Wat Is Tijd En Gaat Het Altijd vooruit?

Stel je voor dat de tijd achteruit zou gaan. Mensen zouden jonger worden in plaats van ouder, en na een lang leven van geleidelijke verjonging – waarbij ze alles wat ze weten afleren – zouden ze eindigen als een twinkeling in de ogen van hun ouders. Dat is de tijd zoals die wordt beschreven in een roman van sciencefictionschrijver Philip K. Dick, maar verrassend genoeg is de richting van de tijd ook een kwestie waar kosmologen mee worstelen.

Terwijl wij ervan uitgaan dat tijd een bepaalde richting heeft, doen natuurkundigen dat niet: de meeste natuurwetten zijn "tijd-omkeerbaar", wat betekent dat ze net zo goed zouden werken als tijd gedefinieerd werd als teruglopend. Dus waarom gaat tijd altijd vooruit? En zal dat altijd zo blijven?

Heeft tijd een begin?

Elk universeel tijdsconcept moet uiteindelijk gebaseerd zijn op de evolutie van de kosmos zelf. Wanneer je naar het universum kijkt, zie je gebeurtenissen die in het verleden hebben plaatsgevonden – het licht heeft tijd nodig om ons te bereiken. Sterker nog, zelfs de eenvoudigste observatie kan ons helpen kosmologische tijd te begrijpen: bijvoorbeeld het feit dat de nachtelijke hemel donker is. Als het universum een ​​oneindig verleden had en oneindig groot was, zou de nachtelijke hemel volledig helder zijn – gevuld met het licht van een oneindig aantal sterren in een kosmos die altijd al heeft bestaan.

Wetenschappers, waaronder Albert Einstein, dachten lange tijd dat het heelal statisch en oneindig was. Waarnemingen hebben sindsdien aangetoond dat het in feite uitdijt, en wel in een versnellend tempo. Dit betekent dat het afkomstig moet zijn uit een compactere toestand die we de oerknal noemen, wat impliceert dat de tijd wel degelijk een begin heeft. Sterker nog, als we zoeken naar licht dat oud genoeg is, kunnen we zelfs de restanten van de oerknal zien – de kosmische achtergrondstraling. Deze realisatie was een eerste stap in het bepalen van de leeftijd van het heelal (zie hieronder).

Maar er is een addertje onder het gras: Einsteins speciale relativiteitstheorie toont aan dat tijd... relatief is: hoe sneller jij je ten opzichte van mij beweegt, hoe langzamer de tijd voor jou zal verstrijken ten opzichte van mijn tijdsbeleving. Dus in ons universum van uitdijende sterrenstelsels, draaiende sterren en wervelende planeten variëren de ervaringen van tijd: alles in het verleden, heden en de toekomst is relatief.

Bestaat er een universele tijd waar we het allemaal over eens kunnen zijn?

De tijdlijn van het universum. Ontwerp Alex Mittelmann, Coldcreation/wikimedia, CC BY-SA

Het blijkt dat, omdat het universum gemiddeld overal hetzelfde is en er gemiddeld in elke richting hetzelfde uitziet, er wel degelijk een "kosmische tijd" bestaat. Om die te meten, hoeven we alleen maar de eigenschappen van de kosmische microgolfachtergrond te meten. Kosmologen hebben dit gebruikt om de leeftijd van het universum te bepalen; zijn kosmische leeftijd. Het blijkt dat het universum 13,799 miljard jaar oud is.

De pijl van de tijd

We weten dus dat de tijd hoogstwaarschijnlijk begon tijdens de oerknal. Maar er blijft één knagende vraag over: wat is tijd precies?

Om deze vraag te beantwoorden, moeten we kijken naar de basiseigenschappen van ruimte en tijd. In de dimensie van de ruimte kun je vooruit en achteruit bewegen; forenzen ervaren dit dagelijks. Maar tijd is anders, het heeft een richting, je beweegt altijd vooruit, nooit achteruit. Dus waarom is de dimensie van tijd onomkeerbaar? Dit is een van de grootste onopgeloste problemen in de natuurkunde.

Om te verklaren waarom tijd zelf onomkeerbaar is, moeten we processen in de natuur vinden die eveneens onomkeerbaar zijn. Een van de weinige dergelijke concepten in de natuurkunde (en het leven!) is dat dingen de neiging hebben om minder "ordend" te worden naarmate de tijd verstrijkt. We beschrijven dit met behulp van een fysische eigenschap genaamd entropie, die aangeeft hoe geordend iets is.

Stel je een gasdoos voor waarin alle deeltjes aanvankelijk in één hoek geplaatst waren (een geordende toestand). Na verloop van tijd zouden ze op natuurlijke wijze proberen de hele doos te vullen (een ongeordende toestand) – en om de deeltjes weer in een geordende toestand te brengen, zou energie nodig zijn. Dit is onomkeerbaar. Het is als het breken van een ei om een ​​omelet te bakken – zodra het zich verspreidt en de koekenpan vult, zal het nooit meer eivormig worden. Zo is het ook met het universum: naarmate het evolueert, neemt de algehele entropie toe.

Helaas zal dat zichzelf niet opruimen. Alex Dinovitser/wikimedia , CC BY-SA

Entropie blijkt een vrij goede manier te zijn om de pijl van de tijd te verklaren. En hoewel het lijkt alsof het universum meer in plaats van minder geordend wordt – van een wilde zee van relatief gelijkmatig verspreid heet gas in de beginfase tot sterren, planeten, mensen en artikelen over tijd – is het toch mogelijk dat de wanorde toeneemt. Dat komt doordat de zwaartekracht die gepaard gaat met grote massa's materie mogelijk in schijnbaar geordende toestanden trekt – waarbij de toename van wanorde die we denken te hebben plaatsgevonden, op de een of andere manier verborgen zit in de zwaartekrachtvelden. De wanorde zou dus kunnen toenemen, ook al zien we die niet.

Maar gezien de neiging van de natuur om wanorde te prefereren, waarom begon het universum dan überhaupt in zo'n geordende toestand? Dit wordt nog steeds als een mysterie beschouwd. Sommige onderzoekers beweren dat de oerknal misschien niet eens het begin was, maar dat er mogelijk "parallelle universums" zijn waar de tijd in verschillende richtingen loopt.

Zal de tijd eindigen?

De tijd heeft een begin gehad, maar of die ooit zal eindigen, hangt af van de aard van de donkere energie die ervoor zorgt dat de tijd steeds sneller uitdijt. De snelheid van deze expansie kan het heelal uiteindelijk uiteen scheuren en het laten eindigen in een Big Rip; donkere energie kan ook vervallen, de oerknal omkeren en het heelal laten eindigen in een Big Crunch; of het heelal kan simpelweg voor altijd uitdijen.

Maar zouden deze toekomstscenario's het einde van de tijd betekenen? Welnu, volgens de vreemde regels van de kwantummechanica kunnen kleine, willekeurige deeltjes even uit een vacuüm springen – iets wat we constant zien in experimenten in de deeltjesfysica. Sommigen beweren dat donkere energie zulke "kwantumfluctuaties" zou kunnen veroorzaken, wat zou kunnen leiden tot een nieuwe oerknal, waarmee onze tijdlijn eindigt en een nieuwe begint. Hoewel dit uiterst speculatief en hoogst onwaarschijnlijk is, weten we wel dat we pas het lot van het universum zullen kennen als we donkere energie begrijpen.

Wat is dus de meest waarschijnlijke uitkomst? Alleen de tijd zal het leren.