De tijd is zelfs voor natuurkundigen die er veel over nadenken lang een raadsel geweest. Door nieuwe inzichten komen ze dichter bij de essentie van de klok. Heeft u even?
is wetenschapsredacteur voor de Volkskrant. Hij schrijft over sterrenkunde, natuurkunde en ruimtevaart.
Van het statige getik van een grootvaderklok tot het geruisloos verspringen van de uren en seconden op je mobiele telefoon: de moderne mens leeft onder het juk van de tijd.
Daarbij is één ding zeker: het verleden keert nooit terug. De richting van de klok is onverbiddelijk. ‘Gedane zaken nemen geen keer’, zeggen we dan, of: ‘Je kunt de klok niet terugdraaien.’
Tot zover de wereld van alledag, waar de klok intuïtief is en ‘tijd’ iets wat iedereen snapt. Want onder de vertrouwde dagen, uren en seconden schuilt een wereld die u en ik meestal niet zien. Een wereld waarin juist veel fundamentele vragen leven over de tijd, vragen waarop in veel gevallen nog geen eenduidig antwoord bestaat.
Het gaat dan om kwesties als: wat ís tijd nu eigenlijk precies? Bestaat het wel echt? Of, minstens zo belangrijk: waar komt het vandaan? En snappen we wat, in diepste essentie, een klok is?
Het zijn vragen die de grenzen van het menselijk voorstellingsvermogen al snel tarten, zelfs dat van veel theoretici die er dagelijks over nadenken. Maak de stoelriemen stevig vast en wees voorbereid op de nodige turbulentie onderweg: onze vlucht naar de diepste conceptuele krochten van het begrip ‘tijd’ vertrekt nu.
‘Natuurkunde is een menselijke onderneming. En dus is de tijd, die zo’n belangrijk aspect is van hoe we de wereld ervaren, vervlochten met elk onderdeel van onze theorieën’, zegt Marcus Huber van de Technische Universiteit van Wenen. ‘Alleen gedraagt de tijd zich daarin niet helemaal zoals we hem kennen.’
In tegenstelling tot de alledaagse wereld kun je in de natuurwetten de klok vaak wél terugdraaien. ‘Als ik een biljartbal op de band van een biljarttafel zie botsen, maakt het niet uit of ik de video vooruit of achteruit afspeel’, zegt Huber – in beide gevallen ‘klopt’ wat je ziet. Veel natuurkunde is als die video van de biljartbal, zegt hij: in de onderliggende formules maakt het niet uit of de klok vooruit of achteruit tikt.
De enige uitzondering is de thermodynamica, de natuurkundige warmteleer. Daarin verschijnen allerlei processen ten tonele die juist niet zo zuiver en omkeerbaar zijn als een botsende biljartbal. Wie in de open haard houtblokken aansteekt, eindigt met een verzameling as. Omgekeerd werkt dat niet: as wordt nooit meer een verzameling houtblokken.
Waarom de klok in de thermodynamica wél de goede kant op tikt, maar zich elders in de natuurkunde onverschillig toont, is een open vraag die onthult hoe slecht de mensheid tijd nog snapt.
Nieuwe inzichten brengen daar nu verandering in, zegt Paola Verrucchi van de Universiteit van Florence. ‘We beginnen in te zien dat de tijd een relationeel concept is’, zegt ze.
Om dat inzicht beter op waarde te kunnen schatten, draaien we de klok eerst enkele decennia terug. De stille tijdrevolutie die zich aan universiteiten over heel de wereld voltrekt, schiet namelijk wortel in de jaren tachtig van de vorige eeuw.
Destijds kwamen twee fysici tot de conclusie dat de tijd weleens een illusie zou kunnen zijn, iets wat komt opborrelen uit een tijdloos heelal. Dat gebeurt met dank aan de wetten van de quantumfysica, de natuurkundetheorie die de werkelijkheid op het kleinst bekende niveau beschrijft. De manier waarop dat gebeurt, heet tegenwoordig het Page-Woottersmechanisme, vernoemd naar de twee natuurkundigen die het bedacht hebben.
‘Wat ik daar zo mooi aan vind is dat Don Page een kosmoloog is, iemand die het hele heelal bestudeert, terwijl William Wootters een theoreticus is die werkt aan quantuminformatie’, zegt Verrucchi. Die combinatie van vakgebieden illustreert hoe in de moderne natuurkunde alles bij elkaar komt, hoe onderzoek naar de allerkleinste onderdelen van de werkelijkheid ook van alles onthult over de onmetelijk grote kosmos en over daarmee vervlochten vraagstukken zoals de ware aard van de tijd.
Dat herkent ook de Nederlandse fysicus Erik Verlinde van de Universiteit van Amsterdam, zo zegt hij desgevraagd. ‘Met mijn promovendus werk ik aan een project over de emergentie van de tijd’, zegt hij. Het is in zekere zin een vervolg op wat Page en Wootters bijna een halve eeuw geleden al deden.
Emergentie: het is een kolfje naar Verlindes hand. De fysicus werd in Nederland bekend nadat hij als een van de eersten met een berekening had laten zien dat de zwaartekracht niet fundamenteel is, maar emergent. Dat wil zeggen: een illusie, iets dat zijn oorsprong vindt in het gedrag van iets anders.
Het bekendste voorbeeld van emergentie is de temperatuur, die zelf niet echt iets fundamenteels is. Op een dieper niveau blijkt de stand van een thermometer al snel het gevolg van de collectieve bewegingen van deeltjes: bewegen die sneller, dan voelt iets warmer, bewegen die langzamer, dan voelt het juist kouder.
Net zo zou ook de zwaartekracht het gevolg zijn van iets anders. Dat ‘iets anders’ is in dit geval informatie, zo stelde Verlinde in een onderzoek waarmee hij de internationale pers haalde. Of, nauwkeuriger: quantuminformatie.
Ook de tijd, denkt Verlinde, is het gevolg van die informatielaag, en daarin is hij lang niet de enige. Steeds meer natuurkundigen raken van hetzelfde overtuigd. ‘Dit is voor de tijd een heel spannende tijd’, zegt hij.
Laten we nog één stap terug zetten, en kijken hoe de fysica het tikken van de klok nog voor het idee van Page en Wootters beschreef, beginnend bij de eerdergenoemde thermodynamica.
De ‘pijl van de tijd’, zoals fysici het ook wel noemen, het ‘iets’ wat de tijd richting geeft, staat officieel in de boeken als de ‘tweede wet’ van die thermodynamica, de wet die bepaalt dat een kopje koffie op je bureau altijd afkoelt en nooit opwarmt en dat een verzameling as nooit transformeert in de originele houtblokken.
Gebruik diezelfde tweede wet echter om het gedrag van het heelal als geheel te beschrijven en fysici lopen vast: de begintoestand van de kosmos kun je er niet goed mee verklaren. Er ontbreken dus puzzelstukjes.
De volgende die een duit in het zakje deed, was Albert Einstein met zijn relativiteitstheorie die hij begin vorige eeuw publiceerde. Daarin bleek de tijd plots kneedbaar en lopen klokken niet langer even snel, afhankelijk van bijvoorbeeld de snelheid van die klok door de ruimte. Dat is niet alleen theorie, maar feit: de gps-satellieten die met tienduizenden kilometers per uur rond de aarde zoeven, moeten bijvoorbeeld voor dit effect compenseren. Anders klopt van je locatie op iets als Google Maps al snel niets meer.
Tegelijk is in de relativiteitstheorie de tijd nog wel verankerd in het basale weefsel van het heelal: Einstein noemde dat de ruimtetijd, een soort grafiekpapier waarop de gehele werkelijkheid rust.
Ondertussen bleek de tijd in die andere grote natuurkundetheorie die vorige eeuw opkwam juist weer hooguit een bijrol te spelen. ‘Veel quantumprocessen zijn precies hetzelfde als de klok terug tikt in plaats van vooruit’, zegt Florian Neukart van de Universiteit Leiden. In zijn eigen onderzoek probeert hij onder meer te doorgronden hoe de structuur van quantuminformatie samenhangt met het verschijnen van de tijd.
Terug naar Page en Wootters. Waar hun artikel zelf vooral de wiskundige basis legt voor een nieuwe blik op de tijd, voortbordurend op vooral de inzichten uit de quantumfysica, is hun inzicht wellicht het best te begrijpen aan de hand van een analogie.
Stel je een roman voor: een boek vol gebeurtenissen en personages, onderling verbonden door een plot. In het idee van Page en Wootters is het heelal als die roman. Op het moment dat het boek op tafel ligt, is het in zekere zin statisch. Tussen de kaften bevinden zich tegelijk alle gebeurtenissen. Personages die in de loop van het relaas overlijden zijn zowel levend als dood. De tijd in de verhaalwereld heeft op het boek nog geen vat.
Pas als je begint te lezen, gaat de klok in de verhaalwereld tikken: de gebeurtenissen volgen elkaar op logische wijze op, oorzaak gaat in een realistisch plot vooraf aan gevolg. Je hoeft alleen maar de pagina’s in de juiste volgorde te lezen.
Net zo, stelden Page en Wootters, is het met het heelal. De kosmos beschrijven ze als een grote wiskundige structuur waarin alle mogelijke gebeurtenissen opgeslagen liggen, alsof het een dichtgeslagen roman is.
Het heeft daarmee wel wat weg van de quantumtheorie, waar een deeltje, een van de kleinste bouwstenen van alles om ons heen, op meerdere plekken tegelijk kan zijn. Waar een mens nooit simultaan op de Eiffeltoren in Parijs en op de Euromast in Rotterdam kan zijn, kan een deeltje dat wel. Totdat je dat deeltje meet: dan ‘kiest’ het een positie, blijkt uit experiment na experiment.
Fysici beschrijven de mogelijke locaties die dat deeltje nog voor de meting kan hebben wiskundig met een zogeheten golffunctie, een formule die de kansverdeling over alle mogelijke posities bevat. Door een meting ‘klapt de golffunctie in’, zeggen ze dan: het deeltje heeft een van die mogelijke posities aangenomen, in Parijs of Rotterdam.
Het heelal, zo dachten Page en Wootters, laat zich wellicht op soortgelijke wijze uitleggen. Je begint met een vergelijking die alle mogelijke toestanden beschrijft: elk deeltje, elke richting waarin al die deeltjes kunnen bewegen, elk krachtenveld dat op al die deeltjes werkt, werkelijk alles zit samengepakt in één groteske golffunctie.
Maar, zo lieten zij zien, er moet óók iets bestaan wat ervoor zorgt dat we die werkelijkheid op de juiste manier ervaren. Een soort kosmische paginanummers, een ‘klok’ die de overkoepelende golffunctie laat inklappen en het gehele heelal perst in het raamwerk van onze collectieve ervaring van de tijd.
In de beschrijving zoals Page en Wootters die optekenden komen die paginanummers opborrelen uit de meest fijnmazige details van de werkelijkheid zelf. Tijd is, met andere woorden, emergent. Net zoals de temperatuur, of de zwaartekracht in het werk van Verlinde.
Dat idee werd enthousiast ontvangen. Page en Wootters onthulden met hun theorie immers hoe het wiskundig mechanisme, het toevoegen van de ‘paginanummers’, zo je wilt, het kosmische plot tevoorschijn tovert zoals we dat kennen, van oerknal tot nu. Ze zorgden zo dat de natuurwetten de omkeerbare biljartbalbeschrijving achter zich lieten en naar het onomkeerbare haardvuur of afkoelend koffiekopje bewogen.
Maar, en dat is cruciaal: er bleef een belangrijke lacune over. Page en Wootters wisten namelijk niet wat de bron was van die paginanummers, welk fysiek proces dienstdeed als de ‘klok’ van het heelal, welk ‘iets’ de tijd in de door ons waargenomen volgorde dwingt.
De afgelopen jaren boekten fysici juist daarin progressie. Neem de experimenten van Huber, die aftast wat een klok in diepste essentie is en daarbij op verrassende inzichten stuit.
Zo liet hij in 2017 zien dat de tijd meten kosten met zich mee moest brengen. In 2021 toonde hij dat met collega’s vervolgens ook daadwerkelijk aan, in een experiment waarmee zij bewezen dat klokken geen passieve meetapparaten zijn, maar dat tijd meten iets fysieks is, een handeling die arbeid vereist en warmte produceert.
‘Sinds de opkomst van de quantumfysica hebben we afscheid moeten nemen van het idee dat een meting doen niets meer is dan het gordijn openentrekken en onthullen wat zich afspeelt op het toneel. We zijn tegenwoordig gedwongen te erkennen dat meten een interactie is, en dat elke interactie de dynamiek verandert van wat je wilt meten. We kijken als fysici niet langer naar het toneelstuk, maar maken er ook deel van uit’, zegt Huber. ‘Dat blijkt ook wanneer je een klok wilt bouwen. Als je de tijd wilt meten, heeft dat invloed op die tijd. Alleen daaruit al blijkt dat een universele klok, die overal in het heelal hetzelfde tikt, onmogelijk kan bestaan.’
In vervolgexperimenten toonden Huber en collega’s aan dat er een direct verband bestaat tussen de nauwkeurigheid van de klok en hoe hoog de natuurkundige prijs is die je moet betalen: hoe vaker een klokt tikt, hoe hoger de prijs. ‘Het is daardoor onmogelijk om een oneindig nauwkeurige klok te bouwen’, zegt hij.
Het leidde hem via een omweg weer naar het Page-Woottersmechanisme. ‘Onze experimenten tasten de randen af van hoe de tijd zich lokaal gedraagt. Je hoopt dat dat ook bijdraagt aan een antwoord op de veel fundamentelere vraag over de ware aard van de tijd in het gehele heelal’, zegt hij.
Fysici als Verlinde en Verrucchi sleutelen ondertussen juist aan ideeën over die grotere schaal. ‘Het zijn vraagstukken waar zwaartekracht, quantumfysica, en inderdaad ook het mechanisme van Page en Wootters elkaar ontmoeten’, zegt Verlinde. ‘Alles uit de moderne theoretische natuurkunde komt daar samen: emergentie, de link met de tweede wet van de thermodynamica, en het idee van quantuminformatie als meest fundamentele bouwsteen in het heelal.’
Het inzicht dat zowel Verlinde als Verrucchi deelt: de tijd is ‘relationeel’. In het heelal tikt nergens een absolute klok die van bovenaf is opgelegd als een soort kosmisch edict. In plaats daarvan is de tijd een illusie, een emergent verschijnsel dat ontstaat doordat voorwerpen in het heelal, van mensen tot sterren, elkaars tijdwaarneming beïnvloeden en daarmee stukje bij beetje de paginanummers aan de kosmos toevoegen.
Daarbij is het wel nog zoeken naar de drukpers die het verhaal van de kosmos van die juiste paginanummers voorziet. Verrucchi en haar collega’s denken die nu te kennen: zwarte gaten.
‘We realiseerden ons dat de klok waarnaar we op zoek waren groot moest zijn. Gigantisch. Dat er enorm veel energie in rond moest gaan, en dat die interactie moest hebben met heel veel deeltjes’, zegt ze. ‘Zwarte gaten voldoen aan al die voorwaarden.’
Of ze op het goede spoor zijn, wil ze nog niet te hard roepen: haar artikel is alleen nog maar beschikbaar als voorpublicatie. ‘We hebben het wel naar collega’s gestuurd die we goed kennen, voor wat eerste feedback, en ons vertrouwen in deze optie groeit daardoor. Maar het is onmiskenbaar dat er ook andere antwoorden mogelijk zijn’, zegt ze, en glimlacht: ‘De tijd zal het leren.’
Volgens Florian Neukart kan een volgende generatie meetinstrumenten uitsluitsel bieden. ‘Ik verwacht veel van de vernieuwde Event Horizon-telescoop’, zegt hij, de samengestelde telescoop die de eerste foto maakte van een zwart gat. Hij hoopt dat details in de foto’s en filmpjes die deze telescoop van zwarte gaten gaat maken helpen om zin van onzin te scheiden in de theoretische wereld waarin mensen als Verlinde en Verrucchi zich begeven.
Ongeacht of zwarte gaten nu de belangrijkste drijvende kracht zijn achter het tikken van de kosmische klok; ons beeld over wat tijd precies is, zal dankzij de stappen die theoretici zetten waarschijnlijk nooit meer hetzelfde zijn.
‘Dit inzicht dat nu aan vaart wint, dat tijd een illusie is en vorm krijgt via onderlinge verbindingen, leidt tot een heel nieuwe perceptie van wat tijd betekent’, zegt Verrucchi. ‘We zijn allemaal onderdeel van het gedeelde geheugen van het heelal.’
Alles over wetenschap vindt u hier.
Geselecteerd door de redactie
Source: Volkskrant