shutterstock andrey_l/Shutterstock
Zonder een besef van tijd, die ons van de wieg tot het graf leidt, zou ons leven weinig zin hebben. Maar op het meest fundamentele niveau weten natuurkundigen niet zeker of het soort tijd dat wij ervaren wel bestaat.
Dit is het onderwerp van de eerste aflevering van onze nieuwe podcast serie, Grote Mysteries van de Natuurkunde. Onder mijn leiding, Miriam Frankel, wetenschapsredacteur bij The Conversation, en ondersteund door FQxI, het Foundational Questions Institute, praten we met drie onderzoekers over de aard van de tijd.
Wetenschappers hebben lang aangenomen dat tijd absoluut en universeel is – hetzelfde voor iedereen, overal, en onafhankelijk van ons bestaand. Zo wordt het nog steeds behandeld in de kwantummechanica, die de microkosmos van atomen en deeltjes beheerst. Maar de relativiteitstheorieën van Albert Einstein, die van toepassing zijn op de natuur op grote schaal, toonden aan dat tijd eerder relatief dan absoluut is – hij kan bijvoorbeeld versnellen of vertragen afhankelijk van de snelheid waarmee je reist. Tijd is ook verweven met ruimte tot “ruimtetijd”.
De theorieën van Einstein stelden wetenschappers in staat zich het heelal op een nieuwe manier voor te stellen: als een statisch, vierdimensionaal blok, met drie ruimtelijke dimensies (hoogte, breedte en diepte) en tijd als vierde. Dit blok bevat alle ruimte en tijd tegelijk – en de tijd stroomt niet. Er is geen speciaal nu in het blok – wat voor de ene waarnemer het heden lijkt, is voor de andere gewoon het verleden.
Maar als dat waar is, waarom is onze ervaring van tijd die van verleden naar toekomst gaat dan zo sterk? Eén antwoord is dat entropie, een maat voor wanorde, altijd toeneemt in het universum. Sean Carroll, natuurkundige aan de Johns Hopkins Universiteit in de VS, legt uit dat het vroege heelal een zeer lage entropie had. “[The universe] was zeer, zeer georganiseerd en niet-willekeurig en sindsdien is het zich gaan ontspannen en steeds willekeuriger en ongeorganiseerder geworden.” Dit creëert waarschijnlijk een tijdspijl voor menselijke waarnemers.
We weten echter niet waarom het universum begon met zo’n lage entropie. Carroll suggereert dat het kan zijn omdat wij deel uitmaken van een multiversum dat vele verschillende universa bevat. In zo’n wereld zouden sommige universa statistisch gezien met een lage entropie moeten beginnen.
Emily Adlam, filosoof natuurkunde aan het Rotman Institute of philosophy van de University of Western Ontario in Canada, gelooft daarentegen dat het mysterie van waarom ons universum begon met lage entropie een probleem is dat uiteindelijk voortkomt uit het feit dat de natuurkunde vol zit met aannames over de tijd.
“Ik sta persoonlijk erg aan de kant die zegt dat de tijd niet stroomt,” legt ze uit. “Dat is een soort illusie die voortkomt uit de manier waarop wij toevallig in de wereld zijn ingebed”. Haar vermoeden is dat, op het meest fundamentele niveau, alles tegelijk gebeurt – ook al lijkt het voor ons niet zo.
Adlam stelt dat de beste manier om tijd te begrijpen zou zijn om het volledig uit onze natuurtheorieën te verwijderen – het uit de vergelijkingen te halen. Het is interessant dat wanneer natuurkundigen proberen om algemene relativiteit te verenigen met kwantummechanica in een “kwantumzwaartekracht”-theorie van alles, tijd vaak uit de vergelijkingen verdwijnt.
Experimenten zouden ook kunnen helpen licht te werpen op de aard van de tijd, door verschillende combinaties van kwantummechanica en algemene relativiteit te testen. Natalia Ares, een ingenieur aan de Universiteit van Oxford, gelooft dat het bestuderen van de thermodynamica (de wetenschap van warmte en arbeid) van klokken kan helpen. “Door klokken als machines te begrijpen, kunnen we beter begrijpen wat de grenzen van de tijdmeting zijn,” stelt zij.
U kunt ook luisteren naar Great Mysteries of Physics via een van de hierboven genoemde apps, onze RSS-feed, of lees hier hoe u anders kunt luisteren. U kunt hier ook een transcriptie van de aflevering lezen.
Natalia Ares ontvangt relevante financiering van de Royal Society, EPSRC, het Foundational Questions Institute Fund, een donoradviesfonds van Silicon Valley Community Foundation, en van de European Research Council (ERC) in het kader van het onderzoeks- en innovatieprogramma Horizon 2020 van de Europese Unie (Grant Agreement No. 948932). Zij is CSO van een start-up bedrijf genaamd QuantrolOx, dat zich richt op de ontwikkeling van machine learning voor quantum device control. Een deel van Emily Adlam's onderzoek werd mogelijk gemaakt door de steun van de ID 61466 subsidie van de John Templeton Foundation, als onderdeel van het “The Quantum Information Structure of Spacetime (QISS)” Project (qiss.fr). De door haar geuite meningen zijn haar eigen meningen en komen niet noodzakelijk overeen met die van de John Templeton Foundation. Sean Carroll heeft financiering ontvangen van het Foundational Questions Institute, de US National Science Foundation, het US Department of Energy, de Sloan Foundation, de Packard Foundation en de Guggenheim Foundation.