Nog geen applaus voor nieuwe zwaartekracht

einstein 2016 | Zijn theorie zou de doodklap moeten zijn voor al die fysici die al decennia zoeken naar donkere materie. Want in het universum van Erik Verlinde is donkere materie niet meer nodig. Maar die fysici staan nog overeind. Ze lijken niet erg onder de indruk van Verlinde's zwaartekrachttheorie.

Grappig", zegt Mercedes Martín. "Als je het titelblad en de referenties weglaat, beslaat het artikel van Erik Verlinde exact 42 pagina's." Een grapje voor insiders. Het getal 42 komt uit 'The Hitchhiker's Guide to the Galaxy'. In die sciencefiction-reeks geeft een computer na 7,5 miljoen jaar rekenen antwoord op 'de ultieme vraag over het leven, het universum en alles': 42.

In de boekenreeks is dit antwoord het startsein voor een lange zoektocht: wat is die ultieme vraag zodat er 42 uit kan komen? Martín zag een verband met de queeste van Verlinde, ook op zoek naar het antwoord op de ultieme vraag. De fysicus van de Universiteit van Amsterdam plaatste een maand geleden zijn langverwachte artikel op ArXiv, een site waar wetenschappers hun bevindingen prijsgeven voor ze die naar een vakblad sturen.

Zes jaar geleden baarde Verlinde opzien met zijn theorie dat de zwaartekracht niet fundamenteel is, maar een illusie. Voortkomend uit een dieper proces. Uit de ordening van informatie, om preciezer te zijn. Hij kreeg er in 2011 de prestigieuze Spinozapremie voor, een onderzoeksbudget van 2 miljoen euro waarmee hij zijn theorie kon uitbouwen tot kosmische proporties. Letterlijk: in de jaren die volgden kondigde Verlinde regelmatig aan dat hij zijn idee over de zwaartekracht zou toepassen op het universum.

Op 7 november was het zover. Verlinde liet zien dat hij ook in het heelal uit de voeten kon met een illusoire zwaartekracht. Ook een ander concept uit de kosmologie heeft hij niet nodig: de donkere materie. Hij beschrijft de ruimte zonder deze onzichtbare massa, die volgens de geldende inzichten vijf keer zo talrijk zou moeten zijn als de gewone massa's van sterren en planeten.

Mediastorm

Het levert hem een storm aan publiciteit op - ook al had hij die naar eigen zeggen willen voorkomen door zijn artikel aan de vooravond van de Amerikaanse verkiezingen op de site te zetten. Een storm in Nederland althans: in de media wordt hij als de nieuwe Einstein neergezet. In het buitenland is de ophef veel minder. Sommige wetenschappers reageren enthousiast of welwillend, maar de bekende Amerikaanse fysicus en kosmoloog Lawrence Krauss wil er desgevraagd niet al te veel woorden aan besteden. "Het is nog geen voorpaginanieuws", laat hij per mail weten.

Martín, die als theoretisch natuurkundige werkt aan de Radboud Universiteit, kreeg verbaasde berichten van haar Spaanse vrienden: waar kwam die opwinding hier toch vandaan? Zelf had ze, de taal niet machtig, de Nederlandse berichtgeving gemist.

Ze zit met haar hoogleraar, theoretisch fysicus Ronald Kleiss en diens collega, Sijbrand de Jong, aan tafel op hun Nijmeegse instituut. De ideeën van Verlinde waren hun al bekend. Nu ze het artikel onder ogen hebben gehad, kunnen ze op zoek naar de details, naar de uitwerking ervan. "En dan moet ik het toch teleurstellend noemen", zegt Martín. "Het artikel bevat heel veel aannames, waardoor het geheel nauwelijks te toetsen is. En niet onbelangrijk: zijn theorie is geen uitbreiding van Einsteins algemene relativiteitstheorie. Uit zijn ideeën leidt hij een aanpassing van de wetten van Newton af. Dat is niet genoeg. De zwaartekrachtgolven van Einstein zitten bijvoorbeeld niet in Verlinde's theorie."

Bijna goed is niet goed genoeg, zegt De Jong, die behalve hoogleraar experimentele fysica ook voorzitter is van de Raad van Cern, het versnellerinstituut in Genève. "Een nieuwe theorie moet de bestaande omvatten. Zover is hij nog niet. Bovendien moet een theorie voorspellende waarde hebben. Hij moet een test bevatten waarmee je hem kunt ontkrachten. Dat zie ik ook nog niet. Mijn collega's op Cern reageerden dan ook laconiek. Ze hebben het opgemerkt, maar mwah: ze zien het als een van de vele theorieën over de zwaartekracht."

Dat laat onverlet dat de fysica zo'n nieuwe theorie nodig heeft. Hoe succesvol Einsteins beschrijving ervan ook mag zijn, sommige problemen heeft ook hij niet opgelost. Op heel kleine schaal, in de wereld van de atomen, botst de relativiteitstheorie met de wetten die daar heersen, die van de quantumfysica. De twee theorieën passen niet op elkaar. Ook in grote, extreme situaties gaat het mis. Zo weet de relativiteitstheorie niet door te dringen tot de kern van een zwart gat. En ook het moment van de oerknal gaat haar macht te boven.

Daar blijft het niet bij. Zo dijt het heelal versneld uit, sneller dan je op grond van een oerknal zou verwachten. Alsof een onzichtbare kracht aan het werk is, een soort zwaartekracht maar dan afstotend in plaats van aantrekkend. Donkere energie, hebben fysici deze kracht genoemd, maar ze hebben geen idee wat de aard ervan is.

En alsof dat nog niet genoeg is, is er ook nog eens donkere materie. Het bestaan daarvan achten fysici nodig omdat er veel meer zwaartekracht in de ruimte actief is dan ze op grond van de zichtbare materie kunnen verklaren. Die zwaartekracht van donkere materie zou bijvoorbeeld voorkomen dat sterren weggeslingerd worden uit hun ronddraaiende sterrenstelsel. Er wordt al tachtig jaar - tevergeefs - gezocht naar bewijzen voor die donkere materie.

Om een indruk te geven van de omvang van het probleem: als je het allemaal uitdrukt in energie, is de ruimte voor bijna 70 procent gevuld met donkere energie, is ongeveer een kwart donkere materie en maakt de zichtbare materie - sterren en planeten, maar ook mensen en dieren - niet meer dan 5 procent van het geheel uit. 95 procent van de ruimte is onbegrepen.

Verlinde viel deze problemen zes jaar geleden vanuit een radicaal standpunt aan. De zwaartekracht is volgens hem niet fundamenteel, maar de uiting van een dieper proces. Net als temperatuur of druk uitingen zijn van de bewegingen van moleculen. Dat onderliggende proces zou bij de zwaartekracht informatie zijn. De lezer moet bij informatie denken aan de ordening van de ruimte, aan de wijze waarop materiedeeltjes met elkaar verbonden zijn. Zwaartekracht is in de ogen van Verlinde de prijs die je moet betalen als je wat aan die ordening wil veranderen.

Hij is niet de eerste die dat bedenkt. Orde en wanorde zijn bekende begrippen uit de thermodynamica - de entropie heet het daar officieel. De Amerikaanse fysicus Ted Jacobson leidde in de jaren negentig al uit het idee van een entropische kracht de formules van Einsteins relativiteitstheorie af.

Op dat punt was Verlinde met zijn informatiekracht in 2010 ook aanbeland. In de jaren daarop breidde hij het idee uit naar de ruimte. Hij leende daarvoor een theorie van zijn leermeester, Nobelprijswinnaar Gerard 't Hooft, die zwarte gaten ooit had beschreven als een hologram. Wat erin zit, kunnen we niet te weten komen, maar van alles wat ooit in een zwart gat is terechtgekomen, is de informatie op diens rand - de horizon van het zwarte gat - vastgelegd. Dat zie je niet een-twee-drie, maar net als bij een hologram: als je er op de juiste manier naar kijkt - met het goede licht en onder de goede hoek - verschijnt ineens het driedimensionale beeld.

Verlinde stelt ook het universum voor als een hologram, met alle informatie op de rand. Hoewel, niet helemaal. Een deel van de donkere energie zwermt door de ruimte. Hij maakt van die donkere energie een elastische substantie, die door de komst van materie opzij wordt geduwd en dan probeert haar oude positie weer in te nemen. En nu komt het: die elasticiteit blijkt op de schaal van sterrenstelsels precies van de goede grootte om het effect van donkere materie over te nemen. Die is dus niet meer nodig.

Om tot deze afleiding te komen heeft Verlinde gespiekt bij een dertig jaar oud idee waarin de wetten van Newton werden aangepast om de donkere materie overbodig te maken. Deze theorie - Mond: Modified Newtonian Dynamics - had geen verklarend principe; de aanpassingen waren louter gericht op het doel, het uitbannen van de donkere materie. Dat is wel het mooie aan Verlinde's verhaal, zegt Sijbrand de Jong. "Mond was puur fenomenologisch, hij geeft met zijn elasticiteit een onderbouwing voor het mechanisme."

Het is niet zo gek om een theorie te ontwerpen die op verschillende tijd- of ruimteschalen anders uitpakt, vult Kleiss aan. "Vergelijk het met glas. Als je het een korte tijd beziet, gedraag glas zich als kristal. Het is massief, het breekt als je er een tik tegen geeft. Maar over een langere tijd gezien gedraagt glas zich als een vloeistof. Zo kun je ook tegen de zwaartekracht aan kijken. Op kortere afstanden geldt de algemene relativiteitstheorie, maar het is niet zo vreemd om te suggereren dat op grotere afstanden andere processen een rol spelen. Doordat het heelal nog niet de tijd heeft gehad zich helemaal te settelen."

Donkere energie

Maar ja, vervolgen de drie fysici aan tafel. Verlinde neemt wel erg veel aan, voor zijn model van de kosmos. "Zo gaat hij ervan uit dat de donkere energie bestaat", zegt Mercedes Martín. Die heeft hij nodig, vult Kleiss aan, om de donkere materie weg te werken. "Hij bant dus een kwart van het onbegrepen deel van het universum weg, maar daar heeft hij het driekwart voor nodig dat we helemaal niet begrijpen. Bovendien gaat hij uit van een heelal met donkere energie en introduceert dan de materie. Dat gaat zomaar niet. Je kunt ook niet straffeloos de zon wegdenken." Ook Kleiss had meer van het artikel verwacht. "We zijn na het vorige artikel zes jaar en twee miljoen Spinozapremie verder. En dan denk ik: was dit artikel die hype waard? Vermoedelijk niet."

donkere materie blijft nog wel even

Erik Verlinde is behoorlijk overtuigd van zijn gelijk. "Financiers van onderzoek zullen zich afvragen of ze nog wel geld moeten steken in de zoektocht naar donkere materie", zei hij een half jaar geleden in deze krant toen hij zijn theorie ontvouwde. Zo vreemd is die stelligheid niet. Astronomen speuren al decennia zonder resultaat naar donkere materie. En ook in versnellers zoals in Genève is het niet gelukt een donker materiedeeltje te maken. "Maar zelfs als die donkere materie niet wordt gevonden, is de theorie van Verlinde nog niet bewezen waar", zegt Ronald Kleiss, hoogleraar theoretische fysica in Nijmegen.

Bovendien, zegt Patrick Decowski van het Amsterdamse onderzoeksinstituut Nikhef, verklaart Verlinde slechts één aspect van de donkere materie. "Hij heeft de donkere materie niet nodig om de rotaties van sterrenstelsels te begrijpen. Maar er is méér. Donkere materie speelt ook een rol bij de beweging van grotere clusters van stelsels. En we zien haar terug in de kosmische achtergrondstraling, het nagloei-effect van de oerknal. Zonder donkere materie kunnen wij niet verklaren hoe uit de oerknal de sterrenstelsels zijn ontstaan. Dat kan Verlinde ook niet. Misschien in de toekomst wel, maar ik ben daar zeer sceptisch over."

In de wandelgangen wordt wel gegniffeld over de donkere materie, maar Decowski vindt het concept nog te mooi om los te laten. "Misschien moeten we over tien jaar de zoektocht opgeven. Dan zijn onze metingen zo nauwkeurig; als we dán nog niets gezien hebben, weten we dat we de donkere materie nooit boven de achtergrondruis uit zullen waarnemen. Wat nog steeds niet betekent dat ze niet bestaat. Daar ga ik ook niet van uit."

REACTIE VERLINDE

Hij kan er niet veel mee, met deze kritiek. Al heeft hij deze geluiden al meer gehoord. "Mijn algemene indruk is dat de meesten die commentaar leveren, het artikel niet aandachtig hebben bestudeerd", zegt Erik Verlinde. "Onder Amerikaanse vakgenoten in de theoretische fysica is het stuk beter ontvangen, maar ook in discussies met hen merk ik: een goed begrip van deze materie vergt tijd."

Het vergt ook brede kennis.

"Theoretici weten vaak weinig van de waargenomen verschijnselen die met donkere materie te maken zouden hebben. Omgekeerd hebben astronomen weinig kennis van de theorieën over de zwaartekracht. En de fysici die zoeken naar een donker materiedeeltje zijn van beide slecht op de hoogte. Dat ik een verband leg tussen dit alles wordt volgens mij door de meesten onderschat."

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2019 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden