Vannacht om 2:00 verscheen op voorpublicatiesite Arxiv de langverwachte publicatie van theoretisch fysicus Erik Verlinde. Vandaag schrijven verschillende media er al uitgebreid over. Maar waarom werd nu zo reikhalzend naar deze publicatie uitgekeken? Lees hier waarom de publicatie van Verlinde zo’n ‘big deal’ is.
Het artikel van Verlinde kan in potentie een aardbeving veroorzaken in de huidige natuurkunde. Dat komt omdat hij, net als eerder Einstein, de theorieën van zijn voorgangers op losse schroeven zet. In het heelal dat Verlinde in zijn theorie beschrijft, zijn donkere materie en donkere energie volkomen begrepen, en zijn ruimte en tijd niet langer fundamenteel. Dit zijn de vijf belangrijkste conclusies, die ervoor zorgen dat Verlindes theorie een nieuwe paradigmaverschuiving in de fysica kan veroorzaken:
1. Zwaartekracht blijkt niet fundamenteel
Volgens Verlinde is zwaartekracht niets fundamenteels. Net zoals temperatuur, komt het voort uit het gedrag van iets anders. Bij temperatuur is dat ‘iets anders’ het gedrag van deeltjes. Staan die deeltjes harder te hossen, dan knallen ze harder tegen de zenuwen in onze huid en dat voelen we als warmte. Het ‘iets anders’ dat onder zwaartekracht schuilt, is volgens Verlinde informatie (zie punt 2).
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
Eigenlijk trok Verlinde deze conclusie al in 2010, in zijn vorige publicatie. Hij liet toen zien dat zwaartekracht de prijs is die je moet betalen wanneer je informatie heen en weer gaat schuiven. Informatie wil helemaal niet verplaatst worden, impliceerde hij, en daarom ‘kost’ het iets om dat toch te doen. Dat veroorzaakt de zwaartekracht.
Met dat inzicht leidde Verlinde in 2010 de zwaartekrachtswetten van Newton af. Anderen hebben in de afgelopen jaren uit hetzelfde principe ook de Einsteinvergelijkingen kunnen afleiden. Zijn nieuwe publicatie vervolmaakt die exercitie. In het artikel beschrijft Verlinde de zwaartekracht in termen van quantummechanische informatie, koppelt dat aan inzichten uit de snaartheorie en vertaalt die hele bubs naar een beschrijving die geldig is in het echte universum (zie punt 4).
2. Informatie is de belangrijkste bouwsteen van de werkelijkheid
Informatie, of eigenlijk: quantuminformatie, blijkt in de theorie van Verlinde de belangrijkste bouwsteen van de werkelijkheid. Informatie blijkt niet alleen onder zwaartekracht te schuilen, maar ook onder ruimte en tijd. Deze basisblokken van het kosmisch toneel waarop de ideeën van Einstein zich afspelen, zijn volgens Verlinde (en voorgangers zoals de Nederlandse Nobelprijswinnaar Gerard ‘t Hooft) niet het eindstation van de fysica. Je kunt nog een begripslaag dieper graven en dan kom je uit bij informatie.
Alles is in die visie in zekere zin gemaakt uit informatie. Toch bestaat er nog geen microscopische theorie die beschrijft hoe een verzameling bits (de nullen en enen waarmee wij informatie beschrijven) ‘weten’ dat ze ruimte en tijd moeten vormen. Net zo min snappen we hoe bits deeltjes of -pak ‘m beet – een mens maken. Het enige dat Verlinde en zijn voorgangers laten zien, is dat wanneer je gaat rekenen vanuit deze informatievisie, je een aantal fundamentele problemen kunt oplossen die fysici al jaren achtervolgen.
3. Donkere materie en donkere energie zijn niet langer onbegrepen
Donkere materie is een mysterieuze vorm van materie die fysici alleen indirect kunnen meten, aan de hand van hun zwaartekracht. Het bestaan van deze materie zou verklaren waarom sterrenstelsels sneller draaien dan mogelijk moet zijn. Eigenlijk zouden sterren vanwege die hoge snelheid uit hun stelsels moeten slingeren, maar ze worden tegengehouden door de ‘extra’ zwaartekracht van donkere materie.
Donkere energie verklaart op zijn beurt waarom het heelal versneld uitdijt. Eigenlijk zou je verwachten dat de uitdijing van het universum vertraagt, na de eerste zet die onze kosmos kreeg tijdens de oerknal. Dankzij zwaartekracht zou die expansie vanzelf steeds langzamer moeten gaan. Dat blijkt echter niet het geval. In plaats daarvan is er ‘iets’, verstopt in het basale weefsel van het universum, dat het universum continu een extra zetje geeft. Dat ‘iets’ is donkere energie.
Omdat Einstein bewees dat energie en massa twee kanten van dezelfde medaille zijn, bekijken kosmologen deze hele situatie het liefst in termen van energie. En wie het energiehuishoudboekje van de kosmos opstelt, komt al snel tot schokkende conclusies. Van alle energie in het universum blijkt namelijk slechts vijf procent de ons bekende materie. Alles dat we kennen bestaat uit massa en wie die overweldigende hoeveelheid bij elkaar optelt, heeft onder de streep pas vijf procent van de energie-inhoud van het universum te pakken. Verder bestaat 27 procent uit donkere materie. Het overige deel, een overweldigende 68 procent, is donkere energie.
We snappen er, kortom, niks van. Tot nu dan. Beide problemen hebben immers ook te maken met zwaartekracht. Donkere materie veroorzaakt ‘extra’ zwaartekracht, en donkere energie is een soort antizwaartekracht die het heelal uit elkaar duwt. Je kunt dus al aanvoelen dat Verlindes emergente zwaartekrachttheorie weleens een uitkomst zou kunnen bieden. Dat blijkt ook het geval. Verlindes beschrijving van de kosmos in termen van informatie zorgt voor een logische verklaring voor deze twee grootheden. Dat gebeurt dankzij een update van het holografisch principe van zijn leermeester Gerard ‘t Hooft.
4. Verlinde vertaalt het holografisch principe naar het echte universum
Het holografisch principe is misschien wel het lastigste principe uit de moderne theoretische fysica.Wij leven volgens sommige natuurkundigen in een hologram, een illusie. Volgens hen zit alle informatie van het universum gevangen op een schil om de kosmos heen. Die schil zit op de grootst mogelijke afstand die denkbaar is, de denkbeeldige rand om het universum. Met andere woorden: de wereld om ons heen is niet echt, maar is het gevolg van een bizar spel van enen en nullen op een oppervlak dat miljarden lichtjaren van ons verwijderd is.
Bij een hologram zit alle informatie ook gevangen op een tweedimensionaal oppervlak, al is die informatie wel een beetje verstrooid. Door naar dat oppervlak te kijken zie je niets dat duidt op hoe het hologram eruit gaat zien. Maar als je weet hoe het hologram werkt, en je schijnt er op de juiste manier met een licht op, dan ontstaat vanzelf een prachtig driedimensionaal beeld. Net zo gaat het met de kosmos, bedacht Gerard ‘t Hooft. Later vertaalden de fysici Leonard Susskind en (nog wat later) Juan Maldacena dat idee naar de wiskundige taal van de snaartheorie.
Daarbij bleef wel één probleem over. De snaartheorie beschrijft niet de echte kosmos, maar een universum waarmee je iets makkelijker kunt rekenen. Eentje dat niet versneld uitdijt. Verlinde heeft het holografisch principe daarom nu vertaald naar de echte kosmos en komt daarbij tot een nieuwe conclusie. Hij stelt dat informatie helemaal niet uitsluitend gevangen zit op een tweedimensionale schil. De informatie zit in het ware heelal volgens hem ook in het driedimensionale binnenste.
Dat idee kun je volgens Verlinde zelfs testen. Wie het traditionele holografisch principe toepast op de beschrijving van de kosmos vindt de wetten van Einstein terug. Ga je echter uit van een universum waarin informatie wél deels driedimensionaal is, dan vind je wetten die er net ietsjes anders uit zien. Voor kleine stukjes ruimte blijkt volgens Verlinde de invloed van de informatie op de tweedimensionale schil om dat stukje ruimte dominant. Je krijgt dan uitkomsten die overeenkomen met die van het holografisch principe en de wetten van Einstein. Maar wanneer je naar grotere gebieden gaat kijken, met steeds grotere volumes, gaat de bijdrage van de informatie in het driedimensionale binnenste een steeds belangrijkere rol spelen. Dat zorgt voor subtiele aanpassingen op de wetten van Einstein. Die aanpassingen blijken vervolgens zowel het bestaan van donkere materie te verklaren als van donkere energie.
5. Verlindes ideeën vormen een mogelijke opstap naar de ‘theorie van alles’
Het belangrijkste probleem in de huidige fysica is dat de algemene relativiteitstheorie van Einstein niet wil samenwerken met de quantummechanica. De oorzaak is opnieuw die vermaledijde zwaartekracht. De algemene relativiteitstheorie beschrijft de zwaartekracht aan de hand van het gedrag van ruimte en tijd. Maar de quantummechanica kan de zwaartekracht met geen mogelijkheid in formules vangen. De kracht blijkt simpelweg niet te passen in de microwereld van deeltjes die de theorie beschrijft.
De nieuwe theorie van Verlinde beschrijft zwaartekracht, ruimte en tijd nu als emergent, als het spel van quantuminformatie op een dieper, nog onbegrepen kosmisch toneel. Dat opent de deur naar een nieuwe natuurkundige beschrijving van de werkelijkheid. Een beschrijving die zowel de relativiteitstheorie als de quantummechanica zou kunnen vervangen. Als dat lukt, zal Verlinde dan ook de geschiedenisboeken ingaan als de nieuwe Einstein.
Tot slot: Benieuwd geworden naar de publicatie van Verlinde? Hier kunt u hem downloaden. Hou bovendien deze site vandaag scherp in de gaten. In de loop van de dag leest u hier de eerste reacties uit de wetenschappelijke wereld.
Altijd op de hoogte blijven van het laatste wetenschapsnieuws? Meld je nu aan voor de New Scientist nieuwsbrief.
Lees verder:
- ‘Deze revolutie is groter dan die van relativiteit en quantummechanica bij elkaar’
- Vooruitblik: nieuwe theorie ontmaskert 95 procent van het heelal
- Is de oerknal een illusie?
- ‘De oerknal is onlogisch’
- Ligo vindt mogelijk donkere materie gemaakt van zwarte gaten
- Flits van donkere materie? Of toch overleden sterren?