Als drie of meer objecten om elkaar heen bewegen, blijkt het niet altijd mogelijk om de tijd terug te draaien. Dat concludeert een internationale groep sterrenkundigen op basis van computersimulaties van drie om elkaar dansende zwarte gaten.
Voor de meeste natuurwetten maakt het niet uit of de tijd voor- of achteruit loopt. ‘De aarde kan de ene of de andere kant om rond de zon draaien. Vanuit het perspectief van de natuurwetten die deze beweging beschrijven, merk je het verschil niet’, zegt Simon Portegies Zwart, hoogleraar computationele astrofysica aan de Universiteit Leiden en betrokken bij het onderzoek. Allerlei wetten zijn dus zogeheten ’tijdsymmetrisch’.
‘Einstein liep als theoreticus vast op de nieuwe bevindingen’
Toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes iets geks ontdekte over supergeleiding, was dit onder veel fysici het gesprek van de dag. Maa ...
Maar in onze ervaring is dat niet zo. Als je een kopje laat vallen, breekt het. Maar een gebroken kopje zie je nooit spontaan weer een heel kopje worden. ‘Als alles in het universum tijdsymmetrisch, oftewel tijdomkeerbaar, zou zijn, dan zou je processen ook andersom zien gebeuren’, zegt Portegies Zwart. ‘ Maar dat zien we niet.’ Er is nog geen goede verklaring waarom de tijd alleen van het verleden naar de toekomst kan lopen.
Drie zwarte gaten
In hun langlopende onderzoek voeren de sterrenkundigen twee soorten computersimulaties uit. In de eerste beginnen ze met drie zwarte gaten in rust, in een oneindig groot en leeg universum. Zodra ze op start drukken, bewegen de objecten naar elkaar toe. Ze draaien om elkaar heen in chaotische banen, zoals beschreven door de wetten van Newton. Uiteindelijk verlaat een van de drie zwarte gaten het gezelschap.
De tweede simulatie speelt het verhaal omgekeerd af. Het begint met de twee zwarte gaten en het derde, weggevlogen zwarte gat. Vervolgens probeert het computerprogramma de tijd terug te spoelen naar de beginsituatie. In 5 procent van de gevallen bleek het niet mogelijk om terug te rekenen in de tijd naar de beginsituatie. De onderzoekers toonden aan dat dit ook niet mogelijk is met nauwkeurigere metingen of met betere rekenmodellen. Het is bij die 5 procent dus fysisch onmogelijk om de tijd terug te draaien.
Chaos
De onomkeerbaarheid van de tijd bij die 5 procent van de simulaties, heeft te maken met de chaotische beweging van de drie zwarte gaten. Een systeem is chaotisch als kleine veranderingen in de beginsituatie kunnen zorgen voor compleet ander gedrag, en een compleet andere uitkomst.
Voor de drie gesimuleerde zwarte gaten, betekent dat dat een klein verschil in hun posities een compleet andere eindtoestand oplevert. Dat komt doordat de wisselwerking tussen de drie zwarte gaten, zoals beschreven door de wetten van Newton, erin resulteert dat ze in complexe, chaotische banen om elkaar heen draaien. Net iets andere posities resulteren uiteindelijk in compleet andere, chaotische banen.
Uit de berekeningen blijkt dat je de posities van de zwarte gaten tot binnen een ‘plancklengte’ precies moet kennen om hun bewegingen exact genoeg te berekenen om de tijd terug te draaien. Een plancklengte is de kleinste, betekenisvolle lengte in de natuur. Het is onmogelijk om posities van objecten zo nauwkeurig te weten. Daarom is het voor die 5 procent onmogelijk om de natuurwetten terug te rekenen en de tijd terug te draaien.
Einstein erbij halen
De computersimulaties impliceren dat zelfs een ‘simpel’ systeem van drie objecten de tijdsymmetrie kan breken waardoor het in sommige gevallen onmogelijk is om de tijd terug te draaien. ‘We hadden absoluut niet verwacht dat dit al bij drie objecten gebeurt’, zegt Portegies Zwart. Kennelijk kunnen systemen van drie of meer objecten niet ontsnappen aan de richting van de tijd.
De simulaties komen nog niet helemaal overeen met het echte heelal. De onderzoekers gebruikten enkel de wetten van Newton en begonnen met zwarte gaten in stilstand. ‘Toekomstige simulaties willen we realistischer maken door de zwarte gaten niet uit stilstand te laten beginnen’, zegt Portegies Zwart. ‘En ik zou het ook graag een keer met de relativiteitstheorie van Einstein uitrekenen.’
