Erik Verlinde’s revolutionaire theorie van het heelal

Op 7 november 2016 ging er een schok door de wereld van de wetenschap. De Nederlandse fysicus Erik Verlinde publiceerde zijn langverwachte artikel over de werking van het heelal. Hij kwam daarin met een theorie die de zwaartekracht voor het eerst in verband brengt met de quantummechanica en alle materie en energie in het heelal. Een model dat zo mogelijk nog revolutionairder is dan de relativiteitstheorie van Einstein.

Newton
Voor de context gaan we terug naar het jaar 1687. In zijn meesterwerk Philosopiae Naturalis Principia Mathematica beschrijft Isaac Newton onder andere de werking van de zwaartekracht, de kracht die ervoor zorgt dat een appel uit een boom valt en niet blijft hangen. Albert Einstein verfijnde de theorie van de zwaartekracht in de Algemene Relativiteitstheorie. Hij omschreef zwaartekracht als de kromming van de zogenoemde ruimtetijd (drie ruimtelijke en één tijdsdimensie). Dat vergt wat uitleg.

Ruimtetijd
Stel je een rubbermat voor die is gespannen tussen vier palen en vrij van de vloer hangt. Op die mat leg je een ijzeren kogel, de mat vervormt (hij buig door) waardoor je een kuil krijgt. Verander het 2-dimensionale vlak van de mat in 3 dimensies en neem in plaats van de ijzeren bol onze Aarde, de maan, de zon, Betelgeuze, het centrale zwarte gat in ons melkwegstelsel of elk ander object en je krijgt de kromming van de ruimtetijd. Hoe zwaarder het object, hoe dieper de kuil, hoe groter de kromming, des te meer zwaartekracht.

Bewijs
Welk experiment er ook werd uitgevoerd, steeds werd de theorie van Einstein bewezen. De kromming van de ruimtetijd blijkt bijvoorbeeld uit het bestaan van gravitatielenzen: een zwaar object – bijvoorbeeld een cluster sterrenstelsels – buigt licht van een daarachter gelegen quasar (een lichtgevend object in de buurt van een zwart gat) af zodat we die quasar kunnen zien, soms meerdere projecties tegelijk. Zijn theorie wordt ook door GPS-satellieten bevestigd: zij zijn voorzien van een klok die een minuscuul beetje sneller loopt dan op Aarde. In een baan om de aarde is er minder zwaartekracht (minder kromming van de ruimtetijd), dus verloopt de tijd daar sneller dan hier. Dat moet in de tijdmeting worden gecompenseerd.

Uitdijing
Waar Einstein geen verklaring voor had, was de uitdijing van het heelal. Zijn wetten blijken ook niet op het niveau van de kleinste deeltjes te werken. In deze wereld lijken zwaartekracht en tijd niet te bestaan. Dat is nogal wat. Wat men ook probeert, de wetenschap vindt met de wetten van Einstein geen aansluiting tussen de krachten in de gewone wereld – zoals de zwaartekracht – en de krachten in de sub-atomaire wereld. Het lijken wel verschillende realiteiten.

Holografisch principe
Een belangrijke poging tot verbinding van deze werelden werd gedaan door Nederlandse Nobelprijswinnaar Gerard ’t Hooft. Deze lanceerde in 1993 het Holografisch Principe. Een hologram is een plat vlak dat 3-dimensionaal lijkt. De 2-dimensionale informatie op het platte vlak manifesteert zichzelf zodanig dat het lijkt dat de informatie 3-dimensionaal is. Wat voor een foto geldt kan ook wel eens voor ons heelal gelden, dacht ’t Hooft en zijn theorie was geboren.

Die theorie komt er zeer ruwweg op neer dat alle informatie in ons heelal zich niet hier, maar aan de rand van het heelal bevindt (een rand is overigens een vreemd fenomeen bij een oneindig heelal). Wat wij als een 3-dimensionale realiteit ervaren is opgebouwd uit 2-dimensionale informatie die zich op duizelingwekkende afstand van ons bevindt.

Donkere materie
De voortgaande uitdijing van het heelal kon echter ook door deze theorie niet worden verklaard. Daarom hebben wetenschappers hun toevlucht genomen tot het veronderstelde bestaan van donkere materie en donkere energie. Deze onzichtbare substantie zou 95% van de materie en energie in het heelal uitmaken. We zien slechts het resultaat van de krachten die door donkere materie worden uitgeoefend, zoals de beweging van sterren. Probleem is dat die beweging weer afwijkt van de theorie van Einstein en ook niet met andere theorieën verklaard kan worden. Het bestaan van donkere materie en donkere energie niet aan te tonen.

Verlinde’s theorie
En nu komt Erik Verlinde met de kosmologische theorie die alle voorgaande op zijn kop zet. Hij lanceert een model dat onze wereld aan de sub-atomaire wereld van de quantummechanica koppelt. Tevens toont hij aan dat de onzichtbare 95% van ons deel van het heelal niet uit donkere materie en energie bestaat, maar uit informatie . Net als de informatie die door ’t Hooft ook in het Holografisch Principe was beschreven.

Verlinde stelt dat de ruimte geen krommend vlak is (wat Einstein beweerde), maar is gevuld met informatie. Die informatie bevindt zich niet alleen aan de rand van het heelal (zoals ’t Hooft stelde), maar overal om ons heen. Een lichaam dat ruimte inneemt verstoort die informatie. Zijn berekeningen tonen aan dat door die verstoring krachten tussen objecten ontstaan die ervoor zorgen dat objecten op “kleinere” schaal elkaar aantrekken (ergo: zwaartekracht!) en op zeer grote schaal de ruimte doen uitdijen.

Allesomvattend
Verlinde’s theorie is een mathematische beschouwing die geen onzichtbare donkere energie en materie nodig heeft om de werking van het heelal te verklaren. Het mooie van de theorie is dat zij de uitdijing van de ruimte en de afwijkende bewegingen van sterren verklaart, maar ook de krachten die op sub-atomair niveau spelen. De theorie van Verlinde toont aan dat de wijze waarop wij zwaartekracht omschreven de unificatie van de diverse natuurkundige krachten enorm in de weg stond. Door de zwaartekracht opnieuw te definiëren is de allesomvattende theorie van het heelal een stuk dichterbij gekomen.

Inzicht
Lost deze theorie de oorlog in Syrië en honger in Afrika op? Nee, helaas. Deze theorie verrijkt ons als mensheid. Leert ons beter te begrijpen hoe het heelal werkt. Geeft ons een dieper inzicht in de realiteit. Het laat zien dat we ons blijven ontwikkelen, dat eeuwenlange wetenschappelijke zoektochten niet voor niets zijn. Dat een kritische houding, creativiteit en het vrije denken essentieel zijn om verder te komen. Het toont ook aan dat investeren in onderwijs enorm belangrijk is. Dat kennis mensen helpt en verheft.

Het is nu wachten op peer reviews. Als de theorie ook na beoordeling door zijn collega’s standhoudt, is Verlinde de ware opvolger van Newton en Einstein. Een Nobelprijs is in dat geval onvermijdelijk.

===============================================================
Foto: Space Time Curvature by Unknown is licensed under CC BY 2.0
===============================================================

Advertenties