Je leest:

Donkere materie én energie opgelost met één theorie

Donkere materie én energie opgelost met één theorie

Natuurkundige Erik Verlinde denkt beide fenomenen te kunnen verklaren

Auteur: | 14 september 2015

Geen huisje is heilig voor Erik Verlinde. In 2010 verraste de natuurkundige zijn collega’s met een revolutionaire zwaartekrachttheorie. Inmiddels werkt hij hard aan een nieuwe theorie die de mysteries van donkere materie en donkere energie in een klap van tafel veegt. Kennislink sprak Verlinde in zijn kantoor in Amsterdam.

Naar verluidt was het nachtwerk: Erik Verlinde heeft het lang verwachte artikel met zijn mogelijk baanbrekende theorie ingeleverd. Het verscheen op 7 november 2016 als voorpublicatie op de website arxiv.org, dat betekent overigens dat het voor de echte publicatie nog kritisch door andere wetenschappers wordt bekeken. Afgelopen jaar sprak NEMO Kennislink al met Verlinde over zijn theorie die onze kijk op het universum voorgoed kan veranderen. Op de website van De Kennis van Nu staat ook een interview met een Nederlandse astronome die als eerste Verlindes theorie aan een praktijktoets heeft onderworpen

Img 20150623 172613
Erik Verlinde ontwikkelt een alternatieve theorie voor donkere materie.
Roel van der Heijden voor NEMO Kennislink

De habitat van deze theoreticus is zoals je hem verwacht. Ingeklemd tussen twee van boven tot onder met formules volgekalkte krijtborden zit Erik Verlinde achter zijn bureau. De hoogleraar theoretische natuurkunde van de Universiteit van Amsterdam is de rust zelve, vriendelijk en bescheiden. Niet iemand die snel zijn nek uitsteekt.

Van binnen broedt hij echter op de meest revolutionaire natuurkundige ideeën. Neem zijn theorie over de zogenoemde emergente zwaartekracht, die hij in 2010 publiceerde. Daarin stelt Verlinde dat zwaartekracht geen op zichzelf staande kracht is zoals bijvoorbeeld de elektromagnetische kracht, of de kernkrachten, maar een effect van de manier waarop deeltjes met elkaar omgaan.

Verlindes poging om te verklaren waar de zwaartekracht vandaan komt – tot nu toe nog een raadsel der natuurkunde – kon rekenen op bewondering van collega’s (hij won de Spinozapremie in 2011), maar ook op weerstand. Niet alle natuurkundigen waren overtuigd van zijn idee. Ondanks kritiek is Verlinde vastberaden zijn theorie te perfectioneren. Hij heeft de afgelopen jaren zijn hoofd gebogen over onder andere donkere materie en denkt dat de emergente zwaartekrachttheorie de oplossing is.

De donkere kant van het universum

In de loop van 20e eeuw kwamen verschillende astronomen tot de conclusie dat er iets raars aan de hand was met de draaiing van de vaak honderden miljarden sterren om de centra in sterrenstelsels. Met behulp van roodverschuiving – het feit dat licht van objecten die van je af bewegen iets roder is dan normaal – was het mogelijk om draaisnelheden van sterren in sterrenstelsels te bepalen. Die zou gemiddeld moeten afnemen naarmate de sterren zich verder van het centrum bevinden. Maar wat astronomen waarnamen is dat de snelheden richting de rand van sterrenstelsels alleen maar groter lijken te worden! Iets klopte er niet.

M51 hubble remix
De Draaikolknevel is een sterrenstelsel zoals onze eigen Melkweg. Zijn spiraalarmen bestaan uit honderden miljarden sterren die in de loop van honderden miljoenen jaren om het centrum van het stelsel heen draaien. De sterren in de buitenste regionen blijken echter zo snel rond te gaan dat ze eigenlijk uit het sterrenstelsel geslingerd moeten worden. Er is blijkbaar een kracht die het sterrenstelsel bijeenhoudt.

Sindsdien zijn er verschillende oplossingen bedacht. De meeste gaan uit van een grote hoeveelheid donkere materie in sterrenstelsels, die de boel via de zwaartekracht bij elkaar houdt. Niemand weet wat donkere materie is, maar de meeste wetenschappers houden het op exotische deeltjes die we nog niet hebben ontdekt.

Verlinde moet daar weinig van hebben. Hij denkt dat het antwoord ligt in de zwaartekracht. Een idee dat hem gezien zijn eerdere theorie op het lijf geschreven is. “De bewegingen in sterrenstelsels blijken allemaal bij een bepaalde versnelling af te wijken van Newtons wetten. Dus wat als die afwijking niet wordt veroorzaakt door onzichtbare materie, maar doordat de wet zelf afwijkt?”, zegt hij.

Onzichtbare bol

Dat idee past volgens Verlinde in zijn eerdere theorie van emergente zwaartekracht die een alternatieve verklaring probeert te geven voor het principe achter de zwaartekracht. Verlinde stelt dat de kracht niet wordt overgebracht door een krachtdeeltje – het meest gangbare model voor natuurkrachten – maar dat het eigenlijk een bijverschijnsel is van de informatie die beschrijft waar alle materie zich bevindt.

Glass plasma globe
De theorie van Verlinde beschouwt het universum als informatie op het oppervlak van een bol.
Slimsdizz

Deze informatie zou besloten liggen op een bol. Geen echt object, maar een theoretische bol die de informatie bevat van alle materie in ons universum. Zodra er zich materie verplaatst, verandert ook de dichtheid van informatie op de bol. Zwaartekracht zou een soort uitwerking zijn van een verandering van die informatie.

“Al vrij snel nadat ik mijn theorie over de emergente zwaartekracht publiceerde, vermoedde ik dat de theorie wellicht ook een verklaring kon geven voor het probleem van donkere materie”, zegt Verlinde. “Daar ben ik sindsdien mee bezig geweest. Het werk is nog niet gepubliceerd, maar dat komt ook omdat ik zo perfectionistisch ben.”

Twee vliegen in een klap

Stel dat Verlinde op het goede spoor zit en donkere materie kan verklaren, dan zou dat een geweldige opsteker zijn voor astronomen die al ruim een halve eeuw met het vraagstuk in hun maag zitten. Maar alsof dat niet genoeg is denkt Verlinde al verder. Hij vermoedt dat emergente zwaartekracht naast donkere materie ook een oplossing kan bieden voor donkere energie, een zo mogelijk nog grotere kosmologische mysterie.

Donkere energie werd in het leven geroepen na de ontdekking dat het universum met een steeds grotere snelheid lijkt uit te dijen. Tot 1998 dachten astronomen juist dat sterrenstelsel zouden afremmen door de zwaartekracht die ze op elkaar uitoefenen. De uitdijende kracht wordt sindsdien toegeschreven aan donkere energie, waarvan niemand een idee heeft wat het is.

“Als je naar de formules kijkt die de afwijkende bewegingen in sterrenstelsels beschrijven, dan kun je dat vrij gemakkelijk omschrijven naar een formule waar de Hubble-constante in voorkomt”, zegt Verlinde. “De Hubble-constante beschrijft de uitdijing van het universum op grote schaal. Ik zeg niet dat donkere materie en donkere energie dezelfde fenomenen zijn, maar ze kunnen wel een gemeenschappelijke oorzaak hebben.”

080998 universe content 240 after planck
Als Verlindes theorie klopt dan verklaart hij daarmee in een klap pakweg 95 procent van de energie in het universum. Zo’n driekwart van het heelal zou bestaan uit donkere energie. Donkere materie is goed voor ongeveer 20 procent. Slechts van de overige 5 procent hebben we een goed idee wat het is.

Tegen de stroming in

Het idee dat de zwaartekracht anders werkt dan we vermoeden is niet nieuw. Verschillende wetenschappers kwamen in de loop der jaren met alternatieve zwaartekrachttheorieën, maar die stuitten vaak op kritiek, net als de theorie van Verlinde. En dat is te verklaren.

Iedere natuurkundestudent krijgt de zwaartekrachttheorieën van Newton en Einstein met de paplepel ingegoten. Je moet heel wat van stal halen om daar tegenin te gaan. Verlinde geeft toe dat hij met zijn nieuwe theorie wat dat betreft weer behoorlijk zijn nek uitsteekt. “Ik ga met zo’n theorie eigenlijk in tegen de hele wetenschappelijke ‘lobby’ die er is voor grote deeltjesexperimenten die de kandidatendeeltjes voor donkere materie proberen te vinden. Als mijn theorie klopt dan zijn dergelijke deeltjesexperimenten eigenlijk overbodig.”

Ams aan het iss
Aan de buitenkant van het internationale ruimtestation ISS is sinds 2011 de deeltjesdetector AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) gemonteerd. Hij zoekt naar hoogenergetische (anti-)deeltjes die het bestaan van donkere materie kunnen aantonen. Het apparaat is vier meter hoog en weegt (op aarde) 7000 kilo.
NASA

Verlinde heeft wat dat betreft nog een heel vakgebied voor zich te winnen. Hij zegt dat hij nog steeds weerstand van collega’s ondervindt als hij lezingen geeft. “Ik heb al vaak over deze theorie gesproken, en altijd zit er wel een collega in de zaal die tegen het idee ingaat dat er geen donkere materie is. Dat komt volgens mij omdat vrijwel iedereen als het ware is opgegroeid met het idee dat er donkere materie is en dus dat we naar een deeltje moeten zoeken.”

Testbare theorie

Het werk als theoreticus heeft volgens hem iets weg van dat van een schrijver. Verlinde leest veel artikelen en boeken: er liggen een aantal dikke exemplaren op zijn op zijn bureau. “Soms krijg ik opeens inspiratie en dan schrijf ik het op een kladblok, of een servetje… Het is vooral een kwestie van dingen bij elkaar leggen, een vertaalslag maken, ermee worstelen, net zo lang tot je een opbouwend verhaal hebt. Daar ben ik druk mee bezig.”

Maar juist het donkere materie-probleem waar Verlinde nu mee bezig is, levert een unieke kans deze ook echt te testen. “Ik ben als snaartheoreticus behoorlijk wiskundig bezig geweest en ik streefde altijd naar een zekere wiskundige schoonheid en eenvoud. Dat vind ik belangrijk en leuk, dat is zelfs een drijfveer voor mij. Maar ik ben nu bijna op het punt een theorie te publiceren die ook echt met waarnemingen te testen is en dat is geweldig.”

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 14 september 2015

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.