Het heelal werkt net even anders dan iedereen dacht

Verlinde’s theorie levert grofweg dezelfde resultaten op als de wetten van Newton en Einstein, maar biedt ook een verklaring voor de snel draaiende sterrenstelsels en het uitdijende heelal. beeld NASA
3

Jarenlang keken natuurkundigen ernaar uit: een theorie die verklaart hoe het komt dat slechts 5 procent van de materie in het heelal bekend zou zijn. Erik Verlinde, hoogleraar theoretische natuurkunde aan de Universiteit van Amsterdam, heeft eerder deze maand een grote kanshebber voor een oplossing gepubliceerd op de wetenschappelijke website arXiv.org.

Waar gaat het over? Volgens de hedendaagse wetenschap begon het heelal met een oerknal: iets met een oneindige temperatuur en dichtheid spatte 13,8 miljard jaar geleden uit elkaar. Terwijl de ruimte versneld uitdijde, vormden zich daarin in fracties van seconden plasma’s en elementaire deeltjes. In een proces waarin zowel materie als antimaterie zouden zijn ontstaan, kreeg de materie ten slotte de overhand.

De egaal door het heelal verspreide materie zou door zwaartekrachteffecten zijn gaan samenklonteren tot gaswolken, die zich verder ontwikkelden tot onder meer sterren en sterrenstelsels.

Er doet zich echter een belangrijk probleem voor: sterrenstelsels draaien soms wel vijftig keer sneller om hun middelpunt dan verwacht op grond van de algemene relativiteitstheorie van Einstein. De gangbare natuurkunde heeft hier geen verklaring voor. De zichtbare materie die zich in sterrenstelsels bevindt, levert te weinig zwaartekracht om de snelheid te verklaren waarmee deze stelsels om hun middelpunt bewegen.

De zwaartekrachttheorie van Newton en de algemene relativiteitstheorie van Einstein beschrijven hoe appels naar beneden vallen, planeten worden aangetrokken door hun ster en daardoor in beweging zijn; de waargenomen snelle draaiing van sterrenstelsels verklaren ze echter niet. Met een kunstgreep proberen astronomen dit al sinds 1933 op te lossen: er moet meer materie in het heelal aanwezig zijn. Het heelal zou dus voor een groot deel uit niet-waarneembare massa moeten bestaan, de zogeheten donkere materie – die geen licht geeft, maar wel dat beetje extra zwaartekracht in het heelal zou veroorzaken. De berekeningen kloppen dan in ieder geval weer.

Uitdijen

Ook zou het heelal versneld uitdijen. Astronomen baseren zich voor deze visie op de wet van Hubble en de algemene relativiteitswet van Einstein: sterrenstelsels gedragen zich alsof ze steeds harder van de aarde wegvluchten, terwijl de zwaartekracht dat juist zou moeten afremmen. De drijvende kracht achter deze versnelde uitdijing is onbekend. Het lijkt alsof er voortdurend extra energie aan het heelal wordt toegevoegd, maar de Wet van behoud van energie staat dit niet toe. Om de theorie kloppend te maken met de metingen en de berekeningen werd het begrip donkere energie geïntroduceerd.

De ‘lege’ ruimte van het heelal zou dus gevuld zijn met niet-waarneembare energie en materie. Sinds 2013 ziet het plaatje er zo uit: 5 procent van de energie-inhoud van het heelal bestaat uit zichtbare materie die zich bevindt in onder meer sterren, sterrenstelsels en gaswolken; 27 procent zou donkere materie zijn en 68 procent donkere energie. Wat dat voor spul is? Niemand die het weet.

Het is niet dat de natuurkundigen stilzitten. Tal van experimenten worden er op touw gezet om de aard van de donkere materie te achterhalen. Met ruimtetelescopen en hypergevoelige meetapparatuur proberen ze de mogelijke kandidaten te vangen. En de deeltjesversneller LHC van het CERN in Genève draait overuren om kanshebbers voor de donkere materie te maken, met voorlopig als belangrijkste uitkomst de ontdekking van het zogeheten Higgsdeeltje in 2012.

De vraag is echter nog steeds niet beantwoord: bestaat donkere materie uit elementaire deeltjes of is die misschien nog exotischer dan de natuurkundigen nu denken?

Hawking

Of bestaat donkere materie helemaal niet? Op dat spoor zit prof. Erik Verlinde (54) van de Universiteit van Amsterdam. Zijn theorie voorspelt dat de onbekende deeltjes niet bestaan; ze zijn niet nodig om de waargenomen zwaartekracht in het heelal te verklaren. Hij baseert zich op het werk van de Britse natuurkundige Stephen Hawking en de Amerikaanse natuurkundige Jacob Bekenstein. Daaruit volgde dat zwaartekracht bij zwarte gaten wordt veroorzaakt door een toename van de wanorde (entropie). Verlinde past die theorie toe op het hele heelal.

Hoe werkt zwaartekracht dan? Zwaartekracht ontstaat volgens Verlinde uit informatie die atomen of moleculen in het heelal met zich meedragen. Hiermee zoekt de hoogleraar de oplossing fundamenteel in een andere richting dan zijn voorgangers en collega’s.

En passant rekent hij ook af met de oerknaltheorie. „In het huidige verhaal is er niets en dat ontploft dan. Onlogischer kan het bijna niet. Er moet altijd iets geweest zijn. Dan kun je de vraag stellen: wat is de oorzaak dat het ontploft is?” aldus Verlinde in 2012 in Vrij Nederland. Hij ziet meer in een geleidelijk proces waarbij de dingen tevoorschijn zijn gekomen uit informatie.

Einstein stelde zich een eeuw geleden het heelal voor als een rubberen vel; de zwaartekracht maakte hij daarin zichtbaar als putten waarin golfballen van verschillende grootte en massa zijn gezakt. Verlinde noemde deze voorstelling in 2010 al achterhaald.

De Amsterdamse hoogleraar zoekt de oplossing in de kwantumfysica. In de klassieke natuurkunde is informatie een eigenschap van elk individueel deeltje. Maar voor zwaartekracht gaat die vlieger niet op.

In de kwantumnatuurkunde bezit niet elk deeltje afzonderlijk de zwaartekrachtinformatie, maar levert een verzameling deeltjes informatie op. Dit delen van de informatie door verschillende deeltjes heet verstrengeling. Meerdere deeltjes samen geven dus informatie over de zwaartekracht in het heelal.

Deze informatie wordt herschikt wanneer twee massa’s uit elkaar worden gehaald. Op plekken waar informatie is weggehaald, ontstaat lege ruimte. De zwaartekracht is dan het ‘verzet’ van het heelal tegen het verplaatsen van informatie. Deze reactiekracht komt overeen met de effecten die worden toegeschreven aan de mysterieuze donkere materie.

Simpel gezegd: wie een appel optilt, voelt de zwaartekracht een beetje tegenwerken. Die tegenwerking heeft volgens Verlinde te maken met de energie die je erin steekt om de informatie in het heelal te veranderen.

Verlindes theorie levert grofweg dezelfde resultaten op als de wetten van Newton en Einstein, maar biedt ook een verklaring voor de snel draaiende sterrenstelsels en het uitdijende heelal.

Prullenbak

Experimenten zullen het gelijk van de Amsterdamse hoogleraar moeten aantonen. Margot Brouwer, promovendus bij de Sterrewacht in Leiden, heeft de theorie al getoetst met de waarnemingen die zijn gedaan met de Very Large Telescope van het Europese Zuidelijke Observatorium (ESO) in Chili. „Het voert te ver om te zeggen dat donkere materie naar de prullenbak kan. Er zijn dingen die Verlindes theorie nog niet kan verklaren. Maar voor mijn metingen geldt: het klopt”, aldus Brouwer in het radioprogramma ”De kennis van nu” van nieuwszender NTR.

Astronoom Vincent Icke van Rijksuniversiteit Leiden heeft de vijftig bladzijden tellende publicatie van Verlinde al driemaal gelezen, liet hij vorige week weten aan magazine New Scientist. Echte voorspellingen kan Icke er nog niet in ontdekken. Ook mist hij een oplossing voor de kosmologische constante die 10exp118 (een 1 met 118 nullen) keer te groot is. Sommige problemen met donkere materie zijn nog niet doorgerekend met de theorie. „Zwaartekrachtlenzen en het ”Bullet Cluster” van twee botsende sterrenstelsels zijn nog niet door astronomen gecontroleerd. Maar ik heb het vermoeden dat dat wel zal kloppen.”

De speurders naar donkere materie gaan intussen ook gewoon door met hun onderzoek. Gianfranco Bertone, hoogleraar astrofysica aan de Universiteit van Amsterdam, ziet geen reden om die zoektocht te staken, gaf hij eerder dit jaar aan in de Volkskrant. „Eén donkeremateriedeeltje, en alles ligt weer open.”

----

Informatie heeft een zender

De nieuwe informatietheorie van Erik Verlinde, hoogleraar theoretische natuurkunde aan de Universiteit van Amsterdam, leidt in de natuurkunde tot nieuwe vergezichten over zwaartekracht in het heelal. Maar doet ook de vraag rijzen hoe de hoogleraar de informatie in het heelal ziet. Concreet, wat is de aard van informatie?

Een zwaartekracht die een resultante is van massa en energie, is met Einsteins bekende formule E=mc2 te herleiden tot materie. Informatie is echter geen materiële, maar een immateriële grootheid.

„Puur fysische processen zijn fundamenteel uitgesloten als bron van informatie”, verklaart Werner Gitt, emeritus hoogleraar informatiewetenschappen van het Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig, in zijn boek ”In the beginning was information” (2006). „Wat brengt ons ertoe een brief, een kaart, een felicitatiemail, een dagboek of artikel te schrijven? Een niet-materiële, doelbewuste wil, van onszelf of van bijvoorbeeld een leidinggevende.”

Informatie kan de materie wel beïnvloeden. Elektrische, mechanische of chemische dingen kunnen aangestuurd, gecontroleerd, gebruikt of geoptimaliseerd worden door middel van doelgerichte informatie, vervolgt Gitt.

„Alle technologische systemen en alle geconstrueerde objecten, van een simpele speld tot een hoogwaardig kunstwerk, zijn er gekomen door middel van informatie. Geen van deze voorwerpen ontstond door een vorm van zelforganisatie van de materie.”

De emeritus hoogleraar onderscheidt vijf niveaus van informatie: de eenvoudigste is een signaal, de meest verfijnde heeft een vooropgezette doel, zoals DNA. Toegepast op de nieuwe informatietheorie, zou het heelal informatie van niveau 1 (signalen) bevatten. Verlindes omschrijving van de kwantumbits voldoet in ieder geval aan de definitie van communicatiespecialist Claude Shannon: Elke volgorde van symbolen kan worden beschouwd als informatie, of die betekenisvol is of niet; de statistische informatie die eruit wordt afgeleid, kan worden gemeten in bits.

Fundamenteel is de opmerking van Gitt dat informatie een zender heeft en een ontvanger: de zender is een intelligent wezen en de ontvanger kan een intelligent wezen zijn, maar ook een systeem dat door een intelligent wezen is gemaakt. Zijn boodschap is duidelijk: als er informatie in het heelal aanwezig is, is die niet vanzelf ontstaan.