[Wat is tijd?]
The earliest time measurements were observations of cycles of the natural world, using patterns of changes from day to night and season to season to build calendars. More precise time-keeping, like sundials and mechanical clocks, eventually came along to put time in more convenient boxes. But what exactly is it that we’re measuring? Is time something that physically exists, or is it just in our heads? At first the answer seems obvious— of course time exists; it constantly unfolds all around us, and it’s hard to imagine the universe without it.
De vroegste vormen van tijdmeting waren observaties van natuurcycli, waarbij op basis van de afwisseling tussen dag en nacht en de afwisseling tussen seizoenen een tijdsindeling werd gemaakt. Nauwkeurigere instrumenten voor tijdmeting, zoals zonnewijzers en mechanische klokken, zijn gaandeweg ontwikkeld om tijd gunstiger te kunnen indelen. Maar wat meten we eigenlijk? Bestaat tijd daadwerkelijk, of zit het gewoon tussen onze oren? Aanvankelijk lijkt het antwoord vanzelfsprekend: natuurlijk bestaat tijd; het verstrijkt continu om ons heen en het is moeilijk om je een heelal zonder tijd voor te stellen.
But our understanding of time started getting complicated thanks to Einstein. His theory of relativity tells us that time passes for everyone, but doesn’t always pass at the same rate for people in different situations, like those travelling close to the speed of light or orbiting a supermassive black hole. Einstein resolved the malleability of time by combining it with space to define space-time, which can bend, but behaves in consistent, predictable ways.
Maar door Einstein gaat tijd ons verstand nu te boven. Zijn relativiteitstheorie vertelt ons dat iedereen het verstrijken van tijd ervaart, maar in verschillende situaties niet per se met dezelfde snelheid, zoals zij die lichtsnelheid naderen, of zij die rond een superzwaar zwart gat cirkelen. Einstein verklaarde de kneedbaarheid van tijd door het met ruimte te combineren om zo ruimtetijd te definiëren, welke buigzaam is maar ook consistent en voorspelbaar van aard.
Einstein’s theory seemed to confirm that time is woven into the very fabric of the universe. But there’s a big question it didn’t fully resolve: why is it we can move through space in any direction, but through time in only one? No matter what we do, the past is always, stubbornly, behind us. This is called the arrow of time.
Einsteins theorie leek te bevestigen dat tijd verweven is met de diepe structuur van het heelal. Maar één grote vraag beantwoordde het niet: waarom kunnen we ons door ruimte in alle richtingen verplaatsen, maar door tijd slechts in één richting? Wat we ook doen, het verleden blijft ons hardnekkig achtervolgen. Dit heet de pijl van de tijd.
When a drop of food coloring is dropped into a glass of water, we instinctively know that the coloring will drift out from the drop, eventually filling the glass. Imagine watching the opposite happen. Here, we’d recognize time as unfolding backwards. We live in a universe where the food coloring spreads out in the water, not a universe where it collects together.
Wanneer een druppel voedingskleurstof aan een glas water wordt toegevoegd, weten we instinctief dat de kleurstof zich geleidelijk zal verspreiden en uiteindelijk het glas zal vullen. Stel je voor dat je het omgekeerde ziet gebeuren. Hier constateren we dat tijd achterwaarts verstrijkt. We leven in een heelal waarin de voedingskleurstof zich in het water uitspreidt en niet in een heelal waarin het samenkomt.
In physics, this is described by the Second Law of Thermodynamics, which says that systems will gain disorder, or entropy, over time. Systems in our universe move from order to disorder, and it is that property of the universe that defines the direction of time’s arrow.
In de natuurkunde wordt dit beschreven door de tweede wet van de thermodynamica, welke stelt dat binnen systemen de wanorde, oftewel entropie, zal toenemen naarmate de tijd verstrijkt. Systemen in ons heelal verschuiven van orde naar wanorde en die eigenschap van het heelal bepaalt de richting van de pijl van de tijd.
So if time is such a fundamental property, it should be in our most fundamental equations describing the universe, right? We currently have two sets of equations that govern physics. General relativity describes the behavior of very large things, while quantum physics explains the very small. One of the biggest goals in theoretical physics over the last half century has been reconciling the two into one fundamental “theory of everything." There have been many attempts —none yet proven— and they treat time in different ways. Oddly enough, one contender called the Wheeler-DeWitt equation, doesn’t include time at all.
Als tijd zo fundamenteel is, hoort het in de meest fundamentele vergelijkingen die het heelal beschrijven, toch? Momenteel hebben we twee sets vergelijkingen die de natuurkunde bepalen. Algemene relativiteit beschrijft het gedrag van zeer grote materiedelen, terwijl kwantumfysica de kleinste materiedelen beschrijft. Een van de grootste doelen in de theoretische fysica van de afgelopen halve eeuw was om beide elementen samen te brengen tot één fundamentele ‘theorie van alles’. Er zijn vele pogingen ondernomen, alle nog onbewezen, en ze beschouwen tijd op verschillende manieren. Het gekke is dat één mededinger, de Wheeler-DeWitt-vergelijking genaamd, tijd hierin niet meerekent.
Like all current theories of everything, that equation is speculative. But as a thought experiment, if it or a similarly time-starved equation turned out to be true, would that mean that time doesn’t exist, at the most fundamental level? Could time just be some sort of illusion generated by the limitations of the way we perceive the universe? We don’t yet know, but maybe that’s the wrong way of thinking about it. Instead of asking if time exists as a fundamental property, maybe it could exist as an emergent one.
Zoals alle recente theorieën van alles, valt deze ten prooi aan speculatie. Maar als gedachte-experiment: mocht deze of een soortgelijke tijd-ontberende vergelijking kloppen, blijkt tijd op het fundamenteelste niveau dan niet te bestaan? Kan tijd een soort illusie zijn die vanuit onze beperkte waarneming van het heelal ontstaan is? We zijn er nog niet over uit, maar misschien is dit een verkeerde denkwijze. In plaats van ons af te vragen of tijd een bestaande fundamentele eigenschap is, zou het ook emergent kunnen zijn.
Emergent properties are things that don’t exist in individual pieces of a system, but do exist for the system as a whole. Each individual water molecule doesn’t have a tide, but the whole ocean does.
Emergente eigenschappen zijn elementen die niet los voorkomen in een systeem, maar wel voor het systeem als geheel. Ieder afzonderlijk watermolecuul heeft geen getijde, maar de hele oceaan wel.
A movie creates change through time by using a series of still images that appear to have a fluid, continuous change between them. Flipping through the images fast enough, our brains perceive the passage of time from the sequence of still images. No individual frame of the movie changes or contains the passage of time, but it’s a property that comes out of how the pieces are strung together. The movement is real, yet also an illusion. Could the physics of time somehow be a similar illusion?
Een film creëert tijdsverloop met een reeks stilstaande beelden die een vloeiende, voortdurende overgang lijken te hebben. Door beelden razendsnel af te spelen neemt ons brein het verstrijken van tijd vanuit de reeks stilstaande beelden waar. Geen enkel afzonderlijk filmframe verandert tijd of bevat tijdsverloop, maar het is een eigenschap die voortkomt uit hoe de stukken gekoppeld zijn. De beweging is enerzijds realiteit, anderzijds ook een illusie. Zou de fysica van tijd misschien een soortgelijke illusie kunnen zijn?
Physicists are still exploring these and other questions, so we’re far from a complete explanation.
Natuurkundigen zoeken nog altijd naar antwoorden op deze en andere vragen en zodoende zijn we verre van een volledige uitleg.
At least for the moment.
Althans voor nu.