Tijd geldt als een vaste, onbuigzame eigenschap van het universum. Toch zijn zelfs wetenschappers het onderling niet eens over wat tijd precies is.
Waarom verschillen tijd en ruimte? Waar komt tijd vandaan? En waarom bewegen we altijd maar in één richting door de tijd, zonder ooit van koers te kunnen veranderen?
Vragen en antwoorden over tijd
Het zijn terechte vragen, maar stellen de antwoorden tevreden? Een van de antwoorden is dat tijd niet eens echt bestaat, al roept dat meteen de vraag op wat dat dan betekent. Verwarrend blijft het hoe dan ook. Onze fascinatie voor tijd is niet nieuw. Vroeger verklaarden mensen het verstrijken van de tijd en de grote momenten in hun leven met goden. Veel denkers hebben geprobeerd tijd te begrijpen zonder goden erbij te halen.
Oude Griekse filosofen zagen tijd bijvoorbeeld eerder als een ervaring dan als iets wat tot de basis van het universum hoort. Aristoteles omschreef tijd als het getal van verandering, geteld naar wat ervoor en erna komt. Volgens hem ontstaat tijd dus uit verandering in het universum.
Hij redeneerde ook dat tijd alleen bestaat als er wezens zijn die haar waarnemen. We kijken daar tegenwoordig misschien wat op neer. Toch lijkt het idee van tijd als een getal dat verandering telt best op sommige moderne opvattingen over tijd.
Newton versus Einstein over tijd
Dit beeld bleef lang overeind, tot Isaac Newton met een nieuwe theorie kwam. Volgens hem beweegt tijd altijd vooruit, of er nu iets verandert of niet. Tijd staat dus los van verandering. Zo kijk je op de manier van Newton naar tijd: als een stromend onderdeel van de werkelijkheid, waarin oorzaak en gevolg netjes op elkaar volgen.
Verderop blijkt dat zelfs oorzaak en gevolg niet zo vastliggen als het lijkt. Ook het beeld van Newton klopt dan niet. Maar eerst Einstein, die ons begrip van tijd volledig veranderde. Met zijn speciale en algemene relativiteitstheorie kregen we eindelijk een idee van wat tijd is. Einstein liet daarin twee dingen zien over hoe tijd op grote schaal werkt. Ten eerste is tijd relatief: ze verloopt niet voor iedereen in het universum even snel. Ten tweede kunnen tijd en ruimte allebei buigen.
Tijd als dimensie
Beide theorieën zijn keer op keer in experimenten bevestigd. Ze gaan ervan uit dat tijd een dimensie is, net als ruimte. Dat staat haaks op hoe de kwantummechanica naar tijd kijkt, maar daarover verderop meer. Wat betekent het dat tijd een dimensie is? Volgens Einstein zijn ruimte en tijd ten diepste met elkaar verbonden. Samen vormen ze de ruimtetijd, met vier dimensies: drie voor de ruimte en als vierde de tijd.
Ook dan blijft tijd bijzonder. In de ruimte kunnen we alle kanten op, in de tijd maar één kant. De wiskunde laat achteruit reizen in de tijd in principe toe, maar ondanks vele theorieën heeft niemand nog een manier gevonden om dat echt te doen. Je kunt Einsteins beeld van tijd begrijpen door de ruimte voor te stellen als een vel papier.
Dat vel beweegt langs een tijdsas: dat is het verstrijken van de tijd. Zo eenvoudig is het alleen niet, want massa en energie krommen ruimte en tijd. Het vel zit dus vol deuken en golven. Bovendien lopen klokken die ten opzichte van elkaar bewegen niet even snel. Er is ook niet één tijdsas. Elk punt in de ruimte, met wat zich daar bevindt, heeft zijn eigen verloop van de tijd. De tijd die je op de grond ervaart, verschilt bijvoorbeeld van die van iemand in een vliegtuig.
Relativiteit en navigatie
Navigatiesystemen moeten rekening houden met tijdsdilatatie, het verschil in hoe snel de tijd verloopt. Dat verschil is allesbehalve te verwaarlozen: gps werkt alleen goed als zowel de speciale als de algemene relativiteitstheorie van Einstein wordt meegenomen. Met beide theorieën kun je veel voorspellingen doen en die op allerlei manieren toetsen.
Voor zover we kunnen nagaan, kloppen Einsteins theorieën uitzonderlijk goed. Toch is het verhaal daarmee niet af. Er blijven raadsels over, zoals waarom tijd bestaat en waarom we alleen vooruit kunnen in de tijd. Daar bestaan theorieën over, die hieronder aan bod komen.
De grote uitdaging van de kwantummechanica
Het grootste probleem in de natuurkunde is dat ons begrip van het heelal op kosmische schaal botst met wat we weten over de allerkleinste schaal, die van de kwantummechanica. De relativiteitstheorie ziet tijd als een dimensie. De kwantummechanica ziet tijd als een soepel doorlopende eigenschap die de volgorde van gebeurtenissen bijhoudt.
Opvallend is dat tijd in de kwantummechanica niet in kleine, ondeelbare stapjes is opgedeeld, terwijl dat bij veel andere grootheden wel zo is. Sommige theorieën voorspellen zulke stapjes wel, met een kleinste tijdseenheid die ‘chronon’ heet. Tot nu toe was het voor geen enkele waarneming nodig om tijd zo op te delen.
De vreemdheid van kwantummechanica
In de kwantummechanica gebeuren heel vreemde dingen die ons idee van oorzaak en gevolg op de proef stellen. Oorzaak en gevolg lijken ons logisch. Volgens het bekende, waarschijnlijk verzonnen verhaal viel er een appel op Newtons hoofd, waarna hij zijn zwaartekrachttheorie bedacht. Niemand zou beweren dat zijn theorie de val van de appel veroorzaakte.
Experimenten met een zogeheten kwantumschakelaar laten zien dat de volgorde van gebeurtenissen in de kwantummechanica niet altijd hoeft vast te liggen. Daarnaast kunnen deeltjes door kwantumverstrengeling, een van de bouwstenen van de kwantummechanica, op manieren met elkaar samenhangen die ingaan tegen ons alledaagse gevoel.
Het kwantumraadsel
Door de eigenaardige toestand waarin deeltjes kunnen verkeren, zoals verstrengeling, geven metingen aan die deeltjes soms vreemde uitkomsten. Bovendien hebben we in de kwantummechanica nooit genoeg informatie over deeltjes om hun toekomst met zekerheid te voorspellen.
We kunnen alleen uitrekenen hoe waarschijnlijk een bepaalde toekomst is. Dat roept felle filosofische discussies op, maar die laten we hier rusten. Waar het om gaat: deze vreemde toestand van deeltjes dwingt ons opnieuw na te denken over tijd en over oorzaak en gevolg.
Kwantummechanica tegenover relativiteitstheorie
Als het om tijd gaat, staan de kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie op gespannen voet. Voor de relativiteitstheorie is tijd een dimensie die verandert onder invloed van massa en zwaartekracht. Voor de kwantummechanica is tijd een doorlopende eigenschap die de volgorde van gebeurtenissen bijhoudt, los van de toestand waarin het heelal verkeert.
Dat verschil is een van de grootste puzzels in de natuurkunde. Beide theorieën werken op hun eigen schaal verbazend precies, maar over wat tijd is, zijn ze het ten diepste oneens.
Kwantumverstrengeling: het raadsel van oorzaak en gevolg
Kwantumverstrengeling betekent dat deeltjes op afstand met elkaar verbonden kunnen zijn, op een manier die ons gevoel voor oorzaak en gevolg uitdaagt. Experimenten laten zien dat de meetuitkomst bij het ene deeltje direct samenhangt met die bij het andere, hoe ver ze ook uit elkaar zijn. Een signaal versturen kun je er niet mee. Dat roept vragen op over wat oorzaak, gevolg en tijd eigenlijk zijn, al betekent zo’n verband op zichzelf niet dat oorzaak en gevolg omgedraaid zijn.
Los daarvan wijzen de experimenten met een kwantumschakelaar erop dat de volgorde van gebeurtenissen in de kwantumwereld niet altijd vastligt. Dat zou ons begrip van tijd ingrijpend kunnen veranderen.
De zoektocht naar eenheid en het mysterie van tijd
Wetenschappers zoeken een theorie die de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica verenigt, in de hoop beter te begrijpen wat tijd is. Ze verkennen onder meer de snaartheorie en de luskwantumzwaartekracht, maar een definitief antwoord is er nog niet.
Sommigen denken dat tijd pas ontstaat uit iets anders, zoals de oerknal en het uitdijen van het heelal. Tijd zou dan een gevolg zijn in plaats van een bouwsteen van de werkelijkheid. Zulke ideeën zetten ons gewone beeld van tijd op zijn kop. Misschien moeten we opnieuw nadenken over hoe en waarom we tijd ervaren zoals we dat doen.
Tijd vooruit: entropie, kwantummechanica en de toekomst
Dat tijd altijd vooruit gaat, valt mogelijk te verklaren met begrippen als entropie en kwantummechanica. Entropie is een maat voor wanorde. Volgens sommige theorieën ligt de toename van wanorde in het heelal, of de onzekerheid die bij kwantumtoestanden hoort, ten grondslag aan hoe wij tijd ervaren. Dat zou kunnen verklaren waarom we ons het verleden herinneren maar de toekomst niet kunnen zien.
Binnen de algemene relativiteitstheorie lijkt tijdreizen in theorie mogelijk. De kwantummechanica zet daar vraagtekens bij, omdat verleden en toekomst daar misschien niet bestaan op de manier die wij kennen.
Tijd blijft een van de boeiendste en ongrijpbaarste kanten van het universum. Wetenschappers blijven nieuwe theorieën bedenken en toetsen, maar wat tijd ten diepste is, blijft een raadsel. Wie tijd onderzoekt, stelt vragen over het fundament van de werkelijkheid zelf.
Geraadpleegde bronnen:
De onderstaande referenties vormen de inhoudelijke onderbouwing van dit artikel.
- https://www.exactlywhatistime.com/physics-of-time/quantum-time/
- https://www.npr.org/2022/12/16/1139780043/what-is-time-physics-atomic-clocks-society
- https://www.quantamagazine.org/quantum-mischief-rewrites-the-laws-of-cause-and-effect-20210311/
