Als je bent getriggerd dit artikel te lezen ben je waarschijnlijk ouder dan 16 of misschien wel ouder dan 20. Je hebt dan waarschijnlijk ook al heel wat ervaring met het concept van tijd.
Je hebt deadlines gehaald, je hebt verjaardagen gevierd, en je hebt waarschijnlijk al eens een belabberde dag gehad die maar niet leek te eindigen.
Maar heb je ooit echt stilgestaan bij wat tijd precies is? Het is een van de grootste mysteries van ons bestaan en ook een van de grootste mysteries van de natuurkunde.
De perceptie van tijd
We ervaren tijd als iets dat voorbijgaat, met een specifiek moment dat we “nu” noemen. Een half uur geleden deed je iets anders dan je nu doet, en wat je over een half uur zult doen, is aan jou.
Tenminste, zo ervaren we tijd. Maar wat de natuurkunde ons vertelt over tijd is heel anders dan onze perceptie.
De persoon die dit ontdekte was niemand minder dan Albert Einstein.
Einstein en tijd
Wat heeft Einstein ons geleerd over het verleden, het heden en de toekomst? Dat is namelijk het onderwerp waar we het vandaag over gaan hebben. Trouwens, dit onderwerp wordt uitgebreider behandeld in het boek “Existential Physics”.
We denken dat tijd voor iedereen en elk object op dezelfde manier werkt. Als er één seconde verstrijkt voor mij, verstrijkt er één seconde voor jou en verstrijkt er één seconde voor de wolken boven ons. Dit maakt tijd tot een universele parameter. Deze parameter geeft aan hoeveel tijd er verstrijkt en wat we allemaal bedoelen met “nu”.
Tijd als een dimensie
Hermann Minkowski was de eerste die opmerkte dat dit misschien niet helemaal klopt. Hij merkte op dat de vergelijkingen van Maxwell in de elektrodynamica veel logischer zijn als je tijd behandelt als een dimensie, niet als een parameter. Net zoals een bal niet verandert als je de ene richting van de ruimte in de andere roteert, veranderen de vergelijkingen van Maxwell niet als je de ene richting van de ruimte in tijd roteert.
Dus, zei Minkowski, we combineren gewoon ruimte met tijd tot een 4-dimensionale ruimte-tijd, en dan kunnen we ruimte in tijd draaien, net zoals we twee richtingen van de ruimte in elkaar kunnen draaien. En dat verklaart natuurlijk waarom de vergelijkingen van Maxwell de symmetrie hebben die ze hebben. Het heeft niets te maken met elektrische en magnetische velden, het komt voort uit de eigenschappen van ruimte en tijd zelf.
Ruimte-tijd diagram
Ik kan geen bloem tekenen, laat staan vier dimensies, maar ik kan net aan twee rechte lijnen trekken op papier, één voor tijd en de andere voor ten minste één dimensie van de ruimte. Dit heet een ruimte-tijd diagram. Als je gewoon stil staat, dan is je beweging in zo’n diagram een rechte verticale lijn.
Als je met een constante snelheid beweegt, is je beweging een rechte lijn die onder een bepaalde hoek helt. Dus als je snelheid verandert, roteer je door de ruimte-tijd. De maximale snelheid waarmee je kunt bewegen is de snelheid van het licht, die doorgaans onder een hoek van 45 graden wordt getekend.
Tijd versus ruimte
In de ruimte kunnen we vooruit-achteruit, links-rechts of omhoog-omlaag gaan. In de tijd kunnen we alleen vooruit gaan, we kunnen geen U-bocht maken en er zijn geen opritten voor onhandige keren op de drie punten. Dus tijd is nog steeds anders dan ruimte op sommige punten.
Maar nu tijd ook een dimensie is, is het duidelijk dat het gewoon een label is voor coördinaten, er is niets universeels aan. Er zijn veel manieren om labels op een tweedimensionale ruimte te plaatsen omdat je je assen kunt kiezen zoals je wilt. Hetzelfde geldt nu voor ruimte-tijd. Zodra je tijd hebt veranderd in een dimensie, betekenen de labels erop niet zoveel.
Wat betekent tijd?
Wat is dan de tijd waar we het over hebben? Wat betekent het zelfs dat tijd een dimensie is? Bestaan er andere dimensies? Bovennatuurlijke ofzo? Die rare geluiden ‘s nachts zouden kunnen verklaren? Nee. Dat is een apart probleem waar ik vrees dat ik je niet mee kan helpen.
Het was Albert Einstein die begreep wat dit betekent. Als we het ook willen begrijpen, hebben we vier aannames nodig. De snelheid van het licht in vacuüm is eindig, het is altijd hetzelfde, niets kan sneller gaan dan de snelheid van het licht, en het standpunt van alle waarnemers is even geldig.
Dit vormde de basis van Einstein’s theorie van de speciale relativiteit. Oh, en ook, de waarnemers hoeven niet te bestaan. Ik bedoel, dit is theoretische natuurkunde, dus we hebben het over theoretische waarnemers, in feite. Dus als er een waarnemer zou kunnen zijn met een bepaald standpunt, dan is dat standpunt even geldig als het jouwe.
Wie is een waarnemer?
Wie of wat is een waarnemer? Is een mier een waarnemer? Een boom? Wat dacht je van een dolfijn? Wat moet je observeren om een waarnemer genoemd te worden en waarmee moet je observeren? Geloof het of niet, hier is eigenlijk behoorlijk wat discussie over in de wetenschappelijke literatuur. We zullen deze interessante discussie even terzijde schuiven en het woord “waarnemer” op dezelfde manier gebruiken als Einstein deed, wat neerkomt op een coördinatensysteem.
Snap je, het is een coördinatenssysteem dat een theoretische waarnemer zou kunnen gebruiken, dolfijn of anderszins. Misschien niet precies wat de FBI denkt dat een waarnemer is, maar als het goed genoeg was voor Einstein, dan zal het goed genoeg zijn voor ons. Dus de aanname van Einstein betekent in feite dat elk coördinatensysteem even geschikt moet zijn om de fysieke werkelijkheid te beschrijven.
De relativiteit van gelijktijdigheid
Deze vier aannames klinken op het eerste gezicht redelijk onschuldig, maar ze hebben diepgaande gevolgen. Laten we beginnen met de eerste en derde: de snelheid van het licht is eindig en niets beweegt sneller dan het licht. Waarschijnlijk lees je dit artikel op een scherm, een telefoon of een laptop.
Is het scherm er nu?
Tenzij je uit de toekomst komt en dit artikel als een hologram in je ruimtehuis bekijkt, ga ik ervan uit dat het antwoord ja is. Maar een natuurkundige zou kunnen opmerken dat je het eigenlijk niet weet. Omdat het licht dat nu van het scherm wordt uitgezonden, je nog niet heeft bereikt.
Misschien houd je de telefoon in je hand, maar zenuwsignalen zijn belachelijk langzaam in vergelijking met licht. Als je je hand niet zou kunnen zien en iemand grist je telefoon weg, dan zou het meerdere microseconden duren voordat de informatie dat de telefoon weg is zelfs in je hersenen arriveert. Dus hoe weet je dat je telefoon er nu is?
Het blokuniversum
Dit is al behoorlijk verwarrend, maar wacht, het wordt nog gekker. Laten we nog eens naar de ruimte-tijd diagrammen kijken. Neem nu willekeurige twee gebeurtenissen die niet causaal met elkaar verbonden zijn. Dit betekent simpelweg dat als je een signaal van de ene naar de andere wilt sturen, het signaal sneller zou moeten gaan dan het licht, dus signalering van de ene naar de andere is niet mogelijk.
De vorige constructie met de spiegels laat zien dat voor elk paar van zulke gebeurtenissen er altijd een waarnemer is voor wie die twee gebeurtenissen tegelijkertijd plaatsvinden. Je hoeft je alleen maar voor te stellen dat de spiegels door de gebeurtenissen vliegen en de waarnemer vliegt er recht doorheen in het midden. En dan pas je de snelheid aan totdat de fotonen beide gebeurtenissen tegelijkertijd raken.
Oké, dus elk paar causaal niet-gekoppelde gebeurtenissen vinden simultaan plaats voor een waarnemer. Neem nu twee gebeurtenissen die causaal met elkaar verbonden zijn. Bijvoorbeeld te veel kaas eten voor het avondeten en daarna je vreselijk voelen in de ochtend.
Zoek een gebeurtenis die niet causaal verbonden is met geen van beide. Laten we zeggen dat deze gebeurtenis een supernova is die explodeert in een ver sterrenstelsel. Er zijn dan altijd waarnemers voor wie de supernova en je kaasavondeten simultaan zijn, en er zijn waarnemers voor wie de supernova en je ochtend na simultaan zijn.
Laten we dit allemaal samenvoegen.
Als je comfortabel bent met te zeggen dat er “nu” iets bestaat dat hier niet is, dan moet dit volgens Einsteins vierde aanname voor alle waarnemers gelden. Maar als alle gebeurtenissen die jij denkt dat “nu” gebeuren, bestaan en alle andere waarnemers zeggen dat de gebeurtenissen die tegelijkertijd plaatsvinden met die gebeurtenissen, dan bestaan alle gebeurtenissen “nu”. Een andere manier om het te zeggen is dat alle tijden op dezelfde manier bestaan.
Dit wordt het “blokuniversum” genoemd. Het is er gewoon. Het ontstaat niet, het verandert niet. Het is er gewoon.
Alternatieve interpretaties
Als je dat moeilijk te accepteren vindt, is er nog een andere mogelijkheid om een begrip van “bestaan” consistent te combineren met Einsteins speciale relativiteit. Alles wat ik net heb gezegd, komt voort uit de aanname dat je bereid bent te zeggen dat iets bestaat “nu”, zelfs als je het op geen enkele manier kunt zien of ervaren. Als je alleen wilt zeggen dat dingen bestaan die nu hier zijn, dan krijg je geen blokuniversum. Maar misschien is dat nog moeilijker te accepteren.
Een andere optie is om gewoon een begrip van “bestaan” uit te vinden en het te definiëren als een specifieke snede in ruimtetijd voor elk moment in de tijd. Dit heet een “slicing”, maar helaas heeft het niets met pizza te maken. Als het enige observeerbare gevolgen zou hebben, zou dat in strijd zijn met de vierde aanname die Einstein deed.
Dus het is in conflict met de speciale relativiteit en aangezien deze theorie experimenteel zeer goed is bevestigd, zou dit vrijwel zeker betekenen dat het idee in strijd is met waarneming. Maar als je gewoon een “nu” wilt definiëren dat geen observeerbare gevolgen heeft, kun je dat doen. Hoewel ik niet zeker weet waarom je dat zou willen.
Quantummechanica en het blokuniversum
Quantummechanica verandert niets aan het blokuniversum omdat het nog steeds compatibel is met de speciale relativiteit. De meetupdate van de golffunctie, waar ik het eerder in dit artikel over had, gebeurt sneller dan de snelheid van het licht. Als het waarneembaar zou zijn, zou je het kunnen gebruiken om een notie van gelijktijdigheid te definiëren. Maar het kan niet worden waargenomen, dus er is geen contradictie.
Sommige mensen hebben betoogd dat omdat de quantummechanica onbepaald is, de toekomst niet al bestaat in het blokuniversum, en dat er daarom ook een speciaal moment van “nu” moet zijn dat het verleden van de toekomst scheidt. En misschien is dat zo. Maar zelfs als dat het geval was, is het voorgaande argument nog steeds van toepassing op het verleden. Dus ja, het is waar. Voor zover we nu weten, bestaat het verleden op dezelfde manier als het heden.
Conclusie
Dus, wat hebben we geleerd? Tijd is een raadselachtig concept dat ons begrip van de werkelijkheid op zijn kop zet. Het is niet zo eenvoudig als we denken, en het is zeker niet zo eenvoudig als we zouden willen. Maar dat is precies dat wat het zo fascinerend maakt. Het dwingt ons om onze aannames en overtuigingen te heroverwegen, om dieper te graven en te proberen de ware aard van de werkelijkheid te begrijpen.
Dus, ondanks de belabberde staat van ons begrip van tijd, is er nog steeds veel te leren en te ontdekken. En dat is eigenlijk het mooiste van wetenschap: er is altijd meer te weten te komen.
Link YouTube video
