Perspektive und Wahrnehmung von Zeit - Prof. Dr. Thomas Schramm (HCU Hamburg) am 7.3.2014 Podcast: http://uxhh-radio.blogspot.de/2014/03/hcu14-zeit.html

1. FREITAG, 7. MÄRZ
VORLESUNG UM 17.30; KONZERT UM 20.00
EINTRITT FREI: FREIKARTEN SIND ERHÄLTLICH UNTER
Alexander von Humboldt Professor dr. brian foster
NATURWISSENSCHAFT & MUSIK
VERANSTALTUNGSREIHE 2013-14
DIE ZEIT IN PHYSIK UND MUSIK
Prof. Dr. Thomas schramm
(hcU hambUrg)
“PersPekTiven UnD
WahrnehmUngen von ZeiT”
o. messiaen
QUaTUor PoUr la fin DU TemPs
Jack liebeck (violine)
maximilliano marTin (klarineTTe)
Thomas carroll (cello)
Danny Driver (klavier)

2. Bild „Spiraluhr“ aus „Hart-Davis“, Das Buch der Zeit
„Wenn niemand mich danach fragt, weiß ich es; wenn ich es einem Fragenden
erklären will, weiß ich es nicht.“1 (Augustinus, Confessiones ca. 400 a.D.)
Zeit ist ein “Hot Topic” für Physiker, Philosophen, Theologen, Neurologen…
Prigogine 1980: Vom Sein zum Werden
Breuer, 1984: Die Pfeile der Zeit
Davies :1996: Die Unsterblichkeit der Zeit
Hawking, 1998: Einke kurze Geschichte der Zeit
Achtner, Kunz, Walter, 1998: Dimensionen der Zeit
Reusch, 2004: Das Rätsel Zeit
Spektrum 10/10: Ist Zeit eine Illusion?
05/11: Das Ende der Zeit

3. • „Was ist Zeit?“ ist eine typische Philosophenfrage. (1)
• Was bedeutet die Frage?
• Zeit existiert nicht, sagt Zenon (490-430 v.Chr.)
• Zeit ist etwas an der Bewegung, sagt Aristoteles (384 – 322 v.Chr.).
• Zeit und Raum sind Anschauungsformen, die nach Kant der Erfahrung voran gehen
und unser Denken erst strukturieren.
• „Wie aber etwas charakterisieren, das ist, indem es vergeht, existiert, obwohl es
vergeht, und nur fortbesteht, weil es beständig vergeht?“ (Reusch, Blauer Reiter)
Wie ein Phänomen beschreiben, das als Vergangenes nach einem unendlich kurzen
Moment der Gegenwart „nicht mehr“ und als Zukünftiges „noch nicht“ ist?
• Philosophen, Psychologen und Physiker müssen klären unter welchen Bedingungen
wir IN der Zeit überhaupt ÜBER die Zeit sprechen können.
• Z.B. Usinn: Mit welcher Geschwindigkeit vergeht die Zeit?
• Zeigen Sie mir einmal etwas Raum -- Und nun etwas Zeit.
• Wir haben einen Raum-Sinn, aber keinen für die Zeit.
• Vielleicht setzten wir uns erst einmal damit auseinander, wie uns die Zeit begegnet?
(2)
• Die Physikerfrage lautet eher: „Wie ist die Zeit?“.
2

4. Video One Year Time Lapse, Oak Tree Timelapse
https://www.youtube.com/watch?v=-bUDylndVoY
• Lebewesen und insbesondere Menschen orientieren sich an den Zyklen der Welt.
• Tag, Monat und Jahr des Sonnen- und Mondlaufs bestimmen den Lebensrhythmus.
Die sesshafte Lebensweise erfordert Kalender.
• Aufgrund der Erdrotation, der Rotation des Mondes um die Erde und die der Erde um
die Sonne bekommt der Tag, Monat und das Jahr seine Dauer.
• Auch die biologischen Zyklen, wie Puls, Schlafen und Wachen oder der der
Menstruation ergeben den Eindruck einer im Prinzip immer gleichen zyklischen Welt.
3

5. Bild aus http://de.wikipedia.org/wiki/Uhr
• Mit der jüdischen, später christlichen Religion bekommt die Schöpfung einen Anfang
und ein Ziel.
• Aus der Antike und dem Mittelalter sind Sonnen- Wasser oder Kerzenuhren etc.
bekannt, allerdings regeln erst ab dem 13. Jahrhundert mechanische Räderuhren den
Tageslauf zuerst in Klöstern und dann in Städten. Vorher war eine genauere
Zeitmessung weder notwendig noch möglich. Mit dem Protestantismus wird
Zeitverschwendung unmoralisch.
4

6. Video The Simpsons - Homer Evolution
https://www.youtube.com/watch?v=faRlFsYmkeY
• Mit der Evolutionstheorie Darwins kommt mit der linearen Zeit Neues in die Welt.
• Lt. Bischof Ussher wurde die Erde am 22. Oktober 4004 v. Chr. Geschaffen. Er fand
dies aus Analysen von Bibel-Texten.
Heute gehen wir eher von 4.5 Mrd. Jahren aus
• Obwohl von der Amtskirche akzeptiert, wehren sich „Kreationisten“ beharrlich gegen
die Vorstellung, dass die Bibel nicht wörtlich gemeint sein könnte.
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7. Bild Issac Newton http://en.wikipedia.org/wiki/Later_life_of_Isaac_Newton
• Physik ist der Versuch Erfahrungen von Naturerscheinungen zu ordnen, ihre Eigenschaften
zu abstrahieren und zwischen diesen quantitative Zusammenhänge zu finden, woraus sich
wieder quantitative Voraussagen über Naturerscheinungen ableiten lassen.
• Solche abstrakten Eigenschaften sind etwa: Masse, Ladung, Energie, Kraft, Druck,
Temperatur, Geschwindigkeit, Beschleunigung etc.
• Physiker präparieren die Erscheinungen in wiederholbaren Experimenten, die tatsächlich
oder ideell durchgeführt werden, um Zusammenhänge zu finden oder zu bestätigen.
• Es besteht durchaus der Anspruch ALLE Naturerscheinungen zu erfassen, insbesondere
auch solche, die sich nur mittelbar durch Instrumente erfahren lassen (erst einmal keine
Kultur).
• Die erste große klassische Theorie ist die Mechanik Newtons, die in der „Principia
Mathematica“ 1686 veröffentlicht wurde. In ihr formuliert er die Grundgesetze der Mechanik
(Trägheitsprinzip, Kraft=Masse mal Beschleunigung, Kraft = Gegenkraft) und das Gesetz der
Schwerkraft.
• Sie gilt als Prototyp einer harten wissenschaftlichen Theorie und als Vorbild bis hin zur
Psychologie.
• Zur Zeit führt er aus (1)
Die „absolute, wahre und mathematische Zeit verfließt an sich und vermöge ihrer Natur
gleichförmig und ohne Beziehung auf irgendeinen äußeren Gegenstand“.
• Zeit ist damit ein eindimensionaler Zahlenparameter, gewissermaßen eine unabhängig
tickende Weltuhr, die beobachterunabhängig überall abgelesen werden kann.

8. • Der Kern der Mechanik ist die Beschreibung der Bewegung einzelner Körper.
(1)
• Da die Zeit lediglich als Parameter in den Gleichungen vorkommt
unterscheiden sich Zukunft und Vergangenheit lediglich durch ein Vorzeichen.
Beide Richtungen sind möglich, was offensichtlich nicht für alle Erscheinungen
gilt. Die Gegenwart ist durch nichts ausgezeichnet (2)
• Sind für ein System von Objekten Orte und Geschwindigkeiten und alle von
außen einwirkenden Kräfte bekannt, kann das System beliebig in die Zukunft
gerechnet werden.
• Die newtonsche Mechanik ist daher im Grunde zeitlos! (3)
• Diese Welt ist vorherbestimmt und kennt keinen Zufall bzw. ist Zufall nur eine
Form von Unkenntnis.
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9. • Die Frage: „Was ist Zeit?“ beantwortet Einstein mit der Notwendigkeit der „Zeitmessung“. Nur
was (im Prinzip) gemessen werden kann, gilt als Gegenstand der Physik. (1)
Bild Einstein http://en.wikipedia.org/wiki/Albert_einstein
• Messungen am Ende des 19. Jh. zeigten die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit unabhängig
vom Bewegungszustand des Beobachters.
• In zueinander gleichförmig bewegten Systemen sollten alle physikalischen Gesetze die gleiche
Form haben.
• Information (Messung) muss durch Signale übertragen werde, die sich höchstens mit c
ausbreiten.
• Daraus resultiert die spez. Relativitätstheorie. Für v << c unterscheidet sie sich kaum von
Newtons Mechanik,
• für hohe Geschwindigkeiten für sie zu kontraintuitiven Resultaten. Zwillingsparadoxon, Keine
Zeitordnung für nicht kausal verbundene Ereignisse etc,. (2) (3)
• Formal verschmilzt die SR Raum und Zeit zu einem 4D-Raum, allerdings mit einer besonderen
Zeitstruktur. (4)
• Minkowski : Von Stund an sollen Raum für sich und Zeit für sich völlig zu Schatten herabsinken
und nur noch eine Art Union der beiden soll Selbstständigkeit bewahren.
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10. Bild Einstein und Gödel http://diamante.uniroma3.it/hipparcos/godel.htm
• In der Allgemeinen Relativitätstheorie bezieht Einstein die Gravitation mit ein.
• Die Raumzeit wird hier durch die Massen bzw. Energien (E=mc²) gekrümmt.
Die Massen bestimmen die Geometrie, welche bestimmt, wie die Massen sich
bewegen. (1)
• Die Sonne krümmt die umgebende Raumzeit z.B. derart, dass sich die
Planeten wie in einem Trichter um sie herum bewegen.
• In starken Gravitationsfeldern vergeht die Zeit langsamer. Ein Signal, dass
gegen ein Gravitationsfeld anläuft wird verlangsamt. (2)
• Die Gravitation nimmt für ein massives Objekt bei Annäherung zu. Würde man
etwa die Erde auf die Größe einer Murmel komprimieren, würde selbst Licht
nicht mehr schnell genug sein, um die Oberfläche zu verlassen. Eine Uhr auf
der Oberfläche erschiene von außen „eingefroren“. (Allerdings auch sehr
dunkel) (3)(4)
• Gödel, Einstein und die Folgen: Vermächtnis einer ungewöhnlichen
Freundschaft von Palle Yourgrau
„In jedem Universum, das sich mittels der Relativitätstheorie beschreiben lässt,
gibt es keine Zeit.“ (5)
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11. • Bild aus http://www.rugusavay.com/edwin-hubble-quotes/
• (1) Die AR erklärt die Flucht der Galaxien durch ein expandierendes
Universum
• (2) Das vor ca. 13,7 Milliarden Jahren aus einem hochverdichteten Zustand
entstanden ist
• Allerdings kann die AR keine Aussagen über Zustände machen, die kleiner als
10 -35 m bzw. kürzer als 10 -43 s sind (Planckskala). Hierzu wäre eine Theorie
der Quantengravitation notwendig, die es noch nicht gibt. (3)
• Raum und Zeit sind im Urknall entstanden. Somit kann es kein „vorher“ geben,
wie Augustinus im Schöpfungskontext bereits vor über 1600 Jahren bemerkte.
(3)
• Allerdings ist eine endliche Zeit noch schwerer vorstellbar als eine unendliche.
„Ewig ist die Notlösung für die Unfähigkeit das Begrenzte zu denken.“ (Hauger,
Blauer Reiter)
• (4) In der Relativitätstheorie gibt es im Gegensatz zur newtonischen Mechanik
keine globale Zeit, sondern nur eine lokale, sie hängt vom Bewegungszustand
und von der Gravitation ab. Die AR ist aber nach wie vor reversibel und
deterministisch. Es folgt das Blockuniversum.
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12. • Bild aus http://de.wikipedia.org/wiki/Urknall
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13. Bild Schrödinger http://de.wikipedia.org/wiki/Schrödinger
Bild Heisenberg http://de.wikipedia.org/wiki/Werner_Heisenberg
• Anfang des 20. Jh. musste die Vorstellung von genau definierten Bahnen bewegter Teilchen
aufgrund von Untersuchungen zur Strahlung schwarzer Körper und später zum
fotoelektrischen Effekt aufgegeben werden.
• Lichtwellen verhielten sich wie Teilchen und massiven Teilchen mussten Welleneigenschaften
zugesprochen werden.
• Zum ersten Mal muss eine Theorie, die Erscheinungen korrekt beschreibt, interpretiert
werden.
• Die Wellen werden als „Wahrscheinlichkeitswellen“ interpretiert, die angeben mit welcher
Wahrscheinlichkeit sich ein Teilchen bei einer Messung wo lokalisiert. (1)
• Offensichtlich kann der Einfluss des Beobachters bei einer Messung nicht mehr vernachlässigt
werden. (2)
• Aus dem Wellencharakter folgt die „Unschärferelation“ d.h. bei genauer Kenntnis des Ortes
verliert sich die Bestimmung der Geschwindigkeit und umgekehrt. (3)
• Für Energie und Zeit besteht eine ähnliche Beziehung. Die bedeutet, dass für kurze Zeit die
Energieerhaltung verletzt werden kann. Da Energie und Masse äquivalent sind und Masse die
Raumzeit krümmt, ergibt sich eine dynamisch, schaumige Struktur der Raumzeit auf sehr
kleinen Skalen.
• Die Zeit ist aber auch in der QM nur ein Parameter, die Entwicklung der Wellenfunktion streng
deterministisch und reversibel. (4)
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14. Video Geheimnis Zeit https://www.youtube.com/watch?v=CxI3ty9GbIE
• Reversible Prozesse sind bei realen Naturerscheinungen eher die Ausnahme.
• Bälle kann man vor- und rückwärts werfen, aber Massen fallen immer zu
Boden. Heiße Objekte kühlen in einer kälteren Umgebung ab, ein Tropfen
Tinte vermischt sich im Wasser…. (1), (2)
• Hier gibt es eine ausgezeichnete Richtung, die im zweiten Hauptsatz der
Thermodynamik ausgedrückt wird: in abgeschlossenen Systemen kann die
Entropie nur zunehmen (oder gleich bleiben). Sie ist ein Maß für die Menge
der möglichen Zustände bzw. für die Unordnung eines Systems.
• Boltzmann konnte Ende des 19. Jh. den 2.HS scheinbar aus einer
statistischen Betrachtung der Bewegung vieler Teilchen ableiten, aber
Poincaré zeigte, dass jedes abgeschlossene System irgendwann wieder zu
seinem Ausgangszustand zurück kehrt (unwahrscheinlich aber nicht
unmöglich).
• Poincaré riet vom Lesen Boltzmanns wegen fehlender Grundlagen ab.
• Bis heute ist die Herleitung aus fundamentalen Prinzipien umstritten (s.
Fließbach, statistische Physik, Kap. 41ff oder „Zeitrichtung“ suchen)
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15. Video aus „Cracking the Nutshell: What is time? http://youtu.be/4a-o5-EYzTY
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16. Klassische und Quantenmechanik hilft nicht. (1)
Statistische Mechanik auch nicht (2)
Vielteilchensysteme sind aber aufgrund der Unmöglichkeit einen Zustand exakt
zu bestimmen grundsätzlich nicht mehr deterministisch (bzw. mikroskopisch
deterministisch aber makroskopisch nicht vorhersagbar).
Offene Systeme verhalten sich anders: Es können sich spontan Strukturen
bilden(3)
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17. Video Doppelpendel/Double Pendulum
https://www.youtube.com/watch?v=U39RMUzCjiU
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18. Video
Cellules de Bénard
https://www.youtube.com/watch?v=6BoEKUqDdLc
Rayleigh Benard Convection, using a LB method on Matlab
https://www.youtube.com/watch?v=xb_pHQzEFJg
Chemische Wellen http://www.stuerzbecher.de/img/BZ_256.wmv
Benardsche Zellen oder chemische Wellen zeigen Strukturbildung fern vom
thermodynamischen Gleichgewicht.
Es entstehen dynamische oder Fließgleichgewichte.
Erst offene Systeme können einen Zeitpfeil aufweisen.
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19. • Wenn Physik die Präzisierung der Wahrnehmung ist und die Rolle des
Beobachters einbezogen werden muss, ist die Wahrnehmung der Zeit
interessant.
• Die philosophischen Betrachtungen findet man bei Husserl (Sommer, Blauer
Reiter), hier interessieren uns aber die Neurophysiologischen Resultate (Vaas,
Blauer Reiter)
• Subjektive Gleichzeitigkeit: Zwei aufeinander folgende Reize werden erst in
einem bestimmten Abstand unterscheidbar, der von den jeweiligen
Sinnesorganen abhängt (1).
• Geordnet werden können aber Reize erst nach einer für alle gleichen Zeit (2)
• Reize unterschiedlicher Organe werden so in Fenstern organisiert/integriert,
die ein simultanes Erleben (Bewusstsein) möglich machen. (3)
• Andere Beobachtungen (lesen, sprechen, Gestik..) zeigen, dass wir ein
Aufmerksamkeitsfenster von 2 bis 3 Sekunden haben, das unsere Gegenwart
ausmacht. Die Gegenwart ist also kein Schnitt, sondern eine Spanne. (4)
• Verwirrend ist in diesem Kontext das Resultat von Libet, der gezeigt haben will,
dass man Aktionspotenziale von beabsichtigten (einfachen) Handlungen
nachweisen kann, bevor die Entscheidung dazu erfolgt ist. Freier Wille? (5)
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20. Unser Bewusstsein suggeriert uns die Gegenwart, erinnert uns an die
Vergangenheit und plant für die Zukunft. (1)
Wir haben den Eindruck frei im Handeln zu sein. Die Alternative wäre ein
Schauspiel zu beobachten, ohne die Handlung zu kennen.
In einer deterministischen Welt kann es aber keinen freien Willen geben. (2)
Aber gibt es Zufall? Vielleicht passiert alles, was passieren kann, aber jeweils in
einer eigenen Welt. Jedes Ich hätte dann den Eindruck des Geschehens als einer
kausalen Folge, die es beeinflusst hat.
„Es ist in der Philosophie der Physik nach wie vor umstritten, ob die Unmöglichkeit exakter Berechnung zukünftiger
Ereignisse nur einem Mangel unserer Theorien oder Perspektive geschuldet ist, oder dadurch zu erklären ist, dass die
Wirklichkeit selbst nicht determiniert ist. (Wikipedia, Determinismus) “.
Die QM ist eine sehr erfolgreiche Theorie zu Beschreibung des Kleinen und liefert
exakte Vorhersagen. Allerdings nicht der Zustände selbst, sondern ihrer
(Interpretation!) Möglichkeiten. Diese Entwickeln sich deterministisch. Der
Ausgang einer einzelnen Messung ist jedoch dem Zufall unterworfen.
Hier kann es, wie Bell gezeigt hat, keine „verborgenen Ursachen“ geben. „Dies
bedeutet, dass nicht alle Messwerte vor der Messung feststehen oder dass die
Messwerte nichtlokal von weit entfernten, unvorhersehbaren Entscheidungen
abhängen oder dass man nicht beliebig wählen kann, „dieses oder jenes“ zu
messen.“ (Wikipedia, Bellsche Ungleichung): => Freier Wille
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21. Und nun die schwierigen Dinge.
Die Physik sucht nach wie vor nach einer gemeinsamen Beschreibung der
Quanten- und der Gravitationstheorie.
Supergravitation, Superstrings, -Schleifen-Quanten-Gravitation (SQG)… in 10 bis
26 Dimensionen.
In den modernen Formulierungen kommt die Zeit nicht vor (1).
Zeit könnte ein emergentes Phänomen sein.
Ist Zeit vielleicht eine Illusion (Spektrum 10/10) ? (2)
Die Welt in jeder Vergangenheit, Gegenwart und jeder Zukunft ist da. Der Fokus
des Bewusstseins streift (?) hindurch wählt ggf. alle Pfade, kann sich aber nur an
einen erinnern… Viele Fragen… Zeit nur im Bewusstsein.
Ein „gemeinsamer Nenner“ beim Vergleich von Bewegungen ohne eigene
Realität? (3)
Ein Systemphänomen ohne Bedeutung für die Grundlagen, das bei der
Organisation von komplexen Vielteilchensystemen zu Tage tritt? (4) (5)
21

22. Auf der Planck-Skala 10-35m, 10-42s ist die Raumzeit ein dynamischer
Quantenschaum
In der Loop-Quantum-Theory wird die Raumzeit als (Spin-Netzwerk, Spin-
Schaum) aufgefasst: Es gibt kleinste „Raum-Zeit-Atome“.
Renate Loll:
Numerische Simulationen bei der die Raumzeit durch „Dreiecke“ auf der Planck-
Skala simuliert werden.
Nicht IM Raum sondern DEN Raum.
Ergibt nur gemittelt die richtige 4D-Raumzeit, wenn Kausalität vorausgesetzt
wird.
Mikroskopisch ergibt sich eine fast-2D-Welt (1+1)
22

23. Aus Video
Renate Loll on the Quantum Origins of Space and Time
https://www.youtube.com/watch?v=fv2gBjQ8xIo
23

24. Physik in der Box: Beschreibungen für Sub-Systeme: deterministisch, reversibel
Eine globale Beschreibung, die den Beobachter einbezieht, muss eine
irreversible, evolutionäre Zeit enthalten.
24

25. Aus Smolin „Time Reborn“
Diese Ansätze reflektieren nicht nur unsere Haltung in der Physik, sondern sie
spiegeln sich in der Theorienbildung und im Denken in anderen Bereichen
wieder. Von der Chemie, Biologie bis zur Wirtschaft und der Soziologie. Ein
verändertes Paradigma einer realen Zeit und einer offenen sich entwickelnden
Zukunft kann der Schlüssel zur Bewältigung der globalen Probleme sein.
25

26. 26

27. Quartett für das Ende der Zeit
Offenbarung Johannes, Kap 10 Vers 6/7
Es soll hinfort keine Zeit mehr sein, sondern in den Tagen, wenn der siebente
Engel seine Stimme erheben und seine Posaune blasen wird, dann ist vollendet
das Geheimnis Gottes,
27

28. Weitere Quellen
Lesch, Was ist Zeit 1
youtu.be/9OD2uJEy5CU
Lesch Was, ist Zeit 2
youtu.be/T7QKz2jCcg8
Geheimnis Zeit (auch WIKI Irreversbilität)
youtu.be/CxI3ty9GbIE
Zeit -- Eine hartnäckige Illusion (1989)
www.spiegel.de/spiegel/print/d-13494900.html
Ist die Zeit messbar?
www.helmut-hille-philosophie.de/t-zeit.html
Zeit ist nur eine Illusion
www.focus.de/wissen/wissenschaft/bdw/tid-8332/physik_aid_229939.html
Geschichte der Uhren
www.geschichte-der-uhren.de/
Lee Smolin
Time Reborn
www.perimeterinstitute.ca/videos/time-reborn
A New Theory of Time
www.youtube.com/watch?v=6Hi4VbERDyI
Renate Loll
on the Quantum Origins of Space and Time
www.youtube.com/watch?v=fv2gBjQ8xIo
Robbert Dijkgraaf
The End of Space and Time? - Professor Robbert Dijkgraaf
www.youtube.com/watch?v=XDAJinQL2c0
Spekulativ
Zeit und Zeitbegriff
www.hp-gramatke.de/time/german/page0500.htm
Cracking the Nutshell
What is time?
youtu.be/4a-o5-EYzTY
The Clockwork Universe
youtu.be/NZsFTjW7mvs

29. Gavin Wince Dark Side of Time (Superspekulativ und wahrscheinlich Unsinn)
youtu.be/oy47OQxUBvw
Kommentar über Gavin Wince
scientopia.org/blogs/goodmath/category/bad-math/bad-logic/
Andere
Geheimnis Zeit (Ballspiel)
www.youtube.com/watch?v=CxI3ty9GbIE
Benardsche Zellen, Cellules de Bénard
www.youtube.com/watch?v=6BoEKUqDdLc
Rayleigh Benard Convection, using a LB method on Matlab
www.youtube.com/watch?v=xb_pHQzEFJg
Bücher
Smolin, Lee, Time Reborn: From the Crisis in Physics to the Future of the Universe,Houghton Mifflin
Harcourt,2013 (kindl verfügbar)
Prigogine, Ilyia, Das Paradox der Zeit, Piper, 1993 , vergriffen
engl.: The End of Certainty: Time, Chaos and the New Laws of Nature, Free Press, 1997
Zeh, H. Dieter, The Physical Basis of The Direction of Time, Springer, 2007
Yourgrau, Palle, Gödel, Einstein und die Folgen: Vermächtnis einer ungewöhnlichen Freundschaft,
Beck, 2005
Musik
Quatuor por la fin du temps
de.wikipedia.org/wiki/Quatuor_pour_la_fin_du_temps