Einstein beschreef zijn vriend Michele Besso ooit als “het beste klankbord in Europa” voor wetenschappelijke ideeën. Zij studeerden samen aan de universiteit in Zürich; later waren zij collega’s op het octrooibureau in Bern. Toen Besso in het voorjaar van 1955 overleed, schreef Einstein – wetend dat zijn eigen tijd ook begon te dringen – een nu beroemde brief aan Besso’s familie. “Nu heeft hij deze vreemde wereld een beetje eerder dan ik verlaten,” schreef Einstein over het overlijden van zijn vriend. “Dat betekent niets. Voor ons gelovige natuurkundigen is het onderscheid tussen verleden, heden en toekomst slechts een hardnekkig hardnekkige illusie.”
Einsteins uitspraak was niet louter een poging tot troost. Veel natuurkundigen beweren dat Einsteins standpunt wordt geïmpliceerd door de twee pijlers van de moderne natuurkunde: Einsteins meesterwerk, de algemene relativiteitstheorie, en het Standaardmodel van deeltjesfysica. De wetten die aan deze theorieën ten grondslag liggen zijn tijdssymmetrisch – dat wil zeggen dat de fysica die zij beschrijven dezelfde is, ongeacht of de variabele die “tijd” wordt genoemd toeneemt of afneemt. Bovendien zeggen zij helemaal niets over het punt dat wij “nu” noemen – een speciaal moment (of zo lijkt het) voor ons, maar schijnbaar ongedefinieerd als wij het hebben over het heelal in het algemeen. De resulterende tijdloze kosmos wordt soms een “blok universum” genoemd – een statisch blok van ruimte-tijd waarin elke stroom van tijd, of passage er doorheen, vermoedelijk een mentale constructie of een andere illusie moet zijn.
Veel natuurkundigen hebben vrede gesloten met het idee van een blok universum, met het argument dat het de taak van de natuurkundige is om te beschrijven hoe het universum eruit ziet vanuit het gezichtspunt van individuele waarnemers. Om het onderscheid tussen verleden, heden en toekomst te begrijpen, moet je “in dit blokuniversum duiken en je afvragen: ‘Hoe neemt een waarnemer de tijd waar?'”, aldus Andreas Albrecht, natuurkundige aan de Universiteit van Californië, Davis, en een van de grondleggers van de theorie van de kosmische inflatie.
Anderen zijn het daar fel mee oneens en stellen dat het de taak van de natuurkunde is om niet alleen te verklaren hoe de tijd lijkt te verstrijken, maar ook waarom. Voor hen is het heelal niet statisch. Het verstrijken van de tijd is natuurkundig. “Ik ben dit blokuniversum spuugzat,” zei Avshalom Elitzur, een natuurkundige en filosoof die voorheen aan de Bar-Ilan Universiteit verbonden was. “Ik denk niet dat volgende donderdag dezelfde voet heeft als deze donderdag. De toekomst bestaat niet. Het bestaat niet! Ontologisch gezien is het er niet.”
Vorige maand kwamen zo’n 60 natuurkundigen, samen met een handvol filosofen en onderzoekers uit andere takken van wetenschap, bijeen in het Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Canada, om over deze vraag te debatteren op de conferentie Time in Cosmology. De conferentie werd mede georganiseerd door de natuurkundige Lee Smolin, een uitgesproken criticus van het blokuniversum-idee (naast andere onderwerpen). Zijn standpunt wordt voor een lekenpubliek uiteengezet in Time Reborn en in een meer technisch werk, The Singular Universe and the Reality of Time, geschreven in samenwerking met de filosoof Roberto Mangabeira Unger, die ook mede-organisator van de conferentie was. In dit laatste werk schreef Smolin, in navolging van Elitzur’s gevoelens over het gebrek aan concreetheid van de toekomst: “De toekomst is nu niet reëel en er kunnen geen definitieve feiten over de toekomst zijn. Wat wel reëel is, is “het proces waarbij toekomstige gebeurtenissen worden gegenereerd uit huidige gebeurtenissen”, zei hij op de conferentie.
De aanwezigen worstelden met verschillende vragen: het onderscheid tussen verleden, heden en toekomst; waarom tijd slechts in één richting lijkt te bewegen; en of tijd fundamenteel is of emergent. De meeste van deze vragen bleven, niet verrassend, onopgelost. Maar vier dagen lang luisterden de deelnemers aandachtig naar de laatste voorstellen om deze vragen aan te pakken – en vooral naar de manieren waarop we onze perceptie van het verstrijken van de tijd zouden kunnen verzoenen met een statisch, schijnbaar tijdloos universum.
Tijd onder het vloerkleed geveegd
Er zijn een paar dingen waar iedereen het over eens is. De richtinggevoeligheid die we waarnemen in de macroscopische wereld is heel reëel: Theekopjes vallen uiteen maar worden niet spontaan weer in elkaar gezet; eieren kunnen worden geklutst maar niet ontklutst. Entropie – een maatstaf voor de wanorde in een systeem – neemt altijd toe, een feit dat is gecodeerd in de tweede wet van de thermodynamica. Zoals de Oostenrijkse natuurkundige Ludwig Boltzmann in de 19e eeuw begreep, verklaart de tweede wet waarom gebeurtenissen zich eerder in de ene dan in de andere richting ontwikkelen. Het verklaart de pijl van de tijd.
Maar het wordt lastiger als we een stap terug doen en ons afvragen waarom we toevallig leven in een universum waar zo’n wet geldt. “Wat Boltzmann echt heeft verklaard is waarom de entropie van het universum morgen groter zal zijn dan vandaag,” zei Sean Carroll, een natuurkundige aan het California Institute of Technology, toen we na de tweede dag van presentaties in een hotelbar zaten. “Maar als dat alles was wat je wist, zou je ook zeggen dat de entropie van het heelal gisteren waarschijnlijk groter was dan vandaag – omdat alle onderliggende dynamieken volledig symmetrisch zijn ten opzichte van de tijd.” Dat wil zeggen, als de entropie uiteindelijk gebaseerd is op de onderliggende wetten van het universum, en die wetten zijn dezelfde voorwaarts en achterwaarts, dan is het even waarschijnlijk dat de entropie toeneemt achterwaarts in de tijd. Maar niemand gelooft dat entropie echt op die manier werkt. Roereieren komen altijd na hele eieren, nooit andersom.
Om dit te begrijpen, hebben natuurkundigen voorgesteld dat het heelal begon in een zeer speciale toestand met lage entropie. In deze opvatting, die de natuurkundige David Albert, filosoof aan de Columbia University, de “verleden-hypothese” heeft genoemd, neemt de entropie toe omdat de oerknal toevallig een heelal met een uitzonderlijk lage entropie heeft voortgebracht. Er was geen andere weg dan omhoog. De verleden-hypothese impliceert dat elke keer dat we een ei koken, we gebruik maken van gebeurtenissen die bijna 14 miljard jaar geleden plaatsvonden. “Wat de oerknal moet verklaren is: ‘Waarom waren er ooit ongebroken eieren?'”
Sommige natuurkundigen hebben meer moeite met de verleden-hypothese dan anderen. Dingen die we niet begrijpen over de fysica van het huidige heelal en dan zeggen dat het antwoord in de oerknal te vinden is, kan misschien worden gezien als het afschuiven van de verantwoordelijkheid – of als het onder het tapijt vegen van onze problemen. Elke keer dat we ons beroepen op de beginvoorwaarden, wordt “de stapel dingen onder het tapijt groter”, zegt Marina Cortes, kosmoloog aan het Royal Observatory in Edinburgh en medeorganisator van de conferentie.
Voor Smolin voelt de voorbije hypothese meer als een erkenning van mislukking dan als een nuttige stap voorwaarts. Zoals hij het stelt in The Singular Universe: “Het feit dat verklaard moet worden is waarom het heelal, zelfs 13,8 miljard jaar na de Big Bang, nog geen evenwicht heeft bereikt, wat per definitie de meest waarschijnlijke toestand is, en het is nauwelijks voldoende om dit te verklaren door te beweren dat het heelal begon in een nog minder waarschijnlijke toestand dan de huidige.”
Andere natuurkundigen wijzen er echter op dat het normaal is om theorieën te ontwikkelen die een systeem kunnen beschrijven gegeven bepaalde initiële condities. Een theorie hoeft er niet naar te streven die condities te verklaren.
Een andere groep natuurkundigen is van mening dat de hypothese over het verleden, hoewel beter dan niets, eerder een plaatshouder is dan een definitief antwoord. Misschien, als we geluk hebben, zal het de weg wijzen naar iets diepers. “Veel mensen zeggen dat de voorbije hypothese gewoon een feit is, en dat er geen onderliggende manier is om het te verklaren. Ik sluit die mogelijkheid niet uit,” zei Carroll. “Voor mij is de verleden-hypothese een aanwijzing om ons te helpen een meer omvattende kijk op het heelal te ontwikkelen.”
De alternatieve oorsprong van de tijd
Kan de pijl van de tijd worden begrepen zonder een beroep te doen op de verleden-hypothese? Sommige natuurkundigen beweren dat de zwaartekracht – en niet de thermodynamica – de pijl van de tijd bepaalt. In deze visie zorgt de zwaartekracht ervoor dat materie samenklontert, waardoor een tijdspijl wordt gedefinieerd die zich uitlijnt met de groei van complexiteit, aldus Tim Koslowski, een natuurkundige aan de Nationale Autonome Universiteit van Mexico (hij beschreef het idee in een artikel uit 2014 dat mede is geschreven door de Britse natuurkundige Julian Barbour en Flavio Mercati, een natuurkundige aan Perimeter). Koslowski en zijn collega’s ontwikkelden eenvoudige modellen van universa bestaande uit 1.000 puntvormige deeltjes, enkel onderworpen aan de gravitatiewet van Newton, en ontdekten dat er altijd een moment zal zijn van maximale dichtheid en minimale complexiteit. Naarmate men zich van dat punt verwijdert, in beide richtingen, neemt de complexiteit toe. Natuurlijk kunnen wij – complexe wezens die in staat zijn waarnemingen te doen – alleen evolueren op enige afstand van het minimum. Toch kunnen we, waar we ons ook bevinden in de geschiedenis van het heelal, wijzen naar een tijdperk van minder complexiteit en dat het verleden noemen, aldus Koslowski. De modellen zijn globaal tijdssymmetrisch, maar elke waarnemer zal een lokale tijdpijl ervaren. Het is veelzeggend dat het lage-entropie-uitgangspunt geen toevoeging aan het model is. Het komt er op natuurlijke wijze uit voort. “De zwaartekracht elimineert in wezen de noodzaak van een verleden-hypothese,” zei Koslowski.
Het idee dat de tijd in meer dan één richting beweegt, en dat wij toevallig in een deel van de kosmos wonen met een enkele, plaatselijk gedefinieerde tijdpijl, is niet nieuw. Al in 2004 kwam Carroll, samen met zijn afgestudeerde student Jennifer Chen, met een soortgelijk voorstel op basis van eeuwige inflatie, een relatief bekend model van het begin van het heelal. Carroll ziet het werk van Koslowski en zijn collega’s als een nuttige stap, vooral omdat zij de wiskundige details van hun model hebben uitgewerkt (hij en Chen deden dat niet). Toch heeft hij enkele bedenkingen. Zo is het volgens hem niet duidelijk dat de zwaartekracht zo’n belangrijke rol speelt als in hun artikel wordt beweerd. “Als je alleen maar deeltjes in de lege ruimte zou hebben, zou je precies hetzelfde kwalitatieve gedrag krijgen,” zei hij.
Het toenemen van de complexiteit heeft volgens Koslowski één cruciaal neveneffect: het leidt tot de vorming van bepaalde ordeningen van materie die hun structuur in de loop van de tijd behouden. Deze structuren kunnen informatie opslaan; Koslowski noemt ze “records”. De zwaartekracht is de eerste en primaire kracht die de vorming van gegevens mogelijk maakt; andere processen geven vervolgens aanleiding tot alles van fossielen en boomringen tot geschreven documenten. Wat al deze entiteiten gemeen hebben, is dat zij informatie bevatten over een vroegere toestand van het universum. Ik vroeg Koslowski of in de hersenen opgeslagen herinneringen ook een soort archiefstuk zijn. Ja, zei hij. “Idealiter zouden we in staat zijn om steeds complexere modellen te bouwen, en uiteindelijk uit te komen bij het geheugen in mijn telefoon, het geheugen in mijn hersenen, in geschiedenisboeken.” Een complexer universum bevat meer gegevens dan een minder complex universum, en dat is volgens Koslowski de reden waarom we ons het verleden wel herinneren, maar de toekomst niet.
Maar misschien is tijd nog wel fundamenteler dan dit. Voor George Ellis, kosmoloog aan de Universiteit van Kaapstad in Zuid-Afrika, is tijd een meer fundamentele entiteit, die kan worden begrepen door het blokuniversum voor te stellen als een universum dat zelf evolueert. In zijn “evoluerend blokheelal”-model is het heelal een groeiend volume van ruimte-tijd. Het oppervlak van dit volume kan worden gezien als het huidige moment. Het oppervlak vertegenwoordigt het moment waarop “de onbepaaldheid van de toekomst overgaat in de bepaaldheid van het verleden”, zoals hij het beschreef. “De ruimte-tijd zelf groeit naarmate de tijd verstrijkt.” Men kan de richting van de tijd onderscheiden door te kijken naar welk deel van het heelal vastligt (het verleden) en welk deel verandert (de toekomst). Hoewel sommige collega’s het er niet mee eens zijn, benadrukt Ellis dat het model een wijziging is, geen radicale herziening, van de standaardopvatting. “Dit is een blokuniversum met een dynamica die wordt gedekt door de algemene-relativiteitsveldvergelijkingen – absoluut standaard – maar met een toekomstige grens die het steeds veranderende heden is,” zei hij. In deze visie ligt het verleden vast en is onveranderlijk, maar is de toekomst open. Het model “geeft duidelijk het verstrijken van de tijd op een meer bevredigende manier weer dan het gebruikelijke blokuniversum,” zei hij.
In tegenstelling tot het traditionele blokbeeld lijkt Ellis’ beeld een universum te beschrijven met een open toekomst – schijnbaar in strijd met een door wetten beheerst universum waarin fysische toestanden uit het verleden de toekomstige toestanden dicteren. (Hoewel kwantumonzekerheid, zoals Ellis opmerkte, voldoende kan zijn om zo’n deterministische visie te doen zinken). Op de conferentie vroeg iemand Ellis of men, gegeven voldoende informatie over de fysica van een bol met een bepaalde straal met het middelpunt op de Britse Midlands begin juni, de uitslag van de Brexit-stemming had kunnen voorspellen. “Niet met behulp van natuurkunde,” antwoordde Ellis. Daarvoor, zei hij, hebben we een beter begrip nodig van hoe geesten werken.
Een andere benadering die het ogenschijnlijke verstrijken van de tijd in overeenstemming wil brengen met het blokuniversum, heet de causale verzamelingenleer. Deze theorie werd in de jaren tachtig ontwikkeld door de natuurkundige Rafael Sorkin – die ook op de conferentie aanwezig was – als een benadering van de kwantumzwaartekracht en is gebaseerd op het idee dat de ruimte-tijd discreet is in plaats van continu. In deze opvatting lijkt het heelal op macroscopisch niveau weliswaar continu, maar als we tot op de zogenaamde schaal van Planck (afstanden van ongeveer 10-35 meter) zouden kunnen kijken, zouden we ontdekken dat het heelal is opgebouwd uit elementaire eenheden of “atomen” van de ruimte-tijd. De atomen vormen wat wiskundigen een “gedeeltelijk geordende verzameling” noemen – een reeks waarin elk element is verbonden met een aangrenzend element in een bepaalde volgorde. Het aantal van deze atomen (geschat op maar liefst 10240 in het zichtbare heelal) geeft aanleiding tot het volume van de ruimte-tijd, terwijl hun volgorde aanleiding geeft tot de tijd. Volgens de theorie ontstaan er voortdurend nieuwe ruimte-tijdatomen. Fay Dowker, een natuurkundige aan het Imperial College in Londen, noemde dit op de conferentie “accretieve tijd”. Ze nodigde iedereen uit om de ruimte-tijd te zien als een aanwas van nieuwe ruimte-tijd atomen, ongeveer zoals een zeebodem in de loop van de tijd nieuwe lagen sediment afzet. Algemene relativiteit levert alleen een blok op, maar causale verzamelingen lijken een “worden” mogelijk te maken, zei ze. “Het blokuniversum is een statisch iets – een statisch beeld van de wereld – terwijl dit wordingsproces dynamisch is. In deze visie is het verstrijken van de tijd een fundamenteel in plaats van een emergent kenmerk van de kosmos. (De causale verzamelingenleer heeft tenminste één succesvolle voorspelling over het heelal gedaan, aldus Dowker, die is gebruikt om de waarde van de kosmologische constante te schatten op basis van alleen het ruimte-tijd volume van het heelal.
Het probleem met de toekomst
In het licht van deze concurrerende modellen lijken veel denkers zich geen zorgen meer te maken en hebben ze geleerd van het blokuniversum te houden (of het tenminste te tolereren).
De sterkste verklaring die op de conferentie werd afgelegd ten gunste van de verenigbaarheid van het blokuniversum met de alledaagse ervaring kwam misschien wel van de filosoof Jenann Ismael van de Universiteit van Arizona. Zoals Ismael het ziet, bevat het blok heelal, op de juiste manier begrepen, de verklaring voor onze ervaring van het ogenschijnlijke verstrijken van de tijd. Een zorgvuldige blik op de conventionele natuurkunde, aangevuld met wat we de afgelopen decennia hebben geleerd van de cognitieve wetenschap en de psychologie, kan “de stroom, de whoosh, van de ervaring” herstellen, zegt ze. In deze visie is tijd geen illusie – in feite ervaren we het direct. Ze haalde studies aan die aantonen dat elk moment dat we ervaren een eindig tijdsinterval vertegenwoordigt. Met andere woorden, we leiden het tijdsverloop niet af; het maakt deel uit van de ervaring zelf. De uitdaging, zei ze, is om deze eerste-persoonservaring te plaatsen binnen het statische blok dat de natuurkunde ons biedt – om te onderzoeken “hoe de wereld eruit ziet vanuit het evoluerende referentiekader van een ingebedde waarnemer” wiens geschiedenis wordt gerepresenteerd door een curve binnen de ruimte-tijd van het blok-universum.
Ismaels presentatie leverde een gemengde reactie op. Carroll zei dat hij het eens was met alles wat ze had gezegd; Elitzur zei dat hij “wilde schreeuwen” tijdens haar voordracht. (Hij verduidelijkte later: “Als ik met mijn hoofd tegen de muur bonk, is dat omdat ik de toekomst haat.”) Een veelgehoord bezwaar tijdens de conferentie was dat het blokuniversum op een belangrijke manier lijkt te impliceren dat de toekomst al bestaat, terwijl uitspraken over bijvoorbeeld het weer van aanstaande donderdag noch waar, noch onwaar zijn. Voor sommigen lijkt dit een onoverkomelijk probleem met de blok-universum zienswijze. Ismael had deze bezwaren al vele malen eerder gehoord. Toekomstige gebeurtenissen bestaan, zei ze, ze bestaan alleen nu nog niet. “Het blokuniversum is geen veranderlijk beeld,” zei ze. “Het is een beeld van verandering.” Dingen gebeuren wanneer ze gebeuren. “Dit is een moment – en ik weet dat iedereen hier dit zal haten – maar de natuurkunde kan wel wat filosofie gebruiken,’ zei ze. “Er is een lange geschiedenis van discussie over de waarheidswaarde van toekomstige voorwaardelijke uitspraken – en het heeft echt niets te maken met de ervaring van tijd.” En voor wie meer wilde lezen? “Ik raad Aristoteles aan,” zei ze.
Correctie: Een fotobijschrift werd herzien op 25 juli 2016, om de spelling van de naam van Jenann Ismael te corrigeren.
Dit artikel werd herdrukt op TheAtlantic.com.