Inleiding
De concepten van entropie en tijd zijn fundamenteel voor het begrip van fysische verschijnselen.
Entropie, een maat voor wanorde of de mate van verspreiding van energie in een systeem, wordt vaak geassocieerd met de tweede wet van de thermodynamica, die stelt dat in een geïsoleerd systeem de totale entropie niet kan afnemen. De ‘pijl van de tijd‘ daarentegen, verwijst naar de richting waarin tijd beweegt, van verleden naar toekomst. Deze richting lijkt nauw verbonden met het gedrag van entropie. Hoe zit het met dit verband?
Entropie
Entropie is oorspronkelijk geïntroduceerd in de 19e eeuw door de natuurkundige Rudolf Clausius. Hij definieerde het als een maatstaf voor de energie in een thermodynamisch systeem die niet beschikbaar is voor arbeid. In termen van thermodynamica verwijst de tweede wet naar de tendens dat in een gesloten systeem de entropie altijd toeneemt of op zijn minst constant blijft. Dit betekent dat, in de afwezigheid van enige externe invloed, systemen zich spontaan van een geordende naar een wanordelijke toestand zullen ontwikkelen.
Ludwig Boltzmann, een andere pionier in de thermodynamica, ontwikkelde een statistische interpretatie van entropie die de basis vormde voor het begrip dat we vandaag kennen. Hij stelde dat entropie gerelateerd is aan het aantal mogelijke microtoestanden waarin een systeem kan verkeren. Hoe groter het aantal microtoestanden (dus hoe wanordelijker het systeem), hoe hoger de entropie.
De Tweede Wet van de Thermodynamica en de Tijdspijl
De tweede wet van de thermodynamica is nauw verbonden met het idee van de ‘thermodynamische pijl van de tijd.’ In de natuurkunde wordt de richting van de tijd vaak gedefinieerd als de richting waarin entropie toeneemt. In een gesloten systeem dat begint in een geordende toestand, zoals een bak met gasmoleculen in één kant van de kamer, zullen deze moleculen zich spontaan verspreiden totdat ze een gelijkmatige verspreiding over de kamer bereiken. Deze verspreiding is onomkeerbaar zonder externe invloed en laat zien hoe tijd asymmetrisch werkt: het is moeilijk, zo niet onmogelijk, om een systeem vanzelf naar een lagere entropie-toestand te laten terugkeren.
Deze observatie leidt tot een fundamentele vraag: als de wetten van de fysica (met name in de klassieke mechanica en kwantummechanica) symmetrisch zijn in de tijd, waarom ervaren wij tijd dan als asymmetrisch, altijd bewegend van verleden naar toekomst? Entropie biedt een verklaring door aan te geven dat tijd vooruit lijkt te gaan omdat entropie toeneemt. Dit biedt echter niet per se een volledige verklaring voor waarom de tijd zo ervaren wordt; het stelt slechts dat entropie een maat kan zijn voor de richting waarin wij de tijd ervaren.
De Relatie Tussen Entropie en Tijd in de Kosmologie
De kosmologie biedt een bredere context voor het verband tussen entropie en de richting van de tijd. De oerknal, die het ontstaan van het universum markeert, creëerde een toestand van zeer lage entropie, waarin materie en energie aanvankelijk geordend waren. Vanaf dat moment begon het universum uit te zetten en namen de entropie en wanorde toe. Dit proces lijkt een natuurlijke verklaring te geven voor de richting van de tijd op kosmische schaal: tijd beweegt van een toestand van lage entropie (de vroege fase van het universum) naar een toestand van hogere entropie (de huidige fase en de toekomst).
Volgens deze kosmologische kijk kan de tijdspijl worden verklaard door de richting van toenemende entropie. Als het universum ooit zou stoppen met uitdijen en beginnen in te krimpen, zoals sommige kosmologische modellen suggereren, zou het mogelijk zijn dat de entropie weer zou gaan afnemen. Dit zou de tijdspijl omdraaien, wat fascinerende theoretische vragen oproept over de mogelijkheid van ’teruglopende tijd’.
Kwantummechanica en Tijdssymmetrie
In de kwantummechanica, waar systemen worden beschreven door golfvergelijkingen, zijn de wetten in principe symmetrisch in de tijd. Dit betekent dat voor elke kwantumtoestand die van verleden naar toekomst evolueert, een symmetrische evolutie mogelijk is die van toekomst naar verleden gaat.
Echter, in de praktijk zien we deze tijdssymmetrie niet terug.
Eén mogelijke verklaring hiervoor ligt in de waarneming en decoherentie binnen kwantummechanica. Wanneer een systeem in contact komt met zijn omgeving (bijvoorbeeld door een meting), zal de entropie toenemen en een specifieke richting geven aan de tijdsontwikkeling.
Hieruit volgt dat de toename van entropie niet alleen een statistisch gevolg is van de natuurkundige wetten, maar ook een onvermijdelijke uitkomst wanneer macroscopische objecten met hun omgeving interageren.
Dit suggereert dat entropie een belangrijk concept is bij het verbinden van de microscopische kwantumwereld met onze macroscopische tijdservaring.
