Erik Verlinde - nieuwe zwaartekrachttheorie
1. Erik Verlinde - De boekhouder van het heelal
Noorderlicht - door: Jaqueline de Vree, 19-11-2015
[Verlinde noemt in zijn nieuwe theorie over de zwaartekracht deze een 'emergente zwaartekracht'. Het Latijnse woord 'emergent' komt van het werkwoord 'emergere': opduiken, opdoemen, zichtbaar worden, eruit komen, spontaan optredend. Verlinde geeft daarmee aan dat de zwaartekracht alleen merkbaar wordt, als in een bepaald systeem een verandering optreedt.
'Zwaartekracht is volgens Erik Verlinde een emergente eigenschap van een microscopische realiteit die samenhangt met informatieverschillen tussen massa's.' (bron: Wikipedia)
Zolang een gewicht op de grond ligt, is er geen zwaartekracht werkzaam; zodra ik het gewicht oppak, verstoor ik het systeem, verstoor ik informatie en wordt de zwaartekracht merkbaar.(Freek)]
Erik Verlinde (49) is hoogleraar theoretische natuurkunde. Met de Spinozapremie van twee en een half miljoen euro wil hij de komende jaren zijn nieuwe, vergaande theorie over de zwaartekracht uitwerken.
prof. dr. Erik Verlinde
Erik Verlinde
"Die oerknal, ik heb er nooit in geloofd. Dat er eerst niets is, en dat dat niets dan vervolgens ontploft. Dat is toch absurd?" Erik Verlinde is niet bang om heilige huisjes omver te trappen. De bigbangtheorie is sinds jaar en dag een van de fundamenten van de kosmologie. Dat schuif je niet zomaar opzij. Maar Verlinde is stellig. "Ik denk echt dat we op een andere manier over het ontstaan van ruimte, tijd en het hele universum na moeten denken. Een andere taal moeten ontwikkelen ook."
Verlinde is niet de eerste de beste. Hij maakt deel uit van het selecte groepje topnatuurkundigen dat zich wereldwijd bezig houdt met de snaartheorie, een van de meest duizelingwekkende abstracties die de menselijke geest ooit heeft voortgebracht. Zijn brein is gewend geraakt aan uitstapjes naar zwarte gaten en gekromde ruimtes. Hij beweegt zich met gemak in de zes extra dimensies die er volgens de snaartheorie zouden moeten zijn, en hij draait zijn hand niet om voor een stevig potje rekenwerk. Op een schoolbord, bijvoorbeeld. Met een doodordinair krijtje.
In een paar minuten schetst hij daarmee voor de ogen van de verblufte verslaggever een eenvoudige afleiding van de wetten van Newton. Eerst verschijnt diens beroemde bewegingswet op het bord: F = m x a, de vergelijking die beschrijft hoe hard je ergens tegenaan moet duwen om het van zijn plek te krijgen. Met nauwelijks ingehouden triomf kalkt hij verder op het reusachtige schoolbord in zijn werkkamer en zowaar, daar verschijnt ook Newtons zwaartekrachtswet, de wet die beschrijft hoe de spreekwoordelijke appel uit de boom valt.
Newton beschrijft alleen hoe de appel valt.
Het grote verschil: de wet van Newton beschrijft alleen hoe de appel valt. Verlinde zegt nu ook te weten waarom dat gebeurt. "Zwaartekracht is in mijn ogen geen fundamentele kracht, zoals Newton en Einstein aannamen, maar een bijverschijnsel. Er zit iets veel diepers achter."
Eureka
Zijn eurekamoment dankt hij aan een Franse inbreker, die er tijdens een vakantie met zijn spullen vandoor ging. Zonder autosleutels, zonder laptop, maar mét een ongeplande vakantieweek in de schoot geworpen, overviel hem een weldadige rust. "Ik kon niks doen, helemaal niks. En daardoor ontstond blijkbaar die vrijheid in mijn hoofd. Toen viel het kwartje. Ik zag ineens hoe je de wetten van Newton kunt afleiden uit veel algemenere principes."
Om zijn ideeën te verduidelijken, grijpt Verlinde naar zijn glazen bol, een echte, ter grootte van een kleine meloen. Het oppervlak van de bol is bedrukt met nullen en enen. "Informatie," wijst Verlinde. "Dat kun je uitdrukken in bits. In nullen en eentjes, zoals hier."
Een glazen bol is te beschrijven door een hologram op de schil van diezelfde bol
De glazen bol en alles wat erin zit, blijkt te kunnen worden beschreven door een hologram op een schil rondom diezelfde bol. Net zoals bij een echt hologram heb je dan voldoende aan de informatie op het oppervlak om de héle bol, in drie dimensies, te kunnen reconstrueren. Niet alleen glazen bollen, maar ook sterren, planeten en zwarte gaten kunnen op een dergelijke holografische wijze worden beschreven , door op een listige manier de informatie ervan weer te geven op een denkbeeldige schil. Dat is niet nieuw: Verlinde grijpt terug op een ouder idee van zijn leermeester, Nobelprijswinnaar Gerard 't Hooft, en op de ideeën van de Britse astrofysicus en bestsellerauteur Stephen Hawking over zwarte gaten.
Bijverschijnsel
Wél nieuw is de elegante wijze waarop hij vervolgens de zwaartekracht te voorschijn tovert. Dat doet hij door te kijken naar de veránderingen in de hoeveelheid informatie, de nullen en eentjes, op de denkbeeldige holografische schil. De zwaartekracht blijkt dan uit de formules op te duiken als een denkbeeldige boekhouder die al die veranderingen nauwkeurig bijhoudt. "Het is een bijverschijnsel, een soort schijnkracht," zegt Verlinde. "Net als osmose, temperatuur of luchtdruk." Als je het achterliggende mechanisme niet zou kennen, zou je kunnen denken dat er een geheimzinnige kracht aan het werk was, die cellen en ballonen doet opbollen.
Nek uitsteken
Anderhalf jaar geleden trad Verlinde voor het eerst naar buiten met zijn idee, op een colloquium voor vakgenoten in Utrecht. Zijn leermeester Gerard 't Hooft zat ook in de zaal. "Van hem heb ik geleerd om mijn nek uit te steken. Als promotie-onderzoeker was ik ooit bij een praatje van 't Hooft, na een vraag uit de zaal bleek dat hij gewoon een fout had gemaakt, dat zijn verhaal niet klopte. Na afloop kwam hij bij ons op de kamer en zei: "Dat moet je af en toe durven doen, je nek uitsteken". Dat heb ik altijd onthouden. Dus ik begon mijn lezing met die anekdote, en zei: "Nu ga ik mijn nek uitsteken." Zijn kop werd er niet afgehakt. Integendeel. Zijn collega's waren verbaasd en verrast over de eenvoud van zijn redenering, maar op fouten heeft niemand hem kunnen betrappen. Nog steeds niet.
Albert Einstein
Reacties
Intrigerend, uitdagend, geniaal misschien, maar ook nogal vaag. Zo laten de reacties van collega's zich tot nu toe het beste samenvatten. "Ik heb inderdaad nog niet alles heel precies wiskundig uitgewerkt," zegt Verlinde. "Ik heb deze keer besloten mijn intuïtie te volgen en eerst het grote verhaal neer te zetten. Dat is denk ik een van mijn sterke kanten, intuïtie." Verlindes intuïtie is overigens geen zweverig 'gevoel', maar geworteld in een kwart eeuw hardcore onderzoek met de groten der aarde in zijn vakgebied. "Ik combineer ideeën en principes die al veel langer bekend zijn op een nieuwe manier." En dat leidt tot verbijsterende vergezichten op wat wel eens een nieuw paradigma in de natuurwetenschappen zou kunnen zijn. Voor het eerst, sinds het ontstaan van de quantummechanica en Einsteins relativiteitstheorie aan het begin van de vorige eeuw.
De boekhouding van het heelal
In juli, op de jaarlijkse conferentie van snaarwetenschappers in Uppsala, Zweden, schetst Verlinde in grote lijnen het panorama dat hij voor zich ziet. Hij denkt namelijk ook een oplossing te hebben voor een van de meest prangende raadsels van de hedendaagse kosmologie: het feit dat het grootste deel van het heelal zich aan onze waarneming lijkt te onttrekken. Want onze natuurwetten zijn gebaseerd op slechts 4 procent van de materie en de energie die in het heelal aanwezig zouden moeten zijn.
Sterrenstelsels draaien harder dan zou moeten.
Sterrenstelsels draaien veel harder dan ze zouden moeten doen en het heelal dijt sneller uit dan we op grond van de zichtbare materie kunnen verklaren. Kosmologen zijn daarom naarstig op zoek naar de resterende 96 procent, die ze voor het gemak maar 'donkere materie' (20 procent) en 'donkere energie' (75 procent) hebben genoemd.
"Maar ze kijken daarbij de verkeerde kant op," zegt Verlinde. "Het is eigenlijk een boekhoudkundig probleem. In de meeste beschrijvingen van de natuur laten we heel veel informatie weg. Dat kan je niet ongestraft doen, want dan rommel je dus met de zwaartekracht." Om die boekhouding goed te kunnen doen, maakt Verlinde een uitstapje naar een abstract wiskundig concept, de zogeheten faseruimte. Dat is geen extra dimensie, maar een denkbeeldige verzamelplaats voor de oneindige veelheid van mogelijkheden waarvan ons zichtbare heelal slechts een partje is.
In die abstracte faseruimte zouden de drie vormen van materie en energie wel eens verschillende kanten van dezelfde medaille kunnen zijn. Alleen gewone materie, waar sterren, stoeptegels en sinaasappels van zijn gemaakt, kunnen we daadwerkelijk zien, voelen en proeven. Donkere materie en donkere energie zitten opgesloten in die volstrekt ontoegankelijke faseruimte. Maar als je de boekhouding van het heelal goed op orde hebt, leveren die mysterieuze ingrediënten een grote hoeveelheid extra informatie op, stelt Verlinde.
En die informatie trekt weer wél zijn sporen door het waarneembare heelal: door de zwaartekracht.
"I'm confused!"
Verlindes presentatie in Uppsala brengt een aantal vooraanstaande natuurkundigen van hun stuk. Ed Witten, godfather van de huidige snaartheorie, stamelt na afloop: "I'm confused! Ik weet echt niet wat ik hiermee aanmoet!"
Brian Greene, ook bekend als auteur van populair-wetenschappelijke boeken over de snaartheorie, noemt Verlindes ideeën 'radicaal'. "Als zijn ideeën waar blijken te zijn, dan betekent het een aardverschuiving die de fundamenten van natuurkunde raakt."
Want ja, de oerknal kan ook van tafel, als het aan Verlinde ligt. "Het ontstaan van ruimte en tijd uit niets, dat is toch onlogisch?" Voor hem draait alles om informatie. Informatie die er altijd al is geweest, en altijd zal blijven bestaan. Een klein deel ervan kunnen we zien, voelen en ruiken. Het grootste deel is verborgen. "Misschien zou je dat de oorsprong kunnen noemen, dat een deel van die informatie tastbaar is geworden."
Evergreens
Verlinde - "Ik ben nu aan zet" - beseft dat over de hele wereld reikhalzend wordt uitgekeken naar zijn volgende wetenschappelijke publicatie. Maar hij neemt de tijd, hij wil het zorgvuldig doen. Dat is zijn stijl. En heeft Einstein niet ook acht jaar aan zijn theorie gewerkt? "Ik schrijf liever evergreens dan eendagsliedjes. Dingen die mensen met jou als persoon associëren. Dat mensen over tien jaar nog weten wat je hebt gedaan."
2. Nieuwe theorie zwaartekracht biedt alternatief voor donkere materie
dinsdag 8 november 2016, allesoversterrenkunde.nl
Een nieuwe theorie van de zwaartekracht biedt mogelijk een alternatief voor donkere materie. Dat blijkt uit vandaag gepubliceerd onderzoek van hoogleraar Erik Verlinde van de Universiteit van Amsterdam, vermaard theoretisch natuurkundige en expert op het gebied van de snaartheorie.
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.
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.
Verlinde had in 2010 al laten zien dat de beroemde tweede wet van Newton (F=m x 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.
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 sterrenstelsels naadloos uit zijn berekeningen volgen. Verlinde laat daarmee voor het eerst zien dat zijn theorie aansluit bij de waarnemingen van astronomen.
3. Samenvatting uit het tijdschrift Kijk
Prof. dr. Erik Verlinde - Emergente zwaartekrachttheorie
Kijk 2/2017, blz. 55
Door Bruno van Wayenburg, wetenschapsjournalist
Het holografisch principe gaat ervan uit dat ieder volume in de ruimte kan worden beschreven door een hoeveelheid informatie, die past op het oppervlak van dat volume. Volgens de emergente zwaartekrachttheorie is die informatie echter ook de basis waaruit de ruimte zelf ontstaat, evenals de materie en de zwaartekracht.
Informatie bestaat uit losse elementen, die verbonden zijn door quantumverstrengeling. De quantumverstrengelingen vormen een soort draden, die samen een kosmische netwerk vormen: de gehele ruimte bestaat uit quantumverstrengelingsinformatie.
Die informatie bevindt zich niet alleen op het oppervlak van de genoemde bol, maar vormt ook het weefsel van de ruimte, van het heelal; daaruit kan de zwaartekracht, de gekromde ruimtetijd en zwarte gaten worden verklaard. Informatie is de basis waaruit de ruimte zelf ontstaat: het is het netwerk van quantumverstrengelingen. Het informatienetwerk dat de ruimte vormt, bevat ook energie.
Op bepaalde plaatsen is uit de lege ruimte materie ontstaan. De verstrengelingen in de ruimte zijn er uitgekristalliseerd (verdicht) tot elementaire deeltjes, atomen en moleculen: het bouwmateriaal voor gas, verdicht tot sterren en uiteindelijk tot planeten.
De quantuminformatie die nog in de lege ruimte zit, is op die kristallisatieplaatsen logischerwijs afgenomen en vormt een soort verdunning rond de tastbare materie. Om het effect daarvan te berekenen, kunnen formules om spanningen in uitkristalliserend staal te berekenen, worden gebruikt.
terug naar het antropisch principe
terug naar de woordenlijst A
terug naar het weblog
^