Our website does not support Internet Explorer.

To get the best experience on our website and of our content, please use a more modern browser like Edge, Chrome, Safari or similar.

Tiden er den fjerde dimension

Natuurkunde is niet meer bij de tijd

De laatste 100 jaar boekten de relativiteitstheorie en de kwantummechanica grote successen, maar nu zijn we wel ons klassieke idee van tijd kwijt. De natuurkundetheorieën vertellen ons immers dat tijd geen richting heeft en dat verleden, heden en toekomst één pot nat zijn. Volgens sommige onderzoekers is tijd dan ook een illusie. Twee natuurkundigen willen ons het ‘nu’ en de loop van de tijd echter teruggeven.

Shutterstock

1. Zwaartekrachtgolven reconstrueren het heden

Om 5.51 uur ontdekten de natuurkundigen van de LIGO-detectoren in de VS dat de hele aarde trilde. Niemand anders merkte daar iets van, want de ‘aardbeving’ was zo zwak dat de spiegels van de detector slechts een atoombreed verschoven.

Maar het was voldoende om een verschuiving te registreren van het laserlicht dat continu naar de spiegels wordt gestuurd en daarna naar de detectoren wordt teruggekaatst. En dat was voor de natuurkundigen genoeg om te beseffen dat deze dag, 14 september 2015, geschiedenis zou schrijven.

De natuurkundigen hadden berekend dat precies deze trilling zou optreden wanneer twee zwarte gaten ver in het heelal elkaar op een dag zouden verzwelgen.

In 1915 voorspelde de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein al dat zo’n gebeurtenis gravitatiegolven door de ruimte zou sturen – en dat waren dan ook de golven die de LIGO-detectoren hadden gemeten.

Toen de metingen bekend werden gemaakt en de relativiteitstheorie weer eens werd bevestigd, stond de hele natuurkundewereld te juichen.

Ook professor Richard Muller, die aan de universiteit van Californië bezig was met het schrijven van een boek over een nieuwe theorie die hij bedacht heeft over wat hij ‘natuurkunde van de tijd’ noemt.

Muller was echter om een andere reden blij dan de meeste andere natuurkundigen. Al heeft hij net als zijn collega’s groot respect voor de relativiteitstheorie, hij heeft er ook problemen mee, want een bepaald gevolg van de theorie zit hem niet lekker: dat er geen objectief ‘nu’ in ons heelal is, en dus ook geen verschil tussen het verleden en de toekomst.

En dat druist sterk in tegen de manier waarop we de wereld om ons heen doorgaans ervaren.

Met zijn theorie over de natuurkunde van de tijd wil Muller proberen het objectieve nu te herintroduceren, en de gravitatiegolven kunnen zijn gelijk bewijzen. Daarom kon Muller nauwelijks wachten om de gegevens van de LIGO-onderzoekers in handen te krijgen.

Ook andere natuurkundigen willen het begrip tijd herinterpreteren. De grote vraag is: is het verstrijken van de tijd een objectieve maat, of is het gewoon de manier waarop we de werkelijkheid opvatten?

  • Natuurkundige John Wheeler
    © SPL

    "Tijd is de methode van de natuur die ervoor zorgt dat niet alles tegelijk gebeurt."

    Natuurkundige John Wheeler (1911-2008) als droog commentaar op onze problemen om de tijd in taal te vatten en onze pogingen om het concept te hanteren.

2. Stoommachine gaf de tijd een richting

Wanneer je ziet dat scherven porselein op de vloer zich plotseling verenigen tot een koffiekopje dat in je hand springt, weet je zeker dat je niet naar de werkelijkheid kijkt. Het is een film die achteruit wordt afgedraaid.

Al je ervaringen vertellen je dat dit in de echte wereld niet kan, terwijl het tegenovergestelde – een kop die uit je hand op de vloer valt en breekt – volkomen natuurlijk is.

In onze dagelijkse ervaring kan tijd alleen vooruit. De tijd die is verstreken, is geschiedenis, en die kunnen we niet veranderen. Het kopje is gebroken en je kunt het hooguit proberen te lijmen. De toekomst, aan de andere kant, zit vol mogelijkheden en we kunnen beïnvloeden wat er gaat gebeuren, want de toekomst heeft nog niet bestaan.

We hebben daarmee ook het idee van een vrije wil omdat de gebeurtenissen nog niet vastliggen. Er is daarom een groot verschil tussen verleden en toekomst, en de grens daartussen is wat we ‘nu’ noemen.

Dat tijd op die manier een richting heeft, werd pas in de 19e eeuw wetenschappelijk verklaard. Tot die tijd waren er geen natuurkundewetten bekend die verhinderen dat de tijd een andere kant op gaat – zoals achteruit.
Die wetten kregen we met de ontdekking van de tak van de natuurkunde die we thermodynamica noemen.

De aanleiding daarvan was een praktische. Midden in de industrialisatie streden ingenieurs erom wie de beste stoommachine kon bouwen, dus wie zo veel mogelijk energie van de kolen die de oven in gingen, wist om te zetten in stoom voor de zuigers en wielen.

Energie kan in een aantal vormen voorkomen, zoals beweging, licht en warmte, en we kunnen de ene soort in de andere transformeren. Veel bewegingsenergie kan volledig in warmte worden omgezet, zoals wanneer we remmen met de auto. Maar het tegenovergestelde was helaas niet mogelijk: alle warmte van de ovens weer omzetten in bewegingsenergie.

De oorzaak daarvan is dat warmte verschilt van andere vormen van energie. In thermische energie zijn de bewegingen van atomen zo willekeurig en chaotisch als ze maar kunnen zijn, en daarom is warmte de uitdrukking van de grootste mate van chaos. We kunnen een deel van de warmte-energie omzetten in andere energievormen, maar niet alles.

De willekeur van de atoombewegingen heet entropie en in de jaren 1850 werd het natuurkundigen duidelijk dat die in een gesloten systeem, dat niet van buitenaf wordt beïnvloed, door de tijd heen spontaan toeneemt. Tijd is dus een ontwikkeling van orde naar chaos.

Het woord ‘gelijktijdig’ wordt zinloos

De speciale relativiteitstheorie verandert de tijd voor objecten in beweging. Het heeft dan ook geen zin om over grote afstanden te spreken van gelijktijdigheid.

  • © Oliver Larsen

    KLASSIEKE TIJD levert een objectief ‘nu’ op

    Terwijl jij Wetenschap in Beeld zit te lezen is een ruimtewezen in een ver stelsel verdiept in een boek. Die twee gebeurtenissen liggen op een gezamenlijke ‘nu-lijn’.

  • © Oliver Larsen

    RELATIEVE TIJD maakt het ‘nu’ subjectief

    Wanneer het ruimtewezen naar je toe fietst, verandert zijn ‘nu-lijn’. Zijn ‘nu’ valt plotseling samen met gebeurtenissen ver in jouw verleden.

    Wanneer het ruimtewezen daarentegen van je af fietst, verandert zijn ‘nu-lijn’ zodanig dat zijn ‘nu’ samenvalt met gebeurtenissen die in jouw toekomst liggen.

3. Bij de oerknal was alles dik in orde

De richting van de tijd wordt geformuleerd in de tweede hoofdwet van de thermodynamica, ook wel de ‘wet van de toename van entropie’ genoemd. Deze wet verklaart veel fenomenen die we dagelijks om ons heen waarnemen.

Als je bijvoorbeeld een ander koffiekopje uit de kast pakt en het niet laat vallen maar vult met koffie en een scheutje melk, neemt de entropie toe: de hete zwarte koffie en de koude witte melk vermengen zich tot een warme, lichtbruine vloeistof. De ordening is eruit.

De wet van de toename van entropie verklaart de aard van de tijd op een manier die aansluit bij onze ervaring. Dit past bij het klassieke idee van tijd als een as waarop we de gebeurtenissen kunnen plaatsen en ordenen, zoals we doen als we een tijdlijn tekenen.

‘Tijd is de methode van de natuur die ervoor zorgt dat niet alles tegelijk gebeurt,’ luidt een beroemd citaat van de Amerikaanse natuurkundige John Wheeler.

Hij zei dit vast met een knipoog, want de betekenis ontglipt je als je erover nadenkt. Met ‘tegelijk’ (oftewel ‘tegelijkertijd’) veronderstelt hij immers al een bepaalde opvatting van tijd. Zijn uitspraak gebruikt dus het begrip tijd om het begrip tijd te definiëren, en dat schiet niet erg op.

Overigens zei Wheeler zelf dat hij de frase heeft ontleend aan graffiti op een herentoilet, maar het is een goed en handig voorbeeld om aan te geven hoe moeilijk het is om het zinvol over het concept van tijd te hebben met de beperkingen die de taal nu eenmaal heeft.

Het idee dat we tijd kunnen zien als de ontwikkeling van orde naar chaos, veronderstelt dat tijd een begin heeft. Er moet ooit een startpunt zijn geweest waarin er een grote mate van orde was. Het gangbare model van het ontstaan en de ontwikkeling van het heelal sluit daar goed bij aan.

De oerknaltheorie geeft het heelal en de tijd immers een begin waarin alles op één punt was verzameld, wat de hoogste graad van orde is. Sindsdien is het universum 13,8 miljard jaar lang gegroeid tot zijn huidige omvang, waarbij er steeds meer van de oorspronkelijke energie is omgezet in warmte.

Als het heelal altijd had bestaan en de geschiedenis van de tijd oneindig lang was, dan zou alle energie al lang zijn omgezet in warmte en zouden er geen sterren, stofwolken, sterrenstelsels of planeten meer over zijn. Alle massa in het heelal zou zijn geabsorbeerd door de zwarte gaten en zijn omgezet in straling en uiteindelijk warmte. Zoals bekend is dat nog niet gebeurd, maar zo kan het best aflopen in een verre toekomst.

Dat massa kan worden omgezet in energie blijkt uit Einsteins bekende vergelijking E = mc2 (E is energie, m is massa en c is de snelheid van het licht). Die vergelijking formuleerde hij in 1905 in het kader van zijn speciale relativiteitstheorie, die ons een nieuw begrip gaf van wat tijd is – en die tegelijkertijd vreemde verschijnselen te berde bracht waar we ons moeilijk bij neerleggen.

Snelheid en versnelling remmen de tijd

Een gevolg van Einsteins relativiteitstheorie is dat door een ruimtereis één helft van een tweeling jonger kan worden dan de andere helft.

4. Lange, snelle reizen verlengen het leven

Al is de tweeling Bob en Alice geboren op dezelfde dag, Bob is vier jaar ouder dan Alice. Hoewel het klinkt als een paradox, is het volgens de relativiteitstheorie in principe mogelijk.

Alice moet in de loop van haar leven dan een ruimtereis maken naar de dichtstbijzijnde ster buiten ons zonnestelsel, Alpha Centauri, en dan weer naar huis komen. En haar raket moet tijdens de 8 lichtjaren lange reis 80 procent van de lichtsnelheid halen.

Einsteins speciale relativiteitstheorie uit 1905 stelt dat de tijd verandert wanneer we in beweging zijn: dan gaat hij langzamer, waardoor Alice ook langzamer groeit dan haar tweelingbroer hier op aarde.

Bovendien leert de algemene relativiteitstheorie van Einstein uit 1915 dat de zwaartekracht ook een vertragend effect heeft op de tijd. Zwaartekracht werkt op precies dezelfde manier als versnelling.

Je kent het gevoel wel als je met een lift omhoog gaat. Terwijl de lift snelheid maakt, voelt het alsof je bent blootgesteld aan een sterkere zwaartekracht. In haar raket versnelt Alice zozeer dat het effect veel groter is dan de zwaartekracht die Bob op aarde ervaart.

Voor Alice spelen er dus twee invloeden, die allebei de tijd vertragen, en daarom duurt haar reis maar zes jaar vanuit haar oogpunt bezien, terwijl Bob ervaart dat ze tien jaar weg is. Je kunt ook zeggen dat Alice vier jaar in de toekomst had gereisd toen ze weer op aarde landde.

Nu is dit voorbeeld wat gekunsteld, want we kunnen lang niet zo snel reizen, maar ook in ons dagelijks leven spelen de relativistische tijdeffecten een rol.

Het gps-systeem, dat je precies laat zien waar je je bevindt, is gebaseerd op tijdsignalen van satellieten in een baan om de aarde.

Atoomklokken aan boord van satellieten worden blootgesteld aan beide tijdeffecten: ze bewegen ten opzichte van ons, waardoor ze net wat langzamer gaan dan onze klokken hier op aarde, en wel 7 microseconden, en bovendien bevinden ze zich verder weg van het massamiddelpunt van de aarde dan wij hier op aarde, en daarom heeft de zwaartekracht minder vat op ze.

Dit effect werkt de andere kant op: het laat de tijd sneller lopen, wat tot gevolg heeft dat de klokken van de satellieten wel 45 microseconden per dag winnen in vergelijking met klokken op aarde.

Samen zorgen deze twee effecten ervoor dat de klokken moeten worden gecorrigeerd met een vertraging van 38 microseconden per dag. Als dat niet zou gebeuren, zou het gps-systeem onze locatie niet goed laten zien, die per dag dan ook meer dan 10 kilometer zou verschuiven.

De relativiteitstheorie maakt tijd tot een eenheid die verandert, afhankelijk van waar je bent en hoe je je voortbeweegt.

De achterliggende oorzaak is dat de lichtsnelheid in de lege ruimte constant is, 299.792.458 meter per seconde om precies te zijn, en dit is ook de maximale snelheid waarmee iets in ons heelal kan bewegen.

Stel je eens voor dat Alice in haar raket een speciale klok heeft waarbij een lichtdeeltje (een foton) op en neer kaatst tussen twee spiegels, dan zie je wat de gevolgen voor de tijd zijn.

Voordat ze de raket start, moet het foton de afstand van de ene naar de andere spiegel afleggen, laten we uitgaan van 1 meter. Maar zodra de raket in beweging is, verandert dit.

Als we de raket en klok van buitenaf bekijken, zien we dat het foton een langere afstand moet overbruggen omdat de spiegels meebewegen met de raket. In plaats van 1 meter moet het foton misschien 2 meter afleggen.

Als de lichtsnelheid c (299.792.458 meter per seconde) constant is en als de afstand wordt verdubbeld, verandert een seconde dus ook. Die moet twee keer zo lang duren om de vergelijking nog op te laten gaan.

Hoe sneller Alice reist, hoe langer de afstand is die het foton aflegt, en hoe meer de tijd wordt uitgerekt.

5. In theorie kun je in de tijd alle kanten op

Einstein maakte van tijd een integraal deel van de ruimte. In plaats van de driedimensionale ruimte die we met onze zintuigen waarnemen, moet het heelal gezien worden als een vierdimensionale ruimtetijd, waarbij tijd een van de assen is.

De ruimtetijd is niet onveranderlijk, maar kan zich krommen, al naargelang voorwerpen met massa erin bewegen.

In ons dagelijks leven ervaren we de tijdas echter anders dan de drie ruimtelijke assen. Bewegen langs de assen van ruimte doen we wanneer we naar de bakker gaan of een lift nemen, maar we gaan niet zo makkelijk heen en weer langs de tijdas: we ervaren dat we opgesloten zitten in het heden.

Met de relativiteitstheorie kunnen we reizen naar de toekomst, zoals Alice in haar raket. Daarvoor moeten we met onvoorstelbaar hoge snelheid bewegen of in een sterk gravitatieveld verblijven, zoals in de buurt van een zwart gat, en dan weer naar het uitgangspunt teruggaan. Maar hoe zit het met tijdreizen naar het verleden? Ook hier biedt Einstein exotische mogelijkheden.

De ruimtetijd kan zich in theorie zozeer krommen dat twee gebieden die ver van elkaar vandaan liggen, verbonden kunnen worden door een klein bruggetje, een zogeheten wormgat. Als wormgaten bestaan, zullen ze niet alleen een sluiproute vormen tussen twee plekken, maar ook tussen twee tijden, en zo zal het mogelijk zijn om terug in de tijd te reizen.

In de praktijk zal het echter niet meevallen, want wormgaten zullen zeer instabiel zijn, en om ze open te houden hebben we ladingen van een nog onbekende materie met een negatieve energie nodig. Mocht het toch lukken, dan zal dat tot paradoxen leiden. Wat gebeurt er bijvoorbeeld als je terugreist in de tijd en je opa’s en oma’s vermoordt voordat ze je ouders hebben verwekt?

Dan kun je zelf niet geboren worden en dus ook niet terugreizen in de tijd om iemand om te brengen. Zo loopt het verband tussen oorzaak en gevolg spaak, en daarom is terugreizen in de tijd volstrekt niet verenigbaar met onze gebruikelijke opvatting van tijd.

  • Natuurkundige Albert Einstein
    © SPL

    "Voor wie gelooft in de natuurkunde is het verschil tussen verleden, heden en toekomst een illusie"

    Albert Einstein (1879-1955) in een persoonlijke brief een maand voor zijn dood.

6. Einstein zei de loop der tijd vaarwel

Terugreizen naar het verleden via wormgaten is een louter theoretische mogelijkheid, en Einstein geloofde zelf niet in wormgaten, al boden zijn vergelijkingen die kans.

Wel hield hij zich intensief bezig met een ander gevolg van de relativiteitstheorie voor onze tijdopvatting. Dit blijkt onder meer uit een van de laatste brieven die Einstein schreef aan de familie van een zeer nabije vriend, nadat die vriend, Michele Besso, was overleden:

‘Michele heeft deze merkwaardige wereld eerder dan ik verlaten. Maar dat zegt nog niets. Voor mensen als wij, die geloven in de natuurkunde, is het onderscheid tussen verleden, heden en toekomst slechts een illusie, zij het een hardnekkige.’

Einstein en Michele Besso leerden elkaar kennen in Zürich tijdens hun studietijd, en ze bleven hun leven lang bevriend. Einsteins vertrouwde Besso per brief zijn diepste gedachten toe over wetenschappelijke theorieën en de wereldpolitiek tot en met persoonlijke besognes.

De voorspelling over zijn eigen aanstaande dood, zoals blijkt uit de brief aan Besso’s nabestaanden, kwam uit. Einstein stierf vier weken later, op 18 april 1955.

Al troostte Einstein Besso’s familie met het idee dat verleden, heden en toekomst een illusie zijn, hij had er zelf wat moeite mee. Eigenlijk vond hij het jammer dat de speciale relativiteitstheorie in strijd is met de manier waarop we de loop der tijd ervaren.

Dat Einsteins theorie korte metten maakt met het idee van een ‘objectief nu’ houdt ermee verband dat het begrip ‘gelijktijdigheid’ zijn betekenis verliest over grote afstanden.

Over de kleine afstanden die we ervaren in ons dagelijks leven is gelijktijdigheid bepalend voor onze opvatting van tijd. Als je thuis in je luie stoel deze zin zit te lezen, kan het zijn dat je zoon op het moment dat je bij de eerste komma bent een kopje laat vallen in de keuken – en dat de tweelingen van de buren, Bob en Alice, elkaar voor je raam om de hals vallen nadat ze zolang gescheiden waren.

Alle drie de gebeurtenissen vinden plaats in hetzelfde ‘nu’, en we kunnen een lijn haaks op de tijdas trekken en ze alle drie op de ‘nu-lijn’ plaatsen.

En misschien zit een ruimtewezen in een ver sterrenstelsel op miljarden lichtjaren afstand net op dat moment wel een boek te lezen. Dat gebeurt op dezelfde nu-lijn, en zo is gelijktijdigheid heel betekenisvol.

Het probleem ontstaat als het ruimtewezen zijn boek weglegt, op de fiets stapt en naar je toe komt. Omdat de tijd verandert voor objecten in beweging zal de nu-lijn van het ruimtewezen een iets andere hoek krijgen dan voorheen. Hij fietst niet heel snel, dus de hoek verandert maar een beetje, maar omdat de afstand tussen jullie zo groot is, krijgt die verandering veel impact.

Zijn nu-lijn zal jouw tijdas kruisen op een heel andere plaats, zodat zijn ‘nu’ volgens Einsteins vergelijkingen samenvalt met gebeurtenissen die in jouw wereld eeuwen geleden hebben plaatsgevonden. Als het ruimtewezen besluit om om te draaien en van je weg te fietsen, zal het omgekeerde gebeuren.

Zijn ‘nu’ valt samen met gebeurtenissen die in jouw wereld nog niet hebben plaatsgehad, maar in een verre toekomst te gebeuren staan.

Het gevolg is uiteraard dat het over grote afstanden geen zin heeft om over gelijktijdigheid te praten, want die loopt uiteen, afhankelijk van de richting waarin en de snelheid waarmee je beweegt. En omdat alle stelsels, sterren en planeten alle mogelijke kanten op bewegen, is er geen universeel en objectief ‘nu’ – en daarmee ook geen verschil tussen verleden en toekomst.

Einsteins weerzin jegens dit gevolg van zijn eigen theorie doet denken aan zijn weerstand tegen enkele al even merkwaardige verschijnselen aan het andere uiterste: de wereld van de kwantummechanica.

Relativiteitstheorie neemt ons de vrije wil af

In de relativiteitstheorie en kwantummechanica is er geen objectief nu dat zich onderscheidt van verleden en toekomst. Alle tijd is gelijk, dus we hebben net zo weinig invloed op de toekomst als op het verleden.

  • KLASSIEKE TIJD maakt de toekomst vrij

    WE LEVEN ALLEEN IN HET NU: In ons klassieke begrip van tijd bestaat alleen het nu. Zo kunnen we nu zeggen dat de aarde en de maan een bepaalde positie ten opzichte van elkaar innemen. Hun positie in het verleden kan niet veranderen, en hun toekomstige positie ligt in principe nog niet vast.

  • Relativiteitstheorie tijd

    RELATIEVE TIJD bevriest de toekomst

    ALLE TIJD IS EVEN WERKELIJK: In het zogeheten blokuniversum, dat gestoeld is op moderne natuurkundetheorieën, zijn alle tijden even werkelijk, net als alle ruimtelijke dimensies. De woorden verleden en toekomst zijn betekenisloos, want er is geen objectief ‘nu’ en de tijd heeft geen bepaalde richting.

7. Deeltjes overschrijden de snelheidslimiet

Subatomaire deeltjes als elektronen en fotonen gedragen zich ook op manieren die ons begrip van tijd tarten.

Zo hebben ze de eigenschap dat ze zich in twee toestanden tegelijk kunnen bevinden, dat wil zeggen: ze hebben een rotatie, ofwel spin, die linksom en rechtsom tegelijk gaat. Pas op het moment dat we die deeltjes meten, ‘kiezen’ ze een van de twee toestanden, kennelijk willekeurig.

Met de woorden ‘God dobbelt niet’ drukte Einstein uit dat hij daar niet aan wilde, maar later hebben veel experimenten bewezen dat het klopt.

De deeltjes zijn in een dubbeltoestand tot een meting dwingt ze te kiezen. En alsof dat nog niet raar genoeg is, kunnen ze verstrengeld zijn, waardoor de toestand van het ene deeltje die van het andere beïnvloedt. Als het ene deeltje gemeten wordt en het draait rechtsom, ‘kiest’ het andere meteen voor linksom.

De deeltjes zijn dus gecoördineerd, en het raadselachtige is dat ze dat ook op grote afstand zijn – en dat die coördinatie onmiddellijk optreedt. Maar hoe kan dat als niets, dus zelfs geen informatieoverdracht, sneller kan gaan dan het licht, de snelheidslimiet van het heelal?

Tot dusver hebben natuurkundigen daar geen antwoord op, ze moeten alleen erkennen dat de gedragsregels van de relativiteitstheorie, die het heelal over grote afstanden aansturen, niet van kracht zijn in de microscopische wereld van de kwantummechanica.

Onlangs hebben natuurkundigen uit Canada en de VS geopperd dat de verstrengelde deeltjes hun toestand coördineren door in de tijd terug te reizen naar die keer dat ze met elkaar in contact waren, om dan informatie uit te wisselen en naar het heden terug te keren.

Maar dat leidt tot dezelfde causale problemen als de paradox van het doden van je grootouders. Toch is dit volgens de natuurkundigen achter de theorie zinnig – als we de ruimtetijd opvatten als een zogeheten blokuniversum.

Een blokuniversum – een heelal met een blokvorm – bevat alle gebeurtenissen van de hele levensduur van het heelal. Hier is de tijd een dimensie, net als de drie dimensies van ruimte.

Je kunt je een heel groot ijsblok voorstellen waarin alle objecten en gebeurtenissen van alle tijden bevroren zijn, zowel de gebeurtenissen in ons dagelijks leven als de historische momenten, plus alle gebeurtenissen die we toekomstig noemen.

Net zoals de materie in een blokuniversum kan bestaan op verschillende plekken langs de ruimtelijke assen, bestaat die langs de tijdas.

Er is niets in de relativiteitstheorie noch in de kwantummechanica dat dit in de weg staat, en daarom heeft de tijd in het blokuniversum geen bepaalde richting. Verleden en toekomst zijn gelijkwaardig. Het ‘nu’ dat we zien als een scheidslijn tussen die twee is slechts een illusie die ontstaat in ons hoofd, doordat we ons op één bepaalde plek in de ruimtetijd bevinden. De toekomst heeft met andere woorden al plaatsgevonden.

Op die manier is het blokuniversum niet erg aantrekkelijk als je op het idee van een vrije wil gesteld bent. Alles ligt van tevoren al vast – in wezen doordat er in het opzicht van tijd geen zuiver ‘nu’ is.

Dit was een probleem voor Einstein, maar ook voor Richard Muller, die hoopte dat de twee zwarte gaten die in 2015 versmolten, hem zouden helpen bij zijn missie: het objectieve nu in ere herstellen.

  • Natuurkundige Richard Muller
    © Dan Tuffs/Getty Images

    "Ruimte en tijd zijn zo verweven dat wanneer je meer ruimte maakt, je ook meer tijd creëert"

    Natuurkundige Richard Muller over zijn eigen theorie, de ‘natuurkunde van de tijd’.

8. De tijd groeit met de ruimte mee

Ironisch is dat de relativiteitstheorie, die het objectieve nu om zeep hielp, het nu kan helpen herinvoeren, beweert althans Richard Muller in zijn nieuwe theorie.

‘Ruimte en tijd zijn zo verweven in de algemene relativiteitstheorie dat wanneer je meer ruimte maakt, je ook meer tijd creëert,’ zoals hij het zelf formuleert.

Waar Muller naar verwijst is dat het heelal constant uitdijt, en dat de uitdijing in tijd die zo ontstaat, precies het objectieve nu vormt. In Mullers theorie bestaat het verleden dus in de bestaande ruimtetijd, het heden wordt doorlopend gecreëerd als gevolg van de uitdijing van de ruimtetijd en de toekomst is er nog niet.

Zo geeft de theorie ons een vrije wil, want gebeurtenissen in de toekomst worden bepaald door de keuzes die we maken in de eindeloze reeks ‘nu’s’ die voortdurend nieuwe schijfjes ruimtetijd aan de geschiedenis toevoegen. We bewegen dus niet naar een al bestaande toekomst, want die bestaat uit nu’s die nog niet gecreëerd zijn.

Toen twee zwarte gaten van 29 en 36 keer de massa van de zon versmolten, kon Muller zijn theorie testen. De unieke kosmologische gebeurtenis duurde slechts een paar honderdste seconden, en het resultaat was een zwart gat van 62 zonnemassa’s, heel veel straling en de sensationele gravitatiegolven die op 14 september 2015 gemeten werden door de LIGO-detectoren.

Toen Muller zich samen met collega’s op de gegevens van de LIGO-natuurkundigen stortte, ontdekte hij dat de gravitatiegolven een lokale uitdijing van de ruimte van enkele miljoenen kubieke kilometers gecreëerd moeten hebben, wat volgens zijn theorie overeenkomt met een uitdijing in de tijd van 0,0012 seconden.

Je kunt je de uitdijing van de ruimtetijd voorstellen als dat wat er gebeurt als je een steen in een meer gooit. Die maakt ringen in het water in de vorm van golven die het oppervlak vergroten. Muller verwachtte nu dat de uitdijing van de ruimtetijd zou leiden tot een vertraging van de laatste gravitatiegolven ten opzichte van het gemeten ritme van de eerste golven.

Helaas waren de metingen van de LIGO-detectoren te onbetrouwbaar om te kunnen bepalen of Muller gelijk had. Maar hij blijft erbij dat het mogelijk is en hoopt dat de detectoren de komende jaren gravitatiegolven zullen ontdekken van de versmelting van nog grotere zwarte gaten.

Als het lukt om Mullers theorie te bevestigen, heeft hij het universele en objectieve nu geherintroduceerd en aangetoond dat onze ervaring van het verstrijken van de tijd geen illusie is, maar een fysieke realiteit.

Theorieën geven ons het ‘nu’ en de tijd terug

Twee natuurkundigen brengen de natuurkunde op één lijn met onze klassieke opvatting van tijd: het objectieve ‘nu’, de richting van de tijd en het verschil tussen verleden en toekomst.

  • Objectief nu
    © Mikkel Juul Jensen

    THEORIE 1 werkt met verleden en toekomst

    UITDIJING VAN DE RUIMTE CREËERT HET 'NU': Volgens de natuurkundige Richard Muller ontstaat de loop der tijd door de uitdijing van het heelal. Meer ruimte (zwarte streep) geeft ons ook meer tijd (rode streep). Zo herintroduceert hij het objectieve ‘nu’ en het verschil in verleden en toekomst.

  • © Mikkel Juul Jensen

    THEORIE 2 geeft de tijd een begin en eind

    STERVEND HEELAL ZET DE TIJD OP NUL: Volgens de natuurkundige Roger Penrose raakt het heelal zijn dimensie van tijd kwijt als alle materie is verzwolgen door zwarte gaten en er alleen nog straling is. Dat is dezelfde situatie als aan het begin van het heelal, dat daarom opnieuw zal ontstaan in een nieuwe oerknal.

9. De tijd gaat terug naar af

Terwijl sommigen het verstrijken van de tijd in ere willen herstellen, pogen anderen de richting van de tijd terug te krijgen.

De Britse natuurkundige en kosmoloog Roger Penrose gaat uit van de wet van de toename van entropie, maar heeft een probleem in het oerknalmodel.

In de zogeheten achtergrondstraling, waaraan we zien hoe materie en energie net na de oerknal waren verdeeld, is er een verrassend grote mate van entropie. Volgens Penrose was het een van de grootste raadsels in de moderne kosmologie, omdat het indruist tegen het idee dat het heelal is overgegaan van een toestand van extreme orde naar steeds meer wanorde.

Hij vermoedt dat de deeltjes in het heelal ooit zo heet waren dat hun massa geen specifieke rol meer had in relatie tot de totale energie. En als we de massa uit de natuurkundevergelijkingen halen, is het niet langer zinvol om het te hebben over tijd, want de tijd kan zogezegd niets meer beïnvloeden.

En omgekeerd: wanneer er geen massa is, is er ook niets om de tijd mee te meten.

‘Het vroege universum kon geen klokkijken,’ zoals Penrose het uitdrukt.

Hij denkt dat dit ‘tijdloze’ tijdperk lijkt op wat we ons voorstellen bij de verre toekomst, als alle massa in het heelal is opgeslokt door zwarte gaten, die dan verdampen, waardoor er alleen straling overblijft. Dan heeft het heelal geen dimensie van tijd meer, en zonder tijd en massa zal het concept van omvang zijn betekenis verliezen.

Het heelal heeft, anders gezegd, geen klok en geen meetlat. Penrose betoogt dat ‘een groot oud universum’ hetzelfde is als ‘een nieuw jong universum’ en dat het heelal daarom de tijd zal resetten en herboren zal worden in een nieuwe oerknal. Als hij gelijk heeft, is ons heelal er slechts één van de misschien wel oneindig vele, die elkaar opvolgen als kralen aan een ketting.

Deze theorie geeft tijd een begin en een einde, en volgens Penrose zal dit bevestigd worden als we de achtergrondstraling gedetailleerder kunnen bestuderen dan tot dusver mogelijk was.

Net als Muller zal Penrose het moeten hebben van versmeltende zwarte gaten. Het idee is om te zoeken naar sporen van de voorganger van ons huidige heelal. Tegen het einde van zijn levensduur bevat dit heelal
kolossale zwarte gaten die met elkaar zijn versmolten en gravitatiegolven hebben voortgebracht, die kriskras door de ruimte stromen.

Deze gravitatiegolven maken patronen die vergelijkbaar zijn met wat je ziet wanneer regendruppels kringen in een vijver maken. Zelfs als het al is opgehouden met regenen, is er nog een complex patroon van rimpelingen op het meer te zien, en op die manier zullen gravitatiegolven patronen te zien geven nog lang nadat de zwarte gaten zijn verdampt.

Kunnen we zulke patronen in de achtergrondstraling vinden, dan zal Roger Penrose de man zijn die de tijd zijn richting teruggeeft. Tegelijkertijd zal hij de eerste zijn die een zinvol antwoord weet te geven op de tot nu toe zinloze vraag: Wat gebeurde er vóór de oerknal?

Bekijk het interview met de Britse natuurkundige Roger Penrose. Hij praat over wat er gebeurde voordat de tijd ontstond en wat er zal gebeuren als de tijd eindigt. Penrose poneert zijn gewaagde theorie dat het zeer jonge en zeer oude heelal in feite identiek zijn en dat het stervende universum zichzelf daarom zal vernieuwen.

Lees ook:

Medische technologie

Nieuwe techniek sorteert zaadcellen op geslacht

2 minuten
Lichaam

Je lijf is onbekend terrein

13 minuten
Seks

OVER INTIMITEIT: Daarom krijgen mannen eerder een orgasme

3 minuten

Log in

Ongeldig e-mailadres
Wachtwoord vereist
Toon Verberg

Al abonnee? Heb je al een abonnement op ons tijdschrift? Klik hier

Nieuwe gebruiker? Krijg nu toegang!

Reset wachtwoord

Geef je mailadres op, dan krijg je een e-mail met aanwijzingen voor het resetten van je wachtwoord.
Ongeldig e-mailadres

Voer je wachtwoord in

We hebben een mail met een wachtwoord gestuurd naar

Nieuw wachtwoord

Enter a password with at least 6 characters.

Wachtwoord vereist
Toon Verberg