Tijd in machten van tien

Alle vaste objecten veranderen ooit in ronde druppels. De kwantum-mechanica schrijft voor dat alle atomen en moleculen in een stof, zelfs bij zeer lage temperaturen, een restant energie houden, de zogenoemde nulpuntsenergie. Als je maar lang genoeg wacht, verwisselen de atomen van een stof van plaats. Als je dit proces versnelt afspeelt, lijkt het alsof materie smelt. De materie zou eerst in bolvormige druppels veranderen en dan verdampen. Waarschijnlijk is dit proces fictief. En ook al vindt het wel plaats, het is niet relevant, behalve als je zo’n 10⁶⁵ jaar wilt wachten. Dit soort tijdschalen zijn onvoorstelbaar en daarom zo amusant om over te lezen.

In Tijd in Machten van Tien gaan natuurkundigen Gerard ’t Hooft en Stefan Vandoren op zoek naar verschijnselen die aan een specifieke tijdspanne zijn gebonden. Het klopt als de titel bekend klinkt. De schrijvers kopieëren het format van The Power of Ten, gebaseerd op Kees Boeke’s Wij in het Heelal, een Heelal in ons. Hierbij wordt een reis door de ruimte (als in, letterlijk driedimensionale ruimte) gemaakt van klein naar groot en andersom, van het menselijk lichaam tot aan het alomvattende heelal en weer terug naar protonen, neutronen en quarks (zie video onder).

’t Hooft en Vandoren beginnen ook bij een menselijke maat, de seconde, iets langer dan een hartslag. In het eerste deel rekken ze de tijd in ieder hoofdstuk met een factor tien uit. We zien atleten, de menselijke geschiedenis, plaattektoniek, evolutie. En al snel zitten we ons natuurlijk op kosmische tijdschaal te verwonderen om uiteindelijk in de ‘duistere eeuwigheden’ te belanden.

Van daaruit maken de auteurs een reuzensprong naar de kleinste tijdschalen. Hoewel we pas kunnen meten vanaf 10^-16 beginnen de auteurs bij het onvoorstelbare 10^-44. Dat is de Planck-tijd. ,,Dit zou nog wel eens de tijd kunnen zijn die de natuur minstens nodig heeft om wat voor verandering dan ook teweeg te brengen. Dit soort tijdschalen is voorlopig niet meetbaar (…) Op deze schaal veroorzaakt de zwaartekracht kromming van ruimte en tijd, bepaalt de lichtsnelheid hoe deze kromming zich voortplant, en veroorzaken de kwantum-verschijnselen – waarvan we weten dat ze de dynamica van atomen, moleculen en subatomaire deeltjes beschijven – een ingewikkelde structuur van dit alles.” We bevinden ons hier op het terrein van de verschillende snaartheorieën.

Vanaf deze onvoorstelbaar kleine schaal hinkstappen ’t Hooft en Vandoren terug naar de seconde. Maar vergis je niet in de afstand. Zelfs bij 10^-18, de attoseconde, zijn we nog ver weg. Een attoseconde verhoudt zich tot een seconde als een seconde tot tweemaal de leeftijd van het heelal. Toch hebben we al dagelijkse toepassingen waarin de attoseconde een rol speelt: röntgen. De frequentie van de golflengte van de röntgenstraal propt zich in deze tijdseenheid.

Het aardige van Tijd in Machten van Tien is niet alleen de verwondering of het extreem kleine en grote, hoewel dat natuurlijk wel de meest spannende passages zijn, maar vooral ook de overvloed aan informatie die je bij iedere tijdschaal krijgt over natuurlijke verschijnselen. Alles komt aan bod: deeltjesfysica, kosmologie, biologie, chemie. Het niveau ligt daarbij behoorlijk hoog. Op het eerste gezicht oogt het boek als een doorbladerexemplaar – veel foto’s, diagrammen, infographics, maar de stof is pittig. De schrijver geven bijvoorbeeld veel informatie over halfwaardetijden. Het gedrag van quarks wordt uitgelegd. Hoe straling zich gedraagt, golven werken, kernfusieprocessen, zwarte gaten en witte dwergen. De schrijvers leggen het niet altijd even helder uit, of veronderstellen gewoon veel voorkennis.

Het kan daarom geen kwaad om wat extra leeswerk te verrichten, zoals Klein en Groot: de Wonderlijke Relatie tussen micro- en macrokosmos van wetenschapsjournalist Govert Schilling. Het boekje is alleen nog tweedehands verkrijgbaar voor zover ik kan nagaan, maar het is zeer de moeite waard.

Tot slot nog een paar opmerkelijke wistudatjes. Wist u dat er voor 10^-43 wellicht geen tijd was, maar slechts een ‘vaag gebied’? ,,De wetten van de kwantummechanica lijken niet toe te staan om het tijdstip van de oerknal oneindig scherp te definiëren. Daarom vermoeden sommige onderzoekers dat dat allereerste moment wellicht niet een enkel punt was in de ‘ruimtetijd’, maar een vaag gedefnieerd gebiedje in een ruimte-tijd continuüm. We weten nog weinig van deze periode, omdat er nog geen algemeen aanvaarde theorie over de kwantumzwaartekracht bestaat. Het zou zelfs zo kunnen zijn dat de begrippen ’tijd’ en ‘ruimte’ hun betekenis verliezen zodra de Planck-schaal wordt bereikt; ze zijn als het ware mee gecreëerd met de oerknal.”

En 380.000 jaar na de oerknal wordt het heelal transparant. ,,De temperatuur is dan gezakt tot 2970 kelvin. Bij deze temperatuur worden de elektronen voor het eerst in de atoomkernen opgevangen zodat het merendeel van de atomen, voornamelijk waterstof en helium, elektrisch neutraal werd. Dit proces heet in de natuurkunde ‘recombinatie’. Dat levert als belangrijk verschijnsel op dat lichtstralen nu niet langer worden tegengehouden en verstrooid in het plasma van protonen en elktronen: het heelal wordt transparant. De lichtstralen die bij deze temperatuur werden uitgezonden zijn daarom nu nog steeds zichtbaar.”

Hier vind je videomateriaal van een gelijksoortig project.

Bestel hier Tijd in Machten van Tien

In het Universiteitsmuseum in Utrecht loopt tot en met 4 september een begeleidende expositie.