Tijd is fundamenteel voor het bestaan van ons universum – dat was de conclusie van de lezing over tijd in de theoretische fysica, door professor Renate Loll. Tijd kun je benaderen als een kwantitatief gegeven en op die manier speelt het een rol in alle natuurkundige processen. Een formulering van natuurwetten kan niet zonder de notie van tijd, waarin veranderingen zich afspelen. Ook in experimenten die natuurwetten onderzoeken en proberen te bewijzen is ‘tijd’ altijd aanwezig als het referentiekader waarbinnen de natuurkunde werkt. Maar tijd is ook als kwalitatief fenomeen, een ding op zichzelf te bestuderen.
‘Was er tijd voor de oerknal?’ De titel van Lolls lezing verwijst naar de vraag of tijd emergent is, een soort bijverschijnsel in het universum dat tegelijk met het heelal is ontstaan. Of is het iets fundamenteels, iets wat noodzakelijk is voor het bestaan van alles?
Newton, Einstein, Terry Pratchett
Loll geeft een ultrakorte geschiedenis van het natuurkundige denken over tijd. Voor Newton bestond de wereld uit ruimte, tijd en zwaartekracht als drie losse eenheden. Tijd was in zijn wereldbeeld universeel en onveranderlijk. Dan komt Einstein met de relativiteitstheorie. Tijd is niet meer een statisch ding, maar afhankelijk van de positie van de waarnemer. Ruimte, tijd en zwaartekracht zijn één, ze gaan samen in de gekromde ruimtetijd. Tijd functioneert als vierde dimensie: een punt in de ruimte (drie dimensies) gaat gepaard met een punt in de tijd.
De relativiteitstheorie van Einstein laat zien dat het heelal uitdijt. Dat is een beweging in de tijd, die je ook terug kunt volgen. Het is mogelijk terug te denken tot aan het begin van het uitdijende heelal. De ruimte wordt dan almaar kleiner en kleiner. Uiteindelijk kom je uit op een punt waarin alle materie is samengebald. Renate Loll citeert fantasyschrijver Terry Pratchett: ‘In the beginning there was nothing, which exploded.’
Op dit punt, dat tegelijk alles en niets is, gebeurt echter iets vreemds. De condities daar zijn zo extreem, er is zoveel energie en materie samengebald, dat de theorie niet meer van toepassing is. Met andere woorden: Einsteins theorie voorspelt de ‘Big Bang’, maar kan wat er gebeurt in die Big Bang niet beschrijven. Een andere verklaring van wat zich in die extreme omstandigheden afspeelt is nodig. En dat is waar de kwantumtheorie zijn intrede doet.
Kwantumzwaartekracht
Einsteins theorie beschrijft zeer adequaat wat er gebeurt op de grote schaal van de natuur en kosmos. Op kleine schaal, zoals het ‘single point’ waarin alles is samengebald, laat de theorie het afweten. De natuurkunde moet dus op zoek naar een theorie die net als de gekromde ruimtetijd klopt op macroniveau, maar óók op het microniveau van de allerkleinste deeltjes.
Zwaartekracht is de sleutel. Op de schaal van de deeltjes (de Planckschaal) werkt de zwaartekracht niet op de manier zoals we die kennen. De zwaartekracht is zo zwak, dat die eigenlijk wordt ‘overruled’ door andere processen. Niettemin blijft zwaartekracht een niet te negeren invloed behouden. Die moet beschreven worden in een theorie van kwantumzwaartekracht (quantum gravity). Natuurkundigen zoeken die andere vorm van zwaartekracht in de lege ruimte tussen deeltjes. Zelfs die lege ruimte heeft nog een eigenschap: namelijk zwaartekrachtgolven. Is dat dan het niets, the nothing which exploded? Bestaat er wel zoiets als ‘het niets’?
Tijd voor de oerknal
Een vraag die in de lezing ruimschoots aan de orde kwam is: hoe onderzoek je zoiets? Het meeste, aldus Renate Loll, wordt gedaan door krachtige computers. Met behulp van computers kun je opgestelde hypothetische modellen doorrekenen, om erachter te komen of ze stand houden op alle niveaus, micro en macro. En wat blijkt? Om een model te formuleren dat geldig blijft, niet alleen in het universum zoals we het kennen, maar ook op het ‘single point’ waar alles wellicht ooit is begonnen, heb je hoe dan ook het gegeven tijd nodig. Zonder tijd (samenhangend met causaliteit) stort alles in elkaar. Zonder ruimte functioneert alles daarentegen prima. Het antwoord op de vraag of er tijd was voor de oerknal is dus: ja. Maar waaruit bestaat die tijd dan? Hoe werkt ze en waar komt ze vandaan? Zullen we ooit kunnen begrijpen wat tijd vóór de oerknal – tijd zonder ruimte dus – betekent, of gaat dat ons denkvermogen te boven? Dat zijn fundamentele vragen die de komende jaren onderzocht moeten worden.
Kijk de lezing (Engelstalig) hier terug: Was there a “Time” before the Big Bang?
[Verschenen op het Studium Generale nieuwsblog]