Is tijd niet continu, maar korrelig?

Wat is tijd? Die vraag is hetzelfde lot beschoren als zo veel filosofische vragen: de wetenschap heeft er intussen gretig beslag op gelegd. Natuurkundigen onderzoeken onder meer de structuur ervan: verloopt tijd continu of vertoont ze een korrelige structuur? In het laatste geval bedraagt een tijdkorrel volgens Amerikaanse theoretische fysici hooguit 10-33 seconden.

Tot in het begin van de twintigste eeuw betwijfelde niemand dat er zoiets als een absolute klok bestaat. Dat is wat je intuïtief verwacht. Op elke gebeurtenis die zich voordoet in het heelal moet je (minstens in principe) ondubbelzinnig en objectief een tijdstempel kunnen kleven.

Maar intuïtie kan een slechte raadgever zijn in de moderne natuurkunde. Ze berust op het gedrag van de werkelijkheid op onze schaal, maar de natuur durft al eens tegenvoets te pakken op andere schalen.

Vervormbare tijd

Dat hebben we geweten toen Einstein op het toneel verscheen. Eerst met de speciale, daarna de algemene relativiteitstheorie. Tijd blijkt relatief en vervormbaar. Snelheid en massa kunnen tijd uitrekken of indrukken alsof het een stukje plasticine is. Een tweeling waarvan de ene terugkeert na een ruimtereis in een supersnelle raket, is niet meer even oud als de achtergebleven andere.

En de relativiteitstheorie heeft intussen al zoveel testen met glans doorstaan dat er niet aan te ontkomen valt.

… of toch niet?

Hoe vreemd is het dan niet dat dat andere succesnummer uit de natuurwetenschap, de kwantumfysica, tijd wel overal en altijd aan hetzelfde tempo ziet wegtikken? Is tijd nu relatief en vervormbaar of absoluut en universeel?

Over één aspect van tijd lijken relativiteitstheorie en kwantumfysica het wel eens: tijd stroomt. Het is een continue grootheid die alle waarden aanneemt tijdens het verstrijken.

Maar intussen is ook dat niet meer zo zeker.

Incompatibele theorieën

De spanning tussen relativiteitstheorie en kwantumfysica gaat dieper dan de vraag naar de aard van tijd. Verwoede pogingen ten spijt, raakt Einsteins theorie over zwaartekracht niet ingepast in het Standaardmodel van elementaire deeltjes, dat voortbouwt op de kwantumfysica. Nochtans zijn de voorspellingen van elk van beide theorieën afzonderlijk respectievelijk al honderd en vijftig jaar lang stuk voor stuk met haast griezelige nauwkeurigheid bevestigd.

Theoretische natuurkundigen zoeken daarom al een hele poos naar een alternatief om kwantumtheorie en gravitatie te verzoenen. Een mogelijke sleutel hiertoe zou erin bestaan om uit te gaan van een gekwantiseerde ruimtetijd.

Tijd is dan niet langer continu. Er zou een kleinste tijdseenheid bestaan, een tijdkorrel. De tijd gedraagt zich daarbij als de fysische versie van een mechanische klok. Zoals een mechanische klok seconde na seconde wegtikt, zou ook de tijd telkens naar een volgende waarde verspringen, in plaats van continu te verglijden.

Hoe groot is een tijdkorrel?

Garrett Wendel, Luis Martínez and Martin Bojowald, theoretische natuurkundigen verbonden aan de Pennsylvania State University, hebben dit concept van korrelige tijd verder uitgewerkt in een model1. Ze behandelen de tijd net als andere grootheden in de hedendaagse fysica: als een alomtegenwoordig veld. Bojowald: ‘Net als bij voorbeeld het higgsveld, kan de fundamentele klok interageren met de materie in het heelal en daardoor fysische verschijnselen wijzigen’.

Samen met zijn collega’s modelleerde hij de universele klok als een oscillator, die hij in het model koppelt met een tweede oscillator, die je in het lab kan meten, zoals een atoomklok. Door de koppeling beginnen beide oscillatoren langzaam te desynchroniseren, een effect dat volgt uit de relativiteitstheorie. Het onderzoeksteam kon hieruit afleiden dat de periode van de universele klok zeker niet langer kan zijn dan 10-33 seconden.

Als tijdkorreltjes inderdaad zo klein zijn, en tijd dus zo snel verspringt, is het normaal dat wij niets van die korreligheid merken. Net zomin als we bij een film in de gaten hebben dat we naar een snelle opeenvolging van statische beelden kijken.

Hersenspinsel of werkelijkheid?

Vaak is het probleem met dit soort fundamenteel theoretisch onderzoek dat je onmogelijk empirisch kan testen of de theorie het niveau van hersenspinsel overstijgt en ook echt de werkelijkheid beschrijft.

Maar op dit punt is de aanpak van ons trio uit Pennsylvania veelbelovend. Op zich kan je een snel tikkende klok met een periode van 10-33 seconden niet bestuderen in een lab. Nu niet, morgen niet en overmorgen niet. Maar door te kijken naar het effect van desynchronisatie op een gekoppeld systeem dat je wel in het lab kan onderzoeken, zoals een atoomklok, zou je er onrechtreeks toch informatie over kunnen vergaren langs experimentele weg.

1. verder uitgewerkt in een model In Physical Review Letters, 19 juni 2020.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *