Stephen Hawking en Thomas Hertog over het ontstaan van de tijd

Tijd is iets vreemds. Enerzijds lijkt hij vanzelfsprekend. De tijd is er gewoon, net als de ruimte. We benutten, verspelen en koesteren hem, en we kunnen ons maar moeilijk de werkelijkheid inbeelden zonder tijd. Anderzijds versluiert die vanzelfsprekendheid de diepere aard van tijd.  Er is een oude oosterse wijsheid die zelfs zegt: ‘Tijd is het grootste mysterie. In haar schoot bestaan alle andere mysteriën.’  

Waaruit bestaat tijd eigenlijk? Wat zijn de atomen van de tijd? Wat maakt dat we ons het verleden (deels) herinneren en de toekomst niet? En wat is de oorsprong van de krachtige pijl van de tijd, die vele miljarden jaren van kosmische en biologische evolutie drijft? Wie of wat heeft destijds de klok opgewonden? Het zijn grote, eeuwenoude vragen die vandaag -- en dat is op zich al heel bijzonder -- ook in de natuurkunde hoog op de agenda staan. 

Absolute Tijd

De traditionele kijk op tijd van de natuurkunde gaat terug tot het werk van Isaac Newton in de zeventiende eeuw. Newton, een moeilijk karakter en uitmuntend wiskundige, begreep dat de mathematische onderbouw van de werkelijkheid vervat zit in bewegingswetten. Echter, geen eenduidige wetten van beweging zonder een universele klok, zo dacht Newton, en dus poneerde hij de notie van Absolute Tijd – een kosmische Big Ben als het ware. Het wordt wel eens gezegd dat Newton zijn `uitvinding’ van Absolute Tijd als zijn grootste ontdekking beschouwde. 
Maar in de vroege twintigste eeuw haalde Albert Einstein Newtons idee van Absolute Tijd onderuit. Zijn motivatie had alles te maken met de lichtsnelheid. Precisiemetingen toonden aan dat lichtstralen zich altijd voortplanten met een snelheid van 299.792.458 meter per seconde, ongeacht de beweging van de waarnemer ten opzichte van de lichtbron. Einstein besefte dat als de lichtsnelheid een universele constante is, waarnemers die ten opzichte van elkaar bewegen er andere noties van afstand en tijd op na moeten houden. Er is niet één universele maat voor zaken als tijdsduur en lengte. Dit was de crux van Einsteins speciale relativiteitstheorie van 1905. Het woord ‘relativiteit’ verwijst precies naar dit revolutionaire idee dat noties van lengte, tijd en gelijktijdigheid geen zuiver objectieve feiten zijn, maar afhankelijk zijn van het perspectief van een bepaalde waarnemer. 

Albert Einsteins relativiteit

Met haar nieuwe visie op ruimte en tijd brak Einsteins relativiteitstheorie met de diepgewortelde newtoniaanse kijk op de wereld. Ruimte en tijd ‘zijn er gewoon’, had Newton geponeerd. Zij vormen een van God gegeven, onveranderlijke kosmische arena waarin alles gebeurt, maar ontsnappen zelf aan de greep van de wetenschap. In Newtons denken kon absoluut niets van wat er zich in het heelal afspeelde ook maar enige invloed hebben op de aard van de ruimte en het verloop van de tijd. Tijd en ruimte waren ook niet met elkaar verbonden. Volgens Newton was tijd er altijd geweest en zou hij er altijd zijn, als een rivier die gestaag van het oneindige verleden naar de oneindige toekomst stroomt, ongeacht wat voor ruimte er al dan niet bestaat.

Einsteins speciale relativiteitstheorie daarentegen verstrengelde ruimte en tijd. De Duitse wiskundige Hermann Minkowski, die aan de Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) van Zürich nog een van Einsteins professoren was geweest, bezegelde dit verband in 1908, in zijn boek Raum und Zeit. Hierin stelde hij dat ‘vanaf nu de ruimte als zodanig en de tijd als zodanig zich in de schaduw zullen terugtrekken, en alleen een soort vereniging van de twee van betekenis zal blijven’. Minkowski liet de drie dimensies van de ruimte en de tijd samensmelten tot één enkele vierdimensionale entiteit: de ruimtetijd. 

Figuur 1: Hermann Minkowski’s diagram verenigt ruimte en tijd tot ruimtetijd. (c) Thomas Hertog.

Daarop begon Einstein ook Newtons universele gravitatiewet te heroverwegen. Hij wilde ons begrip van de zwaartekracht op één lijn krijgen met zijn nieuwe visie op de ruimtetijd. Dit zou een huzarenstukje worden, een wiskunde-expeditie waarin hij acht jaar onderweg zou zijn en die hij later omschreef als ‘een lange, eenzame tocht door de woestijn, op zoek in het duister naar een waarheid die je voelt maar die je niet kunt uitdrukken.’ Zijn inspanningen werden beloond: in november 1915, in de donkere dagen van de Eerste Wereldoorlog, kon hij eindelijk zijn algemene relativiteitstheorie voorstellen, een nieuwe beschrijving van gravitatie, conform zijn speciale relativiteitstheorie van de ruimtetijd, die van al zijn wetenschappelijke prestaties de meest verregaande gevolgen zou hebben. 

Ruimtetijd

De zwaartekracht doet zijn entree in Einsteins theorie niet als een onafhankelijke kracht, maar als een manifestatie van de wisselwerking tussen materie en de vorm van de ruimtetijd. Zo stelt de theorie dat de aarde rond de zon draait, niet omdat er een mysterieuze kracht is die zich over zo’n enorme afstand laat gelden, zoals Newton poneerde, maar omdat de enorme massa van de zon de ruimtetijd om zich heen een weinig vervormt. Die kromming creëert een soort van vallei die de aarde (en de andere planeten) in min of meer elliptische banen rond de zon loodst. We kunnen die vallei in de ruimtetijd niet zien, maar we voelen haar – dat is de gravitatie! Kortom, de algemene relativiteitstheorie blies leven in ruimte en tijd. Einstein transformeerde het weefsel van de ruimte en de stroom van de tijd van een abstracte onwrikbare achtergrond die ons begrip te boven gaat tot een vervlochten, haast tastbaar fysisch veld dat kan vervormen en veranderen.

Dag zonder gisteren

Met Einsteins relativiteitstheorie bevond de natuurkunde zich in een heel bijzondere positie. Voor het eerst leek een beschrijving van het heelal als geheel – het hele al – binnen het bereik van de wetenschap. Einstein realiseerde zich reeds in de pioniersdagen van de algemene relativiteit dat zijn theorie mogelijk een radicaal nieuwe kijk op de kosmos inhield. Toch heeft hij die laatste stap niet durven zetten. Die eer viel te beurt aan de Belgische priester-astronoom Georges Lemaître, een boeiende, aimabele figuur, geboren en getogen in Charleroi, die in de late jaren twintig van de vorige eeuw met open vizier de kosmologische implicaties van de relativiteitstheorie bestudeerde. Lemaître ontdekte dat die implicaties veel verder gingen dan wat Einstein – en alle andere wetenschappers – zich in hun stoutste dromen hadden kunnen voorstellen. Hij zag met name in dat het eeuwige, onveranderlijke heelal dat Newton, en ook Einstein, voor ogen hadden, in feite instabiel was. Een statisch heelal is als een naald die op haar kop balanceert: geef haar het minste duwtje en het begint te krimpen of te expanderen. 

Lemaîtres geniale ingeving was dat hij het diepgewortelde idee van een onveranderlijke kosmos liet varen en in de relativiteitstheorie las wat de theorie al die jaren had proberen te zeggen: het heelal dijt uit. Door massa en energie met de vorm van het ruimteweefsel te verbinden, maakt Einsteins theorie de ruimte onvermijdelijk dynamisch – niet alleen plaatselijk rond individuele objecten, maar ook in extenso, op de schaal van de hele kosmos. Dit was het startschot voor de grootste paradigma-verschuiving in de kosmologie sinds Newton.

Uitdijend heelal

Lemaître besefte dat een uitdijend heelal iets heel anders is dan een gewone explosie. Een explosie doet zich voor op een specifieke locatie. Als je vanaf een afstand naar een ontploffende ster kijkt, ziet de ruimte er heel anders uit in de richting van de ster dan wanneer je de andere kant op kijkt. Dit geldt niet voor een uitdijend heelal. Een heelal in expansie heeft geen centrum en geen rand, want het is de ruimte zelf die uitzet. De uitdijing is de ontploffing van de ruimte. ‘De nevels [sterrenstelsels] zijn als microben op het oppervlak van een ballon’, legde Lemaître uit. ‘Als de ballon groter wordt, ziet elke microbe dat de andere zich verwijderen en krijgt zo de indruk – maar niet meer dan de indruk – in het middelpunt te staan.’ 

Het meest duizelingwekkende gevolg van de uitdijing van de ruimte is dat het heelal in een ver verleden onvoorstelbaar anders moest zijn geweest dan vandaag, en allicht een begin moet hebben gehad. ‘We hebben een complete herziening van onze kosmogonie nodig,’ stelde Lemaître, ‘een vuurwerktheorie van kosmische evolutie.’ In Lemaîtres epische diagrammen van de uitdijende ruimte vind je in de linkerbenedenhoek steevast ‘t = 0’, het nulpunt van de tijd. De oerknal, of ‘dag zonder gisteren’ zoals Lemaître placht te zeggen. Lemaître stelde zich dat begin voor als de spectaculaire versplintering van een oeratoom, een stip met een verbijsterende dichtheid waaruit alle materie, ruimte en, ja zelfs tijd zouden zijn ontstaan. Op zoek naar fossiele overblijfselen van de geboorte van het heelal raakte hij geïnteresseerd in kosmische stralen, die hij beschouwde als hiërogliefen van de oerknal. 

Figuur 2: Georges Lemaître tekende dit iconische diagram omstreeks 1930. (c) Thomas Hertog.

Een biofiele oerknal?

Met zijn suggestie dat tijd ooit is ontstaan en meer zelfs, dat we kunnen beschrijven hoe dat in zijn werk is gegaan, waagde Lemaître zich ver voorbij waar Einsteins theorie hem kon gidsen. Einstein zelf huiverde van het idee van een begin. Dit hoeft niet te verbazen: de oerknal is een singulariteit volgens de algemene relativiteitstheorie, een moment waarop de kromming van de ruimtetijd oneindig groot wordt en Einsteins vergelijking doldraait. Einstein vreesde daarom dat Lemaîtres oeratoom, of eender welke andere vorm van een kosmisch begin, de deur zou openen voor God om zich met de werking van de natuur te bemoeien. Vergeefs probeerde de Belgische abbé Einstein gerust te stellen. Hij betoogde zelfs dat de hypothese van het oeratoom de antithese van de bovennatuurlijke schepping was. 
 

Het is dan ook een bijzonder verwarrende stand van zaken. Als tijd met de oerknal is ontstaan, lijkt elke vraag naar wat daarvóór gebeurd is volkomen zinloos. Elke speculatie over wat de oerknal veroorzaakt heeft, lijkt misplaatst want het vergt een notie van tijd om überhaupt van oorzaken en gevolgen te kunnen spreken. Dit ogenschijnlijke failliet van een basisidee als oorzakelijkheid was de kern van de zaak in het debat waarin Einstein tegenover Lemaître kwam te staan. Einsteins visie op dat beginpunt was doordrenkt van het oude determinisme dat teruggaat tot Newton. Binnen zo’n deterministisch kader gaat een echte oorsprong samen met initiële omstandigheden van eenzelfde graad van complexiteit als het heelal dat eruit voortvloeit. Een heelal waarin zich na miljarden jaren complexe structuren ontwikkelen, vereist in feite al van bij de start condities van eenzelfde complexiteitsniveau. Een heelal zoals het onze dat speciaal ontworpen lijkt om leven voort te brengen, heeft beginvoorwaarden nodig die dat biofiele karakter al in zich dragen. Daardoor lijkt het de facto alsof het een bovennatuurlijke kracht vergt om een levensvriendelijk heelal met alle specifieke eigenschappen van dien in beweging te zetten. 

Natuurwetten

Maar het heelal is wat het is. Ondanks de filosofische bezwaren van haar pioniers wees de relativiteitstheorie zowel toen als nu duidelijk in de richting van een ware oorsprong. Alzo ontpopte de oerknal zich zowel tot de hoeksteen als de achilleshiel van de relativistische kosmologie – onvermijdelijk maar schijnbaar ook onbevattelijk.

Een klim in de ruimte, een magisch-realistisch tafereel.

Op dit enigma hebben Stephen Hawking en ikzelf jarenlang gezwoegd. Samen ontwikkelden we een kwantumkijk op de kosmogenese. En wat blijkt? De kosmos is het determinisme te slim af. De kwantumtheorie doordrenkt de natuurkunde van onzekerheid en ‘wazigheid’. Onder de extreme omstandigheden van de vroegste stadia van het heelal worden zelfs tijd en ruimte wat wazig. 

Onze hypothese stelt dat er in die prille beginfase een diepere laag van evolutie schuilgaat waarin de natuurwetten zelf tot stand komen. Willekeurige kwantumsprongen maken bovendien dat deze  evolutie een Darwiniaans karakter heeft, met een wisselwerking van variatie en selectie die zich afspeelt in de oeroven van het jonge heelal. De interactie tussen die twee concurrerende krachten resulteert in een vertakkingsproces – enigszins zoals de levensboom van biologische soorten miljarden jaren later tot stand komt – waarin dimensies, krachten en soorten deeltjes diversifiëren, totdat de structuur van de natuurwetten zich kristalliseert wanneer het heelal uitdijt en afkoelt. Wat geldt voor Darwins evolutie, gaat ook hier op: de toevalligheden betekenen dat je de uitkomst van deze oeroude evolutie alleen ex post facto kunt begrijpen. 

Tijd zonder Tijd

Deze visie wordt onderbouwd door de holografische revolutie die door de theoretische natuurkunde raast. Het idee dat het heelal iets weg heeft van een hologram stelt dat alles wat we in de vier vertrouwde dimensies van ruimte en tijd ervaren, eigenlijk een weerspiegeling is van een verborgen werkelijkheid die zich in drie dimensies afspeelt. De ontdekking van holografie maakt het mogelijk om de relativiteitstheorie met de kwantumtheorie te verzoenen. In de holografische natuurkunde zijn gravitatie en kwantumtheorie niet als water en vuur, maar als yin en yang: twee heel verschillende maar complementaire beschrijvingen van een en dezelfde werkelijkheid. In zijn meest ambitieuze vorm poneert holografie dan ook dat als we dit verborgen hologram zouden kunnen ontcijferen, we de allerdiepste kern van de fysische werkelijkheid zouden begrijpen. 

Figuur 3: Schematische weergave van de kosmos als hologram. (c) Thomas Hertog.

Een ordinair optisch hologram codeert een derde ruimtelijke dimensie als lijnen en krabbels op een scherm. In een hologram van de kosmos is het de vierde tijdsdimensie die holografisch wordt geprojecteerd. De Escherachtige schijf in fig.3 illustreert dit idee. Op de rand van de schijf bevindt zich een tijdloos hologram bestaande uit onnoemelijk veel verstrengelde kwantumpartikels. De schijf zelf stelt de evolutie van het uitdijende heelal voor die uit dit hologram voortvloeit. De oerknal bevindt zich in het centrum van de schijf, en het heelal dijt uit naar de rand toe. 

Op deze manier schildert de holografische kosmologie een heelal dat continu gecreëerd wordt. Het is alsof er een code is die inwerkt op ontelbaar veel verstrengelde kwantumbits, en dat ervaren we als het verstrijken van de tijd. Holografie plaatst dus de notie van informatie centraal in de fundamentele natuurkunde. Zij schetst een beeld waarin achter de fysische werkelijkheid van materiedeeltjes en straling, van velden en het weefsel van de ruimtetijd, een meer abstracte entiteit schuilt: kwantuminformatie.

Het ontstaan van de tijd, een boek van Thomas Hertog.

Stephen Hawking

We gaan terug in de tijd, in de richting van het centrum van de schijf in fig.3, door het hologram op de rand op grotere schalen te beschouwen. Het is alsof je uitzoomt en een meer wazige kijk inneemt. Uiteindelijk blijven er echter geen verstrengelde bits meer over. Dit is het ontstaan van de tijd in onze hypothese. Er is niets voor de oerknal, omdat het verleden dat holografisch geprojecteerd wordt niet verder terugreikt. 

Deze inzichten plaatsen het mysterie van het schijnbaar biofiele ontwerp van het universum in een nieuw daglicht. De vroege Hawking zocht een fundamenteel oorzakelijke verklaring voor de oerknal op basis van onveranderlijke natuurwetten die als het ware boven het universum uitstijgen. Maar de nieuwe theorie die de latere Hawking en ik voorstelden, leest de geschiedenis van het heelal van binnenuit en als een geschiedenis die in de vroegste stadia de genealogie van de natuurwetten omvat. Zij voorspelt dat de natuurkunde zelf vervaagt bij de oerknal. Onze hypothese vervat niet zozeer een wet van het ontstaan, maar ook en vooral het ontstaan van de wet. Wat blijft er dan over van de eeuwenoude vraag naar de ultieme oorzaak van de oerknal? Die lijkt te verdampen. Niet de natuurwetten als zodanig, maar hun vermogen om te veranderen en te muteren zou het laatste woord hebben.

Thomas Hertog is een internationaal vermaard kosmoloog en hoogleraar aan de KU Leuven. Hij doctoreerde aan de universiteit van Cambridge en werkte als onderzoeker aan de universiteit van Californië te Santa Barbara en aan het CERN in Genève. Samen met zijn mentor en collega Stephen Hawking ontwikkelde hij een nieuwe baanbrekende theorie van de oerknal. Vlak voor zijn overlijden in 2018 vroeg Stephen Hawking om hun theorie te publiceren, wat onlangs gebeurde. In Het ontstaan van de tijd (Lannoo, 2023) vertelt Thomas Hertog over de lange boeiende samenwerking met Hawking en over hun vernieuwende theorie over de oorsprong van het heelal.  Hij neemt de lezer mee op een onthullende ruimtereis door de kosmos, heel ver terug in de tijd. Tijdens die tocht staat hij stil bij onder andere de snaartheorie, relativiteitstheorie, kwantummechanica, oerknal, zwarte gaten, natuurwetten, en uiteraard bij de evolutie van het leven en het verstrijken van de tijd.

(bio door Colette Demil)