Nieuwe theorie zwaartekracht biedt alternatief voor donkere materie

UvA-hoogleraar Erik Verlinde publiceert langverwacht artikel

8 november 2016

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.

Bekijk de video waarin Verlinde vertelt over zijn onderzoek

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 naadloos uit zijn berekeningen volgen. Verlinde laat daarmee voor het eerst zien dat zijn theorie aansluit bij de waarnemingen van astronomen.

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.'

Publicatiegegevens

Emergent Gravity and the Dark Universe, E. P. Verlinde, 2016 Nov 8
https://arxiv.org/abs/1611.02269

'Elastisch Universum - ABC van de baanbrekende ideeën van Erik Verlinde'

Half november verschijnt bij uitgeverij Fontaine het boekje Elastisch Universum – ABC van de baanbrekende ideeën van Erik Verlinde, geschreven door wetenschapsjournalist en sterrenkundige George van Hal.

Gepubliceerd door  UvA Persvoorlichting