Bestimmt kommt Dir eine Stunde in der Schule manchmal länger vor als eine Stunde mit Deinen Freunden in Deiner Freizeit. Jedoch verläuft die Zeit in beiden Fällen gleich. Aber was ist eigentlich die physikalische Größe Zeit?
Zeit Definition Physik
Um festzustellen, wann Deine Schulstunde zu Ende ist oder wie lange Du gelernt hast, verwendest Du die Zeit, genauer gesagt die Uhrzeit.
Die Zeit t, eine physikalische Größe, ist ein Maß zur Bestimmung der Abfolge und Dauer von Ereignissen.
Ein Ereignis kann dabei eben das Ende Deiner Schulstunde, ein Glockenschlag oder auch der Schlusspfiff eines Fußballspiels sein. Die Länge eines Ereignisses oder den Abstand zweier Ereignisse misst Du in festgelegten Zeiteinheiten.
Zeit Einheit
Im alltäglichen Leben, zum Beispiel in der Schule, misst Du Ereignisse meist in Minuten oder Stunden, die Standardeinheit der Zeit ist allerdings die Sekunde.
Die SI-Einheit der Zeit t ist die Sekunde (s):
\[ [t]\,=\,1s\]
SI-Einheiten sind grundlegende physikalische Einheiten, aus welchen sich alle anderen Einheiten zusammensetzen lassen. Wie SI Einheiten definiert sind und welche weiteren SI-Einheiten existieren, erfährst Du in der entsprechenden Erklärung.
Als SI-Einheit liegt der Sekunde auch eine möglichst genaue Definition zugrunde. Diese wurde durch den Fortschritt der Technik immer weiter optimiert, um derer Genauigkeit zu verfeinern.
Die Sekunde ist das 9.192.631.770-fache der Periode der durch einen charakteristischen Energieniveau-Übergang resultierenden oder zugrundeliegenden Strahlung.
\[1s\,=\,\frac{9\,192\,631\,770}{\Delta\nu_{Cs}}\]
mit Strahlungsfrequenz \(\Delta\nu_{Cs}\)
Die Definition der Sekunde erfolgt seit 1967 aus dem Übergang der Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes des Caesium (\(^{133}Cs\)) Atoms. Was ein Übergang zwischen Energieniveaus der Atome ist und wie Frequenz und Periode erklärt sind, erfährst Du in den entsprechend dazugehörigen Erklärungen.
Neben der Sekunde verwendest Du weitere Zeiteinheiten. Diese Zeitskalen haben sich im Alltag deutlich besser bewährt, als sämtliche Zeitspannen nur in Sekunden zu bestimmen.
Deine Schulstunde gibst Du beispielsweise als 45 Minuten oder als \(\frac{3}{4}\) Stunde an. Unter 2.700 Sekunden werden sich die Wenigsten direkt intuitiv eine Schulstunde vorstellen können.
Folgende Tabelle zeigt Dir eine Übersicht herkömmlicher Zeiteinheiten sowie derer Umrechnungen bis hin zur SI-Einheit Sekunde.
| Bezeichnung | Einheitenzeichen | Umrechnung bis zu Sekunden |
| Millisekunde | ms | = 0,001 s |
| Sekunde | s | = 1 s |
| Minute | min | = 60 s |
| Stunde | h | = 60 min = 3.600 s |
| Tag | d | = 24 h = 1.440 min = 86.400 s |
| Woche | | = 7 d = 168 h = 10.080 min = 604.800 s |
| Monat | | Einen Tag mit Anzahl der jeweiligen Tage im Monat multiplizieren. |
| Jahr | a | = 365,2425 d = 8.766 h = 525.949 min = 31.556.952 s |
Theoretisch kannst Du Zeiteinheiten immer kleiner unterteilen. Im Alltag unpraktisch, doch zum Messen von Teilchenschwingungen in der Teilchenphysik sind solch kleine Zeitskalen sinnvoll. Dafür verwendest Du die üblichen Präfixe wie „milli“, „mikro“, „nano“, etc.
Wie in der Definition der Sekunde gesehen, dauert eine Periode einer Teilchenschwingung ca. 10-10 Sekunden.
Wenn Du die Zeit immer kleiner unterteilst, stellt sich die Frage, ob eine theoretisch kleinstmögliche Zeiteinheit existiert, oder ob die Zeit wirklich ein Kontinuum ist, also Du sie beliebig klein unterteilen kannst.
Planck-Zeit
Als kleinstmögliche Zeiteinheit gilt die Planck-Zeit tP.
Die Planck-Zeit tP ist die kleinstmögliche Zeiteinheit, für welche die bekannten Gesetze der Physik gültig sind. Licht benötigt diese Zeit, um die kleinstmögliche Länge (die Planck-Länge \(l_P\,=\,1,616\,255\,18\,\cdot\,10^{-39}\,m\) ) zurückzulegen.
\begin{align}t_P\,&=\,\frac{l_P}{c}\\&\approx\,5,391\,247\,60\,\cdot\,10^{-44}\,s~,\end{align}
Wobei \(c\,=\,299.792.458\,\frac{m}{s}\) die Geschwindigkeit des Lichts ist.
Mit der Zeit lassen sich also sowohl auf ganz kleinen Zeitdauern, wie der Planck-Zeit als auch auf sehr großen Zeitskalen von Millionen von Jahren Ereignisse beschreiben.
Zeit physikalische Bedeutung
Die Zeit nimmt neben der alltäglichen Nutzung auch in der Physik eine herausragende Rolle ein. Meist wirst Du sie verwenden, um die Dauer von Vorgängen zu messen. Auch als Maß für Änderungsraten, als Differenzial oder zur Parametrisierung kann sie Dir nützlich sein.
Stand der aktuellen Theorie beginnt mit dem Urknall die Zeit. Von diesem Moment an verläuft sie kontinuierlich in dieselbe Richtung – in die Zukunft – und bildet das Zeitkontinuum.
Das Zeitkontinuum ist ein eindimensionaler, kontinuierlicher Raum, der durch das Kontinuum \( \mathbb{R} \) der reellen Zahlen repräsentiert wird.
Der Verlauf der Zeit ist jedoch nicht überall gleich, wie Albert Einstein es in seiner weltbekannten Relativitätstheorie beschrieben hat. Die Orientierung der Zeit ist durch die Zunahme der Entropie gemäß dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik gegeben.
Das Zeitkontinuum lässt sich als Zeitstrahl darstellen, der Urknall bildet den Nullpunkt, die Orientierung des Strahls zeigt Richtung Zukunft.
Ereignisse auf dem Zeitstrahl, wie die Entstehung der Erde oder das Zeitalter der Dinosaurier, veranschaulichen Zeitpunkte oder Zeitspannen. Diese lassen sich nach ihrer Zeit auf dem Zeitstrahl anordnen und ablesen.
Die Erde ist entstanden, bevor es Dinosaurier gab. Also ist die Position auf dem Zeitstrahl durch diese zeitliche Reihenfolge bestimmt.
Die genaue Position auf dem Zeitstrahl, also die genaue Zeit, kann gemessen werden.
Zeit messen
Um die aktuelle (Uhr-)Zeit zu bestimmen, misst Du mit einer Uhr einen Zeitpunkt.
Ein Zeitpunkt \(t_i\) ist ein eindeutiger Moment im Zeitkontinuum.\begin{equation}t_i\,\in\,\mathbb{R}\end{equation}
Das Symbol \(\in\) bedeutet, dass jeder Zeitpunkt ein Teil des Zeitkontinuums ist, also Element der Menge der reellen Zahlen ist.
Eine Zeitdauer (auch Zeitspanne genannt) misst Du durch Bilden einer Zeitdifferenz \( \Delta t \) von einem Zeitpunkt \(\text{t}_1\) mit einem Referenz- oder Anfangszeitpunkt \(\text{t}_0\). Wie Du einen räumlichen Abstand misst, bestimmst Du auch eine Zeitdauer als Abstand auf dem Zeitstrahl.
$$d(t_0,t_1)\,=\,\Delta t\,=\,t_1\,-\,t_0$$
Der Abstand \(d(t_i,t_j)\) erfüllt dabei alle Anforderungen an eine Metrik: Positivität, Symmetrie, Dreiecksungleichung.
(1) \(d(A,B)\,=\, 0\) genau dann, wenn \(A = B\)
Der Abstand von A nach B ist genau dann gleich 0, wenn A gleich B ist (Positivität)
(2) \(d(A,B)\, = \,d(B,A)\)
Der Abstand von A nach B ist genauso groß, wie der Abstand von B nach A (Symmetrie)
(3) \(d(A,C) \,\le\, d(A,B) + d(B,C)\)
Der Abstand von A nach C ist kleiner oder gleich groß, als der Abstand von A nach B plus der Abstand von B nach C (Dreiecksungleichung).
Das kannst Du auch auf dem Zeitstrahl einzeichnen.
Die Zeitdauer \(\Delta t\) von der Entstehung der Erde \(t_0\) bis zu den Dinosauriern \(t_1\) lässt sich als Abstand auf dem Zeitstrahl ablesen.
Durch Umstellen der Gleichung kannst Du einen Zeitpunkt \(t_1\) ausgehend von einem beliebig gewählten Referenzzeitpunkt \(t_0\) bestimmen, welcher eine Zeitdauer von \(\Delta t\) auf dem Zeitstrahl entfernt liegt.$$t_1\,=\,t_0\,\pm\,\Delta t$$
Misst Du in einem Experiment keine Zeitdifferenz zwischen zwei Zeitpunkten, dann haben beide Messungen dieselbe Zeit, also \(\Delta t\) = 0 (Positivität).
Zwischen Mittag und Mitternacht liegen 12 Stunden. Ob Du nun von Mittag nach Mitternacht oder von Mitternacht nach Mittag die Zeitdifferenz bestimmen möchtest, wirst Du in beiden Fällen 12 Stunden erhalten. (Symmetrie)
Zwischen 1:00 Uhr und 3:00 Uhr liegen 2 Stunden. Also die Summe aus den Zeitdifferenzen (1h) 1:00 Uhr bis 2:00 Uhr und (1h) 2:00 Uhr und 3:00 Uhr (Dreiecksungleichung).
Jedoch lassen sich auch Zeitpunkte oder Zeitdauern mit Orten oder Strecken vergleichen.
Zeit Weg Diagramm Physik
Wenn Du den Bus nach dem Unterricht von Deiner Schule nach Hause nimmst, wird jedem Halt auf der Strecke ein Zeitpunkt zugeordnet. Die zurückgelegte Strecke kannst Du also mit der benötigten Zeit vergleichen. Dazu bietet sich das s-t-Diagramm (Weg/Strecke s, Zeit t) an.
Wenn Du dem Ort einen Zeitpunkt zuordnen möchtest, wird die x-Achse als Zeitachse verwendet und auf der y-Achse wird der Weg aufgetragen. Abfahrtsort und -zeit bilden den Startpunkt und das Erreichen Deines Zuhauses das Ziel.
Die Kurve im obigen s-t-Diagramm zeigt Dir die Bewegung des Ortes Deines Busses im Vergleich mit der vergangenen Zeit. In Bereichen, in welchen sich sowohl Zeit als auch Ort ändern, fährt Dein Bus. Wenn sich der Ort nicht ändert, aber die Zeit voranschreitet, steht Dein Bus. Das ist zum Beispiel an einer Ampel oder Haltestelle der Fall und zeigt, dass der Ort gleich bleiben kann, wenn sich aber die Zeit weiter ändert.
Du kannst die Zeit also nicht anhalten, sie verläuft auch im klassischen Bilde immer gleich. Der Ort kann sich jedoch einmal schneller oder einmal langsamer ändern, oder eben gleich bleiben.
Die zeitliche Änderung des Ortes wird durch die Geschwindigkeit beschrieben.
Der Ursprung der Koordinatenachsen kann dabei frei gewählt werden. Die räumliche Komponente besitzt keinen ausgezeichneten Nullpunkt. Der Zeitstrahl hingegen besitzt einen absoluten Nullpunkt – den Urknall. Dieser wird aber fernab der Kosmologie seltenst als Ursprung des s-t-Diagramms verwendet.
Es bietet sich an, Dir naheliegende Zeitpunkte – wie die Abfahrt des Busses – in den Ursprung der Zeitachse zu setzen und alle folgenden Ereignisse daran zu vergleichen.
Oder gibt es vielleicht doch eine Möglichkeit den Verlauf der Zeit zu manipulieren oder sogar umzudrehen?
Zeitreisen
Ob dabei zu sein, als vor vielen Millionen Jahren gewaltige Eidechsen über unseren Planeten stampften oder das erste fliegende Auto mitzuerleben. Zeitreisen – thematisiert in vielen Science-Fiction-Filmen und Traum vieler Menschen – würden dies möglich machen.
Zeitreisen sind Bewegungen entlang oder Sprünge auf dem Zeitstrahl.
Gemäß dieser Definition reist Du auch gerade in diesem Moment durch die Zeit, bewegst Dich aber entlang der Zeitachse. Interessanter sind jedoch die Zeitreisen in die ferne Zukunft oder in die Vergangenheit. Theoretisch sind Zeitreisen möglich, jedoch stehen Deinem Abflug in eine fremde Zeit noch einige technische Hürden im Weg.
Eine Möglichkeit in die Zukunft zu reisen wird durch die Zeitdilatation der Speziellen Relativitätstheorie (A. Einstein 1905) beschrieben. Bei sehr schnellen Bewegungen vergeht im bewegten Bezugssystem die Zeit langsamer als im ruhenden.
Eine andere Möglichkeit wäre sich nahe eines sehr schweren Objekts aufzuhalten, wie eines Supermassereichen Schwarzen Loches. Schwere Objekte verlangsamen auch den Zeitverlauf.
Solltest Du miterleben, dass Zeitreisen möglich werden, kannst Du Dir ja für Dein zukünftiges Ich merken, dass es in 5 Sekunden vor Deiner Tür stehen soll.
Und, hat es funktioniert? Vermutlich nicht. Das bedeutet aber nicht, dass Du Zeitreisen nicht miterleben wirst. Was die Zukunft bringt, kann niemand sagen. Es ist alles eine Frage der Zeit.
Zeit - Das Wichtigste
- Die Zeit beschreibt die Abfolge und Dauer von Ereignissen und hat eine große Bedeutung für Alltag, Physik und Wissenschaft.
- Die Einheit der Zeit ist die Sekunde, die kleinstmögliche Zeitdauer ist die Planck-Zeit.
- Die Zeit begann mit dem Urknall und läuft immer gleichmäßig Richtung Zukunft.
- Du kannst die Zeit weder verlangsamen noch beschleunigen.
- Zeitpunkte sind eindeutige Punkte auf dem Zeitstrahl.
- Zeiten können gemessen werden durch Bilden von Zeitdifferenzen.
- Zeit und Ort lassen sich im Zeit-Weg-Diagramm darstellen und vergleichen.
- Du kannst aus technischen Gründen nicht durch die Zeit reisen.
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