Een theorie die uitgaat van een zogeheten quantum-tijdpijl biedt een nieuwe verklaring voor waarom de tijd alleen maar vooruit gaat. Het idee heeft grote gevolgen voor zowel de beginperiode van het universum als zijn uiteindelijke ondergang.
In den beginne was er geen quantumverstrengeling. Dat concluderen natuurkundigen op basis van een nieuwe hypothese over de beginperiode van het heelal. De bevinding maakt deel uit van een quantumupdate van onze opvattingen over waarom de tijd slechts in één richting stroomt.
Wanneer twee deeltjes verstrengeld zijn, kunnen ze allebei niet langer worden beschouwd als een onafhankelijk object. Hun eigenschappen zijn dan met elkaar verbonden, zelfs als ze ver van elkaar verwijderd zijn.
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.
Maar zolang deze deeltjes niet perfect geïsoleerd zijn, zal verstoring van buitenaf er uiteindelijk altijd voor zorgen dat hun verstrengeling verbreekt. Dat proces wordt decoherentie genoemd.
Dit verschijnsel vormde de inspiratie voor een idee dat de decoherente tijdpijl of quantum-tijdpijl wordt genoemd. Volgens deze theorie is de onomkeerbaarheid van decoherentie de fundamentele reden dat de tijd altijd voorwaarts stroomt.
Wanorde
De quantum-tijdpijl is verwant aan de meer traditionele thermodynamische tijdpijl. Daarbij volgt de richting van de tijd uit het idee dat entropie, of wanorde, altijd moet toenemen.
Als je de thermodynamische tijdpijl helemaal terugvolgt naar het begin van de tijd, kun je de begintoestand van het universum reconstrueren. Die reconstructie staat bekend als de ‘thermodynamisch-verleden-hypothese’. Je komt dan tot de conclusie dat deze begintoestand een extreem lage entropie had.
Wat betekent ‘sindsdien’?
Natuurkundige Jim Al-Khalili van de Universiteit van Surrey in het Verenigd Koninkrijk en wetenschapsfilosoof Eddy Keming Chen van de Universiteit van Californië in San Diego hebben nu op basis van een soortgelijke analyse de verstrengelingsverleden-hypothese opgesteld. Hun onderzoek wijst erop dat er in de eerste momenten van het universum geen quantumverstrengeling was. Naarmate de kosmos evolueerde, was er steeds meer verstrengeling en dus ook steeds meer decoherentie.
‘Mensen zijn zich er vaag van bewust dat je een soort hypothese over het verleden nodig hebt om de decoherente tijdpijl te krijgen, maar die hypothese is nog niet eerder echt in detail uitgewerkt’, zegt wetenschapsfilosoof Emily Adlam van de Chapman-universiteit in Californië. ‘Dit verduidelijkt wat die begintoestand van het universum precies is.’
We kunnen de begintoestand van het universum niet direct waarnemen. Deze toestand lijkt misschien ook niet relevant voor de huidige stand van zaken. Maar kennis hierover is cruciaal voor ons begrip van hoe dingen sindsdien zijn geëvolueerd – en zelfs om te begrijpen wat ‘sindsdien’ eigenlijk betekent.
‘Zodra je voorbij dat heel vroege universum komt, heb je thermodynamische entropie, en heb je zwaartekracht die alles samenklontert. Je hoeft je dan geen zorgen meer te maken over quantumverstrengeling’, zegt Al-Khalili. ‘Als je eenmaal een pijl hebt, als je eenmaal een richting van de tijd hebt, dan gaat al het andere vanzelf. We hadden alleen een startpunt nodig.’
Objectiever
Al-Khalili en Chen ontdekten ook dat een begintoestand met een lage verstrengeling een lage thermodynamische entropie zou hebben. Dat wijst erop dat de thermodynamische tijdpijl en de quantum-tijdpijl met elkaar verbonden zijn.
‘De hoop is dat je de thermodynamische-verleden-hypothese kunt afleiden uit de verstrengelingsverleden-hypothese. Dan worden het verschillende aspecten van elkaar’, zegt Adlam. Dat zou ons een completer begrip geven van de aard van de tijd.
Bovendien zou de quantum-tijdpijl nuttiger kunnen zijn dan zijn thermodynamische tegenhanger om het gedrag van het universum te begrijpen. ‘Voor de thermodynamische tijdpijl zoom je als het ware uit’, zegt Al-Khalili. Dat betekent dat er een zekere mate van subjectiviteit is bij het meten van de precieze eigenschappen ervan. ‘De decoherente tijdpijl is een beetje objectiever’, zegt Al-Khalili.
Warmtedood
Het onderzoek wijst erop dat het einde van het heelal niet zo eenvoudig te voorspellen is als we dachten. De algemene consensus is dat het universum hoogstwaarschijnlijk eindigt in een zogeheten warmtedood. Dat is een toestand waarin alle energie gelijkmatig over de ruimte is verdeeld en er nooit meer iets verandert. Maar de quantum-tijdpijl suggereert dat de kosmos zich zelfs na dit punt zal blijven ontwikkelen.
‘Er komt een thermodynamische hittedood, alles wordt een soep zonder structuur, maar het zal nog vele, vele miljarden jaren duren voordat maximale verstrengeling wordt bereikt’, zegt Chen. ‘Dat betekent dat er na de warmtedood van het universum eigenlijk nog veel interessante dingen staan te gebeuren.’
Als de verstrengelingsverleden-hypothese klopt, zou dit het bestaan van tijd objectief kunnen aantonen, zegt Al-Khalili. ‘Het voortstromen van de tijd, daarvan kun je heel gemakkelijk beargumenteren dat het subjectief is. Maar de richting van de tijd, zou ik zeggen, is fundamenteel. En daarom bestaat tijd echt’, zegt hij.
