Die Zeit gehört zusammen mit dem Raum zu den allgemeinen Grundbegriffen, um Wahrnehmungen von Ereignissen und Vorgängen zu erfassen und zu ordnen. Mithilfe der Zeit lassen sich alle Ereignisse im Universum in Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft einteilen. Dabei besteht die Gegenwart aus allen Ereignissen, die mit dem „Jetzt“ gleichzeitig sind. Die Zeit beschreibt das Fortschreiten der Gegenwart von der Vergangenheit kommend und zur Zukunft hinführend. Sie hat eine eindeutige, nicht umkehrbare Richtung. Bei zwei Ereignissen, von denen das eine das andere verursacht oder es auch nur beeinflusst, geschieht die Ursache früher als die Wirkung (Kausalitätsprinzip). Mit Hilfe der physikalischen Prinzipien der Thermodynamik kann die Richtung der Zeit durch das Anwachsen der Entropie, d. h. etwa der Unordnung in einem abgeschlossenen System, bestimmt werden.
Die Zeit und der Raum existieren im Alltagsbewusstsein und in der klassischen Physik als vorgegeben und voneinander unabhängig. Diese Vorstellung bewährt sich im Bereich der alltäglichen Vorgänge. Sie steht aber im Widerspruch dazu, dass die Geschwindigkeit eines Lichtstrahls im Vakuum eine Naturkonstante ist, die weder davon abhängt, ob die Lichtquelle sich bewegt, noch davon, in welche Richtung der Lichtstrahl sich bewegt. Zudem kann kein Körper, kein Signal und keine sonstige physikalische Einwirkung schneller von einem Ort zum anderen gelangen als das Licht im Vakuum. Dies ist der Ausgangspunkt der Relativitätstheorie.
Eine Folgerung daraus ist, dass Ereignisse an verschiedenen Orten, die für einen Beobachter gleichzeitig geschehen, für einen zweiten Beobachter, der sich relativ zum ersten bewegt, nicht gleichzeitig sind. Ein universelles „Jetzt“ gibt es demnach nicht. Zudem vergeht für alle Beobachter, die sich relativ zueinander bewegen oder die sich an Orten mit verschiedenem Gravitationspotential befinden, die Zeit verschieden schnell. Nur solche Beobachter, die sich relativ zueinander in Ruhe befinden, können exakt dieselbe Zeit haben. Die nach der Relativitätstheorie notwendigen Korrekturen sind bei alltäglichen Vorgängen aber von vernachlässigbarer Größe und nur bei höchster Messgenauigkeit bemerkbar, wie zum Beispiel bei der metergenauen Ortung mittels GPS.
Zur genauen Angabe eines Zeitpunkts dient die Zeitspanne nach oder vor einem speziellen Ereignis, das durch Konvention ausgewählt wurde (z. B. „Christi Geburt“ oder „Mitternacht“). Dafür werden entsprechend den gesetzlich vereinbarten Bestimmungen das Kalenderdatum und die Uhrzeit verwendet. Als physikalische Größe hat die Zeit zumeist das Formelzeichen t (von lat. tempus für „Zeit“), ihre SI-Einheit ist die Sekunde s.
Für die physikalischen, die Bio- und Human-Wissenschaften und die Technik ist die Zeit ein zentraler, auch messtechnisch erfassbarer Parameter, insbesondere bei allen Arten von Bewegung (z. B. in der Kinematik) und anderen Prozessen der Veränderung. In der Philosophie fragt man seit jeher nach dem Wesen der Zeit, was auch Themen der Weltanschauung berührt. Die Psychologie untersucht die Zeitwahrnehmung und das Zeitgefühl. Die Ökonomie betrachtet Zeit auch als Wertgegenstand.
Wandel des Zeitbegriffs (Überblick) Zeitbegriff in der Newtonschen Physik Der Begriff der Zeit ist Jahrtausende alt (siehe auch Philosophie der Zeit#Geschichte). Seit Beginn der modernen Naturwissenschaft im 17. Jahrhundert wurde er im Wesentlichen in der Physik präzisiert und weiterentwickelt. Isaac Newton definierte:
Genauso postulierte Newton die Existenz eines absoluten Raums. Newtons Begriffe einer absoluten Zeit und eines absoluten Raums galten als selbstverständlich zutreffend, bis sich Anfang des 20. Jahrhunderts die Notwendigkeit einer grundlegenden Korrektur herausstellte. Ausgangspunkt war die Beobachtung, dass die Messung der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum in allen Richtungen und unabhängig von der Geschwindigkeit der Quelle oder des Beobachters immer denselben Wert ergibt. Nach den Newtonschen Vorstellungen müssten jedoch die Geschwindigkeiten zu addieren sein. Newtons Begriffe von Zeit und Raum wurden damit widerlegt. Diese Konstanz der Lichtgeschwindigkeit war zunächst eine theoretische Vorhersage der Maxwellschen Elektrodynamik, die damals durch das Michelson-Morley-Experiment und seither durch zahllose weitere Messungen bestätigt werden konnte. Als Folge musste für die Begriffe von Zeit und Raum eine neue Grundlage gesucht werden.
Zeitbegriff in der Relativistischen Physik Die nach der Widerlegung des Newtonschen Zeitbegriffs notwendig gewordene neue Grundlage fand Albert Einstein 1905 mit der Speziellen Relativitätstheorie. Er stellte seinen erfolgreichen Weg zur Lösung so dar:
Einstein legte zugrunde, dass ein Ort als solcher nicht in einem absoluten Raum durch einen Punkt definiert ist, sondern alleine durch seine Koordinaten , die ausgehend von einem frei wählbaren Bezugsspunkt mithilfe eines Netzes von aneinander gelegten Maßstäben bestimmt werden können. Ebenso soll die Zeit durch die Angabe einer Messvorschrift, nämlich mittels einer Uhr, definiert sein, und dies nicht nur dem Messwert nach wie jede andere physikalische Größe auch, sondern in diesem Zusammenhang auch ihrem Begriff nach. Er betrachtete ein Koordinatensystem voller ruhender Uhren, die folgende Bedingung erfüllen sollen:
Operationale Definition der Zeit Die Zeit als solche wird somit in der Relativitätstheorie erstmals von Grund auf operational definiert. Sie wird in der Relativitätstheorie mit dem 3-dimensionalen Raum zu einer Raumzeit zusammengefasst, in der jedes Ereignis durch einen Punkt gekennzeichnet ist, der eine bestimmte Zeitkoordinate und drei bestimmte Ortskoordinaten hat. In dieser 4-dimensionalen Raumzeit ist die Zeit eine der vier Koordinatenachsen und wird auch als die Koordinatenzeit dieses Systems bezeichnet. Um die Beziehungen zu den räumlichen Achsen grafisch zu veranschaulichen, wird die Zeitkoordinate meist mit c multipliziert und damit auch in eine Länge umgewandelt (siehe Minkowski-Diagramm). Die Raum- und Zeitkoordinaten, also die Orte und Zeiten, die demselben Ereignis von zwei verschiedenen Beobachtern zugeschrieben werden, sind (im allgemeinen) voneinander verschieden. Sie lassen sich, wenn die Beobachter sich relativ zueinander bewegen, mit der Lorentztransformation ineinander umrechnen. Um die oben zitierte Bedingung der gleich großen Messwerte für die Lichtgeschwindigkeit zu erfüllen, müssen in der 4-dimensionalen Raumzeit die Zeitachsen der beiden Beobachter leicht gegeneinander geneigt sein. Daher vergeht für zwei relativ zueinander bewegte Beobachter zwischen denselben zwei Ereignissen verschieden viel Zeit (Zeitdilatation). Mit anderen Worten: Der zeitliche Abstand zweier Ereignisse ist keine objektiv feststehende Größe. Das wird zum Beispiel im Zwillingsparadoxon verdeutlicht und ist durch Experimente bestätigt.
Gleichzeitigkeit ist relativ Genauso ergibt sich allein aus dem Relativitätsprinzip zusammen mit der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, dass es keine objektive Tatsache sein kann, ob zwei Ereignisse, die nicht am selben Ort stattfinden, gleichzeitig sind. Dies ist die Relativität der Gleichzeitigkeit. Wenn nämlich mit den Uhren eines Koordinatensystems die Gleichzeitigkeit räumlich getrennter Ereignisse festgestellt wird, zeigen die Uhren in einem anderen Koordinatensystem, das sich gegenüber dem ersten bewegt, für die beiden Ereignisse verschiedene Zeiten. Obendrein hängt es dann von der Bewegungsrichtung ab, welches von ihnen in dem bewegten Koordinatensystem das frühere und welches das spätere Ereignis ist. Solche Paare von Ereignissen heißen „raumartig getrennt“. Denn für sie lässt sich immer ein mit geeigneter Geschwindigkeit bewegtes Koordinatensystem finden, in dem sie gleichzeitig stattfinden, aber kein Koordinatensystem, in dem sie am selben Ort stattfinden. Raumartig getrennte Ereignisse können sich gegenseitig nicht beeinflussen, denn sie sind in jedem Koordinatensystem, unabhängig von dessen Bewegung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einwirkung von einem Ereignis auf das andere mit Überlichtgeschwindigkeit übertragen werden müsste. Überlichtschnelle Einwirkungen jeglicher Art sind nach der Relativitätstheorie in der Physik aber ausgeschlossen.
Nur wenn zwei Ereignisse so liegen, dass ein Signal von einem zum anderen nicht Überlichtgeschwindigkeit haben müsste, steht die zeitliche Einordnung in „früher“ und „später“ objektiv fest. Dann könnte das frühere Ereignis das spätere kausal beeinflussen. Diese Ereignisse heißen zeitartig getrennt. Für zwei zeitartig getrennte Ereignisse kann man kein Koordinatensystem finden, in dem sie gleichzeitig stattfinden, aber immer eins, wo sie denselben Ort – das heißt, dieselben Ortskoordinaten – haben. Wenn also mit objektiver Gültigkeit für zwei Ereignisse die Gleichzeitigkeit festgestellt werden soll, müssen sie am selben Ort geschehen.
Gegenwart hat für bewegte Beobachter verschiedene Bedeutungen Dass zwei raumartig getrennte Ereignisse je nach Geschwindigkeit des Beobachters wahlweise als gleichzeitig oder in der einen oder anderen zeitlichen Reihenfolge beurteilt werden, widerlegt logisch die Möglichkeit, für jeden Moment eine einzige universell gültige Gegenwart zu definieren. Für die Philosophie der Zeit liegt darin ein Problem, das aber für die menschliche Sinneswahrnehmung im Alltag gar nicht zu bemerken ist.Steven Savitt: Time in the Special Theory of Relativity, in: Craig Callender (ed.) The Oxford Handbook of Philosophy of Time Kap. 18, Oxford 2011, doi:10.1093/oxfordhb/9780199298204.003.0019 Zwei Ereignisse, die als nacheinander wahrgenommen werden, müssen nämlich mindestens etwa 10−2 s zeitlichen Abstand haben (siehe Zeitwahrnehmung#Schwellen). Damit es zwei Beobachter geben kann, die diesen Ereignissen entgegengesetzte Reihenfolge zuschreiben, müssen die Ereignisse raumartigen Abstand haben, also zu weit voneinander entfernt sein, als dass ein Lichtsignal sie verbinden könnte. Das heißt, sie müssen mehr als 3000 km weit voneinander entfernt stattfinden.Allerdings müssten zwei Beobachter sich fast mit Lichtgeschwindigkeit gegeneinander bewegen, um bei Ereignissen, die im Abstand von 3000 km innerhalb von etwa 10−2 s geschehen, umgekehrte zeitliche Reihenfolge feststellen zu können. Bei geringerer Relativgeschwindigkeit ist der entsprechende Mindestabstand um den Faktor größer. Bei praktisch erreichbaren Geschwindigkeiten sind das viele Millionen km. Das Andromeda-Paradoxon behandelt das Beispiel, dass sich die Beobachter mit Fußgängergschwindigkeit gegeneinander bewegen und ein Ereignis in der Andromena-Galaxie un einen ganzen Erdentag unterschiedlich datieren. Dagegen sind alle Ereignisse mit mindestens 10−2 s zeitlichem Abstand und weniger als 3000 km räumlichem Abstand zeitartig getrennt, weshalb ihre Abfolge für alle verschieden bewegten Beobachter dieselbe ist. Somit sichert die Unschärfe der menschlichen Wahrnehmung innerhalb eines gewissen Rahmens dem „Jetzt“ näherungsweise eine allgemeine Gültigkeit, die allerdings räumlich beschränkt ist. In diesem Rahmen bleibt die Alltagsvorstellung richtig, dass Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft für alle Beobachter dasselbe bedeuten, und dass das Fortschreiten der Zeit darin besteht, dass die gerade noch in der Zukunft liegenden Ereignisse sich ständig durch eine (nicht ganz allgemeingültig zu bestimmende) Ebene der Gegenwart hindurch in die Vergangenheit schieben. Eine objektive und absolut scharfe Einteilung aller Ereignisse der Welt in Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft ist hingegen begrifflich unmöglich.
Zeit als physikalische Größe