Welke invloed heeft de overwinning van Trump op de nieuwe zwaartekrachttheorie?

Geen, natuurlijk! Maar hoe moet ik anders mensen laten klikken op een uitleg van mogelijk revolutionaire hardcore natuurkunde?

Erik Verlinde, natuurkundige aan de Universiteit van Amsterdam, publiceerde gisteren een paper op de pre-printserver Arxiv waarvan hij zelf zegt dat het een revolutie is die groter is dan "die van relativiteit en quantummechanica bij elkaar." Sick. Maar wat zegt Verlinde dan? Sta me toe een poging te doen tot een uitleg. Slechter dan de NOS kan ik het toch niet doen.

Eerst even de basics. Er is een probleem! Het probleem is dat er volgens metingen veel meer massa en materie in ons universum zouden moeten zijn dan we nu waarnemen met onze ogen, telescopen en satellieten. En niet zo'n beetje ook. 95 procent van ons universum zou moeten bestaan uit massa die we niet kunnen zien en energie die we niet kunnen meten. We weten niet wat het is, waar het uit bestaat, of hoe we het ooit kunnen meten, maar het is nodig om dingen te verklaren die we zien gebeuren in het universum.

Je zou denken dat dit de mogelijkheid geeft om echt fucking coole namen te bedenken voor die dingen, iets als 'ROKNAR, de onmeetbare voortstuwer der heelalexpansie' of 'FRIEPZAK, de écht geheimzinnige massa', maar helaas hebben astronomen gekozen voor de volstrekt fantasieloze namen donkere materie en donkere energie. Saai.

Er is nog een probleem, naast het gebrek aan avontuurlijke namen: zwaartekracht werkt niet op hele kleine schaal. Als je ver genoeg inzoomt op materie, tot op schaal die veel kleiner is dan atomen, dan houden de regels van zwaartekracht op een gegeven moment gewoon op met werken. Dat is voor ons praktische leven prima, we merken er niks van, maar voor natuurkundigen die willen begrijpen hoe het universum op kleine en grote schaal werkt, liefst allemaal gevangen in een en dezelfde theorie, is het een enorm probleem.

Verlinde, die zich specialiseerde in snaartheorie onder Nobelprijswinnaar Gerard 't Hooft, is een van die natuurkundigen die willen begrijpen hoe het universum op grote en kleine schaal werkt, en ontevreden zijn met de manier waarop dat nu wordt beschreven. Enter zijn paper 'Emergent Gravity and the Dark Universe'. In deze paper, die overigens nog niet in een tijdschrift gepubliceerd is en nog geen peer review heeft gehad, lost hij beide bovenstaande problemen op.

Maar hoe?

Ik ga het zo simpel mogelijk proberen uit te leggen. Het is namelijk leuk als je aankomend weekend kan pochen met deze kennis: "Hey schatje, ik voel me tot je aangetrokken, maar ik weet niet of het komt omdat je zo lekker bent, of door de emergente zwaartekracht die volgt uit de entropische druk door het holografische informatievlak in de ruimtetijd tussen ons in" – dat werk.

Er bestaat zoiets als het holografisch principe, dat – zeer kort door de bocht – stelt dat alle informatie over alles in het universum gerepresenteerd kan worden in bits op een twee dimensionale schil rond het hele universum. Beetje hetzelfde idee als zo'n hologram die je in smartshops kan kopen, waar je een driedimensionaal beeld kan zien op een tweedimensionaal vlak. Maar dan voor het hele universum.

De theorie van Verlinde gaat nog een stapje verder. Die gaat ook uit van informatie (of bits) als fundamentele bouwblokken om het universum te beschrijven, maar die informatie wordt niet alleen op de 'schil' van het universum gerepresenteerd, maar ook in de ruimte binnen het universum zelf. En hieruit volgt dat donkere materie niet bestaat!

Dit gaat misschien wat hard, sorry. Stapje terug.

De problemen die hierboven beschreven worden, hebben allemaal te maken met zwaartekracht – alleen de bestaande theorieën van Newton en Einstein die de zwaartekracht beschrijven, werken niet mee. Het zou dus logisch zijn om die theorieën eventjes los te laten en te kijken naar hoe je al die fenomenen zou kunnen beschrijven zonder gebruik te maken van het bestaande. Dat is een enorme stap, omdat je in feite een prima werkende landkaart weggooit om vervolgens zelf te bedenken hoe je ruimte anders zou kunnen interpreteren en weergeven. En dat is precies wat Verlinde doet – hij kijkt vanaf 0 naar het heelal en alles wat erin zit en probeert dat te beschrijven op een fundamentelere manier.

Verlinde start door alles in het heelal te vertalen naar informatie, oftewel bits. Zeg maar de papieren landkaart helemaal links laten liggen en een andere manier verzinnen om dezelfde informatie anders op te schrijven, namelijk in 1'en en 0'en op een vlak. Je kan dus de eigenschappen van een heel klein stukje materie beschrijven met een eindig aantal bits: in 1'en en 0'en.

Uit experimenten weten we verder dat materie op de allerkleinste schaal op een afstand met elkaar verbonden kan zijn, een fenomeen dat verstrengeling heet. Deze verstrengeling gebeurt constant en overal en is niet lokaal: een deeltje hier op Aarde zou prima verstrengeld kunnen zijn met een deeltje op de Maan, of zelfs een sterrenstelsel verderop. Die deeltjes delen dus dezelfde informatie over afstand. Heel cru: als het deeltje hier op Aarde naar boven wijst, doet die op de Maan dat ook. En als je die op Aarde naar beneden laat wijzen, volgt die op Maan ogenblikkelijk. Het is in feite hetzelfde deeltje, maar dan op verschillende plekken. Kwantummechanica fockt zo met je.

Als je die twee dingen bij elkaar optelt, krijg je dat informatie die materie beschrijft door het hele heelal met elkaar verbonden is. Een deeltje hier met een deeltje op Alpha Centauri, een deeltje in de zon met eentje in je hoofd, etc voor het hele universum. Dat delen van informatie zou je zelfs kunnen zien als de lijm die ervoor zorgt dat we ruimte als ruimte ervaren – het zorgt ervoor dat er geen plekken zijn waar ineens 'geen' ruimte is.

Tegelijkertijd zorgt die lijm ervoor dat delen van de ruimte die informatie met elkaar delen, tot elkaar worden aangetrokken: oftewel, wat wij zwaartekracht noemen. De bits die het heelal beschrijven, proberen zich op een bepaalde manier te ordenen, en die ordening bepaalt weer het gedrag van materie. De theorie van Verlinde beschrijft hoe hard materie tot elkaar getrokken wordt in relatie tot de hoeveelheid gedeelde informatie – in tegenstelling tot de wetten van Einstein, die zwaartekracht beschrijven als het gevolg van vervorming van ruimtetijd.

Hoe meer informatie er gedeeld wordt tussen twee stukken ruimte, hoe harder twee stukken ruimte elkaar aantrekken. Op kleine schaal is er dus niet zo veel aan de hand, want er wordt weinig informatie met direct omliggende gebieden gedeeld. Maar als je richting grotere schaal gaat, de schaal van planeten, sterren of sterrenstelsels, begint die kracht steeds harder te trekken. Zwaartekracht 'ontstaat' dus als gevolg van hoe informatie zich op kleine schaal gedraagt – of in hippe natuurkundige termen: zwaartekracht is een emergente kracht.

Om zijn theorie te checken, paste Verlinde deze toe op een van de mysteries in het universum die tot nu toe werd verklaard door middel van de mysterieuze donkere materie. Het ding was namelijk dat sterren aan de buitenkant van draaiende sterrenstelsels veel te hard leken te gaan. Ze zouden daardoor eigenlijk 'uit de bocht' moeten vliegen, tenzij er extra materie in het sterrenstelsel aanwezig was die harder aan die buitenste trok. Die materie konden we echter niet zien, en dus werd het bestaan van donkere materie in het leven geroepen.

Bij de emergente zwaartekrachttheorie van Verlinde is die donkere materie niet meer nodig, omdat de manier waarop zwaartekracht volgt uit gedeelde informatie sterk genoeg aan die buitenste sterren trekt om ze binnen boord te houden.

Dit 'bewijs' is veelbelovend, maar voordat we natuurkundeboeken moeten herschrijven moet er nog een hoop gebeuren. Ten eerste staat het paper van Verlinde pas net online en moet deze door collega's gecheckt worden. Als de theorie deze peer review doorstaat, zal deze gepubliceerd worden in een journal. Verder is Verlinde zelf heel eerlijk dat de theorie nog lang niet 'af' is. Er wordt nog geen rekening gehouden met dynamische systemen, waardoor iets als de kosmische achtergrondstraling nog niet verklaard kan worden. Zelfs als alles blijkt te kloppen, moet er dus nog een hoop gebeuren voordat de theorie al dan niet opgenomen kan worden in ons begrip van het universum.

En natuurlijk zou de theorie ook nog ongedaan gemaakt kunnen worden als we opeens wél donkere materie vinden.

Hoe dan ook, is het wel prachtig om te bedenken dat er nog altijd ruimte bestaat voor het bedenken van een model dat ons begrip van alles om ons heen zo op zijn kop kan zetten. Maar het allerfijnste is misschien nog wel dat we als mensen nu even rust en afleiding kunnen vinden van alle droefheid op de wereld door ons te verwonderen over een prachtig logische manier waarop de kosmos in elkaar zou kunnen zitten. Oh en veel plezier met die openingszin.