Natuurkunde brengt tijd in een kwantumidentiteitscrisis

In een vacuümkamer bij het National Institute of Standards and Technology in Colorado hangt een enkel aluminium-ion in een magnetische val, trillend bij temperaturen die slechts een fractie van een graad boven het absoluut nulpunt liggen. Het is, voor alle doeleinden, het meest verveelde atoom in het universum. Maar dit piepkleine, bevroren stofje materie bevindt zich momenteel in het middelpunt van een conceptuele botsing die alles wat we denken te weten over het gestage verloop van de middag zou kunnen ontmantelen.

Tientallen jaren lang is ons verteld dat tijd een rivier is. Einstein paste dat beroemd aan door te suggereren dat de rivier met verschillende snelheden stroomt, afhankelijk van hoe snel je roeit of hoe dicht je bij een waterval bent. Maar een nieuw artikel in Physical Review Letters suggereert dat de rivier niet alleen variabel is—hij hapert. Volgens een team onder leiding van Igor Pikovski van het Stevens Institute of Technology kan tijd daadwerkelijk bestaan in een staat van superpositie. Dat betekent, letterlijk, dat één klok tegelijkertijd sneller en langzamer kan tikken.

Dit is niet zomaar een staaltje wiskundige gymnastiek. Het is een fundamentele uitdaging voor de manier waarop we de werkelijkheid waarnemen. Als je ooit het gevoel hebt gehad dat een maandag tergend langzaam voorbijging terwijl een zaterdag in een oogwenk verdween, dan ervaar je een psychologische truc. Waar Pikovski en zijn collega’s over praten, is een fysieke realiteit waarin het universum zelf nog niet heeft beslist hoe oud je bent. Het is de "tweelingparadox" met een vleugje kwantummechanica, en de technologie om dit te bewijzen staat eindelijk op een laboratoriumtafel.

De geest van de tweelingparadox

Om te begrijpen waarom dit de hersenen van natuurkundigen doet kraken, moet je kijken naar de oude regels. Einsteins speciale relativiteitstheorie gaf ons de tweelingparadox: stuur de ene tweeling in een raket met bijna de lichtsnelheid de ruimte in, en wanneer hij terugkeert, is hij jonger dan de tweeling die thuisbleef. De tijd is uitgezet. Hij is uitgerekt. Het is een bewezen feit dat elke dag wordt gebruikt om te voorkomen dat gps-satellieten mijlenver van hun koers raken. Maar in de wereld van Einstein is de tweeling altijd een specifieke leeftijd. Hij is óf 25 óf 30. Hij is niet beide.

De kwantummechanica, de rebelse tiener van de natuurkunde, is het daar niet mee eens. In de kwantumwereld houden dingen er niet van om slechts één ding te zijn. Deeltjes kunnen op twee plaatsen tegelijk zijn—een staat genaamd superpositie—totdat iemand ernaar kijkt. Het team van Pikovski realiseerde zich dat als een klok klein genoeg is en wordt beheerst door kwantumregels, de klok zelf in een superpositie van beweging komt. En omdat beweging de stroom van tijd dicteert, komt de "eigen tijd" van de klok ook in een superpositie terecht.

Het is alsof je een horloge hebt dat tegelijkertijd 12:00 en 12:05 aangeeft, en beide zijn technisch gezien correct. We hebben het niet over een kapot horloge; we hebben het over een universum dat nog niet heeft gekozen. Jarenlang was dit een theoretische "misschien" die achter in notitieboekjes leefde. Het probleem was dat het tijdsverschil zo klein is—gemeten in attoseconden, of biljartste delen van een seconde—dat niets wat we gebouwd hadden het kon zien. Tot nu.

Het vacuüm uitpersen voor antwoorden

De sprong voorwaarts komt van een techniek die klinkt als iets uit een sciencefictionfilm: kwantumsqueezing. In het lab kijken onderzoekers niet alleen naar het atoom; ze manipuleren het vacuüm eromheen. Door de onzekerheid van een systeem te "persen", kunnen ze één meting ongelooflijk precies maken ten koste van het vaag maken van een andere. Het is een afruil die wordt gedicteerd door het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, maar als je het goed doet, kun je de piepkleine, trillende signalen van kwantumtijd versterken.

Gabriel Sorci, een promovendus die aan het project werkt, wijst erop dat deze atoomklokken inmiddels zo gevoelig zijn dat ze de tijdsveranderende effecten van thermische trillingen kunnen detecteren bij temperaturen die een mens in seconden zouden doden. Maar zelfs als je de hitte wegneemt en tot het absolute nulpunt gaat, zal de klok nog steeds niet perfect tikken. De kwantumfluctuaties van het universum zelf—de "ruis" van de werkelijkheid—zullen de klok nog steeds beïnvloeden. Door gebruik te maken van squeezed states, kan het team de beweging van de klok koppelen aan de manier waarop hij tikt, waardoor er een verstrengeling ontstaat tussen tijd en materie.

Deze verstrengeling is het sluitende bewijs. Als de onderzoekers kunnen aantonen dat de interne staat van de klok (zijn "tik") onlosmakelijk verbonden is met zijn kwantumbeweging (zijn "trilling"), dan hebben ze bewezen dat tijd geen achtergronddecor is waarop het universum zijn act opvoert. Tijd is in plaats daarvan een speler in het spel, onderworpen aan dezelfde wazige, onzekere regels als elektronen en fotonen. Het is een onthutsende realiteit die onze nette, lineaire kijk op het bestaan compliceert.

Waarom de seconde op het punt staat opnieuw gedefinieerd te worden

Maar terwijl we streven naar dit niveau van precisie, stuiten we op een muur. Als tijd zelf fundamenteel kwantumachtig en "wazig" is op deze schaal, hoe definieer je dan een universele seconde? Als een klok op twee snelheden tegelijk kan tikken, welke komt dan in het officiële register? Dit is niet alleen een hoofdpijndossier voor het Internationaal Bureau voor Maten en Gewichten; het is een teken dat onze klassieke instrumenten hun limiet bereiken. We proberen een haperende werkelijkheid te meten met een liniaal die ervan uitgaat dat alles solide is.

De zoektocht naar een nauwkeurigere klok verandert onbedoeld in een zoektocht naar de ware aard van de werkelijkheid. Natuurkundigen bouwen niet langer alleen tijdmeters; ze bouwen probes. Deze klokken worden sensoren voor het onzichtbare, in staat om donkere materie of de rimpelingen van zwaartekrachtgolven uit de verste uithoeken van de kosmos te detecteren. Maar het meest schokkende dat ze zouden kunnen ontdekken, is het feit dat tijd niet bestaat op de manier waarop wij denken dat hij bestaat.

Is tijd slechts een enorme collectieve illusie?

Er is een groeiend, enigszins ongemakkelijk debat in de natuurkundige gemeenschap over de vraag of tijd "emergent" is. Het idee is dat tijd op het meest fundamentele niveau helemaal niet bestaat. Het is slechts iets dat verschijnt wanneer veel kwantumstukjes met elkaar verstrengeld raken, net zoals "temperatuur" geen eigenschap is van één atoom, maar een heel reëel verschijnsel is voor een pan kokend water. Als tijd emergent is, dan is het superpositie-experiment van Pikovski de eerste stap om achter het gordijn te kijken.

Als we ontdekken dat tijd in twee staten tegelijk kan zijn, suggereert dit dat Einsteins vloeiende, continue ruimtetijd slechts een handige benadering is. Het is de versie met lage resolutie van een veel vreemdere, korreligere werkelijkheid. Dit is de heilige graal van de moderne natuurkunde: de brug tussen de Algemene Relativiteitstheorie (het grote spul) en de Kwantummechanica (het kleine spul). We hebben een eeuw besteed aan het proberen de twee te verenigen, en tijd is misschien wel de ring die hen verbindt.

Einstein vroeg zich beroemd af of de maan er nog steeds was als er niemand keek. Hij haatte het idee dat de werkelijkheid afhankelijk was van een waarnemer. Maar als tijd zelf in een superpositie kan zijn "wanneer er niemand kijkt", dan is de maan er niet alleen—hij bestaat in een waas van verschillende leeftijden, wachtend op een meting die hem in één tijdlijn vastlegt. Het is een gedachte die de rigide, klok-kijkende wereld van de negen-tot-vijfbaan opmerkelijk broos maakt.

Het laboratorium is de nieuwe grens

Het meest opwindende hieraan is niet de filosofie; het is het feit dat het daadwerkelijk gebeurt. Dit is geen theorie die een deeltjesversneller ter grootte van het zonnestelsel vereist. Het vereist de ionenvallen en lasers die al in laboratoria in Colorado en Duitsland staan. We zijn op het punt gekomen waarop de hardware de verbeelding heeft ingehaald. De experimentele groepen aan de Colorado State University en NIST brengen al de weg in kaart om deze effecten voor het eerst waar te nemen.

We treden een tijdperk binnen waarin "klokprecisie" niet langer gaat over het garanderen dat je trein op tijd rijdt. Het gaat over het onderzoeken van de wrijving tussen twee versies van het universum. De ene versie is die van Einstein, waar alles relatief maar zeker is. De andere is de kwantumversie, waar alles mogelijk maar niets vastgelegd is. Door één atoom te dwingen in beide werelden te leven, vragen we de tijd eindelijk wat hij werkelijk is wanneer hij niet bekeken wordt.

Wanneer deze experimenten hun eerste resultaten opleveren, zullen ze niet slechts een voetnoot in een natuurkundig tijdschrift zijn. Ze zullen het signaal zijn dat de "pijl van de tijd" meer een suggestie is dan een regel. We zouden kunnen ontdekken dat het universum veel minder stabiel, en veel interessanter is, dan het tikken van een klok ons wil doen geloven. Voor de persoon die in de bus op zijn telefoon scrolt, is de conclusie simpel: de volgende keer dat je het gevoel hebt dat de dag eindeloos duurt, heb je misschien letterlijk gelijk. Je wacht gewoon op het universum om te beslissen op welke snelheid het wil lopen.