Am 28. Juni 2009 gab der weltberühmte Physiker Stephen Hawking eine Party an der University of Cambridge, mit Luftballons, Häppchen und eisgekühltem Champagner. Und obwohl jeder eingeladen war, ging niemand hin. Hawking hatte nichts anderes erwartet, schließlich schickte er die Einladungen erst nach dem Fest ab. Es handelte sich "um einen Willkommensempfang für künftige Zeitreisende", wie Hawking mitteilte. Mit diesem nicht ganz ernst gemeinten Experiment wollte er seiner 1992 aufgestellten These etwas Nachdruck verleihen: in die Vergangenheit zu reisen, sei praktisch unmöglich.

Doch vielleicht erweist sich diese Annahme auch als falsch. Jüngste Experimente deuten jedenfalls auf die Machbarkeit von Zeitreisen hin – zumindest aus mathematischer Sicht. Derartige Studien rütteln an unserem grundlegenden Verständnis des Universums. Denn die Frage, ob Zeitreisen möglich sind oder nicht, stellen sich längst nicht nur Sciencefiction-Fans. Schließlich hätte die Antwort tief greifende Auswirkungen auf die Grundlagenphysik sowie auf praktische Anwendungen wie die Quantenkryptografie und -informationsverarbeitung.

Geschlossene Zeitkurven

Keine der etablierten physikalischen Theorien scheint zu verbieten, in der Zeit zurückzureisen, und das befeuert die vielen Spekulationen über Zeitreisen. Ausgehend von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die Schwerkraft als Krümmung der Raumzeit durch Energie und Materie beschreibt, sollte dieses Kunststück tatsächlich möglich sein. Ein extrem starkes Gravitationsfeld, wie das eines rotierenden Schwarzen Lochs, könnte die Raumzeit im Prinzip so extrem verbiegen, dass sie auf sich selbst zurückgekrümmt wird. Dadurch würde eine "geschlossene zeitartige Kurve" (closed timelike curve oder kurz CTC) entstehen: Durchläuft man eine solche Schleife, könnte man in die Vergangenheit reisen.

Zeitreise
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In die Vergangenheit reisen und den eigenen Großvater meucheln? Das sollte eigentlich ein Ding der Unmöglichkeit sein. Zumindest in der Quantenwelt könnte aber genau dies eintreten.

Hawking und viele andere Physiker finden CTCs fürchterlich. Denn sobald ein makroskopisches Objekt durch eine solche Schleife reist, geraten Ursache und Wirkung durcheinander, und das führt unweigerlich zu Paradoxien. Auf der Quantenebene ließen sich nach einem 1991 vom Theoretiker David Deutsch vorgeschlagenen Modell die durch CTCs hervorgerufenen Widersprüche jedoch vermeiden. Der Grund dafür liegt im Verhalten der Quantenteilchen, das nicht deterministisch ist und sich nur statistisch beschreiben lässt. "Es ist faszinierend, dass die allgemeine Relativitätstheorie diese Paradoxien vorhersagt, doch wenn man die Paradoxien im Rahmen der Quantenmechanik betrachtet, lösen sie sich auf", berichtet Tim Ralph von der University of Queensland. "Man fragt sich natürlich, ob dies im Hinblick auf die Formulierung einer Theorie, die die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik vereint, relevant ist."

Der tote Großvater

Kürzlich simulierte ein Team um Ralph und seinen Doktoranden Martin Ringbauer erstmals das CTC-Modell von Deutsch und konnte auf diese Weise viele Aspekte der zwei Jahrzehnte alten Theorie überprüfen und bestätigen. Ihre Ergebnisse erschienen in der Zeitschrift "Nature Communications". Ein Großteil ihrer Simulation widmete sich dem "Großvaterparadoxon": In diesem hypothetischen Szenario reist eine Person mit Hilfe einer CTC in die Vergangenheit und bringt ihren Großvater um, wodurch sie ihre spätere Geburt verhindert.

Um diesen Widerspruch aufzulösen, entwickelte Deutsch folgendes Szenario: Statt eines Menschen, der seinen Vorfahr auslöschen will, reist ein Quantenteilchen durch eine CTC zurück in die Vergangenheit, um dort einen Schalter an jenem Teilchenerzeugungsapparat umzulegen, aus dem es ursprünglich stammt. Betätigt das Teilchen den Schalter, schickt der Apparat ein Teilchen – das Teilchen – zurück in die CTC; wird der Schalter nicht umgelegt, spuckt der Apparat nichts aus. Ob das Teilchen ausgeworfen wird, lässt sich im Vorfeld nicht mit Sicherheit sagen – man kann nur eine bestimmte Wahrscheinlichkeit dafür angeben.

Damit ein solches Teilchen an beiden Enden einer CTC genau dieselben Eigenschaften besitzt, forderte Deutsch auch für die Quantenwelt das Prinzip der Selbstkonsistenz. Erzeugte der Apparat also beispielsweise ein Teilchen mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 Prozent und liefe dieses Teilchen dann durch eine CTC, würde es am anderen Ende mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 Prozent den Schalter umlegen. Damit stehen nach seiner Entstehung die Chancen, in der Zeit zurückzureisen und den Schalter zu betätigen, ebenfalls bei 50 Prozent. Wäre das Quantenteilchen eine Person, würde diese mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 Prozent ihren Großvater umbringen, wodurch der Großvater dem Tod durch seinen Enkel mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 Prozent entrinnen kann – wahrscheinlichkeitstheoretisch genügt das, um die Kausalschleife zu schließen und das Paradox aufzulösen. So seltsam es auch erscheinen mag, diese Lösung steht im Einklang mit den bekannten Gesetzen der Quantenmechanik.

In ihrer neuen Simulation prüften Ralph, Ringbauer und Kollegen das Modell von Deutsch anhand der Wechselwirkungen zwischen Paaren von polarisierten Photonen. Das untersuchte Quantensystem sei mathematisch äquivalent zu einem einzelnen Photon, das eine CTC durchreist, so die Forscher. "Wir arrangieren ihre Polarisation derart, dass das zweite gewissermaßen als frühere Inkarnation des ersten agiert", beschreibt Ringbauer. Anstatt eine Person durch eine Zeitschleife zu schicken, erzeugten die Wissenschaftler also ein Double der Person und schleusten dieses durch einen Zeitschleifensimulator. Auf diese Weise sollte sich zeigen, ob der aus einer CTC tretende Doppelgänger tatsächlich derjenigen Person entspricht, die er in diesem Moment in der Vergangenheit war.

Durch Messen der Polarisationszustände des zweiten Photons nach seiner Wechselwirkung mit dem ersten konnte das Team über mehrere Durchläufe hinweg tatsächlich die von Deutsch geforderte Selbstkonsistenz nachweisen. "Der Zustand, den wir herausbekamen – also das zweite Photon am simulierten Ausgang der CTC –, war identisch mit dem, den wir hineinsteckten: das erste kodierte Photon am Eingang der CTC", erläutert Ralph. "Natürlich schicken wir nicht wirklich etwas zurück in der Zeit, aber [die Simulation] ermöglicht es uns, bizarre und normalerweise nicht erlaubte Entwicklungen in der Quantenmechanik zu untersuchen."

Diese durch CTCs ermöglichten "bizarren Entwicklungen" hätten Ringbauer zufolge beachtliche Folgen – darunter etwa das Scheitern der Quantenkryptografie angesichts des Klonens von Quantenzuständen einzelner Elementarteilchen. "Wenn man Quantenzustände klonen kann", sagt der Physiker, "kann man auch die heisenbergsche Unschärferelation verletzen." Und genau dieses Prinzip macht sich die Quantenkryptografie zu Nutze – denn es untersagt, bestimmte Paare von Eigenschaften, beispielsweise Ort und Impuls, gleichzeitig exakt zu messen. "Doch klont man dieses System, lässt sich eine Messgröße im ersten und die andere im zweiten bestimmen, wodurch man eine verschlüsselte Nachricht entschlüsseln könnte."

"Die Quantenmechanik erlaubt es, in der Anwesenheit von CTCs enorm komplexe Informationsverarbeitungsaufgaben zu bewältigen – weit mehr als das, was wir von klassischen oder sogar gewöhnlichen Quantencomputern erwarten", sagt Todd Brun von der University of Southern California, der nicht am Experiment des Teams beteiligt war. "Sollte das Deutsch-Modell stimmen, dann demonstriert dieses Experiment wahrheitsgetreu, was man mit einer echten CTC anstellen kann. Allerdings vermag dieses Experiment das Deutsch-Modell selbst nicht zu überprüfen; das ließe sich nur mit einer echten CTC bewerkstelligen".

Was könnte alternativ passieren?

Das Modell von Deutsch ist jedoch längst nicht das einzige seiner Art. Seth Lloyd vom Massachusetts Institute of Technology schlug 2009 ein alternatives und weniger radikales CTC-Modell vor. Das Großvater-Paradoxon lässt sich demnach mit Hilfe von Quantenteleportation und einer Technik namens Postselektion lösen anstatt wie bei Deutsch durch Selbstkonsistenz in der Quantenmechanik. Zusammen mit Kollegen aus Kanada führte Lloyd 2011 erfolgreich Laborsimulationen seines Modells durch. "Deutschs Theorie hat den seltsamen Effekt, Korrelationen zu zerstören", so der Wissenschaftler. "Ein Zeitreisender aus einer CTC gemäß Deutsch tritt deshalb in ein Universum, das nichts mit demjenigen gemein hat, das er in der Zukunft verlassen hat. Im Gegensatz dazu bewahren postselektierte CTCs die Korrelationen, so dass der Zeitreisende in dasselbe Universum zurückkehrt, an das er sich aus der Vergangenheit erinnert."

Auf Grund dieser Eigenschaft von Lloyds Modell würden CTCs die Informationsverarbeitung deutlich weniger beflügeln, auch wenn sich immer noch weitaus mehr leisten ließe als mit Computern in durchschnittlichen Gegenden der Raumzeit. "Die Klasse von Problemen, die man mit unseren CTCs lösen könnte, lassen sich vielleicht mit der Suche nach der Nadel im Heuhaufen vergleichen", sagt Lloyd. "Ein Computer in einer CTC nach Deutsch könnte dagegen aufklären, warum Heuhaufen überhaupt existieren."

Dennoch bleiben CTCs vorerst reine Spekulation, was auch Lloyd eingesteht. "Ich habe keine Ahnung, welches Modell richtig ist. Vielleicht sind auch beide falsch", so der Theoretiker. Natürlich, fügt er hinzu, könnte auch Hawking Recht haben, "dass es CTCs schlicht und einfach nicht gibt und auch nicht geben kann". Wer also eine Party für Zeitreisende plant, sollte den Champagner besser für sich selbst aufheben – denn die erhofften Gäste aus der Zukunft lassen sich wahrscheinlich nicht blicken.