Credit: MIT
Gisteren bracht ik hier een eerste overzicht van de verschillende reacties, die vakgenoten van Erik Verlinde de afgelopen dagen hebben gegeven op zijn dinsdag gepubliceerde artikel over de emergente zwaartekracht. Tijdens het schrijven van die blog en kort erna verschenen er nieuwe reacties her en der in de fysische blogosfeer, maar ik had geen tijd om daar uitgebreid aandacht aan te besteden. Vandaar nu een tweede blog, waarin die reacties terug te vinden zijn. Het lijkt mij wel goed om alvorens op die reacties in te gaan in het kort te vertellen wat precies het verhaal van Verlinde over de zwaartekracht is, een theorie die best wel ingewikkeld is en die lastig uit te leggen valt (zoals ook bleek uit het acht-uur journaal dinsdag, die het gewoon totaal NIET wisten uit te leggen. 
). Met dank aan de Quantum Universe voor de info hieronder.
Verlinde’s theorie van de emergente zwaartekracht in een notendop.
Startpunt voor Verlinde’s theorie is de thermodynamica van zwarte gaten. Voortbordurend op het werk van Stephen Hawking en Jacob Bekenstein begin jaren zeventig gaat Verlinde er van uit dat van zwarte gaten de entropie (een maat voor de wanorde of de ontaarding in een systeem) en de temperatuur berekend kunnen worden. Toen bleek al dat zwaartekracht een thermodynamisch verschijnsel is, in ieder geval bij zwarte gaten.
Qbits in de waarneemhorizon van een zwart gat. Credit: UvA.
Omdat thermodynamica (waarvan de grondbeginselen al in de 19e eeuw werden gelegd) uitgaat van macroscopische verschijnselen rees al het vermoeden dat zwaartekracht wellicht ook macroscopisch is en dat het op de allerkleinste schaal niet bestaat, en pas op grotere schaal ’tevoorschijn komt’ – daar komt het woord ‘emergent’ vandaan, d.w.z. iets wat tevoorschijn komt. Vervolgens wendt Verlinde zich tot de informatietheorie. Volgens hem is de ruimte op kwantumniveau opgebroken in allerlei minuscule ‘quantumbits’ (qbits), die allemaal met elkaar verstrengeld (Engels: entangled) zijn, d.w.z. dat de informatie tussen die bits gedeeld wordt, iets wat sneller kan dan het licht. In 2010 kwam de Canadese natuurkundige Mark van Raamsdonk – goh, dat klinkt best Nederlands – met de hypothese dat die verstrengelde bits de ruimte verbinden, dat ze de lijm zijn tussen stukjes ruimte, de ruimte die zich op macroscopisch niveau, ons dagelijkse niveau, als continu geheel voordoet. Tot nu toe werd er vanuit gegaan dat de kwantum informatie van de bits zich bevindt in het oppervlak van een stukje ruimte (afbeelding hieronder links), maar Verlinde’s aanvulling is dat hij het gehele volume meeneemt (rechts).
Twee mogelijke patronen van verstrengeling in de Sitter ruimte (credit afbeelding: Erik Verlinde).
Door ’thermalisatie’ van de kwantum informatie binnen dat volume, zoals hij dat noemt is er een donker elastisch medium, dat in wezen de donkere energie is, de mysterieuze energie die verantwoordelijk is voor de versnelde expansie van het heelal. Die donkere energie is overal aanwezig en kan volgens Verlinde lokaal veranderen in gewone materie. Als er materie is verschuift het donkere elastische medium en treedt zwaartekracht op als een soort van geheugeneffect. Omdat Verlinde in zijn vergelijkingen niet alleen kijkt naar de verstrengelingsentropie in het oppervlak, maar naar het gehele volume ontstaat extra materie vanaf bepaalde schaalgroottes (bijvoorbeeld sterrenstelsels en clusters van stelsels), en dat is wat wij waarnemen als donkere materie, met de daarbij behorende extra zwaartekracht. Uit zijn vergelijkingen volgt dat die ‘schijnbare’ donkere materie altijd drie keer zo veel is als de gewone, baryonische materie.
OK, tot zover de theorie van Verlinde over de emergente zwaartekracht. Gisteren verschenen blogs van de natuurkundigen Lubos Motl en Francisco Villatoro en de astrofysicus Ethan over Verlinde’s nieuwe theorie. Ik ga de reacties niet precies filteren tot wie wat zei, maar over het algemeen hebben ze alle drie de nodige kritiek op Verlinde, al brengt de één het wat stelliger dan de ander, om het maar even bescheiden te formuleren. Hier een overzicht van de kritiekpunten die naar voren zijn gebracht:
- algemeen punt is dat Verlinde’s theorie vol zit met allerlei aannames, die door hem ‘conjectures’ worden genoemd. De vraag is wat precies de status van die aannames is. Hiermee hangt samen dat men vindt dat Verlinde’s theorie iets mist, een basis of onderliggend model. Dat sluit aan bij wat Peter Woit eerder al zei, namelijk dat hij niet snapt wat het nou precies betekent als de donkere materie vervangen wordt door “an elastic response due to the volume law contribution to the entanglement entropy in our universe“. Dat soort conjectures wil men graag onderbouwd zien.
- in Verlinde’s theorie is de donkere materie een gevolg van de interactie tussen donkere energie en gewone baryonische materie. Donkere energie heeft dus een belangrijke status, niet alleen nu, maar altijd. Maar dat klopt niet volgens de waarnemingen, want die laten zien dat in het heelal tot zo’n zeven miljard jaar geleden de donkere energie niet dominant was. Het was pas door het groeien van het volume van het heelal, door diens expansie, dat de donkere energie met z’n afstotende werking sterker werd dan de zwaartekracht van de (donkere) materie. Ook kan Verlinde de expansie van het heelal en de korte, maar intense fase van inflatie kort na de oerknal niet verklaren.
- de holografische principes die Verlinde hanteert bij zijn berekeningen van de verstrengelingsentropie werken uitstekend in een zogeheten anti de Sitter heelal, een heelal dat een negatieve kosmologische constante heeft en dat geen energie-inhoud heeft. Ons heelal is echter een de Sitter heelal met een positieve kosmologische constante én met een energie-inhoud.
- de zwaartekracht openbaart zich in Verlinde’s theorie als een constante versnelling. Waarnemingen aan bijvoorbeeld de Bullet cluster van sterrenstelsels, waar zich een enorme botsing tussen twee clusters voordoet, laten echter zien dat daar geen constante versnelling plaatsvond (zie de afbeelding hieronder van enkele van die clusters. Overal is een duidelijk onderscheid zichtbaar tussen de baryonische (roze) en donkere materie (blauw). Verlinde heeft overigens laten weten later te zullen komen met een oplossing voor het fenomeen Bullet cluster.
Credit: X-ray: NASA/CXC/Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland/D.Harvey & NASA/CXC/Durham Univ/R.Massey; Optical & Lensing Map: NASA, ESA, D. Harvey (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland) and R. Massey (Durham University, UK)
- zoals gezegd denkt Verlinde dat de schijnbare donkere materie altijd drie keer zo veel aanwezig is als baryonische materie. Men vraagt zich af waar hij dat op baseert, want hij kan die verhouding niet beargumenteren.
Los van bovenstaande kritiek waardeert men ook wel de pogingen die Verlinde doet om vanuit de entropie en temperatuur van fundamentele qbits zowel zwaartekracht als ruimtetijd zelf te laten verschijnen. Siegel noemt dat een ‘Herculean effort’, die Verlinde hier onderneemt. Francis Villatoro zegt dat de € 4,5 miljoen die Verlinde afgelopen jaren voor zijn onderzoek ontvangen heeft zonder twijfel de moeite waard zijn geweest en dat Verlinde ons dwingt dingen op een andere manier te bekijken. Bronnen: Francis Naukas + The Reference Frame + Starts with a Bang.
