Vad är tid?

Det här vet vi

Vi vet att tid och rum sitter ihop i en fyrdimensionell väv som kallas rymdtid. Albert Einstein visade med sin relativitetsteori att tiden inte är absolut – den kan töjas och dras ut beroende på hur snabbt du rör dig eller hur stark gravitation du befinner dig i.

Detta innebär att ”nu” inte betyder samma sak för alla. Två händelser som ser ut att ske samtidigt för dig kan ske i olika ordning för någon som rör sig snabbt förbi. Tiden är en lokal upplevelse, inte en universell klocka som tickar likadant för alla.

Tidsdilation: Den rörliga klockan

Föreställ dig att du har en tvilling som åker iväg i ett supersnabbt rymdskepp medan du stannar på jorden. För din tvilling tickar klockan precis som vanligt. Men när hen kommer tillbaka kommer du att ha åldrats flera år, medan tvillingen kanske bara har åldrats några månader. Hastighet ”bromsar” tiden i förhållande till någon som står stilla.

Detta är inte bara teori; vi ser det varje dag i våra GPS-satelliter. Eftersom de rör sig snabbt och befinner sig långt från jordens tyngdkraft går deras klockor lite annorlunda än våra. Utan att korrigera för detta skulle kartan i din telefon visa fel på flera kilometer efter bara en dag.

Tidsdilation (Lorentz-faktorn)

t = \frac{t_0}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}}

På vanlig svenskaTiden saktar ner ju snabbare man rör sig.

Vad betyder symbolerna?

$t$: Tiden mätt av en stillastående observatör
$t_0$: Tiden mätt av den som rör sig (egentid)
$v$: Objektets hastighet
$c$: Ljusets hastighet

Räkneexempel

Om du reser i 90 % av ljusets hastighet ( $v = 0{,}9c$ ), hur mycket saktare går tiden då?

t = \frac{t_0}{\sqrt{1 - 0{,}9^2}}

t = \frac{t_0}{\sqrt{1 - 0{,}81}}

t = \frac{t_0}{\sqrt{0{,}19}} \approx 2{,}29 \times t_0

För varje år som går för dig på rymdskeppet, går det nästan 2,3 år för dem som stannade kvar på jorden.

Vad det betyderJu närmare ljusets hastighet du kommer, desto mer ”sträcks” tiden ut. Om du kunde nå ljusets hastighet skulle tiden i princip stå stilla.

Det här vet vi inte

Den största gåtan är varför tiden bara går åt ett håll. Vi kan krossa ett ägg, men vi ser aldrig ett krossat ägg sätta ihop sig självt och hoppa upp på bordet igen. Detta kallas tidens pil.

13,8

I miljarder år har universum rört sig från ordning mot oordning, och det är i detta flöde som tidens pil uppstår.

Fysikens lagar är faktiskt helt symmetriska – de bryr sig inte om tiden går framåt eller bakåt. Ändå upplever vi ett tydligt ”nu” som rör sig från en dåtid mot en framtid. Varför det är så är en av vetenskapens största obesvarade frågor.

Är tiden en fundamental egenskap hos universum, som rummet, eller är den något som dyker upp (emergerar) ur en tidlös kvantvärld? Många teorier om kvantgravitation pekar på att tid kanske inte ens finns på den allra minsta nivån.

Hur vet vi det?

1687

Absolut tid

Isaac Newton hävdar att tiden flyter på samma sätt i hela universum, oberoende av allt annat.

1905

Relativ tid

Albert Einstein publicerar den speciella relativitetsteorin och visar att tid beror på hastighet.

1915

Krökning av tid

Den allmänna relativitetsteorin visar att tyngdkraft kröker tiden.

1971

Hafele-Keating-experimentet

Atomur flygs runt jorden i jetplan och bekräftar att de går annorlunda än klockor på marken.

2010

Noggrannare än någonsin

Forskare mäter tidsdilation på en höjdskillnad av bara 33 centimeter.

Entropi: Oordningens makt

Svaret på varför tiden har en riktning tros ligga i begreppet . Det är ett mått på hur oordnat ett system är. Enligt termodynamikens andra huvudsats ökar entropin i ett isolerat system alltid över tid.

Boltzmanns entropiformel

S = k \ln W

På vanlig svenskaSaker blir naturligt mer stökiga, och det skapar en känsla av att tiden går framåt.

Vad betyder symbolerna?

$S$: (oordning)
$k$: Boltzmanns konstant
$W$: Antalet möjliga mikrotillstånd (sätt att arrangera delarna)

Räkneexempel

Tänk på en kortlek. Det finns bara ett sätt för den att vara perfekt sorterad, men miljontals sätt att vara blandad.

W = 1 \Rightarrow S = k \ln(1) = 0

W = 10^{68} \Rightarrow S \approx 10^{-21} \text{ J/K}

Eftersom det finns så många fler sätt att vara oordnad än ordnad, kommer saker naturligt att bli mer kaotiska över tid.

Vad det betyderTiden går åt det håll där oordningen ökar. Att tiden går framåt är alltså en statistisk effekt av att universum startade i ett extremt ordnat tillstånd (Big Bang).

Om universum når maximal oordning – ett tillstånd som kallas ”värmedöden” – kommer tidens pil i praktiken att försvinna. Inget kommer längre att förändras, och därmed finns det inget sätt att skilja framtid från dåtid.

Tidens skalor

Händelse	Tidsskala	Beskrivning
Planck-tid	$10^-43$ sekunder	Den minsta meningsfulla tidsenheten.
Ljusets resa över en atom	$10^-18$ sekunder	Attosekunder, där kvantprocesser sker.
Människans blinkning	0,3 sekunder	Vår upplevelse av ett ögonblick.
Universums ålder	13,8 miljarder år	Tiden sedan Big Bang.
Protonsönderfall?	$10^34$ år	En tidsrymd långt bortom universums nuvarande ålder.

Blockuniversumet: Finns dåtiden kvar?

Många fysiker stöder idén om ett blockuniversum. Enligt denna teori är dåtid, nutid och framtid lika verkliga och existerar samtidigt i en gigantisk fyrdimensionell ”klump”. Din födelse och din död är bara olika koordinater i detta block, precis som Stockholm och Göteborg är olika platser på en karta.

I denna bild flyter inte tiden; det är bara vår mänskliga hjärna som upplever den som en film som spelas upp. Detta väcker djupa frågor om fri vilja och om vi faktiskt kan påverka vår framtid.

Illustration av en världslinje i rymdtiden — En ”världslinje” visar ett objekts väg genom rymdtiden. I blockuniversumet existerar hela linjen samtidigt, inte bara den punkt vi kallar ”nu”.Bild: Wikimedia Commons

Einstein själv skrev en gång: ”För oss övertygade fysiker är skillnaden mellan dåtid, nutid och framtid bara en envis, om än ihållande, illusion.” Denna syn på tiden är svår att acceptera eftersom den krockar så starkt med vår känsla av att leva i ögonblicket.

Myter om tid

Myt

Tiden går lika fort för alla i universum.

Sanningen

Nej, tiden är relativ och påverkas av både hastighet och gravitation.

Myt

Vi kan resa bakåt i tiden med tillräckligt snabba skepp.

Sanningen

Hittills tillåter inga kända lagar resor bakåt i tiden, bara snabbspolning framåt genom tidsdilation.

Myt

Tiden startade vid Big Bang.

Sanningen

Vi vet inte säkert; vissa teorier föreslår att det fanns något innan, eller att tid fungerade annorlunda då.

Teorierna

Tid som en illusion

Spekulation

Julian Barbour (1999)

Tid existerar inte alls som en dimension. Universum består bara av en mängd ”nu-ögonblick” som ligger bredvid varandra likt fotografier.

För

+Löser vissa problem i kvantgravitation genom att eliminera 't'.
+Elegant matematiskt och förenklar ekvationerna.

Emot

−Extremt svårt att bevisa experimentellt.
−Går helt emot vår vardagliga upplevelse av orsak och verkan.

Termisk tid

Möjlig idé

Carlo Rovelli (2018)

Tid är inte en grundläggande lag, utan något som uppstår ur värme och statistik. På atomnivå finns ingen tid.

För

+Förenar termodynamik med kvantmekanik på ett nytt sätt.
+Förklarar varför tiden har en pil trots att lagarna är symmetriska.

Emot

−Kräver ny matematik för kvantgravitation som ännu inte är färdig.
−Svår att verifiera med dagens mätinstrument.

Wheeler-DeWitt-ekvationen

Stark teori

John Wheeler & Bryce DeWitt (1967)

En ekvation som beskriver hela universums kvanttillstånd utan att inkludera variabeln 't' (tid).

För

+En av de bästa broarna mellan kvantmekanik och relativitetsteori.
+Visar att universum som helhet kan betraktas som tidlöst.

Emot

−Visar att vi inte förstår hur ”tid” uppstår ur en tidlös matematik.
−Leder till 'tidsproblemet' inom kosmologin.

Hur kan vi ta reda på det?

För att förstå tidens sanna natur måste vi förena Einsteins relativitetsteori (som beskriver stora saker) med kvantmekaniken (som beskriver små saker). Idag letar forskare efter ledtrådar i universums allra tidigaste ögonblick.

Atomur i rymden

Genom att placera extremt precisa klockor på olika höjd kan vi mäta gravitationens påverkan på tiden med otrolig noggrannhet.

Svart hål-observationer

Nära ett svart hål blir tidens krökning extrem. Genom att studera dessa kan vi testa om våra teorier om rymdtid håller i extrema miljöer.

Kvantdatorer

Vissa forskare använder kvantsimuleringar för att se om de kan ”vända” tidens pil på atomnivå, vilket ger insikter i hur tid uppstår ur kaos.

Atomur vid NIST — Dagens mest precisa klockor tappar inte ens en sekund på miljarder år. De är avgörande för att testa tidens natur.Bild: NIST

Vad tycker du?

Om framtiden redan existerar i ett ”blockuniversum”, betyder det då att vi inte har någon fri vilja – eller är framtiden bara en väg som redan är lagd men som vi ännu inte har gått på?

Det finns inget rätt eller fel svar.

Tiden är kanske det mest bekanta vi har, och samtidigt det mest främmande. Oavsett om den är en grundbult i verkligheten eller bara en dröm, så fortsätter den att ticka på.

Det här vet vi

Det här vet vi inte

Hur vet vi det?

Absolut tid

Relativ tid

Krökning av tid

Hafele-Keating-experimentet

Noggrannare än någonsin

Entropi: Oordningens makt

Tidens skalor

Blockuniversumet: Finns dåtiden kvar?

Myter om tid

Teorierna

Tid som en illusion

Termisk tid

Wheeler-DeWitt-ekvationen

Hur kan vi ta reda på det?

Atomur i rymden

Svart hål-observationer

Kvantdatorer

Vad tycker du?

Gå djupare

Relativitetsteorin

Entropi och termodynamikens lagar

Kvantmekanik i grunden

Svarta hål