10 december 2016

Verlinde’s theorie van de zwaartekracht biedt alternatief voor donkere materie

Illustratie credit: http://www.physics.uq.edu.au/colloquium/wp-content/uploads/padmanabhan_web.jpg

Illustratie credit: http://www.physics.uq.edu.au/colloquium/wp-content/uploads/padmanabhan_web.jpg

Een nieuwe theorie van de zwaartekracht biedt mogelijk een alternatief voor donkere materie. Dat blijkt uit vandaag gepubliceerd onderzoek van hoogleraar Erik Verlinde (Universiteit van Amsterdam, Spinozaprijs 2011), vermaard theoretisch natuurkundige en expert op het gebied van de snaartheorie.

Emergent Gravity and the Dark Universe, E. P. Verlinde, 2016 Nov 8
https://arxiv.org/abs/1611.02269

In 2010 verraste Erik Verlinde de wereld met een compleet nieuwe kijk op de zwaartekracht. In zijn beschrijving is de zwaartekracht geen fundamentele kracht, maar een verschijnsel dat tevoorschijn komt uit een onderliggende theorie. Vergelijk het met het begrip temperatuur, dat geen op zichzelf staand verschijnsel is, maar voortkomt uit de bewegingen van grote hoeveelheden microscopische deeltjes, zoals atomen of moleculen.

Informatie als bouwsteen

De bouwstenen waar Verlindes theorie uit is opgebouwd zijn fundamentele brokjes informatie, opgeslagen in de structuur van ruimtetijd. Die informatiebrokjes zou je kunnen vergelijken met bits, de informatie-eenheden van een computer. En zoals temperatuur voortkomt uit de bewegingen van microscopische deeltjes, zo komt de zwaartekracht tevoorschijn uit de onderliggende veranderingen van de fundamentele informatie-bits. De veranderingen van de microscopische informatiebrokjes nemen wij waar als de kracht die appels uit bomen doet vallen en satellieten in hun baan om de aarde houdt.

Donkere materie als superlijm

Verlinde had in 2010 al laten zien dat de beroemde tweede wet van Newton (F=m ? a: kracht is massa maal versnelling) afgeleid kan worden uit deze principes. Voortbouwend op zijn theorie geeft hij nu een mogelijk alternatief voor donkere materie. Volgens de gangbare opvattingen dient deze donkere materie als ‘superlijm’ om sterrenstelsels en ook clusters van sterrenstelsels bij elkaar te houden. De snelheden waarmee sterren in de buitengebieden van sterrenstelsels bewegen zijn namelijk veel hoger dan je op grond van de zichtbare massa in zo’n sterrenstelsel zou verwachten.

Om voldoende aantrekkende zwaartekracht te genereren, is er maar liefst vijf keer meer donkere materie nodig dan er gewone, zichtbare materie is. Het is voor natuurkundigen en astronomen echter nog een raadsel waar die donkere materie uit bestaat.

Aansluiting bij waarnemingen

Volgens Verlinde is die extra donkere materie helemaal niet nodig. In zijn nieuwe publicatie, die vandaag online verschijnt, laat hij zien hoe de afwijkende bewegingen van sterren in ons eigen Melkwegstelsel en in andere melkwegstelsels (zie afbeelding hieronder) naadloos uit zijn berekeningen volgen. Verlinde laat daarmee voor het eerst zien dat zijn theorie aansluit bij de waarnemingen van astronomen.

Draaisnelheden van sterren in een sterrenstelsel. Volgens Newtons zwaartekrachtswetten zouden sterren in de buitengebieden van sterrenstelsels langzamer moeten gaan bewegen naarmate de afstand tot de kern groter wordt. (Gestippelde lijn.) In de praktijk wordt echter waargenomen dat de snelheid gelijk blijft of, zoals in dit geval, zelfs toeneemt. (Doorgetrokken lijn.) Afbeelding: Stefania Deluca.

Draaisnelheden van sterren in een sterrenstelsel. Volgens Newtons zwaartekrachtswetten zouden sterren in de buitengebieden van sterrenstelsels langzamer moeten gaan bewegen naarmate de afstand tot de kern groter wordt. (Gestippelde lijn.) In de praktijk wordt echter waargenomen dat de snelheid gelijk blijft of, zoals in dit geval, zelfs toeneemt. (Doorgetrokken lijn.) Afbeelding: Stefania Deluca.

Op het eerste gezicht vertoont Verlindes theorie gelijkenissen met andere aanpassingen van de zwaartekracht zoals MOND (Modified Newtonian Dynamics). Door subtiele aanpassingen van de zwaartekracht in sterrenstelsels lukte het Mordehai Milgrom in 1983 om, zónder donkere materie, het merkwaardige gedrag van sterrenstelsels te verklaren. Verlindes nieuwe theorie is echter geen aanpassing van een bestaande theorie, zoals MOND dat is, maar een theorie die uitgaat van volledig nieuwe basisprincipes.

Uitbreiding holografisch principe

Verlinde geeft met zijn theorie een uitbreiding aan het holografisch principe, begin jaren negentig ontwikkeld door zijn leermeester Gerard ’t Hooft (Nobelprijs 1999). Volgens dat principe is alle informatie die het heelal bevat te beschrijven op een denkbeeldige schil rondom het universum. Verlinde laat nu zien dat dit principe in ons eigen heelal een correctie behoeft: niet álle informatie is op deze schil af te beelden. Een deel van de informatie, het deel dat de zogeheten donkere energie in ons heelal beschrijft, blijft daadwerkelijk over de hele ruimte verspreid. Verlinde toont in zijn artikel aan dat deze extra informatie een meetbaar effect heeft op de materie in het heelal – het effect dat tot nu toe werd toegeschreven aan de donkere materie.

Wetenschappelijke revolutie

‘Onze gangbare ideeën over ruimte, tijd en de zwaartekracht moeten hoognodig op de schop,’ zegt Verlinde. ‘We weten al heel lang dat Einsteins theorie van de zwaartekracht niet door één deur kan met de quantummechanica. Veel natuurkundigen zoals ik werken aan een herziening van de theorie. Onze inzichten zijn drastisch aan het veranderen, en ik denk dat we ons aan de vooravond van een wetenschappelijke revolutie bevinden.’ Bron: UvA + Quantum Universe.

Reacties

  1. EnceladusEnceladus zegt:

    Verlinde wordt al in één adem genoemd met Newton en Einstein:
    http://nos.nl/op3/artikel/2142102-newton-einstein-en-verlinde.html

    En ik ken mensen die kunnen zeggen dat ze ooit nog een biertje met hem hebben gedronken. 🙂

    groet,
    Gert (Enceladus)

  2. Paul BakkerPaul Bakker zegt:

    Wie weet is dit een historische dag. Einstein werd ook niet meteen omarmd, daar gingen jaren overheen. We zullen zien. Morgen weten we wie de president van de VS wordt, maar nog niet of Verlinde de nobelprijs binnenhaalt met zijn theorie.

    • EnceladusEnceladus zegt:

      Ik kan me anders de verkiezingen van 16 jaar geleden herinneren. Toen duurde het een maand voordat werd vastgesteld wie de winnaar was.

      groet,
      Gert (Enceladus)

  3. Dát is intussen wel vastgesteld (en nee, no comment).

    Wat het eerste betreft, wordt Verlinde buiten Nederland ook in één adem genoemd met Newton en Einstein? Don’t get me wrong: ik vind zijn theorie (voor zover ik kan volgen) buitengewoon boeiend en interessant, maar alle mogelijke haken en ogen zijn er wel nog niet uit, denk ik. Wat bv. met sterrenstelsels die hun donkere materie zijn kwijtgeraakt, of donkere materie zonder sterrenstelsel? Klopt het plaatje daar ook? Het kan best even duren voor ie “omarmd” wordt, maar als de theorie zolang overeind blijft, is het achteraf des te leuker.

  4. HC:
    Volgens Verlinde bestaat donkere materie niet
    Sterrenstelsels kunnen het dus ook niet kwijtraken.
    Maar zijn principe blijft dan wél staan. De reactiekracht veroorzaakt door het verplaatsen van informatie blijft de rotatiesnelheid beinvloeden. In het centrum meer, dan daarbuiten. Simpelweg omdat daar minder massa is.

    Ikzelf mis éen brug in zijn verhaal, en dat is m.i. ook de interrressantste; de brug kracht-informatie.

    Mies.

  5. Nou, dat is nogal makkelijk: DM zonder sterrenstelsel bestaat niet omdat DM niet bestaat. Bedoeld is natuurlijk die plekken waar wat (iets gravitationeels) aan de hand blijkt te zijn (wat tot nu als DM werd verklaard) en toch geen bijhorend sterrenstelsel is. Dat DM niet bestaat, verandert niks aan het feit dat daar “wat aan de hand is”. Het is alsof je zou zeggen: de buitenregionen van een sterrenstelsel gaan helemaal niet sneller dan Einsteiniaans verwacht als gevolg van DM, omdat DM niet bestaat. Ze gaan natuurlijk nog altijd sneller.
    Zwaartekracht manifesteert zich bij (zichtbare) materie. Daar kan Verlinde weg mee. Mijn vraag is dus of dat ook kan bij plekken in de ruimte – ik vind die niet uit – waar die materie er niet is maar er wel gravitationele effecten zijn, waar men tot nu toe DM voor nodig had. Ik zie dat niet meteen, maar dat kan best aan mij liggen. Maar daarom hoef je mijn vraag nog niet “circulair” onder te schoffelen.

  6. Wybren de Jong zegt:

    Bedoel je situaties zoals de Bulletcluster, waar twee sterrenstelsels op elkaar gebotst zijn en de donkere materie gewoon door is ‘gevlogen’, zodat de DM zich nu op een andere plaats bevindt dan het gas van die sterrenstelsels?

  7. Ik vermoed het, maar ik vind mijn bron niet meer terug, en naar ik mij meen te herinneren ging het ook over (een wolk) DM die om een of andere reden echt ‘los’ van welk sterrenstelsel ook door het heelal bewoog.

  8. Heeft Verlinde gelijk, dan bestaat DM niet.

    Mies

  9. Dat is het punt niet, Mies, want ik ben het helemaal eens met die stelling. Maar het is niet omdat DM niet bestaat dat bepaalde feiten (of wat we als zodanig menen te hebben waargenomen) die vóór Verlinde met DM werden verklaard óók niet bestaan. Wat Verlinde in het beste geval doet, is een andere verklaring geven voor die feiten, waardoor DM overbodig wordt. Maar die feiten zelf worden daarmee niet ontkend. Jij zegt dat ze niet (kunnen) bestaan, omdat (Verlinde zegt dat) DM niet bestaat, terwijl Verlinde die feiten wel erkent, en ze verklaart met zijn theorie i.p.v. met DM.
    Nu ja, dat verklaren is de bedoeling, maar ik weet dus niet of hij dat ook doet voor het voorbeeld dat ik gaf, vandaar mijn vraag. Als ik daarmee “de theorie wil testen”, dan kun je mij toch niet simpelweg afschepen met “ja, de theorie (dat DM niet bestaat) klopt, want Verlinde zegt dat ze klopt”. En het betekent ook helemaal niet dat ik beweer dat DM wél bestaat of dat Verlinde geen gelijk zou (kunnen) hebben. ’t Is trouwens wel zo elegant als hij wél gelijk zou hebben: een heelal dat 5 tot 6 keer meer onzichtbare materie bevat dan zichtbare, dat zit sowieso niet zo lekker …

  10. wauw !! maar ik begrijp niet waarom dat ze nu pas pubbliceren , hij zei dit al in 2010 , 6 jaar geleden ….

  11. Jasper P zegt:

    Leuk en erg interresant. Ik hoop dat er snel leesbare artikelen volgen. Ik ben ook benieuwd wat de gevolgen zijn van deze theorie op onze kijk op zwarte gaten …

  12. Wat een uitdaging van Erik Verlinde. Donkere materie zou dus een illusie kunnen zijn en zwaartekracht is niet fundamenteel volgens Verlinde (wat kan zou zomaar kunnen)

    Wat is het verschil tussen een natuurkundig verschijnsel zoals magnetisme en zwaartekracht?
    De aarde, zon en maan werken als magneten op elkaar (eb en vloed).
    Ik hoop dat Verlinde nog met een ander voorbeeld komt waarin donkere materie duidelijker wordt. Het mag een metafoor zijn 😀

    (En dat allemaal uitgewerkt op een schoolbord met krijt!)

  13. @ Monique.

    Ik waag een poging:

    Magnetisme is eerst waargenomen, (lang) daarna is een theorie over de werking ervan opgesteld, welke overeenkwam met de waarnemingen. En vervolgens is het krachtdragende deeltje dat het overbrengt, aangetoond.

    Zwaartekracht is eerst waargenomen, meerdere theorieen over de werking ervan opgesteld. Welke niet helemaal klopten. Vervolgens zijn ze nauwkeuriger gemaakt. Ze kwamen nog steeds niet overeen met de observaties.
    Men heeft iets onzichtbaars verzonnen om ze kloppend te krijgen. Het krachtdragende deeltje werd niet gevonden.
    Nu is er een veelbelovende theorie gepresenteerd die een andere verklaring geeft.

    Mies

    • Hey Mies, geen onaardige poging Ik had mijn vraag eigenlijk anders op moeten schrijven want magnetisme is een verschijnsel en zwaartekracht is dat niet op die manier.

      Waardoor ontstaat zwaartekracht? Wanneer ontstond magnetisme?
      Magnetisme, magnetisch veld, ferromagnetisme, wat het is of doet staat in de Wikipedia.
      Magnetisme is een verschijnsel (…), een constatering.
      Zwaartekracht is een aantrekkende kracht (…)

      Zoals het omschreven staat is zwaartekracht anders, een gevolg of effect.

      De oorsprong van magnetisme… was het er altijd al? Sinds de oerknal?
      Dan donkere materie…is een hypothetische soort materie in het heelal (wiki)
      Geeneens een verschijnsel! (of toch wel?)

      Zucht, deze donkere materie van Astroblogs gaat eerst eens een hapje eten (gekheid)

Geef een reactie