Wanneer was nu? Een nieuw begrip van tijd

P.M. Magazin / 360  |  1 January 2020 - 14:00 1 Jan - 14:00

Heden, verleden, toekomst: wie zich met het wezen van de tijd bezighoudt, raakt snel in verwarring. Tot op de dag van vandaag puzzelen fysici hoe de wereldklok tikt.

» Lees dit artikel in de Reader”:https://digitaal.360magazine.nl/magazine/19/artikel/10

I De controversiële tijd

‘Wat is tijd? Wanneer niemand het mij vraagt, weet ik het. Maar als iemand het mij vraagt en ik zou het willen verklaren, dan weet ik het niet.’

Dit citaat van de filosoof Augustinus beschrijft onze verhouding tot de tijd beter dan welk ander ook. We ervaren allemaal hoe de tijd soms voorbij kruipt, en dan weer vliegt. ‘Ik weet dat er geen verleden tijd zou zijn als niets voorbij zou gaan, en geen toekomstige als er nu niets was. Maar hoe kunnen die beide tijden, het verleden en de toekomst, er zijn terwijl toch het verleden er niet meer is, en de toekomst er nog niet is?’ klaagt Augustinus. De tijd kan je veel hoofdbrekens bezorgen.

In de natuurkunde leidt de jacht op het wezen van de tijd regelrecht naar de grenzen van ons begrip van de wereld. De mechanica, de thermodynamica, de relativiteitstheorie en de quantumfysica leveren steeds weer puzzelstukjes op. Bovendien beroven ze de tijd van alle eigenschappen die ons gevoel voor tijd kenmerken. Wat overblijft is een verwarrende, vreemdsoortige constructie.

Als we de tijd ooit werkelijk zullen begrijpen, zal hij de weg wijzen naar de toekomst van de natuurkunde: naar die felbegeerde theorie die het hele universum beschrijft.

II 1687: de absolute tijd
Op 5 juli 1687 publiceerde de Britse geleerde Isaac Newton een van de belangrijkste werken in de geschiedenis van de natuurwetenschap, de Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. In zijn theorie tikt in het verborgene onafgebroken een kosmisch uurwerk, dat het ritme van de wereld bepaalt en aan alle dingen een exacte duur en volgorde verleent. Zijn begrip van tijd komt ons meteen plausibel voor. Maar Newtons vergelijkingen zeggen ook iets heel verbazingwekkends over het wezen van de tijd. Want zijn mechanica maakt geen onderscheid tussen verleden en toekomst. Als iemand een kosmische terugspoelknop zou indrukken, dan zouden Newtons bewegingswetten onveranderd geldig blijven.

Denkt u maar aan de aarde die om de zon draait. Twee principes uit de klassieke mechanica bepalen de baan van planeten. Enerzijds dwingt de traagheid van de massa ze om in een rechte lijn het heelal in te vliegen, maar anderzijds duwt de zwaartekracht ze (vooral) in de richting van de zon. Deze tegengestelde krachten dwingen ook de aarde in haar baan. Stel nu dat we de loop van de tijd zouden kunnen omkeren, wat zou er dan aan haar omloop veranderen? Het antwoord luidt: helemaal niks. Alle wetten die haar baan bepalen, blijven gelden. De aarde zou alleen de andere kant op vliegen.

MOGEN WE EVEN JE AANDACHT?
Dit artikel krijg je van 360 cadeau. We geloven dat internationale context leidt tot een beter begrip van de wereld om ons heen. Daarom zijn we blij als je dit artikel voor ons deelt. Nog blijer zijn we als je je bij ons aansluit: Probeer nu 3 nummers voor maar 18 euro. Duurt een paar minuten, stopt automatisch.
Bedankt

III 1850: de stromende tijd

Voor een hemellichaam dat door het heelal raast, speelt de richting van de tijd dus geen rol. Voor een bal die over een biljarttafel rolt, doet hij dat wel.

Het beslissende verschil is de wrijving. Als de biljartbal over het groene vilt rolt en door een zee van luchtdeeltjes heen moet, wordt haar bewegingsenergie door de wrijving onverbiddelijk in warmte omgezet en gaat daarbij verloren.

Hier is de tweede hoofdwet van de thermodynamica aan het werk. Die zegt dat bepaalde processen zonder inwerking van buitenaf slechts in één richting verlopen, zo goed als nooit in de andere richting. Biljartballen worden door de wrijving afgeremd. Warmte beweegt van het hete naar het koude. Vallende theekopjes breken in scherven, maar nooit vormen de scherven weer spontaan een geheel.

De tweede hoofdwet van de thermodynamica, in 1850 voor het eerst geformuleerd door de Duitse natuurkundige Rudolf Clausius, is de enige wet van de klassieke natuurkunde waarin de tijd niet omkeerbaar is.

Deze door Clausius bedachte grootheid wordt in gewone taal graag aangeduid als de mate van wanorde. De tweede hoofdwet zegt: in het verleden waren de dingen meer geordend. In de toekomst zullen ze wanordelijker zijn.

Laten we een voorbeeld van entropie bekijken: als je melk in een kop koffie giet, zweeft die korte tijd als een licht gekleurde wolk in het bruine brouwsel. De bestanddelen melk en koffie zijn duidelijk gescheiden. Op dat moment is de entropie nog gering. Maar die ordening duurt niet lang: de moleculen bewegen kriskras heen en weer, ze botsen en mengen zich zienderogen met elkaar. Algauw is de melk door de koffie verdeeld. De entropie is toegenomen.

De entropie neemt ook toe in de scherven van het kapot gevallen kopje, ze neemt toe in een door wrijving opgewarmde biljartbal, waarin de moleculen nu sneller bewegen. Maar er zijn talrijke situaties waarin ze plaatselijk afneemt. Als de aarde ’s nachts afkoelt, neemt de entropie aan de oppervlakte af; in plaats daarvan verhogen de ontsnappende warmtestralen de wanorde in het heelal. Op het lopen van de klokken heeft dat geen invloed.

IV 1905: de relatieve tijd

Misschien kunnen plaatselijke omstandigheden de loop van de tijd helemaal niet veranderen? Dat zou je kunnen denken, ware het niet dat een fysicus genaamd Albert Einstein tussen 1905 en 1915 het tegendeel heeft aangetoond. De relativiteitstheorie rekent af met iedere voorstelling die we ons intuïtief maken van de aard van de tijd. We moeten het geloof opgeven dat voor ons allemaal een en dezelfde tijd bestaat. Het tegendeel is het geval: elk punt in de ruimte heeft zijn eigen tijd. Zelfs voor je hoofd verloopt de tijd anders dan voor je voeten. In de wereld van de relativiteit hebben we steeds een referentiekader nodig.

Einsteins eerste geniale inzicht was dat bewegende uurwerken langzamer tikken dan stilstaande. Dat wordt aanschouwelijk in de beroemde tweelingparadox: daarin blijft een van de twee op aarde (het referentiekader) terwijl de ander het heelal inreist. Omdat het ruimteschip gezien vanuit de aarde zeer snel beweegt, wordt de tijd voor de reiziger uitgerekt. Hijzelf merkt daar niets van: de klok in het ruimteschip tikt voor hem met onveranderde snelheid. Maar als hij na vele jaren op aarde terugkeert, stelt hij met verbazing vast dat zijn tweelingbroer sneller oud geworden is dan hij. Voor de thuisblijver is sinds het afscheid meer tijd verstreken dan voor de reiziger.

Einsteins tweede geniale inzicht luidde: ook grote massa’s vertragen de tijd – en wel meer naarmate hun zwaartekracht sterker werkt. Op een berg, verder verwijderd van het middelpunt van de aarde, verstrijkt de tijd daarom sneller dan in het dal. Op aarde verstrijkt hij sneller dan op de veel massievere zon.

De relativiteitstheorie gooit niet alleen ons beeld van een gelijkmatig stromende, voor iedereen geldige tijd overhoop. Ze berooft ons ook van de voorstelling dat er een algemeen geldig heden zou bestaan. Denk even terug aan de tweelingen. Hoe kan de thuisblijver weten wat zijn broer in het ruimteschip ‘nu’ doet? Mededelingen als ‘vijf jaar na vertrek’ hebben voor de broers een verschillende betekenis.
En als de een nu contact maakt met de ander om te vragen wat hij op dat moment doet?

Ook dat werkt niet: communicatie kan hooguit met de lichtsnelheid plaatsvinden. Als de ruimtevaarder in een ander melkwegstelsel onderweg is, heeft het signaal jaren nodig om heen en weer te reizen. Net als het woord ‘hier’ heeft ook het woord ‘nu’ vanaf een bepaalde afstand geen zin meer.

Einsteins theorieën zijn bevreemdend, maar onder fysici onomstreden. Deze eenstemmigheid gaat verloren als we de kosmos verlaten en binnentreden in de wereld van het microscopische.

V. 1926: Quantumtijd

Quanten vertonen allerlei exotische eigenschappen. Ze kunnen schijnbaar ontstaan uit het niets en weer spoorloos verdwijnen. Ze bevinden zich op hetzelfde moment op verschillende plekken. Ze verkeren gelijktijdig in tegengestelde toestanden. Maar zodra we een meting uitvoeren, lijken ze willekeurig te kiezen voor een plek of een toestand. Wat er op dat moment gebeurt, is tot op heden onderwerp van verhitte debatten.

De tijd gedraagt zich in deze wirwar op het eerste gezicht onopvallend. In de oorspronkelijke quantummechanica komt hij overeen met Newtons voorstellingen. Net als in de klassieke mechanica hebben processen één duur – niet meer en niet minder.

In plaats daarvan is er iets zo mogelijk nog vreemders aan de hand. Wat als de tijd zich even gek gedraagt als de elementaire deeltjes zelf?
Veel grootheden in het rijk van het allerkleinste zijn gequantiseerd – ze bestaan uit kleine, niet verder deelbare eenheden. Materie en straling zijn bijvoorbeeld samengesteld uit elementaire deeltjes. Ook de energie is gequantiseerd: deeltjes moeten haar steeds in minuscule pakketjes opnemen of afgeven. Daarbij gedragen ze zich alsof ze een onzichtbare trap opklimmen. Is de energie niet voldoende om op de eerstvolgende traptrede te springen, dan vallen ze terug op hun vorige niveau.

Waarom zou ook de tijd niet uit kleinste eenheden bestaan? Dan zou ze niet continu stromen, maar sijpelen, zoals de korreltjes in een zandloper.

VI. De toekomst van de tijd

Met de verkorreling van de tijd verlaten we de wereld van de experimenteel vastgestelde kennis en betreden we het rijk van de speculaties. De tijd heeft in de quantumfysica andere eigenschappen dan in de relativiteitstheorie. Hij is daar niet vervlochten met de ruimte, maar verstrijkt onafhankelijk daarvan.

Daarmee markeert de tijd een van de vele tegenstrijdigheden tussen de twee theorieën die onze wereld beide voortreffelijk beschrijven – de quantumfysica op microniveau, de relativiteitstheorie op macroniveau.

Er zijn al concrete aanzetten om quantumfysica en relativiteitstheorie te verenigen. Een daarvan postuleert het bestaan van ruimte-tijdatomen: hyperkleine, ondeelbare bouwstenen van ruimte en tijd. Als zulke structuren bestaan, gedragen ze zich vermoedelijk zoals fysici dat verwachten van kleinste deeltjes. Maar die deeltjes bestaan niet in ruimte of tijd: pas door hen worden ruimte en tijd gevormd. Onvoorstelbaar – en misschien toch reëel.

Om alle puzzelstukjes in elkaar te passsen, moet men bereid zijn afscheid te nemen van dierbaar geworden overtuigingen. ‘Het begrip tijd is zo fundamenteel dat het moeilijk is erover te spreken zonder het bij voorbaat te veronderstellen,’ zegt Renato Renner, professor theoretische fysica aan de ETH-universiteit in Zürich. Zijn onderzoeksteam aan de ETH in Zürich probeert met gedachte-experimenten te komen tot een begrip van tijd dat in beide werelden even geldig is. ‘Onze taal, onze logica, onze intuïtie – ze zijn er allemaal van doordrenkt. De genialiteit van de relativiteitstheorie zat in het feit dat ze afrekende met vanzelfsprekende voorstellingen. Wat we nu nodig hebben is een nog radicalere stap.’

Renner gelooft dat de paradigmawisseling in de wetenschap die daarvoor nodig is, zich al voltrekt. De tijd, zegt hij, is rijp voor een nieuw begrip van tijd.

Auteur: Nora Saager
Vertaler: Piet Meeuse

Openingsbeeld: Still van de beroemde scène uit Safety First, waarin Harold Lloyd aan de klok van een warenhuis hangt.

P.M. Magazin
Duitsland | maandblad | oplage 141.076

P.M. Magazin (afkorting van het tijdschrift van Peter Moosleitner) publiceert sinds 1978 populair-wetenschappelijke artikelen. Richt zich ook op jonge lezers door over algemeen bekende onderwerpen uit de geschiedenis, sociale studies, technologie en wetenschap te schrijven. Het internetportaal van het tijdschrift biedt discussieforums over specifieke onderwerpen in het nummer, en van bijna alle artikelen is een gesproken versie te downloaden.

Plaats een reactie