De juiste plaats voor tijd in de relativiteitstheorie

Het is de hoogste tijd dat tijd eens goed op zijn plaats wordt gezet

We zeggen gemakkelijk dat tijd verstrijkt, dat zwaartekracht de tijd vertraagt, dat een astronaut minder tijd ervaart dan iemand op aarde en dat we ons door de ruimtetijd bewegen. In de natuurkunde hebben zulke uitspraken een precieze betekenis. De relativiteitstheorie voorspelt bijvoorbeeld met enorme nauwkeurigheid hoe klokken zich gedragen wanneer ze met verschillende snelheden bewegen of zich op verschillende plaatsen in een zwaartekrachtsveld bevinden. Toch zit er in die taal ook een valkuil, want het woord tijd klinkt alsof het zelf iets doet. Zwaartekracht werkt op de tijd, de tijd gaat langzamer lopen en daardoor gaan klokken, atomen en mensen vervolgens ook langzamer. Dat beeld ligt taalkundig voor de hand, maar het hoeft niet overeen te komen met wat we werkelijk meten.

Misschien helpt het daarom om de volgorde eens om te draaien. Begin niet bij de tijd, maar bij de fysieke systemen zelf. Kijk welke veranderingen ze ondergaan, welke route ze door de ruimte volgen en waarmee we die veranderingen vergelijken. Dan blijkt dat we in experimenten steeds hetzelfde doen: we vergelijken de geschiedenis van het ene veranderende fysieke systeem met die van een ander. De relativiteitstheorie beschrijft die relaties uitstekend, maar de manier waarop we ze vervolgens in termen van ‘tijd’ verwoorden, kan gemakkelijk verhullen wat er fysiek wordt beschreven en daardoor tot verwarring leiden.

Een klok is zelf ook gewoon een fysiek systeem

Neem een klok. Een slinger beweegt heen en weer, een kwartskristal trilt en een atoomklok gebruikt een uiterst regelmatig atoomproces. Zelfs het aflezen van de klok is weer een fysiek proces: licht bereikt een detector of ons oog, elektrische toestanden veranderen en informatie wordt opgeslagen. De officiële definitie van de seconde laat dat mooi zien. Een seconde is gekoppeld aan een heel specifieke overgang in cesium-133. We gebruiken dus een bijzonder regelmatig fysiek proces als referentie voor andere processen.

Vroeger deden we in wezen hetzelfde met minder nauwkeurige referenties. De draaiing van de aarde gaf ons dagen, de beweging van de zon hielp die dagen verder opdelen en later gebruikten we slingers en mechanische klokken. Onze klokken werden steeds beter, maar het principe bleef hetzelfde: we meten verandering met andere verandering.

Dat klinkt misschien eenvoudig, maar het heeft een interessante consequentie. Als ik zeg dat een experiment vijf seconden duurde, heb ik niet rechtstreeks vijf stukjes tijd waargenomen. Ik heb een verandering in het experiment vergeleken met een bepaald aantal regelmatige veranderingen in een ander fysiek systeem: de klok. Tijd is in die zin een uiterst efficiënte manier om zulke fysieke geschiedenissen te ordenen en met elkaar te vergelijken.

Twee dozen door het heelal

Stel je nu twee zo identiek mogelijke dozen voor, A en B. In beide zitten dezelfde atomen, dezelfde klok, dezelfde chemische processen en, als we het voorbeeld wat levendiger willen maken, een identieke persoon. We zetten de dozen naast elkaar en zorgen dat hun klokken gelijk lopen. Daarna sturen we ze langs verschillende routes door het heelal.

Doos A blijft bijvoorbeeld dicht bij de aarde, terwijl doos B ver weg reist. Of B beweegt veel sneller. Of een van de dozen komt dicht bij een zwaar object, zoals een neutronenster of een zwart gat. Uiteindelijk brengen we de dozen, waar dat fysiek mogelijk is, weer bij elkaar en vergelijken we ze opnieuw.

Het kan blijken dat de klokken niet meer gelijk staan. Andere regelmatige processen in de dozen kunnen dezelfde systematische verschillen laten zien en in een extreem relativistisch scenario kunnen zelfs de personen in de dozen verschillend zijn verouderd. De gebruikelijke formulering is dan dat er voor de ene doos minder tijd is verstreken dan voor de andere.

Maar kijk eerst eens naar wat we werkelijk hebben gedaan. Twee fysieke systemen begonnen in vergelijkbare toestanden, volgden verschillende fysieke geschiedenissen en kwamen later terug in verschillende toestanden. Dat is het verschijnsel. De tijdstaal is onze manier om die relatie compact te beschrijven.

Wat bedoelen natuurkundigen met “eigentijd”?

In de relativiteitstheorie bestaat een precieze term voor de tijd die bij één bepaalde route hoort: proper time, meestal in het Nederlands vertaald als eigentijd. Je kunt eigentijd ongeveer zien als de lokale schaal langs de geschiedenis van één fysieke doos. De route van zo'n doos door de ruimtetijd noemen natuurkundigen een wereldlijn, en de relativiteitstheorie kan aan die wereldlijn een bepaalde eigentijd toekennen.

Een ideale klok die met de doos meereist, geeft die eigentijd weer. Dat is mathematisch heel krachtig, maar de volgorde waarin we het uitleggen maakt uit. Je kunt zeggen dat er minder eigentijd voor doos A verstreek en dat daarom de klok achterliep. Je kunt ook beginnen met de fysieke waarneming: de twee dozen volgden verschillende geschiedenissen en hun klokken bleken bij hereniging verschillende aantallen regelmatige veranderingen te hebben doorgemaakt. De relativiteitstheorie beschrijft die universele relatie met het begrip eigentijd.

Die tweede formulering helpt voorkomen dat we eigentijd gaan voorstellen als een extra natuurkundige stof die de klok van buitenaf bestuurt. Eigentijd is een uiterst nuttige maat langs een fysieke geschiedenis, terwijl de klok zelf een fysiek systeem blijft dat verandert.

Wat meten we bij zwaartekracht dan precies?

Hetzelfde probleem zit in de bekende uitspraak dat zwaartekracht de tijd vertraagt. Neem opnieuw twee zeer nauwkeurige klokken. Zet de ene lager in het zwaartekrachtsveld van de aarde en de andere hoger. Vergelijk ze na verloop van tijd volgens een geschikte meetprocedure. De klokken lopen niet precies meer gelijk. Met moderne optische klokken kunnen zulke verschillen zelfs over kleine hoogteverschillen worden gemeten.

We noemen dit gravitationele tijdsdilatatie. Maar wat hebben we fysiek waargenomen? Twee veranderende systemen volgden verschillende fysieke geschiedenissen ten opzichte van de massa van de aarde, en hun regelmatige interne processen liepen daarna niet meer exact gelijk.

Dat betekent niet dat zwaartekracht toevallig alleen een cesiumatoom stoort. Dat zou veel te simpel zijn. De kracht van de relativiteitstheorie zit juist in het feit dat geschikte klokken met verschillende werkingsprincipes dezelfde onderliggende relatie laten zien. Daarom is de term tijdsdilatatie zo nuttig: hij vat een universeel patroon samen. Het blijft alleen verstandig te onthouden wat er onder die term zit, namelijk fysieke processen die langs verschillende routes anders ten opzichte van elkaar evolueren.

Plaats doet er wel degelijk toe

Hier is nog een onderscheid belangrijk. Coördinaten zijn labels. Als ik dezelfde plek met een ander assenstelsel beschrijf, verandert er fysiek niets. Maar de plek zelf doet natuurlijk wél ter zake.

Een klok op het aardoppervlak bevindt zich in een andere fysieke relatie tot de massa van de aarde dan een klok duizenden kilometers hoger. Een object dat vlak langs een neutronenster beweegt, volgt een heel andere geschiedenis dan een object dat door bijna lege ruimte reist. De route tussen twee punten is daarom net zo belangrijk als het begin- en eindpunt.

Twee dozen kunnen op dezelfde plek beginnen en later op dezelfde plek terugkomen, maar onderweg totaal verschillende snelheden, zwaartekrachtsomstandigheden en interacties hebben meegemaakt. De natuurkundige geschiedenis zit dus niet alleen in waar iets begon en eindigde, maar in de volledige route ertussen.

Een zwart gat maakt het probleem extra duidelijk

Neem nu een extreem voorbeeld. Doos A blijft ver van een zwart gat. Doos B vliegt er dicht langs en keert daarna terug. Als we de dozen weer bij elkaar brengen, kunnen hun klokken verschillende waarden aangeven. We kunnen zeggen dat B minder eigentijd heeft verzameld. Dat is correct binnen de relativiteitstheorie.

De fysieke beschrijving blijft echter dat B een heel andere route door een veel extremere zwaartekrachtsomgeving volgde en dat de processen in B zich daardoor anders ontwikkelden ten opzichte van de processen in A. Ga nog een stap verder en laat B de waarnemingshorizon oversteken. Dan gebeurt iets interessants: de doos zelf merkt bij een groot genoeg zwart gat niet noodzakelijk een plotselinge overgang op het moment dat hij de horizon passeert. De atomen blijven veranderen, de klok blijft lopen, de chemie gaat door en de persoon in de doos blijft denken.

Een waarnemer ver weg ziet iets anders, omdat de signalen die van de vallende doos komen steeds sterker worden beïnvloed. Daarom is een uitspraak als “de tijd stopt bij de waarnemingshorizon” gemakkelijk misleidend. De eerste vraag zou moeten zijn: voor wie, op basis van welke signalen, welke klok en welke vergelijking? Zodra je dat vraagt, wordt het verschijnsel een stuk concreter.

En dan het woord “ruimtetijd”

Ook het woord ruimtetijd kan gemakkelijk een beeld oproepen dat verder gaat dan de natuurkunde zelf noodzakelijk maakt. Je kunt je ruimtetijd voorstellen als een vierdimensionale omgeving waarin drie richtingen ruimte zijn en de vierde richting tijd. Materie reist daar vervolgens doorheen.

Dat is een bruikbare voorstelling, maar hij heeft een bijwerking: verleden en toekomst gaan klinken alsof het plekken zijn. Amsterdam ligt op bepaalde ruimtelijke coördinaten. Misschien ligt Amsterdam in 1650 dan gewoon ergens anders op de tijdcoördinaat. Dat is precies het beeld waarop veel verhalen over tijdreizen voortbouwen.

Maar je kunt ruimtetijd ook voorzichtiger bekijken: als het geometrische raamwerk waarmee de relativiteitstheorie relaties tussen gebeurtenissen en fysieke geschiedenissen beschrijft. Onze doos volgt een route, andere dozen volgen andere routes, licht en andere signalen bewegen tussen systemen, en materie en energie hangen samen met de zwaartekrachtsgeometrie die mede bepaalt welke routes mogelijk zijn. De relativiteitstheorie beschrijft al die relaties met enorme nauwkeurigheid.

Dat is indrukwekkend genoeg zonder meteen te concluderen dat iedere intuïtieve eigenschap van onze vierdimensionale kaart ook letterlijk als ding in de werkelijkheid bestaat.

De klok staat niet buiten het systeem

Een klok lijkt soms een neutrale waarnemer die buiten het proces staat en vertelt hoeveel tijd er ondertussen is verstreken. In werkelijkheid is de klok gewoon weer een fysiek systeem.

Stel dat doos A het experiment bevat dat ik wil meten en doos C mijn klok. Ik vergelijk veranderingen in A met regelmatige veranderingen in C. Stuur C vervolgens langs een andere route en er ontstaat een nieuwe situatie: mijn referentieproces heeft nu zelf een andere fysieke geschiedenis.

Dat is precies waarom de relativiteitstheorie geen universele klok kent die overal hetzelfde tikt. Iedere klok zit ín het heelal, iedere klok volgt een fysieke route en iedere klok verandert. De relativiteitstheorie vertelt ons vervolgens hoe die lokale klokken zich tot elkaar verhouden.

Dat is eigenlijk een veel interessanter beeld dan een grote onzichtbare kosmische klok die overal tegelijk de maat slaat.

De waarnemer doet zelf ook mee

Hetzelfde geldt voor degene die de klok afleest. Om iets waar te nemen moet informatie fysiek worden overgedragen. Een foton raakt een netvlies, een detector verandert elektrisch, een computer slaat een bit op of neuronen veranderen hun activiteit.

Waarnemen is zelf dus ook een verandering. We staan nooit buiten het systeem om naar een onafhankelijk stromende tijd te kijken; we zijn zelf veranderende fysieke systemen die andere veranderende fysieke systemen vergelijken.

Dat maakt een eenvoudige vraag opeens heel krachtig: wat hebben we precies gemeten, en waarmee hebben we het vergeleken?

Wat is “nu” dan?

Ook het woord nu wordt minder vanzelfsprekend als je zo kijkt. In het dagelijks leven lijkt er één universeel heden te bestaan: alles ervoor is verleden en alles erna toekomst. De relativiteitstheorie laat echter zien dat gelijktijdigheid op afstand niet voor iedere waarnemer hetzelfde hoeft te zijn.

Daar komt ons brein nog bij. Onze hersenen krijgen geen perfecte momentopname van de wereld binnen. Signalen hebben tijd nodig om ons te bereiken en worden daarna nog verwerkt en samengevoegd tot wat wij als één moment ervaren. Misschien is het daarom nuttiger om het nu niet te zien als een kosmisch vlak dat door het heelal schuift, maar eenvoudiger als de huidige toestand van waaruit een fysiek systeem kan reageren en waarnemen.

Het verleden is in die huidige toestand nog aanwezig via sporen: herinneringen, foto's, fossielen, littekens, documenten en allerlei andere veranderingen die eerdere gebeurtenissen hebben achtergelaten. De toekomst bestaat daar anders in, als verwachting, voorspelling of mogelijke volgende toestand. Een herinnering aan gisteren bestaat vandaag als een fysieke toestand in ons brein, en een verwachting over morgen ook.

Misschien stroomt tijd niet, maar veranderen fysieke systemen asymmetrisch

We zeggen vaak dat tijd maar één kant op stroomt, van verleden naar toekomst. Maar kijk opnieuw naar wat we werkelijk waarnemen. Warmte verspreidt zich, een glas valt kapot en zet zichzelf vrijwel nooit spontaan weer in elkaar, mensen worden ouder en gebeurtenissen laten sporen achter. Onze hersenen bevatten bovendien herinneringen aan eerdere toestanden, niet aan toekomstige.

Er zit dus een duidelijke richting in de ontwikkeling van fysieke systemen. De thermodynamica beschrijft een belangrijk deel daarvan via entropie. Op microscopisch niveau zijn veel natuurwetten verrassend goed omkeerbaar, maar op grote schaal zien we een sterke statistische richting.

Misschien moeten we daarom niet meteen beginnen met de vraag waarom de tijd vooruit stroomt. We kunnen eerst vragen waarom fysieke geschiedenissen zo sterk asymmetrisch verlopen. Dat lost het probleem niet op, maar het verplaatst de vraag naar iets wat we daadwerkelijk kunnen onderzoeken.

Naar de toekomst reizen wordt dan vrij eenvoudig

Dit perspectief verandert ook het idee van tijdreizen. Stel dat ik vijftig jaar de toekomst in wil reizen, maar zelf nauwelijks ouder wil worden. Wat moet er dan gebeuren? De wereld om mij heen moet veel meer verandering doormaken dan ikzelf.

In een denkexperiment zou je mij perfect kunnen invriezen, vijftig jaar bewaren en daarna zonder schade weer laten ontwaken. De aarde heeft dan vijftig jaar politieke, biologische, technologische en fysieke veranderingen doorgemaakt, terwijl mijn eigen toestand vrijwel niet veranderde. Zo'n perfecte bewaring kunnen we niet, maar het principe is duidelijk.

De relativiteitstheorie biedt wel een echte manier om een soortgelijk verschil te maken. Iemand die met zeer hoge snelheid reist kan bij terugkomst minder zijn verouderd dan mensen die achterbleven. Dat noemen we reizen naar de toekomst, maar in deze beschrijving is het vooral een extreem verschil tussen twee fysieke geschiedenissen: de ene geschiedenis bevat veel meer verandering dan de andere voordat de systemen elkaar weer ontmoeten.

Naar het verleden reizen is iets totaal anders

Nu draaien we de vraag om. Ik wil terug naar 1976. In films lijkt 1976 vaak een plaats die ergens langs de tijd-as nog bestaat. Als we maar de juiste machine bouwen, kunnen we er misschien naartoe.

Maar wat maakte 1976 fysiek tot 1976? Het was een specifieke toestand van materie, straling, velden, levende wezens en informatie. Mensen hadden bepaalde lichamen en herinneringen, gebouwen zagen er op bepaalde manieren uit, licht bewoog in bepaalde richtingen, warmte was anders verdeeld, documenten die nu bestaan waren nog niet geschreven en veel mensen die nu leven waren nog niet geboren.

Als ik echt die oude toestand wil terugbrengen, moet al die verandering worden teruggedraaid. Bomen moeten jonger worden, chemische reacties moeten omkeren, warmte moet terug naar eerdere verdelingen, straling moet eerdere toestanden aannemen en nieuwe herinneringen en fysieke sporen moeten verdwijnen.

En dan komt het grootste probleem: ikzelf. Als de hele wereld perfect terugkeert naar 1976, maar ik blijf wie ik nu ben, dan is het resultaat al niet meer de oorspronkelijke toestand van 1976. Er staat nu iemand in die wereld die daar toen niet was en die bovendien informatie bij zich draagt over gebeurtenissen die volgens die wereld nog moeten plaatsvinden.

We hebben dus niet het verleden hersteld. We hebben een nieuwe toestand gemaakt die erop lijkt.

Terugspoelen is moeilijker dan alles achteruit laten bewegen

Mijn oorspronkelijke intuïtie was eenvoudig: om terug te reizen moet ik zelf stil blijven staan terwijl het hele heelal zijn bewegingen terugdraait. Dat beeld helpt, maar beweging blijkt te beperkt.

De werkelijkheid bestaat niet alleen uit zichtbare objecten die een positie en snelheid hebben. Er zijn ook elektromagnetische velden, straling, quantumtoestanden, temperatuurverschillen, informatie en talloze onderlinge correlaties. Een eerdere toestand herstellen betekent daarom meer dan alle snelheden omkeren.

De relevante fysieke toestand moet met enorme nauwkeurigheid worden hersteld. Daar komt nog bij dat chaotische systemen extreem gevoelig kunnen zijn voor kleine verschillen. Een minuscuul foutje kan later een groot verschil opleveren.

Letterlijk terugkeren naar het verleden wordt zo geen vervoersprobleem, maar een probleem van volledig toestand-herstel. Dat is iets totaal anders.

Een causale lus is ook nog iets anders

De algemene relativiteitstheorie bevat bijzondere wiskundige oplossingen waarin zogenaamde gesloten tijdachtige krommen kunnen voorkomen. In eenvoudige woorden: een route door de ruimtetijd kan in zo'n model teruglopen naar een gebied in de eigen causale geschiedenis.

Dit wordt vaak beschreven als tijdreizen, maar ook hier helpt ons onderscheid. Stuur onze doos over zo'n route. De processen in de doos hoeven niet achteruit te gaan. De klok loopt door, de atomen veranderen verder en de persoon in de doos kan nieuwe herinneringen vormen.

De doos kan dus in een vroeger deel van zijn omgeving terechtkomen als een latere versie van zichzelf. Dat is geen herstel van de oude toestand, maar een causale lus. Dat onderscheid maakt veel klassieke tijdreisparadoxen eigenlijk begrijpelijker: de reiziger komt niet in een perfect hersteld verleden terecht, maar brengt juist nieuwe informatie mee in een toestand waar die informatie oorspronkelijk niet aanwezig was.

We noemen verschillende dingen dus gemakkelijk allemaal “tijdreizen”, terwijl ze fysiek totaal verschillend zijn. Reizen naar de toekomst is verschil in ontwikkeling tussen fysieke geschiedenissen, terugkeren naar het echte verleden zou toestand-herstel vereisen, een nagebouwd verleden is toestand-reconstructie en een gesloten tijdachtige kromme zou een causale lus zijn. Dat zijn geen vier manieren om hetzelfde te doen, maar vier verschillende ideeën.

Misschien is het holodeck een betere tijdmachine

Van die vier doen we er één eigenlijk al heel lang: we reconstrueren het verleden. Een herinnering doet dat in ons brein, een boek doet het met taal, archeologie probeert vroegere toestanden af te leiden uit fysieke sporen, een foto bewaart informatie uit eerder licht, een film voegt beweging en geluid toe en een museum combineert echte objecten met gereconstrueerde context.

Games voegen interactie toe en virtual reality voegt ruimtelijke aanwezigheid toe. Je kunt daar een soort schaal in zien. Een zin over het oude Rome reconstrueert maar weinig, een historische roman veel meer, een film voegt beeld en geluid toe en een goede game laat je zelf handelen in een model van de omgeving.

Helemaal aan het denkbeeldige uiteinde van die schaal staat het holodeck uit Star Trek. Misschien is dat eigenlijk een interessantere tijdmachine dan de klassieke machine die een mens letterlijk naar een andere eeuw transporteert.

Amsterdam in 1650

Stel je voor dat een toekomstige simulatie Amsterdam in 1650 kan reconstrueren. Je ziet de straten en grachten, hoort het verkeer, ruikt het water en de rook, ziet kleding uit die tijd en kunt een herberg binnenlopen. Mensen spreken passende taal en reageren op je aanwezigheid.

Voeg daarna steeds meer historische kennis toe. Scheepsregisters bepalen welke handel plaatsvond, archieven geven informatie over bewoners, archeologie bepaalt hoe gebouwen en voorwerpen eruitzagen en historische documenten helpen politieke, religieuze en sociale verhoudingen te reconstrueren. Waar informatie ontbreekt, vult een model de meest waarschijnlijke mogelijkheid in.

Zo hypothetisch is dat idee overigens niet eens. Toevallig zag ik net dat het spel 1666: Amsterdam het zeventiende-eeuwse Amsterdam als interactieve wereld tot leven probeert te brengen. Het spel is van Patrice Désilets — een van de oorspronkelijke creatieve krachten achter Assassin’s Creed, een spelserie die mede bekend is door het tot leven brengen van gereconstrueerde historische steden. Voor Assassin’s Creed Unity werd bijvoorbeeld uitgebreid historisch onderzoek gedaan naar Parijs en de Notre-Dame, waarbij bouwtekeningen, foto's en historische bronnen werden gebruikt om de kathedraal digitaal te reconstrueren. Na de brand in 2019 ontstond zelfs het verhaal dat het materiaal van Ubisoft bij de herbouw gebruikt zou kunnen worden. Dat bleek niet nodig: voor de werkelijke restauratie bestond veel nauwkeuriger wetenschappelijk en bouwkundig materiaal. Maar juist dat verschil is interessant: hoe werkelijker de reconstructie moet worden, hoe meer informatie over de oorspronkelijke fysieke toestand je nodig hebt.

Natuurlijk is een videogame nog mijlenver verwijderd van een historisch nauwkeurige reconstructie van een volledige fysieke toestand, maar het principe is herkenbaar: beschikbare historische informatie wordt gebruikt om in het heden een omgeving te bouwen waarin we ons door een representatie van het verleden kunnen bewegen en ermee kunnen interageren.

Dus op een gegeven moment kan het verschil tussen lezen over Amsterdam in 1650 en daar rondlopen subjectief enorm klein worden. Maar toch is niemand echt teruggegaan. Alles gebeurt nu. Huidige materie en informatie zijn zo georganiseerd dat ze delen van een eerdere toestand reconstrueren.

Zeer waarschijnlijk is dat het dichtste dat we fysiek ooit bij reizen naar het verleden zullen komen: aangezien het niet aannemelijk is dat we zelf naar het verleden kunnen gaan, blijft het reconstrueren van het verleden in het heden de enige overgebleven mogelijkheid.

Een perfecte reconstructie loopt uiteindelijk tegen informatie aan

Daar zit wel een harde grens. Om een oude toestand perfect te reconstrueren, moeten we weten hoe die toestand precies was.

Veel van die informatie hebben we niet meer. Licht is de ruimte in verdwenen, documenten gingen verloren, mensen stierven zonder hun ervaringen vast te leggen en microscopische informatie raakte verspreid door de omgeving. Kunstmatige intelligentie kan ontbrekende informatie steeds beter schatten, maar een goede schatting is nog geen teruggevonden feit.

Een toekomstige simulatie kan misschien een extreem overtuigende Romeinse markt bouwen. De koopman die je daar ontmoet kan zich precies gedragen zoals onze beste historische en psychologische modellen voorspellen. Maar als de oorspronkelijke informatie verloren is gegaan, weten we niet of die koopman werkelijk zo was.

De ontmoeting is een nieuwe gebeurtenis in het heden, gebaseerd op wat van het verleden is overgebleven. Een reconstructie kan dus steeds beter worden zonder ooit hetzelfde te worden als de oorspronkelijke toestand.

Ons brein doet eigenlijk al iets vergelijkbaars

Ook herinneringen werken zo. Wanneer ik aan mijn jeugd denk, gaat mijn brein niet letterlijk terug naar een oudere toestand. Mijn huidige brein maakt nu een toestand die informatie over die eerdere ervaring bevat.

Voor de toekomst doen we iets vergelijkbaars. We bouwen in het heden mentale modellen van wat er misschien later gebeurt. Ons brein reconstrueert dus voortdurend verleden en mogelijke toekomst vanuit de huidige fysieke toestand.

Boeken, films, games en virtual reality maken die vaardigheid deelbaar. AI kan helpen de ontbrekende details steeds overtuigender in te vullen. Een holodeck zou in dat opzicht geen totaal nieuw idee zijn, maar vooral een extreem goede reconstructiemachine.

Tijd terug op zijn plek

En daarmee komen we terug bij het begin. In de werkelijkheid hebben we fysieke systemen die veranderen. We kiezen sommige regelmatige veranderingen als referentie en vergelijken daarmee andere veranderingen. Vervolgens gebruiken we begrippen als seconde, eigentijd, wereldlijn en ruimtetijd om die relaties wiskundig te ordenen en te voorspellen.

Die abstracties zijn geen probleem. Integendeel: zonder zulke abstracties zou natuurkunde vrijwel onmogelijk zijn. Maar juist een bijzonder succesvolle abstractie heeft een risico. Hoe beter ze werkt, hoe gemakkelijker we vergeten wat ze samenvat.

Dat risico is bij tijd extra groot omdat onze taal tijd voortdurend als handelend ding voorstelt. Tijd stroomt, tijd vliegt, tijd vertraagt, tijd staat stil en we reizen door de tijd. Natuurkundigen geven sommige van die woorden een heel precieze betekenis, maar buiten de formules nemen we gemakkelijk de gewone betekenis weer mee en bouwen daar vervolgens een beeld van de werkelijkheid van.

Misschien helpt het daarom om af en toe de uitleg terug te spoelen tot vóór het woord tijd. Welke fysieke systemen vergelijken we, welke veranderingen vonden daarin plaats, welke routes volgden ze, welke andere fysieke processen gebruikten we als referentie en welke relatie proberen we vervolgens met het woord tijd samen te vatten?

Dat maakt de relativiteitstheorie niet minder indrukwekkend, maar misschien juist meer. Wat overblijft is een heel bijzonder feit: fysieke systemen die totaal verschillende routes door het heelal volgen, blijken onderling relaties te vertonen die met één gemeenschappelijke geometrische theorie verbazingwekkend nauwkeurig te voorspellen zijn. De klok staat daar niet buiten en de waarnemer ook niet; alles doet mee.

Uiteindelijk nemen we geen verstrijkende tijd waar. We nemen verandering waar. We vergelijken verandering met verandering, geschiedenis met geschiedenis, en de relativiteitstheorie beschrijft de relaties daartussen. Tijd verdwijnt daarmee niet uit de natuurkunde. We zetten haar alleen terug op haar plek.

Zie ook de oorspronkelijke Engelstalige versie van dit artikel: https://www.linkedin.com/pulse/resetting-time-its-proper-place-physics-beyond-arwin-van-arum-usmoe/