Als je getriggerd bent om 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, 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. 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. Dat verklaart 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 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 Einsteins theorie van de speciale relativiteit. Waarnemers hoeven niet te bestaan in de fysieke zin; we hebben het over theoretische waarnemers. Elk theoretisch standpunt is even geldig als elk ander.
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, er is veel discussie over dit onderwerp in de wetenschappelijke literatuur. We laten deze discussie even terzijde en gebruiken het woord “waarnemer” op dezelfde manier als Einstein deed: als een coördinatensysteem.
Het gaat dus om een coördinatensysteem dat een theoretische waarnemer zou kunnen gebruiken, of dat nu een dolfijn is of iets anders. Misschien niet precies wat de FBI denkt dat een waarnemer is, maar als het goed genoeg was voor Einstein, dan is het goed genoeg voor ons. De aanname van Einstein betekent dat elk coördinatensysteem even geschikt is 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. Het licht dat nu van het scherm wordt uitgezonden, heeft je ogen nog niet bereikt.
Misschien houd je de telefoon in je hand, maar zenuwsignalen zijn veel langzamer dan licht. Als je je hand niet zou kunnen zien en iemand grist je telefoon weg, zou het enkele microseconden duren voordat die informatie je hersenen bereikt. Dus hoe weet je dat je telefoon er nu is?
Het blokuniversum
Dit is al behoorlijk verwarrend, maar het wordt nog ingewikkelder. Laten we eens kijken naar ruimte-tijd diagrammen. Neem willekeurige gebeurtenissen die niet causaal met elkaar verbonden zijn. Dit betekent dat als je een signaal van de ene naar de andere wilt sturen, het signaal sneller zou moeten gaan dan het licht, wat onmogelijk is.
De vorige constructie met de spiegels laat zien dat voor elk paar van zulke gebeurtenissen er altijd een waarnemer is voor wie die gebeurtenissen tegelijkertijd plaatsvinden. Je hoeft je alleen maar voor te stellen dat de spiegels door de gebeurtenissen vliegen en de waarnemer er recht doorheen gaat in het midden. Dan pas je de snelheid aan totdat de fotonen beide gebeurtenissen tegelijkertijd raken.
Dus elk paar niet-causaal verbonden gebeurtenissen vindt simultaan plaats voor een waarnemer. Neem nu twee gebeurtenissen die wel causaal verbonden zijn. Bijvoorbeeld te veel kaas eten voor het avondeten en je daarna slecht voelen in de ochtend.
Zoek een gebeurtenis die niet causaal verbonden is met beide. Stel dat deze gebeurtenis een supernova is die explodeert in een ver sterrenstelsel. Er zijn altijd waarnemers voor wie de supernova en je kaasavondeten simultaan zijn, en er zijn waarnemers voor wie de supernova en je ochtend na het kaaseten simultaan zijn.
Laten we dit samenvoegen.
Als je comfortabel bent met de gedachte dat er “nu” iets bestaat dat niet hier is, dan geldt dit volgens Einsteins vierde aanname voor alle waarnemers. 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 ook bestaan, dan bestaan alle gebeurtenissen “nu”. Dit betekent 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 observeerbare gevolgen zou hebben, zou dat in strijd zijn met de vierde aanname van Einstein.
Dus dit zou in conflict zijn met de speciale relativiteit, en aangezien deze theorie experimenteel zeer goed is bevestigd, zou dit bijna zeker betekenen dat het idee in strijd is met waarnemingen. 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 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 wat het zo fascinerend maakt. Het dwingt ons om onze aannames en overtuigingen te heroverwegen, dieper te graven en te proberen de ware aard van de werkelijkheid te begrijpen.
Ondanks de gebrekkige staat van ons begrip van tijd, is er nog steeds veel te leren en te ontdekken. Dat is eigenlijk het mooiste van wetenschap: er is altijd meer te weten te komen.
Veelgestelde Vragen
Wat is de perceptie van tijd?
We ervaren tijd als iets dat voorbijgaat, met een specifiek moment dat we “nu” noemen. Maar de natuurkunde biedt een andere kijk op tijd.
Hoe heeft Einstein onze kijk op tijd veranderd?
Einstein toonde aan dat tijd relatief is en afhangt van de waarnemer. Dit betekent dat tijd niet voor iedereen hetzelfde verloopt.
Wat betekent het dat tijd een dimensie is?
Tijd als dimensie betekent dat het gecombineerd kan worden met ruimte tot een 4-dimensionale ruimte-tijd. Dit concept helpt natuurkundige fenomenen beter te begrijpen.
Wat is het blokuniversum?
Het blokuniversum is een concept waarin alle gebeurtenissen in tijd en ruimte tegelijkertijd bestaan. Tijd ontstaat niet en verandert niet; het is statisch.
Hoe beïnvloedt de relativiteitstheorie ons begrip van tijd?
Einsteins relativiteitstheorie stelt dat de snelheid van het licht constant is en dat niets sneller kan reizen dan het licht, wat gevolgen heeft voor ons begrip van tijd en ruimte.
