door Lisa Zyga , Phys.org
(Phys.org) — Al lang voor Einstein en de moderne natuurkunde hebben filosofen gedebatteerd over de aard van de tijd. Maar in de 106 jaar sinds Einstein is de heersende opvatting in de natuurkunde geweest dat tijd dient als de vierde dimensie van de ruimte, een gebied dat wiskundig wordt voorgesteld als 4D Minkowski-ruimtetijd. Sommige wetenschappers, waaronder Amrit Sorli en Davide Fiscaletti, oprichters van het Space Life Institute in Slovenië, beweren echter dat tijd volledig onafhankelijk van ruimte bestaat. In een nieuwe studie hebben Sorli en Fiscaletti aangetoond dat twee verschijnselen van de speciale relativiteit – tijddilatatie en lengtecontractie – beter kunnen worden beschreven binnen het kader van een 3D-ruimte met tijd als de grootheid die wordt gebruikt om veranderingen (d.w.z. de beweging van fotonen) in deze ruimte te meten.
De wetenschappers hebben hun artikel gepubliceerd in een recent nummer van Physics Essays. Het werk bouwt voort op hun eerdere artikelen, waarin zij de definitie van tijd als een numerieke orde van materiële verandering hebben onderzocht.
De belangrijkste concepten van de speciale relativiteit – dat de snelheid van het licht gelijk is in alle inertiale referentiekaders, en dat er geen absoluut referentiekader is – worden traditioneel geformuleerd binnen het raamwerk van de Minkowski-ruimtetijd. In dit kader worden de drie ruimtelijke dimensies intuïtief gevisualiseerd, terwijl de tijdsdimensie wiskundig wordt voorgesteld door een denkbeeldige coördinaat, en niet concreet kan worden gevisualiseerd.
In hun artikel stellen Sorli en Fiscaletti dat, hoewel de concepten van de speciale relativiteit deugdelijk zijn, de invoering van de 4D Minkowski ruimtetijd heeft geleid tot een eeuwenoud misverstand over tijd als de vierde dimensie van de ruimte, dat geen enkele experimentele ondersteuning heeft. Zij stellen dat bekende tijd-dilatatie-experimenten, zoals die welke aantonen dat klokken in snelle vliegtuigen inderdaad langzamer lopen dan in rust, de speciale relativiteit en tijd-dilatatie ondersteunen, maar niet noodzakelijkerwijs de Minkowski ruimtetijd of lengtecontractie. Volgens de conventionele opvatting lopen klokken bij hoge snelheden langzamer door de aard van de Minkowski ruimtetijd zelf als gevolg van zowel tijddilatatie als lengtecontractie. Maar Sorli en Fiscaletti stellen dat de trage klokken beter kunnen worden beschreven door de relatieve snelheid tussen de twee referentiekaders, die de klokken meten, niet waar de klokken deel van uitmaken. In deze opvatting zijn ruimte en tijd twee afzonderlijke entiteiten.
Met klokken meten we de numerieke volgorde van beweging in de 3D-ruimte, vertelde Sorli aan Phys.org. Tijd is ‘gescheiden’ van ruimte in die zin dat tijd geen vierde dimensie van ruimte is. In plaats daarvan bestaat tijd als een numerieke volgorde van verandering in een 3D-ruimte. Ons model van ruimte en tijd is gebaseerd op metingen en komt beter overeen met de fysieke werkelijkheid.
Om het verschil tussen de twee opvattingen over tijd te illustreren, bekijken Sorli en Fiscaletti een experiment met twee lichtklokken. Het tikmechanisme van elke klok bestaat uit een foton dat tussen twee spiegels heen en weer wordt weerkaatst, zodat de weg van een foton van de ene spiegel naar de andere overeenkomt met één tik van de klok. De klokken zijn loodrecht op elkaar geplaatst op een platform, met klok A horizontaal gericht en klok B verticaal. Als het platform met hoge snelheid horizontaal wordt bewogen, dan zou klok A volgens het lengtecontractie-fenomeen in 4D-ruimtetijd moeten krimpen, zodat het foton een kortere weg aflegt, waardoor hij sneller tikt dan klok B.
Maar Sorli en Fiscaletti stellen dat de lengtecontractie van klok A en het daaruit voortvloeiende verschil in de tiktijden van klokken A en B niet in overeenstemming zijn met de speciale relativiteit, die stelt dat de snelheid van het licht constant is in alle inertiale referentiekaders. Zij zeggen dat, als de fotonsnelheid voor beide klokken gelijk blijft, beide klokken even snel zouden moeten tikken zonder lengtecontractie voor klok A. Zij tonen wiskundig aan hoe het probleem op deze manier kan worden opgelost door de 4D-ruimtetijd van Minkowski te vervangen door een 3D-ruimte met Galileïtransformaties voor drie ruimtelijke coördinaten X, Y en Z, en een wiskundige vergelijking (het formalisme van Selleri) voor de transformatie van de snelheid van materiaalverandering, die volledig onafhankelijk is van de ruimtelijke coördinaten.
Sorli legde uit dat dit idee dat beide fotonenklokken met dezelfde snelheid tikken niet in strijd is met de experimenten met vliegende klokken en andere proeven waarbij tijddilatatie is gemeten. Dit verschil, zegt hij, is te wijten aan een verschil tussen fotonenklokken en atoomklokken.
De snelheid van fotonenklokken in snellere inertiale systemen zal niet vertragen ten opzichte van de fotonenklokken in een inertiaal systeem in rust, omdat de snelheid van het licht constant is in alle inertiale systemen, zei hij. De snelheid van atoomklokken zal vertragen omdat de ‘relativiteit’ van fysische verschijnselen begint op de schaal van pi mesonen.
Hij legde ook uit dat, zonder lengtecontractie, tijddilatatie bestaat, maar op een andere manier dan gewoonlijk wordt gedacht.
Tijddilatatie bestaat niet in de zin dat de tijd als vierde dimensie van de ruimte dilateert en als gevolg daarvan de kloksnelheid trager is, legde hij uit. Tijddilatatie betekent gewoon dat in een sneller inertiaalstelsel de snelheid van verandering langzamer wordt en dit geldt voor alle waarnemers. GPS bevestigt dat klokken in baanstations een andere snelheid hebben dan de klokken op het oppervlak van de planeet, en dit verschil geldt voor waarnemers die zich op het baanstation en op het oppervlak van de planeet bevinden. Zo geïnterpreteerd vereist ‘tijddilatatie’ geen ‘lengtecontractie’, wat zoals wij in ons artikel laten zien tot een tegenspraak leidt door de lichtklokken verschillend te plaatsen in een bewegend inertiaalstelsel.
Hij voegde eraan toe dat de alternatieve definitie van tijd ook overeenkomt met het begrip van tijd van de wiskundige en filosoof Kurt Gödel.
De definitie van tijd als een numerieke orde van verandering in de ruimte vervangt het 106 jaar oude begrip van tijd als een fysische dimensie waarin verandering verloopt, aldus Sorli. Wij beschouwen tijd slechts als een wiskundige grootheid van verandering die we met klokken meten. Dit is in overeenstemming met een Gödel opvatting van tijd. In 1949 had Gödel een opmerkelijk bewijs geleverd: “In geen enkel universum dat door de relativiteitstheorie wordt beschreven, kan tijd bestaan. Ons onderzoek bevestigt Gödels visie: tijd is geen fysieke dimensie van de ruimte waardoor men naar het verleden of de toekomst zou kunnen reizen.
In de toekomst zijn Sorli en Fiscaletti van plan te onderzoeken hoe deze opvatting van tijd past in de bredere omgeving. Zij merken op dat andere onderzoekers hebben onderzocht of het idee van ruimtetijd kan worden afgeschaft ten gunste van afzonderlijke ruimte- en tijdentiteiten, maar dat zij vaak suggereren dat dit perspectief het best kan worden geformuleerd in het kader van een ether, een fysisch medium dat de gehele ruimte doordringt. Sorli en Fiscaletti daarentegen denken dat het idee beter kan worden gemodelleerd binnen het kader van een 3D kwantum vacuüm. In plaats van de ruimte te zien als een medium dat licht draagt, wordt de voortplanting van licht bepaald door de elektromagnetische eigenschappen (de permeabiliteit en permittiviteit) van het kwantumvacuüm.
Wij ontwikkelen een wiskundig model waarin zwaartekracht het resultaat is van de verminderde energiedichtheid van een 3D kwantumvacuüm, veroorzaakt door de aanwezigheid van een bepaald stellair object of materieel lichaam, aldus Sorli. Traagheidsmassa en zwaartekrachtmassa hebben dezelfde oorsprong: verminderde energiedichtheid van een kwantumvacuüm. Dit model geeft exacte berekeningen voor de periheliumprecessie van Mercurius als berekeningen van de algemene relativiteitstheorie.