Eerst volgt de tekst van de presentatie van Sven, daarna de powerpointpresentatie van 1 oktober.
Wat is tijd? Sven Janssen, 1 oktober 2025
Ede Staal, een Groningse zanger, schreef in Credo-mien bestoan:
Ik wait, der is 'n tied van komen,
En ook 'n tied van goan,
En alles wat doar tussen ligt,
Ja, dat is mien bestoan.
Daarmee geeft hij aan dat het ons kostbaarste bezit is, het is het toneel van ons leven, we hebben er nooit genoeg van, maar wat is het? Wat is tijd?
Ik wil vandaag eens wat dieper ingaan op dat ook voor mij mysterieuze fenomeen: wat is tijd?
Mijn praatje is als volgt opgebouwd:
· Klassieke duiding tijd
· ‘Nieuwe’ duiding tijd als gevolg van Einstein
· Wat is nu?
· Hoelang duurt de tijd?
· Heeft tijd een richting in de natuur?
· Patstelling?
Wanneer we eens dieper ingaan op het begrip tijd dan komen we tot een aantal kenmerken die ik voor het gemak de klassieke duiding noem. Waarom klassiek? Omdat deze duiding gold van de klassieke oudheid tot het begin van de 20e eeuw, 1905, toen veranderde alles.
De klassieke tijd:
· Lijkt een opeenvolging van gebeurtenissen geordend in een rij, een tijdslijn
· Tijd lijkt een richting te hebben in het alledaagse leven
· Het huidige moment is ‘nu’, alles wat daar voor ligt is verleden en wat komen gaat is de toekomst
· De tijd kan gemeten worden met klokken, die repeterende gebeurtenissen tellen, de aarde draait om haar as, de maan rond de aarde, de aarde rond de zon; klokken meten repeterende gebeurtenissen, maar dat zegt niets over de aard van het fenomeen tijd
· Hierbij gaan we ervan uit dat alle klokken dezelfde tijd aangeven
· Er lijkt een absolute tijd te bestaan die doorloopt wat en of er ook gebeurt, dit althans is de interpretatie van Newton. Staat lijnrecht tegenover Aristoteles die poneert dat de tijd stopt als er niets gebeurt
· Deze tijd is universeel, alsof er een moederklok is in het heelal
· En natuurlijk is overal de tijd en de tijdsduur hetzelfde
En toen was er Einstein.
In 1905 beleefde hij zijn ‘wonderjaar’. In dat jaar publiceerde hij niet minder dan 4 artikelen die allemaal een Nobelprijs waardig waren. Toch kreeg hij de Nobelprijs pas in 1921. Waarom? Hij was theoretisch natuurkundige, en een Nobelprijs wordt pas dan gegeven wanneer de theorie in experiment is bewezen. Hij kreeg de Nobel prijs niet voor de relativiteitstheorie. En pas in 1921, kort nadat hij in 1919 de eerste wetenschappelijke superster was geworden. Maar daarover later meer.
Hij ontwikkelt in 1905 ondermeer de speciale relativiteitstheorie. En nu alstublieft niet afhaken! De speciale relativiteitstheorie gaat over de natuurkundige wetten in het platte vlak, 2 dimensies. Waarom is deze theorie zo revolutionair? Omdat het fundament van het begrip tijd en lichtsnelheid zoals gegeven door Newton weggevaagd wordt.
Wanneer we de wiskunde strippen van deze theorie en naar de kern kijken dan blijven er twee gegevens over:
1. Lichtsnelheid is een universele constante, 300.000 km per seconde
2. Lichtsnelheid is de hoogst mogelijke snelheid, 300.000 km per seconde
3. Dit verandert de visie op tijd helemaal
De consequenties van de speciale relativiteitstheorie zijn groot. In het klassieke tijdsbeeld was ‘nu’ voor iedereen hetzelfde, omdat men dacht dat de lichtsnelheid oneindig was. Dat is niet langer zo.
Wanneer we naar elkaar kijken dan duurt het een paar nanoseconden voor we elkaar zien. Ik zie jou in jouw verleden, jij ziet mij in mijn toekomst. In de dagelijkse praktijk maakt dat niets uit. Een mens kan < 0.1 seconde tijdsverschil niet onderscheiden. Dat is 30.000 km lichtsnelheid. En dat omvat dus de hele aarde. Onze aarde is dus gevoelsmatig een bubbel met dezelfde tijd.
Een ander voorbeeld over een grotere afstand. Stel Elon Musk zit op mars en ik stuur hem een bericht om te vragen hoe het met hem gaat. Dat bericht bereikt hem na 3-22 minuten, het antwoord , het gaat goed, duurt even zo lang. Maar in de tussentijd kan het best zijn dat hij van de marslander is gevallen en dat het niet goed gaat. Er is geen enkele manier om zijn en mijn leven te synchroniseren.
Nu een ander, en heel extreem voorbeeld. De James Webb telescoop maak een opname van een extreem ver sterrenstelsel dat 290 miljoen jaar na de Bing Bang is ontstaan, dus 13.5 miljard jaar geleden. De aarde bestaat 4.6 miljard jaar. Wij zien dus iets dat ontstaan is voordat ons zonnestelsel bestond.
In de klassieke interpretatie volgen gebeurtenissen elkaar in een rij op en zijn de hedens wereldwijd gesynchroniseerd. In het nieuwe tijdsbeeld zijn de hedens individueel bepaald met een eigen verleden en toekomst, begrensd door wat in die tijd door de lichtsnelheid kan worden bereikt.
De volgende vraag is of tijdsduur overal gelijk is. Neen!
Een ander ingrijpend gevolg komt van het gegeven dat de lichtsnelheid de maximale snelheid is, een natuurconstante. Wat moeten we met het volgende? Stel ik reis met de trein en ik schijn met een zaklamp naar voren uit de trein. Moet ik dan de snelheid van de trein optellen bij de lichtsnelheid?
Nu nog een gedachte-experiment van Einstein. Stel ik reis met de trein en heb bij mij een lampje en twee spiegels. De lichtstraal stuitert heen en weer tussen de twee spiegels. Voor mij is het zo dat de lichtstraal in een tijd t een afstand x maal d aflegt. Maar voor iemand die op het perron staat en de trein langs ziet komen is het als of het licht in het zelfde tijdsbestek een zig-zag traject heeft afgelegd met een grotere afstand, een grotere snelheid dus. Dat kan niet. En dat kan alleen maar betekenen dat de tijd vertraagd wordt door snelheid.
Dit wordt genoemd tijdsdilatatie ivm beweging.
Dat dit zo is, is bij herhaling vastgesteld door met nauwkeurige klokken de tijd te meten in een bewegend vliegtuig versus de grond.
Hiermee is tijdsreizen in de toekomst mogelijk. Een ruimtereiziger zal bij terugkomst op aarde minder oud geworden zijn dan iemand die thuis bleef.
Maar het effect wordt pas drastisch wanneer iets beweegt met snelheden in de buurt van de lichtsnelheid. Stel ik reis naar de dichtstbijzijnde ster proxima centauri die zich op 4 lichtjaren bevindt. Wanneer ik met 99.9 % van de lichtsnelheid reis dan ben ik er in 2 maanden. Wanneer ik een foton ben die per definitie met de lichtsnelheid reist dan ben ik er instantaan, een foton kent geen tijd!
Ander voorbeeld maar dan dichterbij. In CERN wordt in de Large Hadron Collider protonen versneld tot bijna de lichtsnelheid, waarna ze botsen en de daaruit ontstane deeltjes worden bestudeerd. Bij deze snelheid duurt 1 proton seconde 2 uur voor de waarnemer. Daar moeten ze rekening mee houden bij de uitvoer en interpretatie van experimenten. Tijdsdilatatie met name van belang bij hele hoge snelheden.
Samengevat heeft de speciale relativiteitstheorie (SRT) de volgende consequenties voor het begrip tijd:
1. Er is geen gemeenschappelijk nu
2. Tijdsduur is afhankelijk van (onderlinge) snelheid
Maar Einstein heeft meer voor ons in petto. In 1916 publiceert hij de algemene relativeitstheorie (ART). Dit is een theorie over zwaartekracht, over de natuurwetten in 3-4 dimensies.
Tot die tijd werd voor het begrip zwaartekracht de zwaartekrachtswetten van Newton gebruikt. Deze voldoen uitstekend, maar geven nog niet het begin van een verklaring voor het bestaan van zwaartekracht. De zwaartekrachtwet van Newton zegt dat twee hemellichamen elkaar aantrekken met een kracht die evenredig is aan der massa’s en omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand. Maar wat is zwaartekracht? Hoe is het mogelijk dat hemellichamen elkaar over zo grote afstand kunnen beïnvloeden?
Einstein legt in de ART uit dat massa de ruimte en de tijd doet krommen. Alsof er een zware bal op een trampoline ligt. Deze kromming beïnvloedt de beweging van deeltjes, zoals de baan van de aarde rond de zon.
Maar hoe bewijs je deze theorie? Het waren Eddington en Einstein die een geweldig idee hadden. Stel je meet de onderlinge positie van sterren ’s nachts, die maken een bepaalde hoek vanuit het perspectief van de waarnemer. Nu plaats ik een heel zwaar object, bijvoorbeeld de zon, tussen die twee sterren. Als Einstein gelijk heeft dat wordt de stralengang van de twee sterren gebogen en zie ik ze op een andere locatie. Probleem is dat ik de sterren overdag niet kan zien. En nu de truc: kijk ernaar tijdens een zonsverduistering: dan staat de zon in de stralengang van de sterren en is de lucht donker. Zo zien de foto’s van de eclips op 29-5-1919 eruit: de schijnbare en echte locatie van de sterren onder invloed van de massa van de zon zijn duidelijk.
Hiermee werd Einstein in een klap de eerste wetenschappelijk wereldster. Hij kreeg de Nobelprijs in 1921 maar niet voor de ART, voor het foto-elektrische effect. De Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen vond de onderbouwing van der ART door Eddington te speculatief.
De gevolgen van de ART zijn geweldig. Want het betekent dat tijd vertraagd wordt onder invloed van massa. Dit betekent ook dat hoe verder ik van de kern van de aarde ben, ho sneller de tijd loopt. Dit kan met nauwkeurige klokken bepaald worden tot een hoogteverschil van 40 cm. Zo beweegt mijn neus sneller dan mijn voeten. Et voilà! Zo blijf ik met mijn voeten op de grond.
Alle componenten van de relativiteitstheorie komen samen bij de werking van het GPS systeem. De positie wordt door het tijdsverschil van een signaal verstuurd door 3 satellieten nauwkeurig bepaald. Maar het systeem is niets waard als niet gecorrigeerd wordt voor verschillen in snelheid en afstand tot de kern van de aarde: de ene doet de tijd langzamer lopen, de ander sneller. De atoomklok van de satelliet met met 38 microseconde vertraagd worden = 11.4 km!!
Een extreem voorbeeld van tijdsvertraging door massa gebeurt in de buurt van een zwart gat. Een zwart gat ontstaat door het ineenstorten van een zware ster, de zwaartekracht is dat zo sterk dat niets, zelfs licht niet kan ontsnappen. Op de rand van een zwart gat lijkt de tijd stil te staan.
Dan komen we bij de volgende vraag: heeft tijd een richting.
Het antwoord is ja, en wel omdat een ijsblokje smelt….In het universum is er geen richting aan de ruimte. Een astronaut die door de ruimte zweeft heeft geen gevoel van richting. Dat wij richting ervaren komt door de nabijheid van de aarde.
Dan is de vraag: heeft tijd een richting? Die vraag is daarom legitiem, omdat fundamentele natuurkundige wetten geen tijd kennen, geen verschil in verleden, heden en toekomst.
Waarom zijn verleden, heden en toekomst toch verschillend? Dat komt door entropie, een moeilijk en verwarrend begrip. Eerst een moeilijke definitie, daarna heel duidelijke voorbeelden. Entropie is het streven van de natuur naar verdeling van energie en informatie. De natuur neigt van orde naar chaos. Entropie neemt nooit (spontaan) af, neemt altijd toe. Dit is de tweede hoofdwet van de thermodynamica. De eerste hoofdwet is die van het behoud van energie. Energie kan wel omgezet worden in een andere vorm, maar gaat nooit verloren.
Nu een paar verduidelijkende voorbeelden. Een warm kopje koffie koelt af, de warmte verspreidt zich naar de omgeving; het omgekeerde is onmogelijk, het kopje zal niet spontaan warm worden. Daarom kan entropie alleen maar toenemen.
De slaapkamer van de kleinkinderen is ’s morgens opgeruimd, s’ avonds een chaos, toename van entropie. Een kamer kan maar op een manier opgeruimd zijn, en op vele manieren niet opgeruimd.
Parfum zit in een klein flesje, wanneer deze verneveld wordt vult het de hele kamer, toename van entropie, het verspreiden van de parfum druppeltjes kan op ontelbare manieren. En dit is de kern van de zaak: entropie neemt altijd toe omdat de statistiek dat dicteert. En wel als volgt. Wanneer ik een doos rode en blauwe knikkers heb die gescheiden zijn dan is dat een lage entropie toestand. Wanneer ik de knikkers door elkaar hussel dan is de kans dat ze op een of andere manier door elkaar liggen veel groter dan dat ze geordend zijn.
Aan de hand van het begrip entropie kunnen we begrijpen wat er gebeurt in het heelal. Het heelal bestaat uit deeltjes en krachten. In het begin ten tijde van de big bang was de entropie het laagst, sindsdien neemt de entropie toe en hebben zich galaxies, planeten etc gevormd.
Ook het leven op de aarde kunnen we zo bezien. De zon stuurt fotonen met lage entropie naar de aarde. De aarde doet daar ‘iets’ mede. Gebruikt de energie om de entropie tijdelijk te verlagen. Waarna de aarde warmte uitstraalt bestaande uit fotonen met hogere entropie uitzendt. Er is behoud van energie, maar toename van entropie.
Alles in de wereld is gemaakt van deeltjes. Het standaardmodel van de natuurkunde beschrijft alle fundamentele deeltjes en ¾ fundamentele krachten. Alleen de zwaartekracht ontbreekt.
Sinds de jaren 30-tig van de vorige eeuw proberen natuurkundigen de fundamentele eigenschappen van zwaartekracht/ruim-tijd te vinden, zonder resultaat. Dat hypothetische en fundamentele deeltje wordt graviton genoemd. Hoe dichter de natuurkundigen op het begrip tijd inzoomen, des te groter de problemen. Tijd lijkt op een sneeuwvlokje dat je probeert te vangen. Een van de redenen lijkt dat het hypothetische deeltje onvoorstelbaar klein is. Een vergelijking. Een magneet trekt sterker aan een paperclip dat de gehele aardbol.
What makes the clock tick? Er is geen universeel nu. Er is geen universele tijdseenheid. Het verschil tussen verleden en toekomst? Entropie neemt toe. De natuurkundige eigenschappen van tijd zijn onbekend. Is ons brein een tijdmachine?
Nu nog een gedachte-experiment van Einstein. Stel ik reis met de trein en heb bij mij een lampje en twee spiegels. De lichtstraal stuitert heen en weer tussen de twee spiegels. Voor mij is het zo dat de lichtstraal in een tijd t een afstand x maal d aflegt. Maar voor iemand die op het perron staat en de trein langs ziet komen is het als of het licht in het zelfde tijdsbestek een zig-zag traject heeft afgelegd met een grotere afstand, een grotere snelheid dus. Dat kan niet. En dat kan alleen maar betekenen dat de tijd vertraagd wordt door snelheid.
Dit wordt genoemd tijdsdilatatie ivm beweging.
Dat dit zo is, is bij herhaling vastgesteld door met nauwkeurige klokken de tijd te meten in een bewegend vliegtuig versus de grond.
Hiermee is tijdsreizen in de toekomst mogelijk. Een ruimtereiziger zal bij terugkomst op aarde minder oud geworden zijn dan iemand die thuis bleef.
Maar het effect wordt pas drastisch wanneer iets beweegt met snelheden in de buurt van de lichtsnelheid. Stel ik reis naar de dichtstbijzijnde ster proxima centauri die zich op 4 lichtjaren bevindt. Wanneer ik met 99.9 % van de lichtsnelheid reis dan ben ik er in 2 maanden. Wanneer ik een foton ben die per definitie met de lichtsnelheid reist dan ben ik er instantaan, een foton kent geen tijd!
Ander voorbeeld maar dan dichterbij. In CERN wordt in de Large Hadron Collider protonen versneld tot bijna de lichtsnelheid, waarna ze botsen en de daaruit ontstane deeltjes worden bestudeerd. Bij deze snelheid duurt 1 proton seconde 2 uur voor de waarnemer. Daar moeten ze rekening mee houden bij de uitvoer en interpretatie van experimenten. Tijdsdilatatie met name van belang bij hele hoge snelheden.
Samengevat heeft de speciale relativiteitstheorie (SRT) de volgende consequenties voor het begrip tijd:
1. Er is geen gemeenschappelijk nu
2. Tijdsduur is afhankelijk van (onderlinge) snelheid
Maar Einstein heeft meer voor ons in petto. In 1916 publiceert hij de algemene relativeitstheorie (ART). Dit is een theorie over zwaartekracht, over de natuurwetten in 3-4 dimensies.
Tot die tijd werd voor het begrip zwaartekracht de zwaartekrachtswetten van Newton gebruikt. Deze voldoen uitstekend, maar geven nog niet het begin van een verklaring voor het bestaan van zwaartekracht. De zwaartekrachtwet van Newton zegt dat twee hemellichamen elkaar aantrekken met een kracht die evenredig is aan der massa’s en omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand. Maar wat is zwaartekracht? Hoe is het mogelijk dat hemellichamen elkaar over zo grote afstand kunnen beïnvloeden?
Einstein legt in de ART uit dat massa de ruimte en de tijd doet krommen. Alsof er een zware bal op een trampoline ligt. Deze kromming beïnvloedt de beweging van deeltjes, zoals de baan van de aarde rond de zon.
Maar hoe bewijs je deze theorie? Het waren Eddington en Einstein die een geweldig idee hadden. Stel je meet de onderlinge positie van sterren ’s nachts, die maken een bepaalde hoek vanuit het perspectief van de waarnemer. Nu plaats ik een heel zwaar object, bijvoorbeeld de zon, tussen die twee sterren. Als Einstein gelijk heeft dat wordt de stralengang van de twee sterren gebogen en zie ik ze op een andere locatie. Probleem is dat ik de sterren overdag niet kan zien. En nu de truc: kijk ernaar tijdens een zonsverduistering: dan staat de zon in de stralengang van de sterren en is de lucht donker. Zo zien de foto’s van de eclips op 29-5-1919 eruit: de schijnbare en echte locatie van de sterren onder invloed van de massa van de zon zijn duidelijk.
Hiermee werd Einstein in een klap de eerste wetenschappelijk wereldster. Hij kreeg de Nobelprijs in 1921 maar niet voor de ART, voor het foto-elektrische effect. De Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen vond de onderbouwing van der ART door Eddington te speculatief.
De gevolgen van de ART zijn geweldig. Want het betekent dat tijd vertraagd wordt onder invloed van massa. Dit betekent ook dat hoe verder ik van de kern van de aarde ben, ho sneller de tijd loopt. Dit kan met nauwkeurige klokken bepaald worden tot een hoogteverschil van 40 cm. Zo beweegt mijn neus sneller dan mijn voeten. Et voilà! Zo blijf ik met mijn voeten op de grond.
Alle componenten van de relativiteitstheorie komen samen bij de werking van het GPS systeem. De positie wordt door het tijdsverschil van een signaal verstuurd door 3 satellieten nauwkeurig bepaald. Maar het systeem is niets waard als niet gecorrigeerd wordt voor verschillen in snelheid en afstand tot de kern van de aarde: de ene doet de tijd langzamer lopen, de ander sneller. De atoomklok van de satelliet met met 38 microseconde vertraagd worden = 11.4 km!!
Een extreem voorbeeld van tijdsvertraging door massa gebeurt in de buurt van een zwart gat. Een zwart gat ontstaat door het ineenstorten van een zware ster, de zwaartekracht is dat zo sterk dat niets, zelfs licht niet kan ontsnappen. Op de rand van een zwart gat lijkt de tijd stil te staan.
Dan komen we bij de volgende vraag: heeft tijd een richting.
Het antwoord is ja, en wel omdat een ijsblokje smelt….In het universum is er geen richting aan de ruimte. Een astronaut die door de ruimte zweeft heeft geen gevoel van richting. Dat wij richting ervaren komt door de nabijheid van de aarde.
Dan is de vraag: heeft tijd een richting? Die vraag is daarom legitiem, omdat fundamentele natuurkundige wetten geen tijd kennen, geen verschil in verleden, heden en toekomst.
Waarom zijn verleden, heden en toekomst toch verschillend? Dat komt door entropie, een moeilijk en verwarrend begrip. Eerst een moeilijke definitie, daarna heel duidelijke voorbeelden. Entropie is het streven van de natuur naar verdeling van energie en informatie. De natuur neigt van orde naar chaos. Entropie neemt nooit (spontaan) af, neemt altijd toe. Dit is de tweede hoofdwet van de thermodynamica. De eerste hoofdwet is die van het behoud van energie. Energie kan wel omgezet worden in een andere vorm, maar gaat nooit verloren.
Nu een paar verduidelijkende voorbeelden. Een warm kopje koffie koelt af, de warmte verspreidt zich naar de omgeving; het omgekeerde is onmogelijk, het kopje zal niet spontaan warm worden. Daarom kan entropie alleen maar toenemen.
De slaapkamer van de kleinkinderen is ’s morgens opgeruimd, s’ avonds een chaos, toename van entropie. Een kamer kan maar op een manier opgeruimd zijn, en op vele manieren niet opgeruimd.
Parfum zit in een klein flesje, wanneer deze verneveld wordt vult het de hele kamer, toename van entropie, het verspreiden van de parfum druppeltjes kan op ontelbare manieren. En dit is de kern van de zaak: entropie neemt altijd toe omdat de statistiek dat dicteert. En wel als volgt. Wanneer ik een doos rode en blauwe knikkers heb die gescheiden zijn dan is dat een lage entropie toestand. Wanneer ik de knikkers door elkaar hussel dan is de kans dat ze op een of andere manier door elkaar liggen veel groter dan dat ze geordend zijn.
Aan de hand van het begrip entropie kunnen we begrijpen wat er gebeurt in het heelal. Het heelal bestaat uit deeltjes en krachten. In het begin ten tijde van de big bang was de entropie het laagst, sindsdien neemt de entropie toe en hebben zich galaxies, planeten etc gevormd.
Ook het leven op de aarde kunnen we zo bezien. De zon stuurt fotonen met lage entropie naar de aarde. De aarde doet daar ‘iets’ mede. Gebruikt de energie om de entropie tijdelijk te verlagen. Waarna de aarde warmte uitstraalt bestaande uit fotonen met hogere entropie uitzendt. Er is behoud van energie, maar toename van entropie.
Alles in de wereld is gemaakt van deeltjes. Het standaardmodel van de natuurkunde beschrijft alle fundamentele deeltjes en ¾ fundamentele krachten. Alleen de zwaartekracht ontbreekt.
Sinds de jaren 30-tig van de vorige eeuw proberen natuurkundigen de fundamentele eigenschappen van zwaartekracht/ruim-tijd te vinden, zonder resultaat. Dat hypothetische en fundamentele deeltje wordt graviton genoemd. Hoe dichter de natuurkundigen op het begrip tijd inzoomen, des te groter de problemen. Tijd lijkt op een sneeuwvlokje dat je probeert te vangen. Een van de redenen lijkt dat het hypothetische deeltje onvoorstelbaar klein is. Een vergelijking. Een magneet trekt sterker aan een paperclip dat de gehele aardbol.
What makes the clock tick? Er is geen universeel nu. Er is geen universele tijdseenheid. Het verschil tussen verleden en toekomst? Entropie neemt toe. De natuurkundige eigenschappen van tijd zijn onbekend. Is ons brein een tijdmachine?
Klik op de afbeelding voor een groter en duidelijker beeld
Geen opmerkingen:
Een reactie posten