Raadsel van tijd

Tijd is altijd een probleem geweest. Ten eerste was het zelfs voor uitmuntende geesten moeilijk om te begrijpen wat tijd werkelijk was. Tegenwoordig, als het ons lijkt dat we dit tot op zekere hoogte begrijpen, geloven velen dat het zonder dit, althans in de traditionele zin, comfortabeler zal zijn.

"" Geschreven door Isaac Newton. Hij geloofde dat tijd alleen wiskundig begrepen kon worden. Voor hem waren eendimensionale absolute tijd en de driedimensionale geometrie van het heelal onafhankelijke en afzonderlijke aspecten van de objectieve werkelijkheid, en op elk moment van de absolute tijd vonden alle gebeurtenissen in het heelal gelijktijdig plaats.

Met zijn speciale relativiteitstheorie elimineerde Einstein het concept van gelijktijdige tijd. Volgens zijn idee is gelijktijdigheid geen absolute relatie tussen gebeurtenissen: wat gelijktijdig is in het ene referentiekader, zal niet noodzakelijkerwijs gelijktijdig zijn in een ander referentiekader.

Een voorbeeld van Einsteins begrip van tijd is het muon uit kosmische straling. Het is een onstabiel subatomair deeltje met een gemiddelde levensduur van 2,2 microseconden. Het ontstaat in de hogere atmosfeer, en hoewel we verwachten dat het slechts 660 meter zal afleggen (met een lichtsnelheid van 300 km/s) voordat het vergaat, zorgen tijddilatatie-effecten ervoor dat kosmische muonen meer dan 000 kilometer naar het aardoppervlak kunnen reizen. en verder. . In het referentiekader van de aarde leven muonen langer vanwege hun hoge snelheid.

In 1907 introduceerde Einsteins voormalige leraar Hermann Minkowski ruimte en tijd als. De ruimtetijd gedraagt ​​zich als een scène waarin deeltjes in het universum ten opzichte van elkaar bewegen. Deze versie van de ruimtetijd was echter onvolledig (zie ook: ). Er werd geen rekening gehouden met de zwaartekracht totdat Einstein in 1916 de algemene relativiteitstheorie introduceerde. Het weefsel van de ruimtetijd is continu, glad, gebogen en vervormd door de aanwezigheid van materie en energie (2). Zwaartekracht is de kromming van het universum, veroorzaakt door massieve lichamen en andere vormen van energie, die het pad bepalen waarlangs objecten bewegen. Deze kromming is dynamisch en beweegt terwijl objecten bewegen. Zoals natuurkundige John Wheeler zegt: “de ruimtetijd vangt massa op, vertelt haar hoe ze moet bewegen, en massa houdt de ruimtetijd vast, vertelt haar hoe ze moet buigen.”

2. Einstein ruimte-tijd

Tijd en de kwantumwereld

De algemene relativiteitstheorie beschouwt de tijdstroom als continu en relatief, en beschouwt de tijdstroom als universeel en absoluut in een geselecteerde sectie. In de jaren zestig leidde een succesvolle poging om voorheen onverenigbare ideeën, kwantummechanica en algemene relativiteitstheorie te combineren tot wat bekend staat als de Wheeler-DeWitt-vergelijking, een stap in de richting van de theorie kwantumzwaartekracht. Deze vergelijking loste één probleem op, maar creëerde een ander probleem. Tijd speelt geen rol in deze vergelijking. Dit heeft geleid tot een grote controverse onder natuurkundigen, die zij het tijdprobleem noemen.

Carlo Rovelli (3) heeft een moderne Italiaanse theoretisch natuurkundige een duidelijke mening over deze kwestie. “,” schreef hij in het boek “The Mystery of Time.”

3. Carlo Rovelli en zijn boek

Degenen die het eens zijn met de Kopenhagen-interpretatie van de kwantummechanica geloven dat kwantumprocessen gehoorzamen aan de Schrödingervergelijking, die symmetrisch in de tijd is en voortkomt uit de golfinstorting van een functie. In de kwantummechanische versie van entropie, wanneer de entropie verandert, is het geen warmte die stroomt, maar informatie. Sommige kwantumfysici beweren de oorspronkelijke bron van de pijl van de tijd te hebben gevonden. Ze zeggen dat energie verdwijnt en objecten op één lijn komen te staan, omdat subatomaire deeltjes met elkaar worden verbonden door interactie in de vorm van 'kwantumverstrengeling'. Einstein beschouwde, samen met zijn collega's Podolsky en Rosen, dergelijk gedrag als onmogelijk omdat het in tegenspraak was met de lokale realistische kijk op causaliteit. Hoe kunnen deeltjes die zich ver uit elkaar bevinden onmiddellijk met elkaar interageren, vroegen ze.

In 1964 ontwikkelde hij een experimentele test die Einsteins beweringen over zogenaamde verborgen variabelen weerlegde. Daarom wordt algemeen aangenomen dat informatie daadwerkelijk tussen verstrengelde deeltjes reist, potentieel sneller dan licht kan reizen. Voor zover wij weten bestaat daar geen tijd voor verstrengelde deeltjes (4).

Een team natuurkundigen van de Hebreeuwse Universiteit onder leiding van Eli Megidish in Jeruzalem meldde in 2013 dat ze erin waren geslaagd fotonen te verstrengelen die in de tijd niet naast elkaar bestonden. Ten eerste creëerden ze in de eerste fase een verstrengeld paar fotonen, 1-2. Kort daarna maten ze de polarisatie van foton 1 (de eigenschap die de richting beschrijft waarin licht oscilleert) – waardoor het ‘doodde’ (fase II). Foton 2 werd op zijn reis gestuurd en een nieuw verstrengeld paar 3-4 werd gevormd (stap III). Foton 3 werd vervolgens samen met het reizende foton 2 gemeten, zodat de verstrengelingscoëfficiënt "veranderde" van de oude paren (1-2 en 3-4) naar de nieuwe gecombineerde 2-3 (stap IV). Enige tijd later (stadium V) wordt de polariteit van het enige overgebleven foton 4 gemeten, en de resultaten worden vergeleken met de polarisatie van het allang overleden foton 1 (terug in stadium II). Resultaat? De gegevens onthulden kwantumcorrelaties tussen fotonen 1 en 4, die ‘tijdelijk niet-lokaal’ waren. Dit betekent dat er verstrengeling kan ontstaan ​​in twee kwantumsystemen die nooit in de tijd naast elkaar hebben bestaan.

Megidish en zijn collega's kunnen niet anders dan speculeren over mogelijke interpretaties van hun resultaten. Misschien stuurt de meting van de polarisatie van foton 1 in stap II op de een of andere manier de toekomstige polarisatie van foton 4, of herschrijft de meting van de polarisatie van foton 4 in stap V op de een of andere manier de vorige polarisatietoestand van foton 1. In zowel de voorwaartse als achterwaartse richtingen, kwantumcorrelaties planten zich voort naar de causale leegte tussen de dood van het ene foton en de geboorte van een ander foton.

Wat zou dit op macroschaal kunnen betekenen? Wetenschappers die de mogelijke implicaties bespreken, brengen de mogelijkheid naar voren dat onze waarnemingen van sterrenlicht op de een of andere manier de polarisatie van fotonen 9 miljard jaar geleden dicteerden.

Een paar Amerikaanse en Canadese natuurkundigen, Matthew S. Leifer van Chapman University in Californië en Matthew F. Pusey van het Perimeter Institute for Theoretical Physics in Ontario, merkten enkele jaren geleden op dat als we niet vasthouden aan het feit dat Einstein. Metingen aan een deeltje kunnen worden weerspiegeld in het verleden en de toekomst, wat in deze situatie irrelevant wordt. Door enkele basisaannames te herformuleren, ontwikkelden wetenschappers een model gebaseerd op de stelling van Bell waarin ruimte wordt omgezet in tijd. Hun berekeningen laten zien waarom we, ervan uitgaande dat de tijd altijd vooruit loopt, over tegenstrijdigheden struikelen.

Volgens Carl Rovelli is onze menselijke perceptie van tijd onlosmakelijk verbonden met de manier waarop thermische energie zich gedraagt. Waarom kennen we alleen het verleden en niet de toekomst? De sleutel, zoals de wetenschapper suggereert, unidirectionele warmtestroom van warmere naar koelere objecten. Een ijsblokje dat in een hete kop koffie valt, koelt de koffie af. Maar het proces is onomkeerbaar. De mens volgt, als een soort ‘thermodynamische machine’, deze pijl van de tijd en is niet in staat een andere richting te begrijpen. ‘Maar als ik een microscopische toestand waarneem,’ schrijft Rovelli, ‘verdwijnt het verschil tussen verleden en toekomst... in de elementaire grammatica van de dingen is er geen verschil tussen oorzaak en gevolg.’

Tijd gemeten in kwantumfracties

Of kan de tijd misschien worden gekwantiseerd? Een nieuwe theorie die onlangs naar voren is gekomen, suggereert dat het kleinst denkbare tijdsinterval niet groter kan zijn dan een miljoenste van een miljardste van een miljardste van een seconde. De theorie volgt een concept dat in ieder geval de basiseigenschap van het horloge is. Volgens theoretici zouden de implicaties van deze redenering kunnen helpen bij het creëren van een ‘theorie van alles’.

Het concept van kwantumtijd is niet nieuw. Kwantumzwaartekrachtmodel stelt voor dat de tijd gekwantiseerd moet worden en een specifieke tikkende snelheid moet hebben. Deze tikkende cyclus is de universele minimumeenheid, en geen enkele tijdsdimensie kan kleiner zijn dan deze. Het zou zijn alsof er aan de basis van het heelal een veld was dat de minimale snelheid van alles daarin bepaalde en massa aan andere deeltjes gaf. In het geval van deze universele klok ‘zal hij tijd geven in plaats van massa te geven’, legt een natuurkundige uit die voorstelt om de tijd te kwantiseren, Martin Boyowald.

Door zo'n universele klok te simuleren, lieten hij en zijn collega's van het Pennsylvania State College in de VS zien dat dit gevolgen zou hebben voor kunstmatige atoomklokken, die atoomtrillingen gebruiken om de meest nauwkeurige resultaten te produceren die bekend zijn. tijd metingen. Volgens dit model was de snelheid van atoomklokken (5) soms niet synchroon met de snelheid van de universele klok. Dit zou de nauwkeurigheid van de tijdmeting beperken tot alleen de atoomklok, wat betekent dat twee verschillende atoomklokken uiteindelijk niet bij elkaar passen wat betreft de lengte van de verstreken periode. Aangezien onze beste atoomklokken consistent met elkaar zijn en tikken van maximaal 10-19 seconden kunnen meten, of een tiende van een miljardste van een miljardste van een seconde, kan de basiseenheid van tijd niet groter zijn dan 10-33 seconden. . Dit zijn de conclusies van een artikel over deze theorie dat in juni 2020 verscheen in het tijdschrift Physical Review Letters.

5. Op lutetium gebaseerde atoomklok aan de Nationale Universiteit van Singapore.

Het testen of een dergelijke basiseenheid van tijd bestaat, gaat onze huidige technologische mogelijkheden te boven, maar lijkt nog steeds toegankelijker dan het meten van de Planck-tijd, die 5,4 x 10–44 seconden bedraagt.

Het vlindereffect werkt niet!

Het verwijderen van tijd uit de kwantumwereld, of het kwantificeren ervan, zou interessante gevolgen kunnen hebben, maar laten we eerlijk zijn: de populaire verbeelding wordt aangedreven door iets anders, namelijk tijdreizen.

Ongeveer een jaar geleden vertelde Ronald Mallett, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Connecticut, aan CNN dat hij een wetenschappelijke vergelijking had geschreven die als basis kon worden gebruikt voor realtimemachine. Hij bouwde zelfs een apparaat om een ​​sleutelelement van de theorie te illustreren. Hij gelooft dat het theoretisch mogelijk is de tijd in een lus veranderendie tijdreizen naar het verleden mogelijk zou maken. Hij bouwde zelfs een prototype dat liet zien hoe lasers dit doel konden helpen bereiken. Opgemerkt moet worden dat Malletts collega's er niet zeker van zijn dat zijn tijdmachine ooit werkelijkheid zal worden. Zelfs Mallett geeft toe dat zijn idee op dit punt volkomen theoretisch is.

Eind 2019 meldde New Scientist dat natuurkundigen Barak Shoshani en Jacob Hauser van het Perimeter Institute in Canada een oplossing hadden beschreven waarbij iemand theoretisch van de ene naar de andere plek kon reizen. nieuwsfeed naar de tweede, voorbijgaand door het gat naar binnen ruimte tijd of een tunnel, zoals ze zeggen, 'wiskundig mogelijk'. Dit model gaat ervan uit dat er verschillende parallelle universums zijn waarin we kunnen reizen, en heeft een ernstig nadeel: tijdreizen heeft geen invloed op de eigen tijdlijn van de reiziger. Je kunt dus andere continuüms beïnvloeden, maar degene van waaruit we de reis zijn begonnen, blijft dezelfde.

En aangezien we ons in ruimte-tijd-continuüms bevinden, dan met de hulp kwantumcomputer Om tijdreizen te simuleren, hebben wetenschappers onlangs bewezen dat er geen "vlindereffect" is in het kwantumrijk, zoals te zien is in veel sciencefictionfilms en -boeken. In experimenten op kwantumniveau, beschadigd, schijnbaar bijna onveranderd, alsof de werkelijkheid zichzelf geneest. Een paper over dit onderwerp verscheen deze zomer in Psysical Review Letters. "Op een kwantumcomputer zijn er geen problemen met het simuleren van de tegenovergestelde evolutie in de tijd, of met het simuleren van het proces waarbij het proces teruggaat naar het verleden", legt Mikolay Sinitsyn uit, een theoretisch fysicus aan het Los Alamos National Laboratory en mede- auteur van de studie. Werk. “We kunnen echt zien wat er met de complexe kwantumwereld gebeurt als we teruggaan in de tijd, wat schade toevoegen en teruggaan. We ontdekken dat onze oerwereld heeft overleefd, wat betekent dat er geen vlindereffect is in de kwantummechanica.”

Dit is een grote klap voor ons, maar wellicht goed nieuws voor ons. Het ruimte-tijd continuüm behoudt zijn integriteit en voorkomt dat kleine veranderingen het vernietigen. Waarom? Dit is een interessante vraag, maar een iets ander onderwerp dan de tijd zelf.