Tijd lijkt voor ons lineair: we herinneren ons het verleden, ervaren het heden en voorspellen de toekomst, waarbij we achtereenvolgens van het ene moment naar het andere gaan. Maar waarom is dat zo, en zou tijd uiteindelijk een soort illusie kunnen zijn? In deze aflevering de Nobelprijswinnende natuurkundige Frank Wilczek spreekt met gastheer Steven Strogatz over de vele ‘pijlen’ van tijd en waarom de meeste ervan onomkeerbaar lijken, de essentie van wat een klok is, hoe Einstein onze definitie van tijd veranderde, en het onverwachte verband tussen tijd en onze ideeën over wat donkere materie zou kunnen zijn.

Luister verder Apple Podcasts, Spotify, Google Podcasts, TuneIn of je favoriete podcasting-app, of je kunt stream het van Quanta.

Afschrift

STEVEN STROGATZ: We zijn ons allemaal bewust van het verstrijken van de tijd. We hebben het gevoeld in de wisseling van de seizoenen, in de ritmes van zang en dans, in het opgroeien en ouder worden van onze kinderen. Of je het nu leuk vindt of niet, tijd is een fundamenteel onderdeel van het leven. En door de millennia heen hebben wetenschappers tijd over het algemeen beschouwd als een eendimensionaal iets, een pijl die vooruit blijft gaan en nooit achteruit. Maar hoe beter we naar de tijd kijken, hoe ingewikkelder en mysterieuzer het wordt. Wetenschappers zijn tegenwoordig verdeeld over de vraag of tijd, of in ieder geval onze ervaring ervan, reëel of illusoir is. Misschien bewegen we niet echt door de tijd. Misschien zijn het heden, het verleden en de toekomst allemaal even reëel.

[Themaspelen]

Ik ben Steve Strogatz, en dit is 'The Joy of Why', een podcast van Quanta Magazine, waar mijn co-host, Jana Levin, en ik onderzoek om beurten enkele van de grootste onbeantwoorde vragen in de wiskunde en natuurwetenschappen van vandaag.

In deze aflevering vragen we het ons af theoretisch natuurkundige Frank Wilczek, "Wat is tijd?" Hoe hebben we dit in het verleden gedefinieerd? En hoe zou de kwantumfysica dit in de toekomst opnieuw kunnen definiëren?

Frank is de Herman Feshbach hoogleraar natuurkunde aan het MIT, een vooraanstaande professor aan de Arizona State University en een professor aan de Universiteit van Stockholm. Hij is de winnaar van de Nobelprijs 2004 in natuurkunde en de Templeton-prijs 2022. En hij is de auteur van een aantal boeken, waaronder, meest recentelijk, Fundamentals: tien sleutels tot realiteit. Frank, welkom bij ‘De vreugde van het waarom’.

FRANK WILCZEK: Bedankt. Blij om hier te zijn.

STROGATZ: Nou, ik ben erg blij om weer met je te kunnen praten. Ik heb genoten van je hele boek Fundamentals, en de uitleg die je gaf over tijd en hoe je over tijd moest denken, was voor mij een van de meest aangrijpende en mooiste. Maar ik zou willen beginnen met een soort persoonlijke vraag over jouw ervaring van tijd, net als een zoon en een persoon, een echtgenoot, ik weet het niet. Hoe ervaar jij tijd als mens, en is het anders dan hoe jij het als wetenschapper ervaart?

WILCZEK: Nou, dit jaar ben ik op een hele leuke manier met de tijd geconfronteerd. Dit, dit is de 50e verjaardag van mijn eerste wetenschappelijke artikel en ook, niet toevallig, van mijn huwelijk. Dat is al 50 jaar...

STROGATZ: (lacht) Wauw.

WILCZEK: En ik heb nagedacht over het verstrijken van de tijd en in zekere zin terug in de tijd gereisd om die baanbrekende momenten opnieuw te beleven.

Het is een heel interessante vraag die je stelt: tijd, zoals die in onze vergelijkingen voorkomt, is... Nou ja, het is de hoofdvariabele waaronder de wereld zich ontvouwt. Het is dus een symbool, t, dat in onze vergelijkingen voorkomt. En door de vergelijkingen te volgen, krijgen we hints over wat t is. En dat vertelt je wat de eigenschappen ervan zijn, zoals weerspiegeld in de dingen die we om ons heen zien en hun gedrag.

Maar de tijd gaat als het ware een eigen leven leiden, omdat je de eigenschappen ervan kunt bespreken, onafhankelijk van de dingen waarop hij inwerkt, met name de symmetrie ervan.

Maar als we teruggaan naar de ervaring van tijd versus een fysieke definitie van tijd – wat er letterlijk een rimpel in introduceert, is dat we door informatie over het verleden op te slaan en door aan de toekomst te denken, door de tijd kunnen reizen op manieren die fysiek onmogelijk zijn. objecten die aan de vergelijkingen van de natuurkunde voldoen, doen dat in werkelijkheid niet.

Alleen buren in de tijd praten echt met elkaar in de vergelijkingen. Maar in onze geest kunnen we herinneringen opslaan. Of we kunnen nadenken over de toekomst. We kunnen echt in de tijd reizen.

STROGATZ: Dat is geweldig. Dat er iets in de vergelijkingen zit waardoor we alleen maar oneindig vooruit kunnen kijken. Zoals je zegt, het zijn de buren in de tijd die er toe doen, toch? De huidige omstandigheden voorspellen wat er in de toekomst op het aangrenzende moment zal gebeuren.

WILCZEK: Ja, zeker in het huidige raamwerk van het fundamentele recht is dat de manier waarop het werkt. Het is leuk om te speculeren dat er uiteindelijk misschien een meer mondiale structuur is, dat er omstandigheden zijn die we nog niet hebben vastgelegd en die de ontvouwing van het universum onvermijdelijk en uniek maken.

Maar zoals het nu is, vertellen de wetten je hoe de toestand van de wereld zich op het ene moment ontvouwt tot wat die op het volgende moment is.

STROGATZ: Wat zijn volgens jou de grote mysteries over tijd?

WILCZEK: Ik denk dat een mysterie dat erg vruchtbaar is, en ik denk dat we misschien veel vooruitgang hebben geboekt bij het ophelderen, is dat de fundamentele wetten van de natuurkunde lijken te zijn bijna omkeerbaar in de tijd, ook al is de dagelijkse ervaring van de wereld dat niet.

Dat roept dus twee vragen op, namelijk: hoe kun je van fundamentele wetten die die omkeerbaarheidseigenschap hebben, ervaring krijgen, wat op drastische wijze niet het geval is?

En ten tweede: waarom hadden de wetten in hemelsnaam die eigenschap als het niet alleen niet nodig is om ervaringen te beschrijven, maar het ook een beetje in verlegenheid brengt? Het vormt een probleem, een uitdaging. Hoe kunnen we die eigenschap van de wetten verzoenen met de ervaring, die er misschien wel mee in tegenspraak lijkt te zijn, maar er toch op zijn minst mee in strijd lijkt te zijn?

Dat zijn twee grote problemen, waarvan ik denk dat ze grotendeels zijn opgelost, maar die nog steeds zeer vruchtbaar zijn, vooral het eerste: waarom zijn de wetten zo?

En dan is er nog een nog groter probleem, dat – of een nog mysterieuzer en diepgaander probleem is, de manier waarop we onze beschrijving van de wereld nu formuleren – in termen van wetten die je vertellen hoe de wereld zich van moment tot moment ontvouwt – dat compleet?

Het lijkt in zekere zin filosofisch onbevredigend omdat het de beschrijving van de wereld in twee stukken verdeelt. De ene zijn de vergelijkingen en de andere is de toestand van de wereld op een bepaald moment, die je op de een of andere manier moet injecteren om dingen op gang te krijgen.

STROGATZ: Dus eens kijken of ik dit snap. De vragen gaan over waarom de wetten deze bijna-omkeerbaarheidseigenschap hebben.

WILCZEK: Ja.

STROGATZ: De kwestie van ‘vergelijkingen versus beginvoorwaarden’, zouden we kunnen stellen.

WILCZEK: Ja, ja.

STROGATZ: Sommige mensen zullen weten dat je de beginvoorwaarden zegt zonder het te zeggen.

WILCZEK: Juist.

STROGATZ: En er is ook dit jargon: de “pijl van de tijd”, over – dat het in onze ervaring voelt alsof de tijd alleen maar vooruit stroomt. En je zegt dat je het gevoel hebt dat het een goede resolutie heeft. We denken dat we de pijl van de tijd begrijpen.

WILCZEK: Ik denk het wel. Het is een lang verhaal dat in de loop van de tijd steeds overtuigender is geworden. Maar ik denk dat er blijkbaar veel verschillende pijlen van de tijd zijn, veel verschillende manieren waarop de toekomst verschilt van het verleden. Er is zeker sprake van een psychologisch fenomeen. Ook de tweede wet van de thermodynamica. Het vertelt je dat dingen willekeuriger worden, heel grof gezegd, maar heeft ook een precieze formulering. Er is de stralingspijl van de tijd, die straling heeft de neiging om uit de dingen te gaan en niet naar binnen te komen. Er is een pijl van de tijd die verband houdt met de evolutie van het leven. En nog veel meer die je ter plekke kunt bedenken. Overal waar je kijkt, zijn er pijlen van de tijd. Er zijn asymmetrieën tussen de toekomst en het verleden.

Maar ik denk dat we ze nu allemaal in één pijl kunnen samenvatten. Net als de 'Eén Ring die ze allemaal regeert', is er één pijl die ze allemaal regeert, en dat is de kosmologische pijl van de tijd.

En dus zou je kunnen zeggen dat we het mysterie hebben opgelost, maar ik denk dat het juister zou zijn om te zeggen dat we alle mysteries in één hebben verpakt, namelijk: waarom was er überhaupt een oerknal?

De zwaartekracht houdt ervan dat dingen samenklonteren, maar het vroege universum ten tijde van de oerknal in de ruimte was heel, heel uniform. De zwaartekracht was dus ver uit evenwicht. En wat er sindsdien is gebeurd, is dat de zwaartekracht worstelt om het evenwicht te herstellen.

Dus de materie zet uit en koelt af, en klontert dan samen en vormt (uiteindelijk) sterren die kernenergie gaan vrijmaken en planeten waarop wezens kunnen evolueren. Er is een zeer plausibel verhaal dat rijkelijk gedetailleerd is en dat alle pijlen op één lijn brengt met die ene pijl van de kosmische evolutie.

STROGATZ: Ik vind het erg – ik weet niet eens zeker welk bijvoeglijk naamwoord ik hier op zou zetten, maar het idee dat onze ervaring van tijd alleen maar van het heden naar de toekomst vloeit en dat eieren zichzelf niet ontrafelen en dat soort dingen, dat dit op de een of andere manier verbonden met de evolutie van het hele universum, van zijn hete uniforme staat naar zijn huidige klonterige, je weet wel, met sterrenstelsels beladen ster... Het is gewoon wild om te denken dat dat spul dat zo afgelegen lijkt mijn rugpijn beïnvloedt nu ik een oude man, weet je? Echt, toch? Uiteindelijk is dat wat je zegt.

WILCZEK: Het is zeker geen voor de hand liggend verhaal, en zonder bergen bewijsmateriaal dat in de loop van de moderne wetenschap is ontwikkeld, zou het ongelooflijk zijn. Het is dus absoluut verbazingwekkend.

STROGATZ: Als de dingen niet zouden veranderen – bijvoorbeeld als we ons een gedachte-experiment zouden kunnen voorstellen waarin niets verandert, zou de tijd dan nog steeds bestaan? Bestaat tijd los van gebeurtenissen? Of is tijd een soort maatstaf voor het feit dat dingen veranderen?

WILCZEK: Welnu, je kunt je zeker voorstellen – en in feite kun je oplossingen construeren van de basiswetten van de natuurkunde – die zo consistent zijn met alle basisprincipes die we kennen, waarbij er niets gebeurt, en t is nog steeds een ingrediënt van die vergelijkingen –

STROGATZ: Dus een leeg universum zou nog tijd hebben?

WILCZEK: Ja, de tijd zou nog steeds in de vergelijkingen zitten. En je zou, zelfs in die situatie, de vraag kunnen stellen wat er zou gebeuren als je een kleine verstoring zou veroorzaken in dit universele evenwicht? En dan zou de tijd onthuld worden. Tijd zou dus enigszins latent zijn, maar het lijkt nog steeds noodzakelijk om te formuleren wat de situatie is. We hebben het over iets dat onafhankelijk is van de tijd, maar dat kun je niet formuleren zonder te zeggen dat er iets is waarvan het had kunnen afhangen dat het niet zo is.

STROGATZ: Het is al een interessant antwoord. Ik ben een beetje verrast dat je het zegt. Ik bedoel, je houdt van filosofie, als ik me goed herinner. Ik denk dat je een beetje filosofie hebt gestudeerd, toch?

WILCZEK: Heel amateuristisch, op een heel amateuristische manier. Maar eigenlijk heb ik hier de laatste tijd over nagedacht, op technisch niveau. Maar denk eens aan een rivier, de stroming van een rivier. Er zijn twee verschillende beschrijvingen die je kunt bedenken van een rivier die heel regelmatig stroomt.

Dus in één beschrijving, die technisch gezien de Euler-beschrijving wordt genoemd, zou je specificeren wat de stroomsnelheid op elke positie is, en dat zou je een volledige beschrijving geven van de stroming van de rivier. En als de stroom regelmatig is, kan er niets aan de hand zijn. De snelheden zouden niet veranderen in de tijd.

STROGATZ: Rechts.

WILCZEK: Er is echter nog een andere beschrijving, gekoppeld aan de naam Lagrange. Het is een soort interieurbeschrijving waarbij je de stroom van individuele watermoleculen volgt. En dan bewegen die monsters zich voort met de lokale snelheid. En naarmate de tijd verstrijkt, bevinden ze zich op een andere plaats, dus zien ze een andere snelheid. Ook al was de snelheid oorspronkelijk een functie van een positie, maar niet van de tijd. Maar als je van binnenuit kijkt, als je de stroom zelf volgt, gebeuren er dingen.

Beide beschrijvingen zijn dus geldig. Als we deze rivier een universum noemen, verandert het universum in zekere zin niet. Maar zoals van binnenuit ervaren, is het aan het veranderen. Er is volop ruimte voor dynamische ontwikkeling als je je in de rivier bevindt en met de stroom meegaat.

En ik denk dat dit op een diep niveau kan zijn wat er in het universum gebeurt. Als je een beschrijving van het interieur wilt hebben – een Lagrangiaanse beschrijving, in tegenstelling tot de Euler-beschrijving – is dat geen tegenstrijdigheid. Het is gewoon een andere manier om naar hetzelfde object, dezelfde realiteit te kijken, van binnenuit of van buitenaf. Een menselijk perspectief versus een godsperspectief.

STROGATZ: Ik wil met jullie verschillende opvattingen over tijd in de geschiedenis van de wetenschap onderzoeken, terwijl we bijvoorbeeld van Newton naar Einstein gaan. Maar op dit moment zou ik het je willen vragen – en het is natuurlijk grappig dat we over tijd blijven praten terwijl we over tijd praten. Zoals ik zeg: "Op dit moment ga ik je een vraag stellen over de tijd."

WILCZEK: Het is moeilijk om te ontsnappen, nietwaar?

STROGATZ: Het is moeilijk om te ontsnappen!

WILCZEK: Dat is wat ze zeggen. Als het een illusie is, is het een behoorlijk overtuigende illusie.

STROGATZ: Het is een zeer overtuigende illusie. Dus dit is waar ik voor ging: dat Einstein, zoals we weten, veel beïnvloed werd door een wetenschapper/filosoof genaamd Mach, Ernst Mach. We praten over het Mach-getal in geluid, maar het is dezelfde Mach. Oké, maar zo: Mach. Was deze man erg geïnteresseerd in operationele definities van dingen? Dus Einstein, die daar in het patentbureau zit en aan de tijd denkt, begint te zeggen: “Tijd is wat klokken meten.”

En daar schrijf je veel over Fundamentals, en ik vond dat een heel interessante kijk op de dingen. Je wilt - kun je dit idee uitwerken? Moeten we bijvoorbeeld tijd beschouwen als wat klokken meten, in tegenstelling tot een meer vage definitie van tijd?

WILCZEK: Nou, dat denk ik wel, als we op een fundamenteel niveau wetenschappelijk en vruchtbaar over tijd willen nadenken. Maar laat ik het een beetje nuanceren.

STROGATZ: Het heeft wat uitpakken nodig.

WILCZEK: Het Engelse woord ‘tijd’ bestrijkt veel terreinen en kan in verschillende betekenissen worden gebruikt, net als ‘energie’, oké? Energie betekent iets heel specifieks in de context van de wetenschappelijke discussie. Maar in de gewone taal heeft het een veel bredere betekenis, die ook vage randen heeft.

Dus, net als met tijd, als ik zeg: 'Tijd is wat klokken meten', verwijs ik naar het wetenschappelijke concept van tijd dat buitengewoon vruchtbaar is en met grote precisie heel ver kan worden doorgevoerd. En om die uitspraak goed te begrijpen, moet je ook het concept van wat een klok is verbreden.

Een klok is alles in de wereld dat op wat voor manier dan ook verandert, omdat de wetten zijn geformuleerd in termen van hoe dingen veranderen als functie van deze variabele. t. En alles verandert, en dingen veranderen op verschillende manieren. Ze bewegen. Ze ondergaan chemische reacties. Ze verouderen in biologische zin. En de opmerkelijke uitspraak is dat deze ene variabele in de vergelijkingen aan dit alles ten grondslag ligt.

Je kunt dus klokken hebben die op heel, heel verschillende principes werken. Je kunt dingen hebben die de beweging van de aarde rond de zon volgen. Je kunt dingen hebben die de waterstroom controleren, waterklokken. Je zou een klok kunnen hebben die gebaseerd is op kijken hoe iemand ouder wordt, een mens wordt ouder. Dat zou geen erg nauwkeurige klok zijn, maar in principe, en als je je verdiept in de biochemie, het zou nauwkeurig gemaakt kunnen worden. Er zijn heel veel verschillende soorten klokken, maar ze zijn allemaal consistent met elkaar.

Dus als ik zeg dat tijd is wat klokken meten, is dat meer dan een operationele verklaring. Het heeft een zeer niet-triviale inhoud. Het zegt dat alle klokken die op de juiste manier zijn gekalibreerd en begrepen, ongeacht op welk principe ze zijn gebaseerd, tot een consistente overeenstemming kunnen komen over wat tijd is.

STROGATZ: We zijn zo terug.

[Pauze voor advertentie-invoeging]

STROGATZ: Welkom terug bij ‘De vreugde van het waarom’.

Als ik een beetje overschakel van de filosofie hier naar de geschiedenis van de wetenschap, lijkt het mij dat een groot deel van het verhaal van het succes van de wetenschap, vooral in wat we vaak de wetenschappelijke revolutie van de 1600e eeuw en later noemen, te maken had met de mogelijkheid om de tijd redelijk goed te meten. Dat het geen toeval is dat Galileo en Huygens en Newton en, weet je, hun opvolgers er waren in dezelfde tijd dat er goede slingerklokken werden gemaakt. En dat je de bewegingswetten kon achterhalen op een manier waarop je er moeite mee zou hebben gehad om ze te begrijpen voordat je over goede tijdwaarnemingsapparatuur beschikte.

Denk je dat dat klopt? Dat de – dat onze wetenschappelijke vooruitgang echt afhing van het vermogen om de tijd goed te meten?

WILCZEK: Het heeft zeker geholpen. En vooral als je de definitie van tijd verruimt tot de regelmatige beweging van planeten, zoals de wet van Kepler dat de planeten in gelijke tijden gelijke gebieden bestrijken. En natuurlijk stond die observatie centraal bij de formulering van de wetten van Kepler, die samen met Galileo's studie van slingers en vallende lichamen leidde tot het hoogtepunt van de wetenschappelijke revolutie: Newtons formulering van de klassieke mechanica en de wetten van de zwaartekracht. Dus ja, dat is allemaal heel erg gebaseerd op overwegingen die in grote lijnen tijd met zich meebrachten.

STROGATZ: Dus als we snel vooruitspoelen – natuurlijk blijven we vasthouden aan deze tijdwoordspelingen hier – zoomen we nu vooruit naar Einstein. Bij Einstein beginnen we echt heel vreemde dingen te zien: voor veel mensen gebeuren er contra-intuïtieve dingen.

WILCZEK: Welnu, door een rijkere beschrijving te formuleren van de zwaartekrachtsinteractie die verder gaat dan het Newtoniaanse begrip, en zelfs daarvoor, door recht te doen aan de symmetrie van de vergelijkingen van de elektrodynamica, werd Einstein tot een flexibeler concept van tijd geleid.

Laat ik dus beginnen met de speciale relativiteitstheorie, die historisch gezien op de eerste plaats kwam. Als je in een gesloten laboratorium zou zijn en alleen experimenten zou doen in laboratoria die met een constante snelheid ten opzichte van elkaar bewegen, zou je tot dezelfde wetten komen, ongeacht wat die snelheid is. Dat is de essentie van de speciale relativiteitstheorie. Maar om dat te doen, blijkt dat wat de één tijd zou noemen, de ander een mengeling van ruimte en tijd noemt. Het is een wiskundig eenvoudig mengsel. Het is wat wij een lineaire combinatie noemen, maar het is beslist een mengeling van ruimte en tijd. Dit introduceert dus het idee dat er enige flexibiliteit bestaat bij het definiëren van wat tijd is.

Je kunt met een bepaalde tijd geldige natuurwetten met dezelfde inhoud verkrijgen t of een ander tijdstip, t $latex ^{prime}$ [t-prime], dat is een mengsel van t en x, Waar x is de positie. Dat was dus de speciale relativiteitstheorie.

En toen was dat een grote verrassing. omdat Newton bijvoorbeeld tijd als één ding beschouwde. Newton was in hoge mate een theoloog en dacht heel erg dat wat hij in zijn werk deed, was begrijpen hoe God werkte. En hij dacht dat God, weet je, Zijn psychologische tijd aan de wereld oplegde, denk ik. Dat was zo – het idee dat er verschillende geldige definities van tijd zouden kunnen bestaan, zou Newton zeer vreemd zijn geweest.

Maar dat is wat Einstein postuleerde, en dat stelt je in staat hele mooie formuleringen van de natuurwetten te krijgen en er regelmatigheden in te ontdekken die anders heel moeilijk te vinden zouden zijn.

En dan wordt het, in de algemene relativiteitstheorie, nog vreemder omdat je verschillende mensen op verschillende plaatsen hun eigen keuze laat maken t versie, welke van deze tijden u moet kiezen. Dat heet lokale Lorentz-invariantie. Iedereen kan zijn eigen mix van ruimte en tijd kiezen. En je moet de vergelijkingen zo formuleren dat ze deze keuzes mogelijk maken. Ze hebben wat symmetrie wordt genoemd. Hoewel de formulering van de vergelijkingen er heel anders uit zal zien als mensen andere keuzes maken, zal de inhoud ervan hetzelfde zijn. En alleen heel speciale vergelijkingen hebben die eigenschap.

En Einstein slaagde er met een ongelooflijke prestatie van genialiteit in om – uit dat principe – een verbeterde theorie van de zwaartekracht af te leiden. Tijd wordt samengevoegd met ruimte, en de hele ruimte-tijd kan krommen. Die effecten zijn op laboratoriumschaal heel, heel klein. Maar als je het hebt over macroscopische schalen - de schaal van de aarde en het zwaartekrachtveld van de aarde, of het universum, of in zeer extreme omstandigheden, zoals waar er zeer grote massaconcentraties zijn die de ruimte in zwarte gaten krommen. Dan komen flexibelere, buigzame of zelfs vloeibare vormen van tijd tot hun recht.

STROGATZ: Hm. Ik bedoel, er zijn veel relativiteitstests, experimenten met het meedragen van atoomklokken in vliegtuigen. Als mensen deze dingen die je net noemde niet hebben gehoord, zou het waarschijnlijk behoorlijk fantastisch klinken. Maar we hebben heel goed, sterk bewijs dat ze allemaal waar zijn. inclusief zelfs de GPS-gadgets die wij in onze auto's gebruiken. Weet je, ik bedoel, als we geen rekening houden met de algemene en speciale relativiteitstheorie...

WILCZEK: Welnu, de GPS zou niet werken, omdat het erg belangrijk is om de tijd precies goed te krijgen in GPS. Bij de werking van het GPS-systeem gebruik je een zeer nauwkeurige timing om afstanden af ​​te leiden, waarbij je vertrouwt op het feit dat de snelheid van het licht een universele constante is. Ik maak het een beetje te simpel, maar dit is feitelijk de waarheid.

En omdat de snelheid van het licht heel erg groot is in vergelijking met alledaagse snelheden, worden hele kleine fouten in de tijdmeting weerspiegeld in significante veranderingen in afstand. Dus als je kleine fouten maakt in de manier waarop je met tijd omgaat, worden ze uitvergroot tot veel grotere fouten, belangrijke fouten in de ruimte. Je moet dus heel erg nauwkeurig zijn in je omgang met tijd om van GPS een nuttig systeem te maken.

STROGATZ: Juist, dus het feit dat de satellieten zich op grote hoogte bevinden, waar het zwaartekrachtveld zwakker is. Weet je, er zijn al deze satellieten die deel uitmaken van het GPS-systeem, en ze bewegen daar behoorlijk snel. Met al deze dingen moet rekening worden gehouden en gecorrigeerd, en ik denk dat het een goed voorbeeld is van hoe je zou kunnen denken dat onze Einstein alleen over zwarte gaten of het hele universum gaat, maar –

WILCZEK: Welnu, het is echt opmerkelijk dat als je teruggaat naar Einsteins oorspronkelijke artikel over de speciale relativiteitstheorie, hij het heeft over het synchroniseren en correleren van verschillende stations, als je wilt, zodat ze het eens kunnen worden over de definitie van ruimte en tijd. En met een beetje gevoel voor humor kun je zien dat wat hij daar beschrijft het GPS-systeem is.

STROGATZ: Wow.

WILCZEK: Je weet wel, mensen die zich voortbewegen met staven en klokken en de snelheid van het licht gebruiken als manier om te synchroniseren en, en, en dan de afstand te meten. Het is precies – het is het GPS-systeem, toch.

STROGATZ: O, ik heb hier nooit over nagedacht. Er zijn zoveel dingen waar ik je over wil vragen. Hoe zit het met donkere materie? Ik weet dat dit een van je favorieten is. Laten we daar eens over horen. Wat heeft donkere materie met tijd te maken?

WILCZEK: Logischerwijs heeft het op zijn best een vaag verband met tijd, maar het is een heel interessant verhaal dat heel spannend is en waar ik op dit moment nauw bij betrokken ben. Dus donkere materie is de observatie dat er een heel netwerk van verschijnselen bestaat waarbij het erop lijkt dat er meer zwaartekracht is, meer zwaartekracht dan we kunnen opsporen aan de aanwezigheid van materie.

Het lijkt er heel erg op dat het een nieuw soort deeltje zou kunnen zijn dat toevallig heel, heel zwak interageert met het soort materie waar we al tientallen jaren mee te maken hebben, maar toch nog steeds zwaartekracht uitoefent. En ik denk dat ik weet wat het is, en er ontstaat een soort consensus dat dit een goed idee is – iets dat axions wordt genoemd. En nu komt eindelijk de verbinding met tijd.

Axionen werden niet in de natuurkunde geïntroduceerd als een manier om donkere materie te genereren, maar als een manier om de vreemde eigenschap van de wetten aan te pakken: dat ze bijna hetzelfde zijn of bijna dezelfde inhoud hebben als je de richting van de tijd verandert. Dus hoewel de macroscopische ervaring zich niet zo gedraagt, gedragen de microscopische wetten zich wel zo.

Waarom? Daar hebben wij een heel mooi verhaal over.

De principes van de relativiteitstheorie en de kwantummechanica en de diepe symmetrieën van het standaardmodel – de zogenaamde ijksymmetrieën die de essentie van de andere krachten bepalen – beperken op krachtige wijze de interacties die materie kan hebben. Dus als je aanneemt dat die principes juist zijn, krijg je krachtige beperkingen op de wetten van de natuurkunde.

En het blijkt dat, als bijna toevallig gevolg van die beperkingen, de wetten voorwaarts en achterwaarts in de tijd vrijwel hetzelfde verlopen. Dat is dus een enorme triomf van theoretisch begrip.

Maar het is nog niet helemaal klaar. En er is één interactie die consistent is met de fundamentele wetten, de fundamentele principes, zou ik moeten zeggen, die aan al die principes zouden gehoorzamen, maar niet omkeerbaar zijn in de tijd. En het is gebleken dat die interactie ook heel, heel klein is.

Om dat op een diepgaande manier te begrijpen, is het leidende idee om een ​​ander groot principe te introduceren. Dit heet zoiets Peccei-Quinn-symmetrie na de natuurkundigen die het introduceerden.

Toen beseften sommigen van ons dat er als gevolg van dit nieuwe principe een voorspelling bestaat dat er een nieuw soort deeltje moet bestaan, dat ik het axion noem, en dat absoluut opmerkelijke eigenschappen heeft. Er wordt voorspeld dat het zeer, zeer zwak zal interageren met gewone materie. En dan beseffen we dat als je de vergelijkingen door de oerknal laat lopen, deze precies op de juiste manier wordt geproduceerd om de donkere materie te maken die astronomen hebben waargenomen.

Het is op zijn zachtst gezegd zeer bemoedigend dat dit andere kosmologische probleem automatisch wordt aangepakt. En het mooie dat er de afgelopen decennia is gebeurd – maar vooral nu in een steeds sneller tempo – is dat het mogelijk is experimenten te ontwerpen die ze zullen detecteren als ze er zijn.

De experimenten zijn erg moeilijk. Het lijkt op het probleem van het detecteren van neutrino's, maar dan moeilijker. Misschien zal het, als we eenmaal de juiste trucs leren, niet meer zo moeilijk lijken. Maar die experimenten worden opgezet. Over vijf tot tien jaar zullen we veel meer weten.

STROGATZ: Ik vind het leuk dat je onze show hier afsluit met de vermelding van vijf tot tien jaar, omdat ik op een hopelijk aangrijpende of emotionele toon wil afsluiten dat veel van het werk waar je vooral bekend om staat, dat je hebt een Nobelprijs voor, stond aan het begin van je carrière. Zou het niet prachtig zijn als over vijf tot tien jaar deze axions worden gemeten en precies goed blijken te zijn?

WILCZEK: Het zou mijn dag goed maken. Ik hoop dat dit niet het einde van mijn carrière zou zijn, maar het zou zeker mijn dag goed maken.

STROGATZ: Nou, ik ben heel blij dat ik je weer heb kunnen spreken, Frank. Daarom hebben we met theoretisch natuurkundige Frank Wilczek gesproken over het mysterie en de schoonheid van tijd. Frank, heel erg bedankt dat je vandaag bij ons was.

WILCZEK: Bedankt. Het is een eer en een voorrecht, zoals ze zeggen.

[Themaspelen]

STROGATZ: Bedankt voor het luisteren. Als je 'The Joy of Why' leuk vindt en je bent nog niet geabonneerd, klik dan op de abonneer- of volgknop op de plek waar je luistert. Je kunt ook een recensie achterlaten voor de show. Het helpt mensen deze podcast te vinden.

“The Joy of Why” is een podcast van Quanta Magazine, een redactioneel onafhankelijke publicatie ondersteund door de Simons Foundation. Financieringsbeslissingen van de Simons Stichting hebben geen invloed op de selectie van onderwerpen, gasten of andere redactionele beslissingen in deze podcast of in Quanta Magazine.

“The Joy of Why” is geproduceerd door PRX-producties. Het productieteam bestaat uit Caitlin Faulds, Livia Brock, Genevieve Sponsler en Merritt Jacob. De uitvoerend producent van PRX Productions is Jocelyn Gonzales. Morgan Church en Edwin Ochoa boden aanvullende hulp.

Van Quanta MagazineJohn Rennie en Thomas Lin zorgden voor redactionele begeleiding, met steun van Matt Carlstrom, Samuel Velasco, Nona Griffin, Arleen Santana en Madison Goldberg.

Onze themamuziek is van APM Music. Julian Lin bedacht de naam van de podcast. De afbeelding van de aflevering is van Peter Greenwood en ons logo is van Jaki King en Kristina Armitage. Speciale dank aan de Columbia Journalism School en Bert Odom-Reed van de Cornell Broadcast Studios.

Ik ben je gastheer, Steve Strogatz. Als u vragen of opmerkingen voor ons heeft, kunt u een e-mail sturen naar [e-mail beveiligd]. Bedankt voor het luisteren.