Natuurkundigen breken zich al eeuwenlang het hoofd over de vraag wat ‘tijd’ eigenlijk is. Een nieuwe theorie stelt nu dat de tijd alleen maar bestaat dankzij quantumverstrengeling.
Tijd is mogelijk geen fundamenteel onderdeel van onze werkelijkheid. Uit nieuwe berekeningen volgt dat de tijd ontstaat door quantumverstrengeling – een fenomeen waarbij twee objecten onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn. Als je het ene object verstoort, heeft dat direct effect op het andere object, ook als ze ver van elkaar verwijderd zijn.
‘In de natuurkunde is de tijd eeuwenlang gezien als een essentieel ingrediënt waar niet aan getornd mag worden. Het zit zo diep geworteld in ons idee van de werkelijkheid dat mensen dachten dat het niet nodig was om de tijd te definiëren’, zegt natuurkundige Alessandro Coppo van de nationale onderzoeksraad van Italië, de Consiglio Nazionale delle Ricerche. Dit veranderde in de jaren 1900, toen bleek dat de twee belangrijkste natuurkundetheorieën, de quantumtheorie en de algemene relativiteitstheorie, tegenstrijdige opvattingen over tijd opleveren.
Nobelprijswinnaar Anne L’Huillier: 'Het duurde 14 jaar voordat ons idee slaagde'
We spraken Nobelprijswinnaar Anne L’Huillier over haar grootste ontdekking en over haar huidige werk.
Volgens de algemene relativiteitstheorie zit de tijd ingebakken in het weefsel van het universum. Onze realiteit speelt zich af in de zogeheten ruimtetijd. Daarin kan de tijd (en ruimte) kromtrekken en uitzetten door de effecten van de zwaartekracht.
De quantumtheorie stelt daarentegen dat de tijd, anders dan andere eigenschappen van een quantumobject, onveranderlijk is. Om te meten hoeveel tijd verstrijkt, moet een waarnemer een klok buiten het onderzochte quantumobject raadplegen.
Nou gaan de algemene relativiteitstheorie en de quantumtheorie over compleet andere schalen. De relativiteitstheorie beschrijft de wereld op de grote schaal van sterren en planeten. De quantumtheorie zoomt juist in op kleine deeltjes zoals atomen. Maar omdat deze dingen wel allemaal in hetzelfde universum bestaan, denken natuurkundigen dat het begrip tijd in beide theorieën op dezelfde manier moet werken. Coppo en zijn collega’s gingen op zoek naar zo’n eenduidige beschrijving van de tijd.
Verstrengeld met een klok
Ze richtten zich op een veelbelovend, maar vreemd idee uit de jaren tachtig. De kern van dat idee is dat wanneer we een object zien veranderen in de tijd, dat alleen maar zo is omdat dat object is verstrengeld met een klok. Dat betekent dat een externe waarnemer, die buiten het verstrengelde systeem staat, een statisch universum zou zien waarin nooit iets verandert. Volgens dit idee is tijd dus geen fundamenteel gegeven, maar een gevolg van verstrengeling.
Coppo en zijn collega’s onderwierpen dit idee aan een reeks wiskundige tests. Daarvoor stelden zij de ‘klok’ voor als een systeem van kleine magneten, die verstrengeld zijn met een quantumversie van een veer (een oscillator). De onderzoekers hebben voor deze vorm gekozen omdat veren en magneten wiskundig goed begrepen zijn. Zo konden ze de theorie op een wiskundig heldere manier testen, en de weg vrijmaken voor echte experimenten in de toekomst.
Ze ontdekten dat hun systeem kan worden beschreven door een versie van de beroemde Schrödingervergelijking: een formule die het gedrag van quantumdeeltjes voorspelt. Hun versie kent één groot verschil met de ‘gewone’ Schrödingervergelijking. Waar de gewone versie een variabele bevat voor de tijd, had de nieuwe vergelijking een variabele die het aantal quantumtoestanden van de magneten aangeeft.
De onderzoekers herhaalden dezelfde berekening vervolgens nog een keer, maar dit keer onder de aanname dat de magneten en de oscillator groot genoeg zijn om geen quantumeffecten te ondervinden. Het idee daarachter is dat tijd misschien een gevolg van verstrengeling is, zelfs voor grote objecten die zich verder niet-quantum gedragen.
Ze hadden gelijk. Hun vergelijkingen kwamen overeen met de vergelijkingen die natuurkundigen al sinds de 19e eeuw gebruiken om het gedrag te voorspellen van grote objecten. Maar toch was de variabele die het gedrag van de oscillator bijhield een bijproduct van quantumverstrengeling.
Echt quantum
‘Ze slaan een brug tussen quantumtijd en klassieke tijd’, zegt natuurkundige Basil Altaie van de Universiteit van Leeds in het Verenigd Koninkrijk. Het feit dat de onderzoekers een concreet systeem bestudeerden, met een variabele die overeenkomt met de conventionele tijd, kan zelfs betekenen dat de enige manier waarop we over tijd moeten denken is als iets dat voortkomt uit quantum, zegt hij.
Coppo en zijn collega’s zijn het daarmee eens. Zij stellen dat verstrengeling alleen bestaat in de quantumtheorie en dat hun werk laat zien dat het bestaan van de tijd daaruit voortkomt. ‘Wij geloven dat de natuur echt quantum is’, zegt hij.
Statisch universum
Het feit dat we de tijd zien verstrijken, kan betekenen dat verstrengeling diep verweven zit in de fysieke wereld. Als iemand een universum zonder verstrengeling zou bekijken, zou daarin niets veranderen. Alles zou statisch zijn.
Volgens sommige theorieën bevatte ons universum kort na de oerknal nog geen verstrengeling. Als dit nieuwe idee over de tijd klopt, botst dat dus met deze theorieën: een jong universum zonder verstrengeling zou onveranderd blijven.
Echte experimenten
De grootste vraag is nu of we het idee kunnen testen. Quantumexpert Vlatko Vedral van de Universiteit van Oxford zegt dat het idee van tijd die voortkomt uit quantumverstrengeling veelbelovend is, maar dat we meer details moeten uitwerken voordat we precies kunnen begrijpen wat de tijd is – en het experimenteel kunnen gaan onderzoeken. Ten eerste gaat dit onderzoek ervan uit dat de twee verstrengelde systemen geen effect op elkaar hebben. Dat is niet altijd realistisch, zegt hij.
De klok en het andere object moeten elkaar misschien zelfs beïnvloeden om überhaupt verstrengeld te kunnen raken. Beter uitpluizen wat er gebeurt met de tijd die ontstaat uit de verstrengeling als de twee elkaar blijvend beïnvloeden, is van cruciaal belang als we het idee willen toetsen, zegt Vedral.
