Vertaald door Erik Crampe

Jim Al-Khalili Afbeelding beschikbaar gesteld door de universiteit van Surrey

Geloof je dat tijdreizen geen plaats heeft in een ernstige wetenschapsles? Jim Al-Khalili van de universiteit van Surrey, UK, gaat niet akkoord. Hij toont hoe tijdreizen een inleiding geeft tot de ideeën achter Einstein’s relativiteitstheorie. Als fysici hun publiek  willen verrukken richten ze zich gewoonlijk tot de kosmologie of deeltjesfysica. Er is altijd wel iets opwindends te vertellen over de ruimte of over de zoektocht naar nieuwe elementaire deeltjes met de Large Hadron Collider (voor een bespreking van de LHC, zie Landua & Rau, 2008, and Landua, 2008). Natuurlijk is het veel uitdagender om elektromagnetisme of thermodynamica boeiend te maken.

Is het aansnijden van een onderwerp zoals tijdreizen dan eigenlijk geen sciencefiction? Ik denk het niet en vind het eerder een uitstekende manier om achter de basis-principes van Einstein’s relativiteitstheorieën te komen (ja, er zijn er twee). Men kan beginnen met de eenvoudige maar gevoelige vraag: is tijdreizen werkelijk mogelijk? Iedereen die een film als De Terminator gezien heeft of een fan is van Dr Who kan zich afvragen of het begrip tijdreizen onzin is, waarvoor geen plaats is in de echte wetenschap, alhoewel het heerlijk is erover te mijmeren. Wat er ook van zij, niet alleen de wetten van de fysica laten tijdreizen toe maar het werd ook bewezen door talrijke experimenten.

Natuurlijk moet ik deze stoute bewering beperken door erop te wijzen dat op dit ogenblik alleen reizen in de toekomst verwezenlijkt werd. Tijdreizen in het verleden is veel moeilijker en waarschijnlijk zelfs onmogelijk. Maar wat zo fascineert is het feit dat het nog niet uitgesloten is. De bedoeling van dit artikel is het verschil uit te leggen tussen de twee wijzen van tijdreizen en aan te tonen hoe de relativiteitstheorie de fysici verplichtte de algemeen volgens het gezond verstand geldende opvatting over de tijd op te geven.

Isaac Newton: de gezondverstandsbenadering

Tot Isaac Newton in 1687 zijn werk over de bewegingswetten voltooide, behoorde de definitie van tijd eerder tot het domein van de filosofie dan tot de wetenschap. Maar toen Newton beschreef hoe voorwerpen bewegen onder invloed van krachten, werd tijd een integraal deel van zijn wiskundige beschrijving van de werkelijkheid want elke beweging en verandering heeft slechts zin in de tijd. Newton beschouwde tijd als absoluut en onverbiddelijk; hij beschreef ze volledig los van de ruimte en onafhankelijk van alle optredende processen erin. Dit is nog steeds de zienswijze van de meesten onder ons: we denken aan de tijd als stromend met constante snelheid, alsof er een ingebeelde klok is, die de seconden, uren en jaren aangeeft, onafhankelijk van onze gewaarwording omtrent het voorbijgaan van de tijd. Wij hebben geen invloed op de snelheid van de tijd en kunnen die niet versnellen of vertragen. We voelen dat we weten wat tijd is maar niemand weet het echt. De beste definities die we hebben lijken eerder dwaas, zoals ‘tijd is de wijze waarop de natuur alles wat gebeurt plots stopt’ of ‘tijd stroomt op een constant tempo van een seconde elke seconde’.

Wat betekent dat eigenlijk? Bestaat zulke absolute tijd echt? Albert Einstein toonde aan dat dit niet het geval is.

Albert Einstein: een revolutionair

In 1905 ontdekte Einstein door zijn studie over de aard van het licht dat tijd en ruimte niet onafhankelijk zijn maar intiem verbonden. Zijn ideeën werden bekend als de Speciale Relativiteitstheorie die een revolutie aankondigde in de fysica. Ze toonde hoe en waarom de oude denkbeelden over tijd en ruimte moesten vervangen worden door een nieuw en onbekend stel opvattingen. In de eerste plaats verenigt de relativiteitstheorie de tijd met de drie ruimtelijke dimensies tot iets wat men de ruimte-tijd noemt. Hieruit komt de idee van de tijd als vierde dimensie.

In 1915, 10 jaar na zijn werk over de speciale relativiteitstheorie, voltooide Einstein zijn theorie over de gravitatie, bekend als de algemene relativiteitstheorie. Wijd en zijd beschouwd als de mooiste wetenschappelijke theorie ooit ontdekt, beschrijft ze hoe de gravitatie- uitwerkingen van de materie de ruimte-tijd beïnvloeden. Dit gaf aanleiding tot veel opwindende voorspellingen die nadien juist bleken zoals het ontstaan van het heelal in de Big Bang en het bestaan van zwarte gaten.

Maar keren we terug naar de speciale relativiteitstheorie. Einstein toonde aan dat voor alles (of iedereen) reizend met een snelheid die de lichtsnelheid benadert – een indrukwekkende 300000 km/s – de tijd letterlijk minder snel verloopt. Hoe dichter de klok beweegt bij de lichtsnelheid hoe langzamer ze zal tikken voor waarnemers die haar zien voorbijkomen. Vandaag de dag is het vertragen van de tijd herhaaldelijk bevestigd in deeltjesversnellers zoals in CERN in Zwitserlandw1. Veel fysicastudenten krijgen de kans dit effect te zien in het laboratorium door waarneming van een bepaald types elementaire deeltje namelijk. een muon. (μ-deeltje)w2.

Afbeelding beschikbaar gesteld door Matjaz Boncina / iStockphoto

Beschouwen we een eenvoudig voorbeeld met getallen. Een sprinter loopt 100 m in 10 s, in overeenstemming met de betrouwbare en nauwkeurige tijdsopname van de beoordelers. Had hij echter zijn eigen zeer nauwkeurige chronometer bij dan zou deze te wijten aan tijdvertraging (zeer gering voor hem) een tijd aanduiden van 9,99999999995 s. Natuurlijk is dit zo dicht bij 10 s dat wij nooit het verschil zouden merken. Maar wetenschappers moeten geregeld tijden meten met deze nauwkeurigheid. Het verschil tussen de klokken van de loper en de jury is juist 5 picoseconden; dit verschil is zo gering omdat de atleet beweegt met een snelheid zo veel kleiner dan de lichtsnelheid.

Dit is eigenlijk een heel subtiel begrip. Als mensen al iets weten over de relativiteitstheorie dan is het de neiging te beweren dat alle beweging relatief is. Waarom is het de klok van de sprinter die trager loopt (vandaar de kortere tijdsopname)? Als alle beweging relatief is, kunnen we ook beweren dat het in feite de baan is die beweegt relatief t.o.v. de sprinter. Aldus zouden de klokken van de beoordelers langs de baan moeten trager lopen. Dit is juist, maar in werkelijkheid is de situatie niet volkomen symmetrisch. Zeker is dat de sprinter eerst moest versnellen en daarna vertragen en deze snelheidsverandering beïnvloedt zijn tijdsverloop relatief tegenover dit van de beoordelers. Een andere manier om te begrijpen waarom de klok van de sprinter een snellere tijd afleest is dat voor hem de te lopen afstand in feite iets minder is dan 100 m. Dit is een ander gevolg van de relativiteitstheorie: als je heel snel beweegt worden afstanden korter.

Hogesnelheidsbeweging: tijdreizen naar de toekomst

Afbeelding beschikbaar gesteld door James Group Studios / iStockphoto

Aangezien dit alles vreemd begint te klinken willen we wel eens onderzoeken wat het verband is met reizen in de tijd (verder tijdreizen). Het idee van tijdvertraging geeft ons heel letterlijk een middel om in de toekomst te reizen. Als je rond ons melkwegstelsel zou reizen met bijna de lichtsnelheid gedurende bvb. 4 jaar, zou je een hele schok krijgen als je terug thuis komt op aarde. Als je kalender aan boord aanduidt dat je vertrok in 2005 en terugkeert in 2009, dan zou je –afhankelijk van je exacte snelheid en hoe je baan gekromd werd door de sterren- vaststellen dat het op aarde al het jaar 2045 is en iedereen 40 jaar verouderd is. Ook zij zouden geschokt zijn te zien hoe jong je er nog uitziet ondanks de lange tijd die je volgens hen weg bent geweest.

In de raket verstreken 4 jaar terwijl aardse klokken 40 jaar telden. Dit betekent feitelijk, noch min noch meer, dat je 36 jaar in de toekomst springt.

Dit effect is bij veel experimenten gecontroleerd en bevestigd met een extreem hoge graad van nauwkeurigheid. In 1971 plaatsten J.C.Hafele en Richard E.Keating vier uiterst nauwkeurige atoomklokken in een straalvliegtuig en vlogen oostwaarts rond de aarde. Nadat het vliegtuig terugkeerde werden de klokken aan boord vergeleken met referentie atoomklokken op het US-Marine observatorium: de reizende klokken waren een minuscule fractie achter op de ijkklokken (Hafele & Keating, 1972a, 1972b)^w3. Zelfs al had de jet een grondsnelheid van 1000 km/h dan is de lichtsnelheid meer dan een miljoen keer groter: vandaar het zeer klein en weinig indrukwekkend verschil tussen de groepen klokken. Niettemin is dit verschil reëel en de klokken zijn zo nauwkeurig dat wij niet twijfelen aan hun aflezingen of de conclusies die wij eruit afleiden.

Tijdreizen naar het verleden

Tijdreizen naar het verleden, zo blijkt, is veel moeilijker. Voor veel mensen mag het als een verrassing overkomen dat voorwaarts reizen in de tijd gemakkelijker is dan reizen achterwaarts. In elk geval mag je reizen in de toekomst belachelijker vinden. Het verleden mag dan wel onbereikbaar zijn: het is er nu ten minste eenmaal en het vond plaats. Hoe kunnen we een tijd bezoeken die nog moet plaats vinden? Hoe dan ook, reizen in de toekomst door te bewegen met hoge snelheid, vereist niet dat de toekomst er al is, wachtend op ons. Het betekent alleen dat wij bewegen in een tijdskader waar de tijd trager verloopt, buiten het tijdskader van iemand anders. Als we in deze toestand verkeren, verloopt de tijd buiten ons sneller en de toekomst ontvouwt zich met hoge snelheid.

Als we ons weer verenigen met ons oorspronkelijk tijdskader, dan hebben we de toekomst veel vlugger bereikt dan eender wie anders. Daarentegen zijn er talrijke verbijsterende experimenten die aantonen hoe belachelijk het zou zijn indien tijdreizen in het verleden mogelijk zou zijn. Wat zou er gebeuren indien je bvb zou teruggaan in de tijd tot bvb verleden jaar en je jongere zelf zou doden? Zou je eenvoudig opeens uit het bestaan opduiken terwijl je jongere u plots in de grond zakt? En indien je vorig jaar stierf, wie zou je gedood hebben? Ik weet dat dit somber klinkt maar het is een bekende paradox. Denk erover na. Het blijkt dat je je jongere zelf niet kunt doden want je moet de moordpoging overleven om de moordenaar te worden. Wat je moet onthouden van reizen naar het verleden is dat je je mag mengen in de geschiedenis zolang de feiten uitdraaien op de manier waarop ze zich voordoen. Je kan het verleden niet veranderen.

In principe zijn er twee manieren om terug te gaan in het verleden. Eén manier is een terugkeer in de tijd waarbij de wijzers van je uurwerk in tegenwijzerzin zouden bewegen. Dit vereist snelheden die groter zijn dan die van het licht en de relativiteitstheorie zegt ons dat dit onmogelijk is en daarom is dit niet het soort tijdreizen die ik hier bespreek. De andere manier bestaat erin schijnbaar voorwaarts te reizen in de tijd (je klok loopt vooruit) terwijl je beweegt langs een gekromde baan die je terugbrengt naar je verleden (zoals je een lus maakt in een roetsjbaan). Zo’n lus is in de fysica bekend als een gesloten tijdachtige kromme en was het voorwerp van een intens theoretisch onderzoek gedurende de voorbije tien jaar. Verbazend misschien, maar het is al een halve eeuw bekend dat Einstein’s vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie zulke tijdlussen toestaan: de Amerikaanse wiskundige Kurt Gödel toonde in 1949 aan dat dit type tijdreizen in het verleden theoretisch mogelijk was.

Afbeelding beschikbaar gesteld door Frank Ramspott / iStockphoto

Waarom al die drukte hierover? Tijdreizen in de toekomst vond plaats en tijdreizen in het verleden, alhoewel moeilijk, wordt niet uitgesloten door de theorie. Waarop wachten we? Waarom hebben we nog geen tijdmachine gebouwd? Het probleem is dat we, afgezien van het feit dat gesloten tijdachtige krommen in ruimte-tijd buitengewoon moeilijk verwezenlijkbaar zijn, deze niet echt theoretisch begrijpen. Zoals de zaken er nu, bij het begin van de 21° eeuw voorstaan, vertelt de algemene relativiteitstheorie ons dat wij tijdreizen niet kunnen uitsluiten maar veel wiskundigen hopen dat een beter begrip van de hiervoor vereiste wiskunde eventueel tot het besluit zal leiden dat tijdlussen onmogelijk zijn.

 Op dit ogenblik kunnen we de mogelijkheid niet uitsluiten dat ergens in het heelal een natuurlijk optredende tijdmachine bestaat Het is theoretisch mogelijk dat de tijdruimte in de aanwezigheid van een  zeer sterk gravitatieveld zo gekromd is dat onder speciale omstandigheden een tijdlus gevormd wordt. Als we tijdens toekomstige tijdreizen toevallig zo iets aantreffen dat bekend staat als een wormgat, kan dit ons een permanente verbinding met het verleden leveren. Voorlopig is de beste manier om het bestaan van tijdlussen uit te schakelen ons af te vragen waar de reizigers van de toekomst zijn.

Indien toekomstige generaties ooit erin slagen een tijdmachine te bouwen zullen zeker veel mensen de 21° eeuw willen bezoeken en wij zouden deze bezoekers vandaag onder ons zien. Alleen al om het debat levendig te houden, staan hieronder vijf mogelijke oorzaken waarom wij niet verwachten enkele tijdreizigers te zien:

1. Tijdreizen naar het verleden is verboden door sommige nog niet ontdekte wetten van de fysica. Fysici hopen een nieuwe theorie te ontdekken die verder strekt dan de algemene relativiteitstheorie en die verklaart waarom tijdlussen verboden zijn. We hebben al twee mogelijke kandidaten voor zo’n theorie namelijk de superstringtheorie en de membraantheorie maar geen van de twee is tot nog toe goed begrepen.


2. Er zijn geen natuurlijk voorkomende tijdmachines zoals wormgaten zodat de enige manier om terug te reizen in de tijd erin bestaat er één te bouwen. Het komt er echter op neer dat dit ons enkel zou terugbrengen naar het ogenblik dat ze ingeschakeld werd (want dit zou het vroegste moment in de tijd zijn dat toegankelijk is). Aldus kunnen wij geen tijdreizigers van de toekomst zien want tijdmachines zijn nog niet uitgevonden.


3. Natuurlijk voorkomende tijdmachines bestaan en worden door mensen  gebruikt om terug te reizen naar de 21° eeuw maar – en dit is een idee dat ernstig genomen wordt door veel fysici - ons heelal is alleen één van een oneindig  aantal parallelle heelallen. Tijdreizen naar het verleden brengt de reiziger naar een parallelle wereld. Er zijn veel zulke universums maar ons heelal behoort niet tot de gelukkige die bezocht werden. Mocht je niet overtuigd zijn door deze oorzaken, dan ben je misschien geïnteresseerd in een paar meer alledaagse mogelijkheden.


4. De verwachting tijdreiziger onder ons te zien vooronderstelt dat zij onze eeuw zouden willen bezoeken maar misschien zijn er voor hen prettiger en veiliger perioden te bezoeken.


5. Tijdreizigers van de toekomst zijn onder ons maar ze houden zich gedekt.

Als ik zou moeten wedden zou ik ervan uitgaan dat weldra zal aangetoond worden dat tijdreizen naar het verleden onmogelijk is, zelfs in theorie. Reizen in de toekomst daarentegen vereist enkel het bouwen van een voldoend snelle raket. Let er echter op,dat als je de toekomst bereikt, er geen terugkomen mogelijk is.

Referenties

Hafele JC, Keating RE (1972a) Around-the-world atomic clocks: predicted relativistic time gains. Science 177(4044): 166-167. doi: 10.1126/science.177.4044.166

Hafele JC, Keating RE (1972b) Around-the-world atomic clocks: observed relativistic time gains. Science 177(4044): 168-170. doi: 10.1126/science.177.4044.168

Landua R (2008) The LHC: a look inside. Science in School 10: 34-45. www.scienceinschool.org/2008/issue10/lhchow

Landua R, Rau M (2008) The LHC: a step closer to the Big Bang. Science in School 10: 26-33. www.scienceinschool.org/2008/issue10/lhcwhy

Web referenties

w1 – Voor meer informatie over CERN, ’s wereld grootste deeltjesfysica laboratorium zie: www.cern.ch

w2 – Voor meer informatie over muon levensduur experimenten zie:

www.teachspin.com/instruments/muon_physics/experiments.shtml
www.jlab.org/~cecire/muonlife.html
www.physics.smu.edu/~coan/outreach/overview.html

w3 – Voor meer informatie over het Hafele-Keating experiment zie: http://en.wikipedia.org/wiki/Hafele-Keating_experiment

Bronnen

Over relativiteit en tijdreizen:

Al-Khalili J (1999) BlackHoles, Wormholes and Time Machines. London, UK: Taylor and Francis

Over tijdreizen:

Davies P (2002) How to Build a Time Machine. London, UK: Penguin

Over relativiteit:

Epstein LC (1981) Relativity Visualised. San Francisco, CA, USA: Insight Press Mermin ND (1989) Space and Time in Special Relativity. Prospect Heights, IL, USA: Waveland Press

Stannard R (1989) The Time and Space of Uncle Albert. London, UK: Faber and Faber

Over stringtheorie:

Greene B (2000) The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions and the Quest for the Ultimate Theory. New York, NY, USA: Vintage

Jim Al-Khalili is een fysicaprofessor en een professor in Publieke Belangstelling in  Wetenschap aan de Universiteit van Surrey (UK), waar hij de laatste 12 jaar een cursus relativiteit onderwees aan beginnende studenten. Hij verschijnt regelmatig op radio en TV.