Tijd is iedereen bekend, maar het is moeilijk te definiëren en te begrijpen. Wetenschap, filosofie, religie en kunst hebben verschillende definities van tijd, maar het meetsysteem is relatief consistent.
Klokken zijn gebaseerd op seconden, minuten en uren. Hoewel de basis voor deze eenheden door de geschiedenis heen is veranderd, sporen ze hun wortels terug naar de oude Sumeria. De moderne internationale tijdseenheid, de tweede, wordt bepaald door de elektronische overgang van de cesiumatoom. Maar wat is tijd precies?
Natuurkundigen definiëren tijd als de voortgang van gebeurtenissen van het verleden naar het heden naar de toekomst. Kortom, als een systeem onveranderlijk is, is het tijdloos. Tijd kan worden beschouwd als de vierde dimensie van de werkelijkheid, die wordt gebruikt om gebeurtenissen in een driedimensionale ruimte te beschrijven. Het is niet iets dat we kunnen zien, aanraken of proeven, maar we kunnen de doorgang meten.
Natuurkundige vergelijkingen werken even goed, of de tijd nu vooruit gaat (positieve tijd) of achteruit in het verleden (negatieve tijd). Tijd in de natuurlijke wereld heeft echter één richting, genaamd de
pijl van tijd. De vraag waarom tijd onomkeerbaar is, is een van de grootste onopgeloste vragen in de wetenschap.Een verklaring is dat de natuurlijke wereld de wetten van de thermodynamica volgt. De tweede wet van de thermodynamica stelt dat binnen een gesloten systeem de entropie van het systeem blijft constant of neemt toe. Als het universum als een gesloten systeem wordt beschouwd, kan de entropie (mate van wanorde) nooit afnemen. Met andere woorden, het universum kan niet terugkeren naar exact dezelfde staat waarin het zich op een eerder punt bevond. De tijd kan niet achteruitgaan.
In de klassieke mechanica is de tijd overal hetzelfde. Gesynchroniseerde klokken blijven in overeenstemming. Toch weten we uit de speciale en algemene relativiteitstheorie van Einstein dat tijd relatief is. Het hangt af van het referentiekader van een waarnemer. Dit kan resulteren in tijdsuitzetting, waar de tijd tussen gebeurtenissen langer wordt (verwijd) naarmate men dichter bij de snelheid van het licht komt. Bewegende klokken lopen langzamer dan stationaire klokken, waarbij het effect meer uitgesproken wordt naarmate de bewegende klok nadert lichtsnelheid. Klokken in jets of in een baan opnemen langzamer dan die op aarde, muondeeltjes verval langzamer bij het vallen, en de Michelson-Morley-experiment bevestigde lengtecontractie en tijdsuitzetting.
Tijdreizen betekent vooruit of achteruit gaan naar verschillende punten in de tijd, net zoals je tussen verschillende punten in de ruimte zou kunnen bewegen. Vooruit springen in de tijd komt voor in de natuur. Astronauten op het Internationale Ruimtestation springen vooruit in de tijd wanneer ze naar de aarde terugkeren vanwege de langzamere beweging ten opzichte van het station.
Het idee van terug in de tijd reizengeeft echter problemen. Een kwestie is causaliteit of oorzaak en gevolg. Teruggaan in de tijd kan een tijdelijke paradox veroorzaken. De "grootvaderparadox" is een klassiek voorbeeld. Volgens de paradox zou je je eigen geboorte kunnen voorkomen als je terug in de tijd reist en je grootvader vermoordt voordat je moeder of vader werd geboren. Veel natuurkundigen geloven dat tijdreizen naar het verleden onmogelijk is, maar er zijn oplossingen voor een tijdelijke paradox, zoals reizen tussen parallelle universums of vertakkingspunten.
Het menselijk brein is uitgerust om tijd bij te houden. De suprachiasmatische kernen van de hersenen zijn de regio die verantwoordelijk is voor dagelijkse of circadiane ritmes. Maar neurotransmitters en medicijnen beïnvloeden tijdsbeleving. Chemicaliën die neuronen opwekken, zodat ze sneller schieten dan normaal, versnellen de tijd, terwijl een verminderd neuronenafvuren de tijdwaarneming vertraagt. Kortom, wanneer de tijd lijkt te versnellen, onderscheiden de hersenen meer gebeurtenissen binnen een interval. In dit opzicht lijkt de tijd echt te vliegen wanneer je plezier hebt.
De tijd lijkt te vertragen tijdens noodsituaties of gevaar. Wetenschappers van het Baylor College of Medicine in Houston zeggen dat het brein niet echt versnelt, maar de amygdala wordt actiever. De amygdala is het gebied van de hersenen dat herinneringen maakt. Naarmate er meer herinneringen worden gevormd, lijkt de tijd langer te duren.
Hetzelfde fenomeen verklaart waarom ouderen de tijd lijken te ervaren als sneller dan toen ze jonger waren. Psychologen geloven dat de hersenen meer herinneringen aan nieuwe ervaringen vormen dan die van bekende. Omdat er later in het leven minder nieuwe herinneringen worden gebouwd, lijkt de tijd sneller voorbij te gaan.
Wat het universum betreft, had de tijd een begin. Het uitgangspunt was 13,799 miljard jaar geleden toen de Oerknal heeft plaatsgevonden. We kunnen kosmische achtergrondstraling meten als magnetrons van de Big Bang, maar er is geen straling van eerdere oorsprong. Een argument voor de oorsprong van de tijd is dat als het oneindig achteruit zou gaan, de nachthemel gevuld zou zijn met licht van oudere sterren.
Zal de tijd eindigen? Het antwoord op deze vraag is onbekend. Als het universum voor altijd uitbreidt, zou de tijd doorgaan. Als er een nieuwe Big Bang optreedt, eindigt onze tijdlijn en begint een nieuwe. In deeltjesfysica-experimenten ontstaan willekeurige deeltjes uit een vacuüm, dus het lijkt niet waarschijnlijk dat het universum statisch of tijdloos zou worden. De tijd zal het leren.