De grote mysteries van de natuurkunde: is tijd een illusie?

De eerste aflevering van de nieuwe podcast, Geweldige natuurkundige puzzels, duikt in de complexe aard van tijd. Onderzoekers stellen traditionele noties van tijd als absoluut ter discussie en debatteren over theorieën dat tijd relatief is en verweven is met ruimte, een concept dat indruist tegen onze subjectieve ervaring. De discrepantie kan worden toegeschreven aan een toename van entropie in het universum, maar waarom het universum begon met afnemende entropie blijft een mysterie. Om dit probleem op te lossen, stellen experts voor aanvullend onderzoek voor, waaronder het verwijderen van tijd uit wetenschappelijke vergelijkingen en het onderzoeken van de thermodynamica van klokken.

Zonder tijdsbesef, dat ons van de wieg tot het graf leidt, zou ons leven geen zin hebben. Maar op het meest basale niveau weten natuurkundigen niet zeker of het soort tijd dat we ervaren ooit bestaat.

Dit is het onderwerp van de eerste aflevering van onze nieuwe podcastserie, Geweldige natuurkundige puzzels. Georganiseerd door Miriam Frankel, wetenschapsredacteur bij The Conversation, met steun van FQxIInstituut voor Fundamentele Vragen, praten we met drie onderzoekers over de aard van tijd.

Wetenschappers hebben lang aangenomen dat tijd absoluut en universeel is – hetzelfde voor iedereen, overal, en onafhankelijk van ons bestaat. Het wordt nog steeds op deze manier behandeld in de kwantummechanica, die het kleine universum van atomen en deeltjes regeert. Maar de relativiteitstheorieën van Albert Einstein, die van toepassing zijn op de natuur op grote schaal, toonden aan dat tijd relatief is, niet absoluut – het kan bijvoorbeeld versnellen of vertragen, afhankelijk van hoe snel je reist. Tijd is ook verweven met ruimte in “ruimte-tijd”.

Einsteins theorieën stelden wetenschappers in staat het heelal op een nieuwe manier weer te geven: als een vaste vierdimensionale massa, met drie ruimtelijke dimensies (hoogte, breedte, diepte) en tijd als een vierde kwadrant. Dit blok bevat alle ruimte en tijd tegelijk – en de tijd stroomt niet. Er is nu niets bijzonders aan de massa – wat voor de ene waarnemer het heden lijkt, is voor de ander gewoon het verleden.

Maar als dit waar is, waarom reist onze ervaring van tijd dan zo krachtig van het verleden naar de toekomst? Een antwoord is dat entropie, de maatstaf voor chaos, altijd toeneemt in het universum. Als je de cijfers bekijkt, legt Sean Carroll, een natuurkundige aan de Johns Hopkins University in de VS, uit dat het vroege universum een ​​zeer lage entropie had. “[The universe] Het was erg gestructureerd en niet-willekeurig en het was een beetje ontspannend en sindsdien is het alleen maar willekeuriger en chaotischer geworden.” Dit creëert mogelijk een tijdpijl voor menselijke waarnemers.

We weten niet waarom het universum begon met zo’n lage entropie. Carol suggereert dat het zou kunnen zijn omdat We maken deel uit van een multiversum Het bevat veel verschillende universums. In zo’n wereld zouden sommige universums, statistisch gezien, moeten beginnen met een lage entropie.

Aan de andere kant gelooft Emily Adlam, een filosoof in de natuurkunde aan het Rotman Institute of Philosophy aan de University of Western Ontario in Canada, dat het mysterie van waarom ons universum met lage entropie is ontstaan, een probleem is dat uiteindelijk voortkomt uit het feit dat natuurkunde is vol aannames werd tijd.

“Persoonlijk ben ik een groot voorstander van het gezegde dat de tijd niet stroomt”, legt ze uit. “Het is een soort illusie die voortkomt uit de manier waarop we toevallig in de wereld zijn ingebed.” Haar intuïtie is dat, in wezen, alles in één keer gebeurt – zelfs als dat voor ons niet zo lijkt.

Adlam betoogt dat de beste manier om tijd te begrijpen is om het volledig uit onze natuurtheorieën te verwijderen – door het uit vergelijkingen te verwijderen. Interessant is dat wanneer natuurkundigen de algemene relativiteitstheorie proberen te verenigen met de kwantummechanica tot een “kwantumzwaartekracht”-theorie van alles, de tijd vaak uit de vergelijkingen verdwijnt.

Experimenten kunnen ook licht werpen op de aard van tijd, door verschillende combinaties van kwantummechanica en algemene relativiteitstheorie te testen. Natalia Ares, ingenieur bij[{” attribute=””>University of Oxford, believes that studying the thermodynamics (the science of heat and work) of clocks may help. “By understanding clocks as machines, there are things that we can understand better about what the limits of timekeeping are,” she argues.

Host:

• Miriam Frankel, Podcast host, The Conversation

Interviewed:

• Emily Adlam, Postdoctoral Associate of the Philosophy of Physics, Western University
• Natalia Ares, Royal Society University Research Fellow, University of Oxford
• Sean Carroll, Homewood Professor of Natural Philosophy, Johns Hopkins University

This article was first published in The Conversation.