Amerikaanse natuurkundige wil een spiraal naar het verleden creëren

Zo schetst Ronald Mallett in zijn boek Time Traveler de dag waarop hij voor het eerst andere theoretisch natuurkundigen inzicht gaf in de ideeën en theorieën waaraan hij zijn leven had gewijd.

Op het symposium op 25 juni 2002 presenteerde hij zijn oplossingen voor een aantal zogeheten veldvergelijkingen die centraal staan in Einsteins relativiteitstheorie.

Maar hij beweerde ook dat de oplossingen bewezen dat het mogelijk is om een tijdmachine te bouwen – niet alleen in theorie, maar met technologie die in de 21e eeuw beschikbaar komt.

Mallett gaat uit van een aantal eigenschappen van licht die de relativiteitstheorieën beschrijven.

Door licht rond te laten draaien zou het mogelijk moeten zijn om tijd en ruimte te vervormen en ‘gesloten tijdringen’ te creëren, waarmee je het heden kunt verlaten en terug kunt reizen naar het verleden.

Daarmee heeft Mallett mogelijk de oplossing gevonden voor een probleem waarmee hij werd geconfronteerd sinds een tragische gebeurtenis zijn leven veranderde toen hij tien was.

En nu, 65 jaar later, kan hij het prototype gaan bouwen om het principe van zijn tijdmachine te bewijzen.

Machine kan de dood overwinnen

Ronald was net in slaap toen zijn vader stierf aan een hartaanval. Op 22 mei 1955 hadden zijn ouders vrienden te eten gehad. Het was hun 11e trouwdag, dus er was iets te vieren.

Maar de datum verloor op slag zijn glans. Ronald, de oudste van alle broers en zussen, keek erg op naar zijn vader, die een voorbeeld voor hem was, en het verlies op zo’n jonge leeftijd was ondraaglijk.

‘De dood van mijn vader betekende het einde van mijn universum. Ik was er kapot van. Na zijn begrafenis kon het me niet schelen of ik leefde of dood zou gaan.’

Mallett vond troost in lezen en techniek. Een jaar na de dood van zijn vader werden hem de ogen geopend voor wat later de missie van zijn leven zou worden.

In een krantenkiosk zag hij een stripboek getiteld The Time Machine, een populaire versie van de gelijknamige sciencefictionroman van H.G. Wells. Hij pakte het op, sloeg het open en las de eerste zinnen.

‘Onderzoekers weten dat tijd gewoon een soort ruimte is. We kunnen heen en weer door de tijd, net zoals we heen en weer door de ruimte kunnen bewegen.’

De zinnen werden in het brein van de jonge Mallett gegrift, die onmiddellijk begreep wat dat betekende. Als hij een tijdmachine kon bouwen, kon hij terug in de tijd reizen en zijn vader weer zien.

In de daaropvolgende jaren werd hem duidelijk dat er maar één manier was om die droom waar te maken: natuurkundige worden.

Zwarte gaten zetten de tijd stil

Mallett begon zijn natuurkundestudie in 1968, waarbij hij de theorieën van Einstein en hun betekenis voor het tijdreizen leerde doorgronden.

De speciale relativiteitstheorie uit 1905 opent de mogelijkheid naar de toekomst te reizen. De theorie stelt dat de tijd voor een bewegend object langzamer gaat.

Hoe sneller de beweging, des te langzamer de tijd verstrijkt. Voor iemand die met bijna de lichtsnelheid heen en weer reist naar een ster op 25 lichtjaar van de aarde, duurt de reis tien jaar.

Maar als hij thuiskomt, zijn er 50 jaren op aarde verstreken, dus vanuit zijn perspectief heeft hij 40 jaar in de toekomst gereisd.

De tijdvertraging die de theorie beschreef – en die experimenten later hebben bevestigd – fascineerde de natuurkundestudent, maar een minpunt was dat je zo alleen naar de toekomst kon reizen.

Als hij hoopte zijn vader weer te zien, was Mallett beter af met de algemene relativiteitstheorie uit 1915. Volgens Einstein is zwaartekracht geen kracht die door de ruimte trekt, maar een kracht die de ruimte vormt.

Ieder lichaam dat massa heeft, kromt de ruimte om zich heen, en die kromming bepaalt hoe andere lichamen bewegen. Hoe groter de massa van een lichaam is, des te groter de kromming eromheen.

Nog interessanter voor Mallett was dat de algemene relativiteitstheorie tijd beschouwt als een dimensie in lijn met de drie ruimtelijke dimensies.

Dit betekent dat tijd ook wordt beïnvloed door massa in de ruimte, en als de massa heel groot is, zal dat enorme gevolgen hebben voor de tijd.

Dit geldt bijvoorbeeld rond zwarte gaten, waar zeer veel massa is geconcentreerd in een miniem gebied. Vlak bij het zwarte gat, op de zogeheten waarnemingshorizon, staat de tijd zelfs volledig stil.

Al sinds Einstein zijn algemene relativiteitstheorie publiceerde, vragen natuurkundigen zich af wat dit voor ons tijdsbegrip betekent.

Volgens sommigen zijn zwarte gaten te verbinden tot een wormgat: een manier om een stukje af te steken door de ruimtetijd.

Als je door zo’n wormgat reist, kom je niet alleen elders in het heelal uit, maar ook in een andere tijd – in het verleden of in de toekomst.

Volgens de Amerikaanse natuurkundige Kip Thorne kan een wormgat in principe te maken zijn en kunnen mensen erdoorheen, maar dan moet de tunnel wel worden bekleed met een exotisch materiaal dat de zwaartekracht tegenwerkt, anders stort het gat in. En zo’n materiaal hebben we nog niet gevonden.

Einsteins ruimtetijd stelt ook ons alledaagse begrip van tijd als objectieve grootheid op de proef, waarin verleden en toekomst zijn gescheiden door een universeel ‘nu’.

In het ‘blokuniversum’, dat Einsteins wereldbeeld ons heeft opgeleverd, is er geen universeel ‘nu’ en dus ook geen scheiding tussen verleden en toekomst.

Alle tijdstippen bestaan tegelijk – de vraag is alleen waar in de ruimtetijd we ons bevinden. Zoals we geografisch van A naar B kunnen bewegen, kunnen we ook van het ene naar het andere tijdstip gaan – althans in theorie.

Het inzicht in de theorieën van Einstein bevestigde voor Mallett dat zijn jongensdroom niet absurd was. Het verleden bestond nog steeds.

Wel was de weg ernaartoe zo moeilijk dat ensen hem voor gek zouden verklaren als hij zijn plan uit de doeken deed.

Mallett vertelt zijn persoonlijke verhaal

In zijn proefschrift onderzocht hij daarom hoe tijd zich in een uitdijend heelal gedraagt, en pas later in zijn academische loopbaan durfde hij zijn geheime gedachten te delen.

Draaiend licht leidt naar het verleden

Het idee voor een tijdmachine kreeg Mallett toen hij dit het minst verwachtte.

Vanwege pijn op de borst moest hij begin 1999 met ziekteverlof, waarna hij depressief werd bij de gedachte te overlijden aan een hartaanval, zoals zijn vader.

Maar op een ochtend, toen hij nog in kamerjas en op pantoffels zijn kantoor aan huis in liep, keerde het vuur terug.

Hij nam theorieën over tijdreizen door en vulde ze aan met zijn onderzoek naar zwarte gaten, waarmee hij het grootste deel van zijn tijd had doorgebracht als hoogleraar in Connecticut.

De meeste natuurkundigen zijn het erover eens dat zwarte gaten om zichzelf draaien. Bij het midden van het zwarte gat is de rotatie zo snel dat die in theorie kan leiden tot gesloten tijdringen: gebieden waarin de tijd letterlijk ronddraait.

Een wandeling door zo’n tijdring leidt van het verleden naar het heden en weer terug, dus het verhaal herhaalt zich continu.

De gesloten tijdring is een gevolg van frame dragging, een effect dat in de veldvergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie is voorspeld en dat optreedt bij alle objecten met massa die om zichzelf draaien.

De rotatie buigt daarmee de ruimtetijd rond het object, zodat zowel ruimte als tijd vervormd raken. Dit gebeurt ook rond de aarde, maar hier is het effect zo klein dat het nauwelijks te meten is.

De gedachte die bij Mallett opkwam was dat er voor dit verschijnsel niet per se objecten met een zeer grote massa nodig waren. Wie weet kon het wel veroorzaakt worden door licht.

Lichtdeeltjes, fotonen, hebben geen massa, maar dragen wel energie en volgens Einstein zijn massa en energie van hetzelfde laken een pak. Dat blijkt ook uit zijn beroemde vergelijking E = mc2, waarin E staat voor energie, m voor massa en c voor de lichtsnelheid.

Een geconcentreerde lichtstraal die in een ring één kant op draait, kan wellicht de ruimtetijd rond zich krommen zoals een zwart gat en een gesloten tijdring creëren.

Mallett vroeg zich af hoe hij de theorie in de praktijk kon bewijzen, en daarbij kwamen de ervaringen van een van zijn eerste banen hem van pas.

Net na zijn promotie werkte Mallett een paar jaar voor United Technologies, een bedrijf in lasertechnologie.

Hij herinnerde zich in het bijzonder de ringlaser: een opstelling waarbij een laserstraal door een halfdoorzichtige spiegel gestuurd wordt en verder wordt gekaatst door nog drie spiegels, zodat het licht in een vierkant rondgaat.

Die opstelling kon misschien het effect aantonen. Als je een neutron midden in het vierkant zou aanbrengen, zou dit door het frame dragging-effect rond gaan lopen, doordat het door de ruimtetijd alsmaar verder zou draaien.

In de jaren daarop werkte Mallett verder met het concept en testte hij andere manieren om het licht te dirigeren, zoals door lichtgeleiderkabels en kristallen.

Ook ontwikkelde hij de theoretische basis waarmee een lichtcirkel een lichtcilinder kon worden.

En daar kwam de doorbraak: als het licht in een cilinder rondgekaatst wordt, berekende hij, dan zou de ruimtetijd eromheen zozeer gaan tollen dat er gesloten tijdringen ontstaan.

Langs de cilinder zouden de ringen een spiraal vormen, een soort wenteltrap terug in de tijd.

In zo’n tijdmachine kun je boven in de cilinder instappen, langs de spiraal afdalen en uitstappen op een eerder tijdstip, waar je jezelf zou tegenkomen terwijl je staat te wachten tot je in de cilinder kunt stappen.

Hoe meer rondjes je in de spiraal zou maken, des te verder je terug zou gaan in de geschiedenis.

Zware kritiek op Malletts ideeën

Malletts presentatie voor het natuurkundegezelschap aan Howard University was bijna ten einde. Hij rondde zijn theoretische verhaal af met een laatste dia.

Het was een beeld uit 1948 van de Malletts die een uitstapje naar Bronx Park in New York maken. De driejarige Ronald staat voor zijn moeder, die op een bankje zit.

Naast haar zit zijn vader, met een zonnebril op en een brede lach op zijn gezicht. ‘Mijn oorspronkelijke motivatie voor alles – wiskunde leren, studeren, natuurkundige worden – was de droom om mijn vader weer te zien.’

De stilte die volgde duurde langer dan Mallett leuk vond. Maar toen kwam het applaus, gevolgd door vragen en commentaren. De laatste opmerking kwam van zijn grote voorbeeld, professor Bryce DeWitt.

‘Ik weet zo net nog niet of je je vader ooit terug zult zien.’ DeWitt keek Mallett recht aan. ‘Maar ik weet zeker dat hij trots op je zou zijn geweest.’

Na deze ervaring van 2002 in het auditorium van Howard University kon Mallett de kritiek van sceptische collega’s op zijn ideeën en theorieën wel aan.

Over het algemeen ontkenden ze niet dat draaiend licht tot het frame dragging-effect kan leiden, de kern van Malletts tijdmachine, maar of je dit effect kunt benutten is een heel andere vraag.

In 2004 namen de natuurkundigen Ken Olum en Allen Everett de berekeningen die Mallett heeft gemaakt, door, en gingen ze na wat er praktisch gezien nodig is wil zo’n tijdmachine kunnen werken.

De twee kwamen eropuit dat de machine een diameter moet hebben die groter is dan het heelal om gesloten tijdringen te kunnen voortbrengen.

En anders komt er een lading energie aan te pas die zo groot is als die van een zwart gat. Met andere woorden: Malletts idee van een tijdmachine is niet te vertalen naar de praktijk.

Mallett geeft ze geen ongelijk, maar vindt toch dat de kritiek gebaseerd is op een beperkte visie, want het duo is uitgegaan van de huidige technologie.

‘Ik denk dat de problemen op te lossen zijn als de nieuwe technologieën maar creatief genoeg zijn,’ zegt hij.

Tijdreiziger voorkomt zijn eigen geboorte

Een ander, misschien nog wezenlijker probleem van Malletts visie houdt verband met reizen in de tijd in het algemeen.

De zogeheten grootvaderparadox stelt dat je bij een reis terug in de tijd de geschiedenis kunt veranderen.

Als je naar het verleden teruggaat en je grootvader doodt voordat hij je grootmoeder ontmoet, dan kunnen ze niet de ouders van je moeder worden en zul jij dus ook nooit worden geboren.

Maar door wie is je grootvader dan om het leven gebracht?

Mallett kan die paradox niet oplossen, maar verwijst naar de zogeheten multiversumtheorieën. Die stellen dat ons heelal er slechts een is van vele.

Elke mogelijke uitkomst van een handeling leidt tot een nieuw heelal, hoe klein die handeling ook is, en de tijdreiziger komt daarna aan in een parallel universum.

Helaas hebben alle multiversumtheorieën het probleem dat ze al snel leiden tot oneindig veel universums met oneindig veel gebeurtenissen.

Dit wiskundige probleem hebben twee Canadese natuurkundigen, Jacob Hauser en Barak Shoshany, proberen op te lossen met een eenvoudiger multiversummodel waarin alles gebeurt in één heelal, maar met verschillende tijdlijnen voor alle objecten.

Als tijdreiziger zul je je tijdlijn verlaten en op een andere tijdlijn aankomen, waar je de gebeurtenissen kunt veranderen.

Als je op een tijdlijn een schot afvuurt op je grootvader, maar mist, word je later op die tijdlijn geboren.

Je grootvader zal je vertellen dat er ooit iemand was – die sprekend lijkt op de oudere versie van jou – die hem poogde te doden, lang voordat jij werd geboren.

Het aantal tijdlijnen en gebeurtenissen is volgens de twee natuurkundigen in dit model niet per se oneindig groot.

Terugreizen in de tijd gaat gepaard met kolossale theoretische en praktische problemen, maar Ronald Mallett ziet nog steeds kansen.

Hij wil eerst eens een experiment doen met een ringlaser die de ruimtetijd kromt en zo een neutron beïnvloedt.

De opstartkosten bedragen naar schatting een slordige 250.000 dollar, maar die hoopt hij wel bij elkaar te kunnen krijgen.

Eén ding heeft hij echter opgegeven: het weerzien van zijn vader. Want zelfs als hij een tijdmachine weet te bouwen, zal die zijn beperkingen kennen.

Mallett denkt zelf dat hij daarmee niet verder terug zal kunnen reizen dan het moment waarop de machine gemaakt werd.

Misschien is dat een beperking van alle denkbare tijdmachines. Maar dat zou dan in elk geval verklaren waarom we – voor zover we weten – nog geen bezoek van mensen uit de toekomst hebben gehad.

Het artikel kwam oorspronkelijk uit in 2020.