Kan de klok tegelijk snel en langzaam tikken?

“Tijd is relatief.” Het klinkt bekend, maar echt intuïtief is het niet. Volgens Einsteins relativiteitstheorie verloopt tijd niet overal hetzelfde: snelheid en zwaartekracht beïnvloeden hoe snel de klok tikt. Wie bijvoorbeeld lange tijd met enorme snelheid door de ruimte reist, veroudert langzamer dan iemand die op aarde blijft.

En hoe ingewikkeld dat al klinkt, het kan nog een stap verder gaan. In de kwantumfysica kan tijd zich volgens de theorie zelfs in een superpositie bevinden, waarbij het tegelijk sneller en langzamer verloopt. Nieuw onderzoek van het Amerikaanse Stevens Institute of Technology laat zien dat dit bizarre effect binnenkort voor het eerst in het lab getest kan worden.

Schrijf je in voor de nieuwsbrief! Ook elke dag vers het laatste wetenschapsnieuws in je inbox? Of elke week? Schrijf je hier in voor de nieuwsbrief!

De tweelingparadox

Volgens de relativiteitstheorie heeft elke klok zijn eigen tempo. Hoe snel iets beweegt of waar het zich bevindt, beïnvloedt hoe snel de tijd verstrijkt. Dat effect is meestal extreem klein, maar met supernauwkeurige atoomklokken kunnen wetenschappers het inmiddels echt meten. Dit idee wordt vaak uitgelegd met de tweelingparadox: als één van een tweeling een snelle ruimtereis maakt, komt die jonger terug dan de ander die op aarde bleef.

Schrödingers tijd

Maar in de kwantumwereld wordt het nog vreemder. Hier gelden regels zoals superpositie: iets kan zich tegelijkertijd in meerdere toestanden bevinden. Dit betekent dat niet alleen de positie of beweging van de klok in meerdere toestanden tegelijk is, maar ook de tijd die hij meet. Met andere woorden: dezelfde klok zou tegelijk een beetje sneller én een beetje langzamer kunnen tikken.

Je kunt dit vergelijken met Schrödingers beroemde gedachte-experiment. De tegenintuïtieve aard van superpositie wordt hierin geïllustreerd door een kat die zowel levend als dood is. In het nieuwe onderzoek is het het tijdsverloop zelf dat zich in superpositie bevindt, alsof de kat tegelijk jong en oud is.

Atoomklokken

Het meten van deze kwantumeffecten leek tot nu toe experimenteel onhaalbaar, maar daar komt verandering in. De wetenschappers ontwikkelden een theoretisch model dat laat zien hoe atoomklokken gebruikt kunnen worden om kwantumeffecten in het verloop van tijd te testen.

Leestip: Iets uit een sciencefictionfilm? Wetenschappers observeren negatieve tijd in kwantumexperimenten

Atoomklokken meten tijd met de trillingen van atomen en behoren tot de meest nauwkeurige meetinstrumenten die bestaan. Door die atomen extreem af te koelen en met lasers zeer precies te sturen, worden ze zo gevoelig dat zelfs minuscule kwantumeffecten zichtbaar worden. De onderzoekers tonen aan dat we hiermee iets bijzonders kunnen zien: dat tijd in de kwantumwereld zich op meerdere manieren tegelijk kan gedragen.

Tijd op het kleinste niveau

Het onderzoek gaat nog een stap verder door een methode te beschrijven waarbij niet alleen de atomen worden afgekoeld, maar ook hun kwantumtoestand specifiek wordt aangestuurd. Hierdoor zou een klok in een soort dubbele toestand komen, waarin hij tegelijk iets sneller én iets langzamer tikt.

Als dit voorstel binnenkort echt in het lab wordt uitgevoerd, zou dat een belangrijke stap zijn om te begrijpen hoe tijd werkt op het allerkleinste niveau van de natuurkunde.

Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast: