Uw profiel is aangemaakt

U heeft een e-mail ontvangen met een activatielink. Vergeet niet binnen 24 uur uw profiel te activeren. Veel leesplezier!

Zwaartekracht is een illusie

Home

Joep Engels

Relativiteitstheorie volgens Einstein: Ruimte en tijd worden gezien als één geheel: de ruimtetijd die bestaat uit 4 dimensies. Alles wat energie of een massa heeft, zoals planeten, creëert een zwaartekrachtveld en veroorzaakt daardoor een kromming in de ruimtetijd. Massa's volgen zulke krommingen als waren het rechte lijnen. Zelfs lichtstralen buigen af in de kromming van een zwaartekrachtveld. © Trouw

Natuurkundige Erik Verlinde heeft een eigen kijk op zaken: hij stelt dat zwaartekracht voortkomt uit de orde van de kosmos. Zijn theorie maakt de donkere materie overbodig, schrijft hij in een potentieel baanbrekend artikel dat vannacht is gepubliceerd.

Het heelal is niet leeg, zegt Erik Verlinde (54). "Het is een zee vol informatie. Maar iedereen kijkt alleen naar de draaikolkjes die sterrenstelsels worden genoemd. En dan zien ze vreemde effecten die ze verklaren met zoiets ongrijpbaars als donkere materie. Maar dat hebben ze niet nodig. Die effecten ontstaan in die zee die ze over het hoofd zien."

Erik Verlinde heeft een eigen kijk op de werkelijkheid. Vijf jaar geleden baarde de hoogleraar theoretische fysica van de Universiteit van Amsterdam opzien met zijn theorie dat de zwaartekracht niet bestaat. Tenminste, niet als fundamentele kracht. Iedereen blijft met beide benen op de grond, zelfs Verlinde gaat niet zweven. Maar de zwaartekracht is de uiting van een dieper proces, beweerde hij. Net zoals druk of temperatuur niet fundamenteel zijn, maar het gevolg van het gedrag van moleculen. Of zoals water nat is, maar individuele watermoleculen dat niet zijn.

Zijn idee werd door sommigen enthousiast ontvangen, maar stuitte ook op onbegrip en ongeloof. Maar bovenal bleef het bij een interessant idee. Tot het verschijnen van zijn nieuwe artikel, waarin hij laat zien dat zijn theorie een van de grote vraagstukken uit de kosmologie oplost: de donkere materie.

Sterrenkundigen gaan uit van het bestaan van deze donkere materie, omdat ze anders de bewegingen van sterrenstelsels niet kunnen verklaren. Sterren, planeten en andere zichtbare materie maken nog geen zesde deel uit van de massa in het heelal. De rest is niet alleen onzichtbaar, maar ook zoek. Decennialang speuren wetenschappers al naar mogelijke bouwstenen van die donkere materie. Vergeefs.

Stop maar met zoeken, zegt Verlinde op zijn werkkamer op het Amsterdamse Science Park. Hij spreekt zacht en formuleert zorgvuldig. Maar doet intussen krasse uitspraken. "Ik ga ervan uit dat door mijn artikel financiers van onderzoek zich zullen afvragen of ze nog wel geld moeten steken in die donkere materie."

Lees verder na de advertentie

Rebellenclub
Al in de jaren tachtig stond Erik Verlinde erom bekend dat hij vaak ideeën ter discussie stelde. Hij deed zijn promotie-onderzoek bij de Utrechtse hoogleraar en latere Nobelprijswinnaar Gerard 't Hooft. Samen met zijn tweelingbroer Herman en de bekende Robbert Dijkgraaf. Het drietal, dat 'de rebellenclub' werd genoemd, werkte aan de snaartheorie, een destijds nieuw idee om alle natuurkrachten te verenigen. "Men zocht naar unificatie, naar een theorie eigenlijk om de zwaartekracht onder dezelfde noemer als de andere krachten te brengen. Zonder zich af te vragen wat zwaartekracht precies was."

Het was een dief die hem in de zomer van 2009 op het spoor zette. Op de laatste dag van zijn vakantie in Zuid-Frankrijk werd in zijn appartement ingebroken. Verlinde was zijn laptop kwijt, zijn papieren en zijn sleutels en was gedwongen zijn vakantie een week te verlengen. Op het strand, met geen andere hulpmiddelen tot zijn beschikking dan pen en papier, kon hij zijn gedachten de vrije loop laten.

Zo kwam hij uit bij ideeën van zijn leermeester 't Hooft. Die had zich destijds beziggehouden met zwarte gaten, een favoriet onderwerp in de fysica. Leken vinden die gaten vaak mysterieus, of zelfs angstaanjagend omdat ze alles in hun omgeving opslorpen, maar fysici doen daar graag onderzoek naar. Geen object in de ruimte met zo weinig eigenschappen.

Een zwart gat heeft een massa, een elektrische lading en het kan ronddraaien. Maar het heeft ook een temperatuur, had Stephen Hawking laten zien. De horizon van een zwart gat, de virtuele bolvormige grens waarbinnen niets meer kan ontsnappen, is niet zo scherp als iedereen dacht. Hawking toonde aan dat een zwart gat een heel klein beetje straalt. En - zo leert het natuurkundehandboek - als iets straalt, heeft het een temperatuur.

Dat was het losse eindje waar Verlinde aan begon te trekken. "Wat gebeurt er eigenlijk als materie in een zwart gat verdwijnt? 't Hooft had het idee dat de horizon van een zwart gat een soort hologram is. In dat hologram is alle informatie opgeslagen over zaken die in het gat zijn verdwenen. De materie is weg; wat rest, is informatie op de horizon. De materie is opgegaan in de ruimtetijd."

Op het strand, met geen andere hulpmiddelen tot zijn beschikking dan pen en papier, kon hij zijn gedachten de vrije loop laten.

Tuinslang
Terwijl hij in Frankrijk zat te puzzelen, begonnen de kwartjes te vallen. Als materie in een zwart gat verdwijnt, leidt dat tot een herschikking van de informatie op de horizon. Het is een ordeprobleem. Vergelijk het met de tuinslang die in de winter netjes opgerold in de garage ligt. In de lente is het een kluwen geworden. De zwaartekracht is geen fundamentele kracht, bedacht hij. Het is een nevenproduct van de natuur die streeft naar wanorde. En wanorde, entropie met een duur woord, is een bekend fenomeen uit de thermodynamica. Zo moest hij het probleem benaderen!

Het zijn gedachten met een hoog abstractieniveau, maar de bijbehorende wiskunde is verbluffend eenvoudig. Verlinde kalkt op zijn schoolbord de basisformules en voordat zijn gast met zijn ogen heeft kunnen knipperen, heeft hij er de beroemde zwaartekrachtsformules van Newton uit afgeleid. Hij heeft het al vaak voorgedaan, maar de glimlach aan het slot is er niet minder op geworden. "De argumentatie was zo simpel en zo logisch, net als de wiskunde. Het sterkte mij in het idee dat ik op de goede weg zat."Hij voelde ook meteen aan dat er meer in het vat zou zitten. "Als je vergelijkingen kunt afleiden, dan rollen daar ook correcties uit. Ik had het gevoel dat die correcties iets met de kosmologie van doen konden hebben. Met de donkere materie en donkere energie, met name."

Het zijn twee grote vraagtekens uit de kosmos. Zoals gezegd, de donkere materie wordt nodig geacht om de rotatie van sterrenstelsels te verklaren. Volgens de wetten van Newton of Einstein zouden de uiteinden van spiraalstelsels bij de draaiing achterop moeten raken. Extra - onzichtbare - massa zou alles in het gelid kunnen houden. En een kleine twintig jaar geleden werd ontdekt dat het heelal versneld uitdijt. Een mysterieuze kracht, de donkere energie, zou daarvoor verantwoordelijk zijn.

Waarom gaan Newton en Einstein hier de mist in, vroeg Verlinde zich af. Zijn antwoord begon opnieuw bij het zwarte gat. "Het heelal dijt uit en hoe verder een sterrenstelsel van ons vandaan staat, hoe sneller het zich verwijdert. Dan is er een punt waarop de verwijdering sneller gaat dan het licht. Dat is onze horizon. Wat daarachter gebeurt, kunnen wij niet zien. Die horizon heeft fysisch dezelfde eigenschappen als de horizon van een zwart gat."

Zit dan net als bij het zwarte gat, de informatie over het heelal op die horizon? Niet alle informatie, zegt hij. "Het heelal bevat een enorme hoeveelheid informatie die wij niet zien. Kijk naar de entropie van het heelal. Daar kun je een schatting van maken, maar die blijkt onnoemelijk veel te klein. Daar zit een factor van tien tot de macht dertig tussen - een 1 met dertig nullen. Dat verschil moet iets met de donkere energie te maken hebben, dacht ik. "Als hij die onzichtbare informatie in zijn afleiding van de wetten van Newton en Einstein zou kunnen stoppen, zouden daar correcties uit moeten volgen die het raadsel van donkere materie en donkere energie zouden moeten oplossen. Het gekke was: hij wist hoe die afwijking eruit zou moeten zien. Een Israëlische fysicus had een theorie ontwikkeld waarin hij Newton aanpaste om de donkere materie overbodig te maken. "Zijn concept geloofde ik niet, maar zijn uitkomst wel. De vraag was dus: hoe kom ik op mijn manier op zijn formule uit?"

Het zijn gedachten met een hoog ab­strac­tie­ni­veau, maar de bijbehorende wiskunde is verbluffend eenvoudig.

Zwaartekracht volgens Newton: Elke massa oefent een kracht uit op elke andere massa. Deze kracht is gericht langs de lijn die beide punten verbindt en is evenredig met het product van demassa's en is omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand tussen beide massa's. © Trouw

Elasticiteit
Na een zoektocht van twee jaar vond hij zijn missing link in de leer van de elasticiteit. "De formule die ik zocht - en de afleiding ervan - heeft te maken met polymeren. Met materialen die over hele grote tijdschalen nog bewegen. Donkere energie blijkt ook dergelijke elastische eigenschappen te hebben."

Niet dat hij er toen al was. Hij moest nog een stevige greep doen uit zijn oude gereedschapskist van de snaartheorie, hij begon te beseffen dat die 'zee van informatie' iets met quantumverstrengeling te maken had - verstrengelde quantumdeeltjes lijken van elkaar te weten hoe ze zich gedragen. Nu zijn artikel af is, kan hij laten zien dat de twee versnellingen in het heelal gerelateerd zijn. De versnelling die nodig is om de uiteinden van sterrenstelsels mee te laten draaien met de kern is gekoppeld aan de versnelling waarmee het heelal uitdijt.

Opnieuw tovert hij in rap tempo de formules op zijn schoolbord. En rekent hij voor hoe uit de elasticiteit van de donkere energie een kracht voortkomt. Een kracht die precies op afstanden van betekenis wordt waar kosmologen de donkere materie menen te moeten introduceren. Dit is geen huiskamerstudie, benadrukt hij. "Het is gebaseerd op waarnemingen. Het komt er allemaal zo natuurlijk uit voort: de donkere materie is een fictie, het effect is een afwijking in de formules. Ik kan me niet voorstellen dat het fout is."

Hij beseft dat veel van zijn collega's nog niet zo ver zijn. "Voor hen staat Einstein nog steeds op zijn voetstuk. Ik begrijp dat wel, om de haverklap lees je dat 'Het gelijk van Einstein' is bewezen. Maar ik ben ervan overtuigd dat ook zijn theorie zal worden vervangen. Het vereist moed om daar afstand van te doen. Om afstand te doen van zijn precieze mathematische manier om naar de ruimte te kijken. Mijn theorie biedt toch minder houvast. Daarom mogen ze wat mij betreft nog even doorgaan met zoeken naar donkere materie. Hoe gefrustreerder ze zijn dat ze het niet kunnen vinden, des te meer zijn ze bereid mijn idee over te nemen."

"De donkere materie is een fictie, het effect is een afwijking in de formules. Ik kan me niet voorstellen dat het fout is."

Hoogleraar theoretische fysica Erik Verlinde

Informatietheorie volgens Verlinde: De zwaartekracht is geen fundamentele kracht maar de uiting van een dieper proces. De kracht komt voort uit een herschikking van de informatie in de ruimte. De theorie heeft geen donkerematerie nodig. De e;ecten waarvoor deze materie nodig wordt geacht, volgen direct uit de theorie. © Trouw

Deel dit artikel

Op het strand, met geen andere hulpmiddelen tot zijn beschikking dan pen en papier, kon hij zijn gedachten de vrije loop laten.

Het zijn gedachten met een hoog ab­strac­tie­ni­veau, maar de bijbehorende wiskunde is verbluffend eenvoudig.

"De donkere materie is een fictie, het effect is een afwijking in de formules. Ik kan me niet voorstellen dat het fout is."

Hoogleraar theoretische fysica Erik Verlinde