Met licht is iets vreemds aan de hand: al lange tijd is bekend dat het soms al vanaf een bepaald punt vertrekt voor het er is aangekomen. Dat werd altijd afgedaan als een illusie, veroorzaakt door de manier waarop de materie de lichtgolven vervormt. Maar mogelijk zit het toch anders.
Dit idee van ‘negatieve tijd’ – iets gebeurt al voor iets wat eraan voorafgaat heeft plaatsgevonden – is niet slechts een theoretisch concept, maar bestaat werkelijk in tastbare, fysieke zin, denken onderzoekers van de University of Toronto op basis van kwantumexperimenten.
De bevindingen, die nog niet in een peer-reviewed tijdschrift zijn gepubliceerd, hebben wereldwijd zowel aandacht als scepsis gewekt. Maar de onderzoekers benadrukken nu al dat deze opmerkelijke resultaten eerder een eigenaardige eigenschap van de kwantummechanica aantonen dan een radicale verschuiving zijn van ons begrip van tijd.
Net een sciencefictionfilm
“Dit is complexe materie, zelfs voor ons om met andere natuurkundigen te bespreken. We worden voortdurend verkeerd begrepen”, vertelt Aephraim Steinberg, professor in experimentele kwantumfysica aan de University of Toronto. Hij beaamt dat de term ‘negatieve tijd’ klinkt alsof het uit een sciencefictionfilm komt, maar Steinberg hoopt daarmee enkel diepere discussies te stimuleren over de mysteries van de kwantumfysica.
Jaren geleden begon het team met het onderzoeken van interacties tussen licht en materie. Wanneer lichtdeeltjes, of fotonen, door atomen gaan, worden sommige fotonen geabsorbeerd en later weer uitgezonden. Deze interactie verandert de atomen tijdelijk, waarbij ze in een hogere energietoestand terechtkomen voordat ze weer normaal worden.
In onderzoek geleid door Daniela Angulo probeerde het team te meten hoe lang deze atomen in die toestand bleven. “Die tijd bleek negatief te zijn”, legt Steinberg uit. Dat wil zeggen dat de tijdsduur minder dan nul is.
Auto’s in een tunnel
Dat klinkt natuurlijk heel vaag. Daarom een voorbeeld: stel je auto’s voor die een tunnel binnenrijden. Ze doen dat gemiddeld om 12.00 uur ’s middags. Vóór het experiment erkenden natuurkundigen dat de eerste auto’s iets eerder de tunnel kunnen uitrijden, bijvoorbeeld om 11.59 uur. Maar dit resultaat werd eerder afgedaan als betekenisloos.
Wat Angulo en haar collega’s aantoonden, is echter vergelijkbaar met het meten van koolmonoxidegehalten in de tunnel nadat de eerste auto’s eruit zijn gereden, en ontdekken dat de meetwaarden negatief zijn: dat kan eigenlijk niet.
Het duurde meer dan twee jaar om de experimenten te optimaliseren. De gebruikte lasers moesten zorgvuldig worden gekalibreerd om vervorming van de resultaten te voorkomen.
Maar die bleken onmiskenbaar. Toch zijn Steinberg en Angulo duidelijk: niemand beweert dat tijdreizen mogelijk is. “We willen niet zeggen dat iets achteruit in de tijd reisde”, stelt Steinberg. “Dat is een verkeerde interpretatie.”
Fotonen volgen geen vaste regels
De verklaring ligt in de kwantummechanica, waar deeltjes zoals fotonen zich op hun eigen vage manier gedragen in plaats van vaste regels te volgen. De deeltjes houden zich dus niet aan een vaste tijdlijn als het gaat om absorptie en het opnieuw uitzenden van de deeltjes. De interacties vinden plaats in een spectrum van ‘mogelijke duur’ en dat tart soms onze intuïtie.
Cruciaal is dat de onderzoekers stellen dat dit geen inbreuk is op Einsteins speciale relativiteitstheorie, die stelt dat niets sneller kan reizen dan het licht. Deze fotonen droegen geen informatie over, waardoor ze geen kosmische snelheidslimieten overtraden.
Scepsis
De introductie van het concept ‘negatieve tijd’ riep scepsis op bij vooral enkele prominente wetenschappers. De Duitse theoretisch natuurkundige Sabine Hossenfelder bekritiseerde het werk in een YouTube-video die meer dan 250.000 keer is bekeken. Ze merkte op: “De negatieve tijd in dit experiment heeft niets te maken met het verstrijken van tijd. Het is slechts een manier om te beschrijven hoe fotonen door een medium reizen en hoe hun fasen verschuiven.” Angulo en Steinberg reageerden daarop door te stellen dat hun onderzoek essentiële hiaten blootlegt over waarom licht niet altijd met een constante snelheid reist.
Steinberg erkent de controverse rond de provocerende titel van de paper, maar wees erop dat geen enkele serieuze wetenschapper de experimentele resultaten heeft betwist. “We hebben onze keuze gemaakt over wat wij denken dat een vruchtbare manier is om de resultaten te beschrijven.” Hij voegde eraan toe dat hoewel praktische toepassingen voorlopig uitblijven, de bevindingen nieuwe wegen openen voor het verkennen van kwantumverschijnselen.
