetitiven zeitlichen Verhaltens von der Wissenschaft bevorzugt werden, sondern auf unsere subjektive Erfahrung, die in erster Linie in der Erfahrung der Dauer und der Kreativität bestehe. Die mit unserer Erfahrung der Dauer verbundene »erlebte Zeit« bringt uns Bergson zufolge nicht in einen Gegensatz zu einer Welt, die zeitlich invarianten Gesetzen unterworfen ist. Sie ist vielmehr Ausdruck der Tatsache, daß wir in die Natur eingebettet, daß wir ein Teil der Wirklichkeit sind. Bergson wollte mit der schöpferischen Entwicklung unter anderem »zeigen, daß das Ganze von gleicher Natur ist wie das Selbst und daß man es durch eine noch umfassendere Ergründung seiner selbst erfaßt«9.
Mit dem Vorhaben, ein Verfahren darzustellen, das es mit der naturwissenschaftlichen Erkenntnismethode aufnehmen könnte, ist Bergson gescheitert. Das »Gefühl, das wir von unserer Entwicklung, von der Entwicklung aller Dinge in der reinen Dauer besitzen«10, hat nicht zu einer Forschungsmethode geführt, die es mit jener der Wissenschaft aufnehmen könnte. Doch gerade weil wir nicht mehr an die von Bergson befürwortete Lösung glauben können, beherrscht das von Bergson aufgeworfene Problem dieses Buch.
Im Unterschied zu Bergson glauben wir nicht, daß wir eine »andere« Wissenschaft brauchen, um die kreative Entwicklung der Natur zu verstehen. Wir sind jedoch überzeugt, daß die Wissenschaft erst am Anfang steht und daß die Physik gerade im Begriff ist, Beschränkungen zu überwinden, die ihrer Frühgeschichte zuzuschreiben sind. Ihr Beginn fiel zusammen mit einigen wunderbaren Entdeckungen: Die Natur schien die Fragen, welche die großen Begründer der modernen Wissenschaft wie etwa Galilei oder Newton an sie richteten, zu beantworten, und bestätigte dadurch, daß ihr Ansatz richtig war. Inzwischen können wir jedoch besser verstehen, wie stark diese großen Erfolge vom spezifischen Charakter unserer Umwelt abhingen. Nehmen wir zum Beispiel die Bewegung der Erde um die Sonne. Die Geschichte unserer Physik wurde entscheidend dadurch geprägt, daß die Wechselwirkungen zwischen der Erde, dem Mond und den übrigen Planeten bei der Erforschung des Umlaufs der Erde um die Sonne in erster Näherung vernachlässigt werden können. Andernfalls hätte man die Erdbahn nicht als ein einfaches Zweikörpersystem (Erde-Sonne) beschreiben können, und der Himmel hätte uns nicht das Schauspiel regelmäßiger periodischer Bewegungen geboten. Vielleicht hätte man, um die komplexität der Planetenbewegungen zu berücksichtigen, einen probabilistischen Ansatz vorgeschlagen. Vielleicht wäre auch früher die Idee der instabilen dynamischen Systeme aufgetaucht, die jetzt zentrale Bedeutung erlangt hat. Wir verdanken die großen theoretischen Visionen der klassischen Physik nicht allein den kulturellen Grundüberzeugungen, sondern auch der Tatsache, daß es in unserer komplexen Umwelt bestimmte einfache Sachverhalte gibt, die von selbst ins Auge springen, unsere Aufmerksamkeit fesseln und dazu anregen, eine Sprache zu entwickeln, in der ihr Verhalten angemessen beschrieben werden kann.
Heute ist die Physik imstande, sich von den spezifischen Bedingungen ihrer Entstehung zu lösen. Wir können die Einfachheit der Planetenbewegung bewundern, aber wir haben gelernt, ihren ungewöhnlichen, beinahe singulären Charakter einzuordnen. Diesen Wandel unserer Betrachtungsweise möchten wir im vorliegenden Buch beschreiben, um dem Leser das Gefühl zu vermitteln, daß unsere Gegenwart uns einen privilegierten Ausblick bietet. Die Physik steht heute an einer Schwelle. Sie erschließt uns eine Welt voller neuer Fragen, und zugleich läßt sie uns ihre eigenen Anfänge besser verstehen.
Nicht zufällig haben gerade zu Beginn des 20.Jahrhunderts Bergson und andere Philosophen die Zeit zu ihrem entscheidenden Problem gemacht. Man erkannte damals, daß das Werden eine für das Verstehen der Natur grundlegende Kategorie ist; die Erde und das Leben, aber auch alle Erscheinungen der menschlichen Kultur - Sprache, Religion, politische Institutionen, ethische und ästhetische Urteile - sind Produkte der Geschichte.
Im Dialog mit der Natur11 haben wir die Geschichte der Physik im 19.Jahrhundert unter dem Blickwinkel des Zeitproblems geschildert und gezeigt, wie in der zweiten Jahrhunderthälfte zwei Konzeptionen entstanden, die entgegengesetzten Anschauungen von der physikalischen Welt entsprachen. Die eine ging auf die im 17. und 18. Jahrhundert entstandene Dynamik, die andere auf die Thermodynamik des 19.Jahrhunderts zurück. Aus der Sicht der Dynamik ist die Zeit frei von jeder Konnotation des Werdens. So wie das ideale, reibungslose Pendel endlos um seine Gleichgewichtslage schwingt, bekräftigt die von den Gesetzen der Dynamik beherrschte Welt ihre eigene, unwandelbare Identität. Das thermodynamische Universum schließt dagegen ein Werden ein, das allerdings ein begrenztes, negatives Werden ist: Das Universum befindet sich in einem fortschreitenden Verfallsprozeß, der zu seinem Wärmetod führt, zur Nivellierung aller Unterschiede. Zwei Doktrinen prallten also aufeinander: die zeitlich reversiblen Gesetze der Dynamik und der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik, der mit der irreversiblen Entwicklung zum Gleichgewicht verbunden ist.
Für den Wiener Physiker Ludwig Boltzmann war das 19.Jahrhundert »das Jahrhundert Darwins«, das Jahrhundert desjenigen, der das Leben als Ergebnis einer nie endenden Evolution darstellte und damit das Werden in den Mittelpunkt unseres Naturverständnisses rückte. Allerdings steht der Name Boltzmanns für die meisten Physiker von heute für das Gegenteil dessen, was Darwin vertrat; sie meinen, er habe gezeigt, daß die Irreversibilitit nur eine »Illusion« ist. Es war die Tragödie Boltzmanns, daß er in der Physik versuchte, was Darwin in der Biologie gelungen war - und daß er dabei in eine Sackgasse geriet. Es springt sofort ins Auge, daß diese beiden Giganten des 19.Jahrhunderts einen ganz ähnlichen Ansatz verfolgen. Darwin hatte gezeigt, daß man, indem man statt der Individuen Populationen untersucht, verstehen lernt, wie die individuelle Variabilität, der Selektion unterworfen, eine »Drift« erzeugt. Im gleichen Sinne behauptete Boltzmann, daß man den Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik und die von ihm vorhergesagte spontane Entropiezunahme nur verstehen könne, wenn man nicht von einzelnen dynamischen Trajektorien, sondern von einer großen Teilchenzahl ausgeht. Die Entropiezunahme entspräche der globalen »Drift«, die sich aus den zahlreichen Stößen zwischen Tei]chen ergibt.
Boltzmann trug 1872 sein berühmtes »H-Theorem« vor, auf das wir wiederholt zurückkommen werden. Die H-Funktion drückt die Wirkung der Stöße aus, die in jedem Augenblick die Geschwindigkeiten der Teilchen eines Systems modifizieren. Das Theorem besagt, daß die Stöße die Verteilung der Teilchengeschwindigkeiten ihrem Gleichgewichtswert (der sogenannten Maxwell-Boltzmann-Verteilung) näherbringt. Während dieser Annäherung an das Gleichgewicht nimmt die Boltzmannsche H-Funktion ab und erreicht ihr Minimum im Gleichgewicht; bei diesem Minimalwert wird die Geschwindigkeitsverteilung der Teilchen durch weitere Stöße nicht mehr verändert. Die Stöße zwischen den Teilchen sind für Boltzmann also jener Mechanismus, der das System zum Gleichgewicht führt.
Im 3.Kapitel werden wir auf den scheinbaren Widerspruch zwischen den Ansätzen Darwins und Boltzmanns zurückkommen. Beide untersuchten statt Individuen Populationen beziehungsweise große Teilchenzahlen und zeigten, daß »Meine« Variationen (Variabilität der Individuen, mikroskopische Stöße) über einen größeren Zeitraum eine Evolution auf kollektiver Ebene hervorrufen können. Aber während Darwin das Auftreten neuer Arten zu erklären versuchte, beschrieb Boltzmann eine Entwicklung zum Gleichgewicht und zur Gleichförmigkeit. Ein wichtiger Punkt, den wir hier hervorheben möchten, ist jedoch das unterschiedliche Schicksal, das beiden Theorien beschieden war Darwins Evolutionstheorie sollte sich nach erbitterten Kontroversen durchsetzen. Sie ist noch heute Grundlage unseres Verständnisses der Entwicklung der Lebewesen. Boltzmanns Interpretation der Irreversibilität hielt dagegen der Kritik nicht stand, und Boltzmann mußte schließlich einen Rückzieher machen. Er konnte die Möglichkeit »antithermodynamischer« Entwicklungen, bei denen die Entropie abnimmt und Unterschiede nicht nivelliert werden, sondern spontan entstehen, nicht ausschließen.