“Als men een onderzoeksbeurs zou aanvragen om aan tijdreizen te werken, zou die onmiddellijk worden afgewezen,” schrijft de natuurkundige Stephen Hawking in zijn postuum verschenen boek Brief Answers to the Big Questions. Hij had gelijk. Maar hij had ook gelijk dat de vraag of tijdreizen mogelijk is een “zeer serieuze vraag” is die nog steeds wetenschappelijk kan worden benaderd.

Met het argument dat onze huidige inzichten het niet kunnen uitsluiten, was Hawking, zo lijkt het, voorzichtig optimistisch. Dus waar staan we nu? We kunnen nu geen tijdmachine bouwen, maar kunnen we dat in de toekomst wel?

Laten we beginnen met onze alledaagse ervaring. Wij beschouwen het als vanzelfsprekend dat wij onze vrienden en familie, waar ook ter wereld, kunnen bellen om te weten te komen wat zij op dit moment aan het doen zijn. Maar dit is iets wat we nooit echt kunnen weten. De signalen die hun stemmen en beelden dragen, reizen onbegrijpelijk snel, maar het duurt nog steeds een eindige tijd voordat die signalen ons bereiken.

Onze onmogelijkheid om toegang te krijgen tot het “nu” van iemand die ver weg is, is de kern van Albert Einsteins theorieën over ruimte en tijd.

Lichtsnelheid

Einstein vertelde ons dat ruimte en tijd delen zijn van één ding – ruimtetijd – en dat we net zo bereid moeten zijn om na te denken over afstanden in de tijd als we zijn over afstanden in de ruimte. Hoe vreemd dit ook mag klinken, wij antwoorden met genoegen “ongeveer twee en een half uur”, als iemand vraagt hoe ver Birmingham van Londen is. Wat we bedoelen is dat de reis zo lang duurt bij een gemiddelde snelheid van 50 mijl per uur.

Mathematisch gezien komt onze uitspraak neer op zeggen dat Birmingham ongeveer 125 mijl van Londen ligt. Zoals de natuurkundigen Brian Cox en Jeff Forshaw in hun boek Why does E=mc²? schrijven, kunnen tijd en afstand “worden verwisseld met iets dat de valuta van een snelheid heeft”. Einstein’s intellectuele sprong was te veronderstellen dat de wisselkoers van een tijd naar een afstand in ruimtetijd universeel is – en het is de snelheid van het licht.

De snelheid van het licht is de snelste die een signaal kan reizen, en stelt een fundamentele limiet aan hoe snel we kunnen weten wat er elders in het universum gebeurt. Dit geeft ons “causaliteit” – de wet dat effecten altijd na hun oorzaken moeten komen. Het is een ernstige theoretische doorn in het oog van tijdreizende protagonisten. Als ik terug reis in de tijd en gebeurtenissen in gang zet die mijn geboorte voorkomen, is dat het gevolg (ik) vóór de oorzaak (mijn geboorte) plaatsen.

Nu, als de snelheid van het licht universeel is, moeten we meten dat die hetzelfde is – 299.792.458 meter per seconde in vacuüm – hoe snel we zelf ook bewegen. Einstein realiseerde zich dat het gevolg van het feit dat de snelheid van het licht absoluut is, is dat ruimte en tijd zelf dat niet kunnen zijn. En het blijkt dat bewegende klokken langzamer moeten tikken dan stilstaande.

Hoe sneller je beweegt, hoe langzamer je klok tikt ten opzichte van klokken waar je langs beweegt. Het woord “relatief” is belangrijk: voor jou lijkt de tijd normaal te verstrijken. Voor iedereen die stilstaat, echter, zult u in slow motion zijn. Als u zich met de snelheid van het licht zou voortbewegen, zou het lijken alsof u bevroren bent in de tijd – wat u betreft zou iedereen vooruit lopen.

En wat als we sneller dan het licht zouden reizen, zou de tijd dan teruglopen zoals science fiction ons heeft geleerd?

Helaas is er oneindig veel energie voor nodig om een mens te versnellen tot de snelheid van het licht, laat staan verder dan dat. Maar zelfs als we dat konden, zou de tijd niet gewoon teruglopen. In plaats daarvan zou het helemaal geen zin meer hebben om over vooruit en achteruit te praten. De wet van causaliteit zou worden overtreden en het concept van oorzaak en gevolg zou zijn betekenis verliezen.

Wormgaten

Einstein vertelde ons ook dat de zwaartekracht een gevolg is van de manier waarop massa ruimte en tijd vervormt. Hoe meer massa we in een gebied van de ruimte persen, hoe meer ruimtetijd wordt vervormd en hoe langzamer klokken in de buurt tikken. Als we er genoeg massa in persen, wordt de ruimtetijd zo krom dat zelfs licht niet aan de zwaartekracht kan ontsnappen en er een zwart gat ontstaat. En als je de rand van het zwarte gat – de waarnemingshorizon – zou naderen, zou je klok oneindig langzaam tikken ten opzichte van degenen die er ver vandaan staan.

Zouden we ruimtetijd dus op de juiste manier kunnen vervormen om hem weer te sluiten en terug in de tijd te reizen?

Het antwoord is misschien, en de vervorming die we nodig hebben is een doorkruisbaar wormgat. Maar we moeten ook regio’s van negatieve energiedichtheid produceren om het te stabiliseren, en de klassieke natuurkunde van de 19e eeuw verhindert dit. De moderne theorie van de kwantummechanica echter misschien niet.

Volgens de kwantummechanica is de lege ruimte niet leeg. In plaats daarvan is het gevuld met paren deeltjes die in en uit het bestaan springen. Als we een gebied kunnen maken waar minder paren in en uit mogen springen dan overal elders, dan zal dit gebied een negatieve energiedichtheid hebben.

Het vinden van een consistente theorie die kwantummechanica combineert met Einsteins theorie van de zwaartekracht blijft echter een van de grootste uitdagingen in de theoretische natuurkunde. Een van de kandidaten, de snaartheorie (meer precies M-theorie), zou een andere mogelijkheid kunnen bieden.

M-theorie vereist dat ruimtetijd 11 dimensies heeft: de ene van tijd en drie van ruimte waarin wij ons bewegen en zeven meer, onzichtbaar klein gekruld. Zouden we deze extra ruimtelijke dimensies kunnen gebruiken om ruimte en tijd te verkorten? Hawking was in ieder geval hoopvol gestemd.

Het redden van de geschiedenis

Dus is tijdreizen echt een mogelijkheid? Met onze huidige kennis kunnen we het niet uitsluiten, maar het antwoord is waarschijnlijk nee.

Einsteins theorieën slagen er niet in de structuur van de ruimtetijd op ongelooflijk kleine schalen te beschrijven. En hoewel de natuurwetten vaak volledig in strijd zijn met onze alledaagse ervaring, zijn ze altijd zelfconsistent – waardoor er weinig ruimte is voor de paradoxen die in overvloed ontstaan wanneer we knoeien met oorzaak en gevolg in de sciencefiction over tijdreizen.

Ondanks zijn speelse optimisme, erkende Hawking dat de onontdekte natuurkundige wetten die ooit die van Einstein zullen vervangen, kunnen samenzweren om te voorkomen dat grote objecten zoals u en ik terloops (niet causaal) heen en weer door de tijd kunnen springen. Of de toekomst nu wel of geen tijdmachines in petto heeft, we kunnen ons troosten met de wetenschap dat we, als we een berg beklimmen of in onze auto’s optrekken, veranderen hoe de tijd tikt.

Dus, op deze “doe alsof je een tijdreiziger bent dag” (8 december), bedenk dat je dat al bent, alleen niet op de manier die je misschien hoopt.