Donkere materie: ‘echt spul’ of onbegrepen zwaartekracht? 

Er heerst al jarenlang een tweestrijd onder astronomen en natuurkundigen. Is de mysterieuze donkere materie die diep in het heelal wordt waargenomen nu écht, of zien we de gevolgen van subtiele afwijkingen van de ons bekende zwaartekrachtswetten? In 2016 kwam de Nederlandse natuurkundige Erik Verlinde met een theorie van de tweede soort: emergente zwaartekracht. Nieuw onderzoek, deze week gepubliceerd in het tijdschrift Astronomy & Astrophysics, verlegt de grens van donkerematerie-waarnemingen tot in de onbekende buitenregionen van sterrenstelsels, en legt daarmee verschillende donkerematerie-modellen en alternatieve zwaartekrachttheorieën langs de meetlat.

In het midden het elliptische sterrenstelsel NGC5982, rechts daarvan het spiraalvormige sterrenstelsel NGC5985. Deze twee soorten sterrenstelsels blijken zich heel verschillend te gedragen als het gaat om de extra zwaartekracht – en dus mogelijk de donkere materie – in de buitengebieden van de stelsels. Foto: Bart Delsaert (www.delsaert.com).

Metingen van de zwaartekracht van 259.000 geïsoleerde sterrenstelsels tonen een bijzonder nauw verband aan tussen de bijdrage van donkere materie en die van gewone materie, zoals voorspeld in de emergente-zwaartekrachttheorie van Verlinde en een alternatieve theorie met de naam Modified Newtonian Dynamics. De resultaten lijken echter ook overeen te komen met een computersimulatie van het heelal, die uitgaat van donkere materie als ‘echt spul’.

Het nieuwe onderzoek werd uitgevoerd door een internationale groep sterrenkundigen, onder leiding van Margot Brouwer (RUG en UvA). Verdere belangrijke rollen waren weggelegd voor Kyle Oman (RUG en Durham University) en voor Edwin Valentijn (RUG). Brouwer voerde in 2016 al een eerste test van de ideeën van Verlinde uit; dit keer sloot Verlinde zelf zich ook bij het onderzoeksteam aan.

Materie of zwaartekracht?

Donkere materie is nog nooit direct waargenomen – vandaar ook de naam. Wat astronomen aan de hemel zien zijn de gevolgen van mogelijk aanwezige materie: het afbuigen van sterlicht, het sneller dan verwacht bewegen van sterren, en zelfs effecten die de beweging van hele sterrenstelsels beïnvloeden. Dat al die effecten komen door extra zwaartekracht staat buiten kijf, maar de vraag is: zien we nu de gevolgen van daadwerkelijk aanwezige onzichtbare materie, of zijn het de wetten van de zwaartekracht zélf die we nog niet goed begrijpen?

Om die vraag te kunnen beantwoorden gebruikt het nieuwe onderzoek eenzelfde methode als bij de eerste test in 2016. Brouwer en collega’s maken gebruik van een al tien jaar lopend programma van digitale fotografische metingen met ESO’s VLT Survey Telescope in Chili: de KiloDegree Survey (KiDS). Daarin wordt gemeten hoe sterlicht van ver weg gelegen sterrenstelsels onderweg door de zwaartekracht wordt afgebogen voordat het onze telescopen bereikt. Waar de metingen van zulke ‘lenseffecten’ in 2016 nog een gebied van zo’n 180 vierkante graden aan de hemel bestreken, is de reikwijdte inmiddels uitgebreid tot 1000 vierkante graden, waarmee nu rondom een miljoen verschillende sterrenstelsels de zwaartekrachtverdeling gemeten kan worden.

Vergelijkend warenonderzoek

Brouwer en collega’s selecteerden meer dan 259.000 geïsoleerde sterrenstelsels, waarvan ze de zogeheten ‘Radial Acceleration Relation’ (RAR) konden meten. De RAR vergelijkt de hoeveelheid zwaartekracht die men zou verwachten op grond van de zichtbare materie in een sterrenstelsel, met de hoeveelheid zwaartekracht die daadwerkelijk aanwezig is – oftewel: er wordt bepaald hoeveel ‘extra’ zwaartekracht er bestaat, bovenop die van de normale materie. Tot nu toe was die extra zwaartekracht alleen bepaald tot aan de buitenranden van sterrenstelsels door te kijken naar de beweging van sterren, en tot vijf keer daar voorbij met behulp van metingen van de draaisnelheid van koud gas. Met behulp van de lenseffecten van zwaartekracht slaagden deze onderzoekers er nu in om de RAR voor een honderd keer kleinere zwaartekracht te meten dan voorheen, en daarmee door te dringen tot in de veel verdere buitengebieden van sterrenstelsels.

Daarmee kon de extra zwaartekracht extreem goed gemeten worden – maar is die zwaartekracht nu een gevolg van onzichtbare donkere materie, of zijn het de zwaartekrachtwetten zelf die we moeten aanpassen? Auteur Kyle Oman geeft aan dat de aanname van ‘echt spul’ in elk geval deels lijkt te werken: “We vergelijken de metingen in ons onderzoek met vier verschillende modellen: twee waarin het bestaan van donkerematerie-deeltjes wordt aangenomen waarmee het heelal in computers wordt gesimuleerd, en twee waarin de zwaartekrachtwetten worden aangepast – het emergente-zwaartekrachtmodel van Erik Verlinde en de ‘Modified Newtonian Dynamics’, MOND.

Een van de twee donkerematerie-simulaties, MICE, doet voorspellingen die uitstekend in overeenstemming zijn met onze metingen. We waren verrast dat de voorspellingen van de andere simulatie, BAHAMAS, heel anders waren. Dat er überhaupt een verschil was kwam al als een verrassing, omdat de twee modellen veel overeenkomsten hebben. Maar bovendien hadden we verwacht dat, áls er al een verschil was, BAHAMAS het juist beter zou doen. BAHAMAS is een gedetailleerder model dan MICE, dat nauwkeuriger ons huidige begrip van hoe sterrenstelsels zich vormen in een universum met donkere materie benadert. Toch presteert juist MICE veel beter als we de uitkomsten met de metingen vergelijken. In de toekomst willen we aan de hand van wat we nu gevonden hebben nader onderzoeken wat de reden is voor het verschil tussen de simulaties.”

Een grafiek van de Radial Acceleration Relation (RAR). Op de achtergrond een foto van het elliptische sterrenstelsel M87, om de afstand tot de kern van het sterrenstelsel aan te geven. De grafiek toont hoe de meetwaarden lopen van hoge zwaartekrachtsversnelling in het centrum van het sterrenstelsel, naar lage zwaartekrachtsversnelling ver buiten het sterrenstelsel. Afbeelding: Chris Mihos (Case Western Reserve University) / ESO.

Jonge en oude sterrenstelsels

Daarmee lijkt dus ten minste één donkerematerie-verklaring wél te passen. Ook de alternatieve zwaartekrachtmodellen voorspellen echter de gemeten RAR. Gelijk spel dus, lijkt het, maar hoe weten we nu welk model écht klopt? Margot Brouwer, die het onderzoek leidde, vervolgt: “Na onze eerste tests concludeerden we dat de twee alternatieve zwaartekrachttheorieën en MICE redelijk overeenkwamen met onze waarnemingen. Het spannendste kwam echter nog: omdat we meer dan 259.000 sterrenstelsels tot onze beschikking hadden, konden we ze ook opsplitsen in verschillende types: relatief jonge blauwe spiraalvormige stelsels tegenover relatief oude rode elliptische stelsels.” Die twee typen sterrenstelsels hebben een heel verschillende vormingsgeschiedenis: rode elliptische stelsels ontstaan uit interacties tussen verschillende sterrenstelsels, bijvoorbeeld als twee blauwe spiralen langs elkaar scheren of zelfs samensmelten. Men verwacht binnen de deeltjestheorie van donkere materie dat de verhouding tussen normale en donkere materie in die twee typen sterrenstelsels kan verschillen. Modellen zoals die van Verlinde en MOND gebruiken daarentegen geen donkerematerie-deeltjes, en voorspellen daarom een vaste relatie tussen de verwachte en de gemeten zwaartekracht – onafhankelijk van het type sterrenstelsel. Brouwer: “We ontdekten dat de RAR voor de twee typen sterrenstelsels significant verschilde. Dat zou dus een sterke aanwijzing voor donkere materie als deeltje kunnen zijn.”

Maar er zit nog een addertje onder het gras: gas. Veel sterrenstelsels worden waarschijnlijk omhuld door een diffuse wolk heet gas, die heel moeilijk waar te nemen is. Als er rondom de jonge blauwe spiraalstelsels bijna geen gas zit, maar rondom de oude rode elliptische stelsels juist veel (met grofweg evenveel massa als de sterren), dan zou dat het verschil tussen de RAR van de twee typen sterrenstelsels kunnen verklaren. Om een definitieve uitspraak te doen over het gemeten verschil moet de hoeveelheid diffuus gas dus óók nauwkeurig worden gemeten – en laat dat nu net onmogelijk zijn met de KiDS-telescopen. Er zijn wel metingen gedaan voor een kleine groep van zo’n honderd sterrenstelsels, waarbij inderdaad meer gas gevonden werd rond elliptische sterrenstelsels, maar het is nog de vraag hoe representatief die metingen zijn voor de 259.000 stelsels die in het huidige onderzoek werden bestudeerd.

Donkere materie op voorsprong?

Als blijkt dat extra gas het verschil tussen de twee typen stelsels níét kan verklaren, zijn de resultaten van de metingen met donkerematerie-deeltjes makkelijker voorstelbaar dan aan de hand van alternatieve zwaartekrachtsmodellen. Toch is zelfs dan de wedstrijd nog niet gespeeld. Hoewel het verschil lastig te verklaren is binnen MOND, ziet Erik Verlinde nog wel een uitweg voor zijn eigen theorie. Verlinde: “Mijn huidige model is alleen toepasbaar op statische, geïsoleerde, bolvormige sterrenstelsels, en kan daarmee inderdaad de verschillende typen sterrenstelsels nog niet goed van elkaar onderscheiden. Ik zie deze resultaten dan ook als een uitdaging en inspiratie om aan de slag te gaan met een asymmetrische, dynamische versie van mijn theorie, waarin ook meegenomen kan worden dat sterrenstelsels met een verschillende vorm en vormingsgeschiedenis een verschillende hoeveelheid ‘schijnbare donkere materie’ hebben.”

Zelfs met de nieuwe metingen is de strijd tussen donkere materie als deeltje en alternatieve zwaartekracht dus nog niet beslecht. Toch betekenen de resultaten een enorme stap voorwaarts: als het gemeten zwaartekrachtsverschil tussen de diverse soorten sterrenstelsels klopt, dan zal het juiste model, van welke soort ook, in elk geval nauwkeurig genoeg moeten zijn om dit te verklaren. Veel bestaande modellen zouden dan al direct de prullenbak in kunnen, en dat dunt het landschap van mogelijke verklaringen sterk uit. Daarbij vraagt dit onderzoek om systematische metingen van het hete gas rond sterrenstelsels. Edwin Valentijn formuleert het als volgt: “We hebben als waarnemers het punt bereikt waar we de hoeveelheid extra zwaartekracht rondom sterrenstelsels nauwkeuriger kunnen meten dan hun hoeveelheid zichtbare materie. De tegenstrijdige conclusie is dat we de aanwezigheid van normale materie in de vorm van heet gas rond sterrenstelsels nader zullen moeten onderzoeken, voordat we met toekomstige telescopen als Euclid het mysterie van donkere materie definitief op kunnen lossen.” Bron: Astronomie.nl

Vrijdag lezing bij Huygens over emergente zwaartekracht en het donkere heelal

Credit: Alfred T. Kamanjian

Vrijdag 20 april geeft Marcel Vonk (Institute of Physics van de Universiteit van Amsterdam) een lezing bij sterrenkundevereniging Chr. Huygens over emergente zwaartekracht en het donkere heelal. In november 2016 wist het nieuws zelfs tijdens de Amerikaanse presidentsverkiezingen nog de kranten te halen: theoretisch fysicus Erik Verlinde had na zes jaar werken eindelijk zijn nieuwe ideeën over de zwaartekracht gepubliceerd. In 2010 beschreef Verlinde al hoe volgens hem de zwaartekracht een “emergent verschijnsel” is; in zijn nieuwe artikel past hij zijn ideeën ook toe op ons heelal, en dan in het bijzonder op de donkere energie en de donkere materie daarin. De donkere materie, waarnaar astronomen al jaren zoeken, bestaat volgens hem zelfs helemaal niet! In deze lezing bespreekt Marcel Vonk de details van Verlindes ideeën over het heelal, de argumenten ervoor en ertegen, en wat er moet gebeuren om ze te testen.

Marcel Vonk

Marcel Vonk is als theoretisch natuurkundige werkzaam aan het Institute of Physics van de Universiteit van Amsterdam. Naast onderzoeker is hij ook enthousiast wetenschapspopularisator en niet onverdienstelijk toernooipokerspeler. Hij is de auteur van de populair-wetenschappelijke boeken ‘Snaartheorie’ (2010) en ‘Zwarte Gaten – Gevangen in Ruimte en Tijd’ (2017). De zaal is open om 20.00 uur en de lezing start 20.30 uur. Hier de routebeschrijving naar Huygens in Papendrecht. Bron: Huygens.

Emergente zwaartekracht blijkt niet te werken op de schaal van het zonnestelsel

Credit afbeelding: Discover Magazine

Emergente zwaartekracht, de zwaartekracht volgens de theorie van Erik Verlinde, volgens welke donkere materie niet bestaat, blijkt volgens recent onderzoek van een drietal sterrenkundigen niet te werken op de schaal van het zonnestelsel. Aurelien Hees, Benoit Famaey en Gianfranco Bertone keken naar de periheliums van de planeten in het zonnestelsel, de punten in hun elliptische baan die het dichtste bij de zon liggen – hier hun vakartikel. Zwaartekrachtswetten zoals die van Newton en Verlinde zeggen iets over dat perihelium, dat afhankelijk is van de wisselwerking tussen de twee betrokken massa’s, die van de zon en de desbetreffende planeet. Verlinde’s theorie is een variant op de Modified Newtonian Dynamics (MOND) en hij werkt het beste in sferische symmetrieën. Nu blijkt dat de formules van Verlinde waarden voor de periheliums opleveren die maar liefst zeven ordes van grootte naast de werkelijke waarde zitten. Newton levert de juiste waarden op. Inmiddels heeft de publicatie van Hees c.s. op Twitter heel wat reacties opgeleverd, waar ook Verlinde zelf z’n steentje aan heeft bijgedragen – hieronder enkele tweets.

Bron: In the Dark.

Om deze formule draait het in Verlinde’s zwaartekrachtstheorie

In Erik Verlinde’s nieuwe zwaartekrachtstheorie – hier het vakartikel erover – staat één formule centraal en da’s degene die je hierboven ziet. Je vindt ‘m op pagina 38 van het artikel, alwaar hij formule (7.40) vormt. In Verlinde’s theorie ‘verschijnt’ de zwaartekracht als een macroscopisch, elastisch verschijnsel door veranderingen in de microscopische entropie van deeltjes met massa [1]In Verlinde’s theorie is er een verband tussen de entropie en de informatie van een systeem, een verband dat beschreven wordt met toepassing van het holografische principe, een wiskundige … Continue reading. Binnen een volume met straal r kan daarbij een schijnbare hoeveelheid donkere materie ontstaan (MD) ontstaan, die een functie is van de hoeveelheid gewone materie (MB, de B is van ‘baryonen’) – G is de zwaartekrachtsconstante en ao is een maat voor de versnelling in de formule. Of zoals Verlinde het zegt: “It describes the amount of apparent dark matter MD(r) in terms of the amount of baryonic matter MB(r) for (approximately) spherically symmetric and isolated astronomical systems in non-dynamical situations“. De crux is dat volgens deze formule bij een verschillende verdeling van materie een verschillende hoeveelheid donkere materie kan ontstaan. Eén zonsmassa kan wisselende hoeveelheden donkere materie geven al naar gelang de verdeling van die massa. En dat zorgt er volgens Verlinde voor dat in sommige situaties wel de effecten van donkere materie optreden – resulterend in een extra zwaartekracht – en in andere situaties niet.

Credit: X-ray: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch, Optical and lensing map: NASA/STScI, Magellan/U.Arizona/D.Clowe, Lensing map: ESO WFI

De situatie zoals in de Bullet cluster (zie afbeelding hierboven), waar twee enorme clusters van sterrenstelsels in botsing met elkaar zijn en er een scheiding is opgetreden van de baryonische (roze) en donkere materie (blauw), is geen ‘non-dynamical situation’, dus daar geldt de formule niet voor. OK, tot zover de theorie. Nu is het zaak aan de waarnemers om te kijken of de formule klopt en in niet-dynamische situaties de juiste weergave geeft. The proof is in eating the pudding.

References[+]

References
1 In Verlinde’s theorie is er een verband tussen de entropie en de informatie van een systeem, een verband dat beschreven wordt met toepassing van het holografische principe, een wiskundige methode, als eerste bedacht door Gerard ’t Hooft in 1993. Veranderingen in de verdeling van de massa in dat systeem leiden tot verandering van entropie en informatie en daardoor verschijnt de zwaartekracht als effect. Eh… over entropie gesproken: een andere, recente theorie stelt dat er een verband is tussen entropie en… bewustzijn. Aha, dan is er dus misschien ook een verband tussen zwaartekracht en bewustzijn.  

Hoe kijken collega-wetenschappers aan tegen Verlinde’s nieuwe zwaartekrachtstheorie? – deel 2

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.

Hoe kijken collega-wetenschappers aan tegen Verlinde’s nieuwe zwaartekrachtstheorie?

Credit: NASA

Afgelopen dinsdagnacht om 02.00 uur Nederlandse tijd publiceerde Erik Verlinde z’n nieuwe theorie van de zwaartekracht op de ArXiv, de theorie die uitgaat van zwaartekracht als een ‘entropische en emergente kracht’ en die mogelijk een alternatief biedt voor het bestaan van donkere materie én energie. De dag van verschijnen van Verlinde’s vijftig pagina’s tellende artikel – hier te lezen – werd zijn theorie in binnen- en buitenlandse media uitgebreid beschreven én bejubeld en in de Nederlandse pers werden met de regelmaat van de klok vergelijkingen gemaakt met Newton en Einstein, het Parool kopte hem zelfs als ‘de nieuwe Einstein’.

Interessant is de vraag hoe collega-wetenschappers, natuurkundigen en sterrenkundigen, aankijken tegen Verlinde’s ideeën en of ze deze ondersteunen. Via de newsfeeds van de talloze blogs van wetenschappers die ik volg blijf ik dagelijks op de hoogte waarover ze schrijven, maar heel veel wordt er over de nieuwe theorie nog niet geschreven. De paar blogs die ik erover tegenkwam waren over het algemeen gematigd enthousiast tot sceptisch. Een paar meningen eruit geplukt:

  • de welbekende natuurkundige en publicist Sean Carroll gaat in een vandaag verschenen videoblog (zie bron Preposterous Universe) in op twee recent verschenen artikelen, waarvan eentje die van Verlinde is. Carroll is sceptisch over Verlinde’s theorie, al noemt hij het idee van die entropische zwaartekracht plausibel en zegt hij daar zelf ook mee bezig te zijn. Eén van de claims van Verlinde is dat de afwijkende bewegingen van sterren in ons eigen Melkwegstelsel en in andere melkwegstelsels – weergegeven in de zogeheten vlakke rotatiecurves – naadloos uit zijn berekeningen volgen. Caroll zegt dat dat op zich heel goed mogelijk is en dat de entropische zwaartekracht hierin beter is dan de MOND theorie, die ook een alternatief wil zijn voor Newton’s zwaartekrachtswet. Maar het probleem zit ‘m erin dat er meer argumenten zijn waarom donkere materie bestaat en hij betwijfelt of Verlinde’s theorie die andere argumenten ook kan verklaren. Eén van die andere argumenten is te zien in deze grafiek:

    Credit: Planck.

    Het is het zogeheten ‘power spectrum’ van de kosmische microgolf-achtergrondstraling (Engelse afkorting: CMB), de straling die dateert van 380.000 jaar na de oerknal. In dat spectrum zie je allerlei hoge en lage pieken, die te maken hebben met akoestische oscillaties, die voorkwamen in het heelal ten tijde van het ontstaan van de CMB, het moment van het ‘laatste oppervlak van de verstrooiing’. Waar het om draait is de derde piek in de grafiek, de tweede na de hele grote piek. De hoogte van die derde piek hangt nauw samen met het bestaan van donkere materie, zónder donkere materie valt die derde piek niet te verklaren. Carroll betwijfelt of Verlinde’s theorie in staat is die derde piek vanuit de entropische zwaartekracht te verklaren.

  • de sterrenkundige Brian Koberlein zegt in een drie dagen geleden verschenen blog dat de entropische zwaartekracht een interessant idee is en dat het ook kan verklaren waarom de zwaartekracht lastig te combineren is met de kwantum mechanica. Hij noemt het ook zeker de moeite waard om het verder te onderzoeken. Hij is echter net als Carroll sceptisch en dat heeft bijvoorbeeld te maken met het feit dat theorieën zoals die van Verlinde en MOND wel de kleinschalige rotatiecurves van sterrenstelsels kunnen verklaren, maar niet de grootschalige bewegingen in bijvoorbeeld clusters en superclusters van sterrenstelsels. Neem bijvoorbeeld de Bulletcluster:

    Credit: X-ray: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch, Optical and lensing map: NASA/STScI, Magellan/U.Arizona/D.Clowe, Lensing map: ESO WFI

    Meer dan tien jaar geleden werd in dit vakartikel al aangetoond dat hetgeen in de Bullet cluster aan de hand is een kans van slechts één op 10^15 heeft dat er géén donkere materie aanwezig is. De scheiding die hier heeft plaatsgevonden tussen gewone materie (in ’t midden, de roze kleur) en donkere materie (aan de buitenkanten, blauw) is alleen met donkere materie te verklaren, tenminste dat dachten we tot voor kort. Vraag is of Verlinde’s theorie de Bullet cluster kan verklaren.

  • Natuurkundige Peter Woit van de blog Not Even Wrong gaat heel kort in op Verlinde’s theorie. Hij zegt niet te begrijpen hoe de theorie van Verlinde precies in elkaar steekt en hij mist de onderliggende fysieke verklaring van de entropische zwaartekracht. Wat betekent het precies als de donkere materie vervangen wordt door “an elastic response due to the volume law contribution to the entanglement entropy in our universe“, zo vraagt Woit zich af, een stukje van Verlinde’s artikel citerend.
  • Het is weliswaar geen natuurkundige of sterrenkundige, maar op XKCD, de website die dagelijks cartoons plaatst, kwam vandaag deze cartoon tevoorschijn – een verwijzing naar Verlinde’s theorie:

Samenvattend kunnen we dus zeggen dat men op dit moment nog sceptisch is en dat de grote vraag is of Verlinde’s theorie in staat is om ook de andere waarnemingen, waarin de aanwezigheid van donkere materie een vereiste lijkt te zijn, zoals de derde piek in het power spectrum van de CMB en de waargenomen verschijnselen in de Bullet Cluster, te verklaren…’to fit the data’. The proof is in eating the pudding. We wachten het geduldig af. [Update 12 november 9.15 uur] Ik kwam deze video nog tegen, waarin wetenschapsjournalist Diederik Jekel ingaat op Verlinde’s nieuwe zwaartekrachtstheorie.

In die video komt ook collega-sterrenkundige Margot Brouwer aan het woord, die zeer binnenkort met een artikel komt, waarin de theorie van Verlinde getoetst wordt aan de waarnemingen van rotatiecurves van sterrenstelsels. Het draait daarbij met name om deze formule voor de zogeheten effectieve massa:

2pi/h (MD)2 = MB / 3  A / (4Gh).

Zie dit artikel voor meer uitleg over die formule. Ik begreep dat Brouwer’s artikel volgende week al verschijnt! [Update 12 november 10.00 uur] Een zojuist verschenen blog van natuurkundige Lubos Motl (The Reference Frame) kraakt Verlinde’s theorie compleet af. Ik moet de blog nog even tot mij nemen, later meer.
[Update 12 november 13.45 uur] Inmiddels heeft ook de Spaanse natuurkundige Francis Naukas een blog geschreven over Verlinde’s theorie, hier te vinden. Hij vindt de 4,5 miljoen die Verlinde gebruikt heeft voor zijn onderzoek de afgelopen zes jaar meer dan de moeite waard, maar hij heeft ook wel kritiek op de theorie. Ik zal later terugkomen op de kritiek van zowel Motl als Naukas.

Bron: Preposterous Universe + Koberlein + XKCD.

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

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.

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.

Video: Erik Verlinde op Fysica 2015 over z’n nieuwe theorie van de zwaartekracht

Credit: Erik Verlinde / Wikipedia.


Op 10 april j.l. was Erik Verlinde op Fysica 2015, het jaarlijkse congres van de Nederlandse Natuurkundige Vereniging, dat in Eindhoven werd gehouden. Verlinde gaf daar een lezing over ‘Entropische zwaartekracht en donkere materie’, een onderwerp waar hij ook een populair-wetenschappelijk artikel over publiceerde – naast al z’n verschenen vakartikelen. In Verlinde’s lezing komt hij met een nieuwe theorie over zwaartekracht, die voortborduurt op z’n eerdere hypothese van zwaartekracht als een emergent effect van een diepere microscopische realiteit op kwantummechanisch niveau, zónder gebruik van donkere materie om verschijnselen zoals galactische rotatiecurves te verklaren. In de lezing komt het begrip verstrengelingsentropie (Engels: ‘entanglement entropie’) naar voren en berekeningen over zwaartekracht die hij op basis daarvan geformuleerd heeft geven betere resultaten voor de in sterrenstelsels en clusters waargenomen rotatiecurven dan Mordehai Milgrom’s MOND theorie, de alternatieve theorie voor Newton’s zwaartekrachttheorie, die ook zonder donkere materie probeert de rotatiecurves te verklaren. Gisteren had ik het in een ander verband ook al over verstrengeling – bij het ER=EPR verhaal – dus daar ligt kennelijk veel potentie om over na te denken. Hier Verlinde’s lezing op Fysica 2015:

Bron: Fysica 2015.

Erik Verlinde over entropische zwaartekracht en donkere materie

Via de Facebookpagina van het Delta Institute for Theoretical Physics vernam ik dat een uitgebreid artikel van de bekende natuurkundige Erik Verlinde over entropische zwaartekracht en donkere materie, verschenen in het maartnummer van het Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde (NTN), gratis online te vinden is en wel hier:


Het komt niet vaak voor dat een kwaliteitsartikel als deze in het Nederlands verschijnt

Het komt niet vaak voor dat een kwaliteitsartikel als deze in het Nederlands verschijnt én gratis online staat, dus ik zou zeggen klik op de afbeelding en download het artikel.