Geen dag gaat er voorbij of we zijn ons bewust van de tijd. Klokken, kalenders en de alomtegenwoordige smartphones herinneren ons voortdurend aan het bestaan van de tijd. Maar hoe alledaags en vertrouwd tijd ook is, we begrijpen nog steeds niet de diepere achtergronden van dit schijnbaar zo alledaagse verschijnsel.
Tijd kan je meten met bijvoorbeeld een horloge, zoals hier gefotografeerd door Isabelle Grosjean ZA , Wikimedia Commons
Het raadsel tijd
Hoewel we tijd nu nauwkeuriger kunnen meten dan ooit tevoren, tot op attoseconden nauwkeurig, blijft het nog steeds een van de raadselachtigste fenomenen in de natuurkunde. Wat is tijd precies en waarom gaat deze altijd vooruit en niet achteruit? Waarom is op kwantumniveau tijd omkeerbaar en op grotere schaal niet? Waarom is er een onlosmakelijk verband tussen ruimte, tijd en de lichtsnelheid?
Pittige raadsels, waar natuurkundigen zich nog steeds het hoofd over breken. Zullen we ooit het geheim achter het bestaan van de tijd kraken, of zal het antwoord op onze vragen voor eeuwig verborgen blijven in het domein van de metafysica?
In deze video wordt een tipje van de sluier opgelicht.
Tijd lijkt in het dagelijks leven te vloeien. Toch zijn er enkele natuurkundige redenen waarom tijd op zeer kleine schaal waarschijnlijk korrelig is.
Kort, korter en kortst: Plancktijd en tijdatomen
Je kan tijd, bijvoorbeeld een seconde, onderverdelen in kleinere delen. Denk aan milliseconden, attoseconden en nog kleiner. In een seconde, bijvoorbeeld, bereikt een lichtstraal driekwart van de afstand aarde-maan. In een attoseconde reist een lichtdeeltje, foton, niet verder dan twee waterstofatomen achter elkaar. De kortste laserpuls ooit duurde 67 attoseconden (dat is 0,000 000 000 000 000 067 seconde, de kortste tijd ooit gemeten 20 attoseconden. De grootste nauwkeurigheid waarmee een proces kan worden aangestuurd is zelfs kleiner dan twaalf attoseconden. Bestaan er nog kortere tijdsintervallen? Het antwoord: jazeker. W- en Z-bosonen bijvoorbeeld, de deeltjes die de zwakke kernkracht overbrengen, bestaan gemiddeld minder dan een yoctoseconde. Dat is de tijd die licht er over doet om een proton door te reizen. In theorie kan dit doorgaan tot de Plancktijd. Dit is 5,39 * 10-44 seconde. Deeltjes die kleiner zijn dan de bijbehorende Planckafstand, zijn zo zwaar dat ze een minuscuul zwart gat vormen. Daarom is het natuurkundig gezien zinloos om over kortere tijden dan de Plancktijd te spreken. Ruimtetijd zoals we die kennen, houdt op te bestaan op deze schaal.
Er zijn meer Planckeenheden in een seconde, dan seconden in de leeftijd van het heelal.
Grotere tijdatomen
De Plancktijd is extreem kort: in principe zitten er meer Plancktijden in een seconde, dan seconden in de leeftijd van het heelal. In een nieuw artikel [1] stellen natuurkundige Mir Faizal en collega’s dat het kortste tijdsinterval dat natuurkundig gezien betekenis heeft, vermoedelijk veel groter is dan de Plancktijd. Discrete tijd dus. De twee belangrijkste theorieën wat betreft kwantumzwaartekracht, snaartheorie en loop quantum gravity, voorspellen beide korrelige tijd. Anders dan bijvoorbeeld de snaartheorie, die experimenteel niet te toetsen is, is toetsing wél mogelijk met de veranderde kwantumvergelijking van Faizal c.s. Deze wijkt bij korrelige tijd namelijk iets af van de continue kwantumvergelijking.
Experiment
De makkelijkste manier om te toetsen of er tijdatomen bestaan, is om de spontane emissie van waterstof te bestuderen. Dat is de snelheid waarmee waterstofatomen met teveel energie fotonen uitzenden en weer terugspringen naar de rusttoestand. Als tijd uit korrels bestaat, gedraagt deze zich anders dan voorspeld door de klassieke kwantummechanica.
De algemene relativiteitstheorie van Einstein leert dat ruimte en tijd kneedbaar zijn. Hoge snelheden en zwarte gaten kunnen ruimte en tijd veranderen en soms zelfs omdraaien.
In de kwantummechanica, en wat dat betreft de klassieke natuurkunde, is de tijdpijl volkomen omkeerbaar. Er zijn zelfs tijdloze varianten van de kwantummechanica geformuleerd. Er is alleen een maar. Er bestaat namelijk wel degelijk een schending van de CP-symmetrie. Dat wil zeggen, dat je niet ongestraft zowel een deeltje in zijn antideeltje kan omzetten, en de andere richting op kan laten vliegen. Het is daarom mogelijk vast te stellen of we vooruit of achteruit in de tijd reizen, door te meten hoe een bundel neutrale kaons uit elkaar valt.
Tijd is nog steeds erg raadselachtig. Bron: Faradayschools.com
New Scientist maakte dit korte animatiefilmpje over de natuurkundige (on) mogelijkheden om tijd te reizen. Volgens veel natuurkundigen is tijdreizen mogelijk, onder bepaalde strenge voorwaarden, en zouden we een tijdmachine met toekomstige technieken kunnen bereiken.
Tijdreizen blijft problemen opleveren qua causaliteit. Denk aan de bekende grootvaderparadox: als je je eigen grootvader vermoordt voordat je wordt geboren, maak je je bestaan, en dus tijdreis, onmogelijk. Het enige geval van tijdreizen dat bekend is, op kwantumschaal, heeft strenge randvoorwaarden die in feite voorkomen dat informatie naar het verleden reist. Als tijdreizen mogelijk zal zijn, zul je dus waarschijnlijk terechtkomen in een parallel heelal. Als je dan je grootvader vermoordt, maak je alleen het jezelf in de spiegel kijken onmogelijk. Tenzij je psychopaat bent, natuurlijk.
Ontsnappen naar het verleden
Tijdreizen heeft nog een aantrekkelijke kant. We zitten opgesloten in een heelal met, zo zeggen sommige theorieën, een eindige levensduur. We zouden zo kunnen ontsnappen uit het heelal. Als we met een tijdmachine naar een tijdstip vóór de Big Bang zouden kunnen reizen, zouden we in een multiversum terecht komen met mogelijk allerlei onvoorstelbare mogelijkheden, zoals het creëren van je eigen heelal, dat je bijvoorbeeld eeuwigdurend zou kunnen maken door de beginvoorwaarden te tweaken. Althans in het heelal waarin we nu leven, is dit volledig in strijd met de natuurkunde van nu. Wel kunnen we wellicht direct uit dit heelal naar een ander heelal reizen, wat zeer spectaculaire mogelijkheden zou openen, los van tijdreizen.
In feite reizen we terug in de tijd, door herinneringen en opgeslagen informatie. Wel kunnen we dit verleden niet meer veranderen, Het is natuurlijk een feit dat we veel nog niet weten, en dat daarom enige bescheidenheid ons zou sieren.
Ongeveer zo stelde H.G. Wells zich een tijdmachine voor in zijn roman The Time Machine.
We reizen allen door de tijd. Vooruit in de tijd reizen is niet erg moeilijk. Een kwestie van blijven leven. Maar hoe reis je achteruit in de tijd? In deze video drie makkelijke manieren en drie moeilijker manieren (zeg maar gerust: op dit moment praktisch onmogelijk, alhoewel fysisch, denken veel natuurkundigen, mogelijk) om door de tijd te reizen.
Zullen we terug kunnen reizen naar de tijd van de reuzenschorpioenen, de Neanderthaler of Jezus Christus? Ontdek het in deze video…
Waar komt tijd vandaan? Het raadsel is al zo oud als de mensheid. Het lijkt erop dat er nu voor het eerst een tipje van de sluier wordt opgelicht. Wat, als tijd eigenlijk helemaal niet bestaat, maar voortkomt uit de kwantummechanica?
Oorlog tussen Einstein en Bohr eindelijk bijgelegd?
De twee grote theorieën uit natuurkunde, kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie zijn nauwelijks te combineren. Er zijn heel veel pogingen gedaan, maar er resulteerden in dat geval oneindigheden en paradoxen. In de jaren zestig ontdekten de natuurkundigen Archibald Wheeler en Bryce DeWitt de Wheeler-DeWitt vergelijking, die kwantummechanica en de relativiteitstheorie samenbracht en afrekenden met de oneindigheden. Er was alleen een probleempje. De tijd was plotseling uit de vergelijking verdwenen. Natuurkundigen negeerden dit massaal. Het is duidelijk, dat er wat mis was. Mogelijk weten we nu, waarom. De vergelijking klopt. Tijd bestaat, zo lijkt het, op kwantumschaal helemaal niet, maar is een ‘emergent’ fenomeen, dat ontstaat uit kwantumverstrengeling.
Wat is kwantumverstrengeling?
Kwantumverstrengeling treedt op tussen twee of meer deeltjes, die onderhevig zijn aan kwantumeffecten. In de praktijk zijn dit erg kleine deeltjes zoals elektronen, atomen en moleculen. Door bepaalde processen, zoals botsingen of tegelijkertijd ontstaan, kunnen twee deeltjes met elkaar verstrengeld raken. Ze gaan zich daarna in zekere zin gedragen als één deeltje: een meting aan het ene deeltje betekent dat de volgens de Heisenbergrelatie gekoppelde eigenschappen van het andere deeltje exact vastliggen. Bijvoorbeeld: plaats en impuls of tijd en massa. De deeltjes verliezen hun afzonderlijke identiteit en gaan zich gedragen als een en hetzelfde deeltje voor zolang de kwantumverstrengeling voortduurt.
Kwantumverstrengeling ‘redt’ Wheeler-DeWitt vegelijking
In 1983 vonden theoretisch natuurkundigen Don Page en William Wootters een uitweg uit dit dilemma. Ze suggereerden dat kwantumverstrengeling een oplossing kon bieden voor het problem of time” probleem met de Wheeler-DeWitt vergelijking. Ze tonden wiskundig aan dat een klok, die kwantumverstrengeld is met de rest van het universum, lijkt te tikken als een waarnemer binnen dat universum de klok waarneemt. Zou de waarnemer niet kwantumverstrengeld zijn met de klok, dan zou deze klok, met de rest van het universum, stil lijken te staan. Op zich ook logisch: tijd en causaliteit, oorzaak en gevolg, zijn nauw met elkaar verbonden. Om iets waar te nemen moet je een prikkel van de omgeving verwerken, waaruit je conclusies trekt.
Tijd, het eeuwige raadsel. Zou kwantumverstrengeling de oorzaak ervan zijn?
Experiment met fotonklok
Marco Genovese en zijn groep hebben voor de eerste keer dit effect gedemonstreerd in een fysisch systeem, een ‘speelgoeduniversum’ dat slechts uit twee fotonen (elementaire deeltjes waaruit licht en andere elektromagnetiasche straling bestaat) bestaat. Het team begon het werk door een tweetal met elkaar verstrengelde fotonen elk een andere route te laten volgen. Fotonen, die bestaan uit een elkaar beurtelings opwekkend magnetisch en elektrisch veld, trillen in een bepaalde richting, de polarisatierichting. Deze richting was in dit geval horizontaal of verticaal en deze roteerde terwijl beide fotonen hun parcours aflegden door een kwartsplaat en een serie detectors. Optisch actieve materialen, zoals dat in deze kwartsplaat, laten de polarisatierichting van licht met de klok mee of juist tegen de klok in roteren.
De verstrengelde fotonen bestaan in een zogeheten superpositie van zowel horizontale als verticale polarisatierichtingen totdat er één van gemeten wordt. Hoe dikker de plaat, hoe langer het foton in de plaat verblijft, hoe sterker de rotatie, m.a.w. de rotatie kan gebruikt worden als een soort klok. Dit foton aflezen betekent dat ook de ‘klok’ wordt afgelezen en tegelijkertijd, dat de waarnemer ‘inbreekt’ in het universum van de twee fotonen en er deel van wordt. De waarnemer kan vervolgens de polarisatie van het andere foton vasststellen op basis van kwantumwaarschijnlijkheden. In een andere experimentopzet meet de waarnemer de fotonen tegelijkertijd, m.a.w. het systeem als geheel. Hier doet de dikte van de plaat niet meer terzake, m.a.w. het fotonuniversum lijkt statisch: de waarnemer ‘staat buiten de tijd’.
Nog steeds niet beslist
Het experiment bewijst nog steeds niet dat de Wheeler-DeWitt benadering de juiste is. Theoretisch natuurkundige Lee Smolin, de plaaggeest van de snaartheoretici, noemt het een ‘bewijs dat kwantummechanica in laboratoriumcontext werkt’. Hij denkt persoonlijk niet dat de Wheeler-DeWitt vergelijking de werkelijkheid weerspiegelt. Volgens Smolin is alleen een beschrijving van het heelal waarin tijd een rol speelt, de juiste. Genovese erkent dat het experiment in deze vorm te beperkt is. Wel stelt hij dat het experiment hoop biedt dat kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie samen kunnen werken en hoop bieden op een verenigde theorie. De volgende stap is volgens hem dan ook een grootschaliger experiment op te zetten dan deze eenvoudige labopstelling. Wellicht, als suggestie van schrijver dezes, door de polarisatie van het licht van Einsteinringen door sterrennevels te onderzoeken? Persoonlijk spreekt deze benadering me erg aan, omdat het nauw aansluit bij de eerder door mij beschreven theorie dat kwantumverstrengeling de oorzaak zou kunnen zijn van zwaartekracht.
Opmerkelijk genoeg weten we veel nauwkeuriger hoe oud het universum is, tussen de 13 en 14 miljard jaar, dan hoe groot het is. Want waar trek je de grens? Bij de waarnemingshorizon, de waarschijnlijke grootte van het universum of includeren we ook parallelle heelallen?
Een ding is in ieder geval duidelijk. Het universum is veel en veel groter dan wij met onze menselijke maatstaven kunnen bevatten. Zelfs een reis naar een naburige planeet heeft nog geen mens ooit afgelegd.
Vrijwel alle kosmologen zijn het er over eens dat de tijd begon op het moment van de Big Bang, toen onze bekende vier dimensies (drie ruimtedimensies en de tijddimensie) zich ontvouwden tot het huidige heelal (enkelen uitgezonderd). Maar heeft de tijd ook een einde? Ja, zeggen enkele kosmologen. Op een gegeven moment zal het heelal volgens hen voor eeuwig stilstaan. Zullen we voor het heelal ten onder gaat kunnen ontsnappen aan dit heelal?
Ter geruststelling: zelfs volgens het meest pessimistische doemscenario hebben we nog minimaal tien miljard jaar om een oplossing te verzinnen. Dat is erg veel, zeker als je bedenkt dat de mens tienduizend keer zo kort bestaat en halverwege deze tijd de zon de aarde zal verschroeien. Zou het fundamenteel onmogelijk zijn aan dit heelal te ontsnappen of laten de natuurwetten een ontsnapping aan ons universum toe?
Een interessante TEDx talk van niemand minder dan onze eerste Nederlandse astronaut Wubbo Ockels. In deze presentatie legt hij uit hoe tijd wel eens een uitvinding kan zijn van levende organismen.
Prof. dr. Wubbo J. Ockels is a Dutch physicist, and also the Netherlands original astronaut. He is a Professor of Aerospace Sustainable Engineering and Technology at the University of Delft, and tries to stimulate a mentality change among Dutch citizens.
In his mind-bending TEDxAmsterdam talk, Ockels explains how time is created by human beings, as a way our brains can make sense of gravity. The speed of light is constant, because it is made by us: its the clock by which we have calibrated our existence. Based on this premise, Ockels proposes a new way to explore life in our galaxy.
Veel mensen staan er niet bij stil, dat we niet in een drie- maar in een vierdimensionale wereld leven. Een wereld met drie ruimtedimensies en een tijddimensie. Stel dat je afspreekt met iemand, dan moet je niet alleen de lengte en breedte (kantoorgebouw X op plaats Y) maar ook de hoogte (derde verdieping) en het tijdstip (13.30) afleggen. Als ook maar één van deze vier coördinaten afwijkt, dan missen jullie elkaar.
Er zijn nogal wat verschillen tussen een ‘ruimteachtige’ dimensie en een ’tijdachtige’ dimensie. Het duidelijkst komt dit tot uiting in de speciale relativiteitstheorie. Hoe sneller je in de ruimte beweegt, hoe langzamer de tijd lijkt te lopen. Hoe zou een wereld er uitzien waarin er twee tijddimensies zouden bestaan? En als we ook de tijddimensie als een ruimteachtige dimensie zouden beschouwen, leven we dan in een statisch vierdimensionaal heelal waarin alles vastgelegd is? of is de werkelijkheid rijker en complexer dan dat?
