De zaak tegen donkere materie

Sommige natuurkundigen accepteren het nog steeds niet.

(Krediet: rost9 / Shutterstock)

De algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein is iets meer dan 100 jaar oud en heeft tot dusver de interactie tussen hemellichamen en het ruimte-tijdveld zeer goed voorspeld. Er zijn echter een paar lastige plekken waarop de algemene relativiteitstheorie niet overeenkomt met de kwantummechanica. Deze hiaten hebben onderzoekers decennia lang in verwarring gebracht en hebben een handvol hypothesen voortgebracht die proberen de dissonantie te verklaren.

Donkere materie en donkere energie zijn de gangbare vervangende antwoorden voor dit probleem, maar het zijn tot nu toe slechts vervangende antwoorden. En er zijn enkele natuurkundigen die deze verklaringen niet onderschrijven. Erik Verlinde, hoogleraar bètawiskunde en informatica aan de Universiteit van Amsterdam, is een van hen. Hij ontwikkelt een theorie die een andere blik werpt op de mechanica van de zwaartekracht, en het lijkt een zenuw geraakt te hebben in de wereld van de fysica.

Erik Verlinde, Theoretical Physicist at Amsterdam. (Credit: Wikimedia Commons)

‘Opkomende zwaartekracht’, zoals Verlinde het noemt, is het idee dat zwaartekracht geen fundamenteel bestuur van ons universum is, maar een reactie op de samenstelling van een bepaalde omgeving. In plaats van de zwaartekracht als een fundamentele kracht te beschouwen, iets dat ‘gewoon is’, is het mogelijk dat de zwaartekracht eigenlijk het resultaat is van de posities van kwantumlichamen, vergelijkbaar met de manier waarop temperatuur wordt afgeleid uit de bewegingen van individuele deeltjes?

“Einsteins theorie kan worden gezien als afgeleid van een meer microscopisch beeld”, zegt Verlinde. “Wat we vooral hebben geleerd over zwarte gaten, is dat de theorie van Einstein meer leek op de wetten van de thermodynamica, en de wetten van de thermodynamica die we kennen, kunnen worden afgeleid door na te denken over de microscopisch kleine bestanddelen die materie beschrijven.”

Verlinde richt zich op kwantuminteracties om de dissonantie tussen de algemene relativiteitstheorie en kwantumtheorieën te verklaren. Zijn theorie heeft nog een lange weg te gaan voordat hij voltooid is, maar tot nu toe heeft ze goed standgehouden en een aantal sterke argumenten aangevoerd, vooral tegen het idee van donkere materie.

Het Galaxy Rotation-probleem

Natuurkundigen zijn zich pijnlijk bewust van het feit dat spiraalstelsels sneller draaien dan ze zouden moeten zijn, gezien de hoeveelheid materie – en dus de zwaartekracht – die ze bevatten. Met de snelheid waarmee sommigen van hen ronddraaien, zegt de huidige theorie dat de sterren, planeten, stof en andere materie de ruimte in moeten worden geslingerd. Omdat ze dat niet zijn, hebben natuurkundigen de hypothese dat “donkere materie” die we niet kunnen zien of anderszins detecteren, de extra zwaartekracht veroorzaakt, waardoor deze sterrenstelsels bij elkaar blijven. Deze materie zou ongeveer 25 procent van het heelal uitmaken, maar Verlinde gelooft dat er een ander antwoord kan zijn dat de afwijkingen tussen de verwachte en waargenomen rotatiekrommen kan verklaren. ”Wat wordt waargenomen is dat de afwijkingen die we zien in de rotatiekrommen van sterrenstelsels, die zojuist zijn afgeleid door te kijken naar de materie die we zien,

Die specifieke versnelling speelt toevallig een belangrijke rol in de relatie tussen de afstand van een melkwegstelsel en de snelheid waarmee het zich van het onze verwijdert, die wordt beheerst door de uitdijing van het universum, bekend als de wet van Hubble. Een paper uit 2017 van Alexandre Chaloum Elbeze in de  Journal of Modern Physics  schetst hoe de expansiesnelheid van het universum, of H0, is gekoppeld via een nieuwe parameter, die hij E0 noemt, is gekoppeld aan de rotatiecurven van sterrenstelsels gemeten door astronomen.

De rotatiecurve van het sterrenstelsel M33 toont de rotatiesnelheid van het sterrenstelsel als functie van de afstand tot het centrum. De gemeten waarden wijken duidelijk af van de verwachte curve, als de enige materie in de melkweg de zichtbare materie in de schijf was. Astronomen hebben dus lang geponeerd dat extra materiaal, donkere materie genaamd, verantwoordelijk is voor de curve. (Krediet: Wikimedia Commons)

“Dat feit geeft aan dat het iets te maken heeft met de Hubble-expansie [van het universum], die momenteel te wijten is aan de aanwezigheid van donkere energie”, zegt hij.

De Hubble-constante beschrijft de waargenomen versnellende uitdijing van het universum. Deze versnelling is onverklaarbaar, maar wordt toegeschreven aan “donkere energie”, waarvan Verlinde zegt dat het kan worden gebruikt om het idee van donkere materie weg te redeneren.

“Donkere energie is een vrij belangrijk onderdeel van mijn theorie”, zegt Verlinde. “Ik doe niet alles weg wat ‘donkere’ wordt genoemd, ik leg gewoon uit wat we nu ‘donkere materie’ noemen door na te denken over wat de invloed van donkere energie zou zijn, en dat [donkere energie] geeft eigenlijk hetzelfde effect.”

Opgemerkt moet worden dat Verlinde het probleem met donkere materie aanpakt vanuit een specifiek oogpunt als snaartheoreticus en eraan werkt om het in dat perspectief te passen. Mark van Raamsdonk, hoogleraar natuurkunde aan de University of British Columbia, zegt dat deze methode met de nodige voorzichtigheid moet worden benaderd.

“Deze mogelijkheid is intrigerend, maar voor zover ik weet, is het niet gebaseerd op een nauwkeurig model dat wiskundig consistent is”, zegt Van Raamsdonk. “Hij gebruikt eerder zijn intuïtie om een ​​reeks ideeën samen te stellen en een verhaal te geven over hoe dingen zouden kunnen werken. Hij is een zeer ervaren natuurkundige, dus ik denk dat zijn intuïtie de moeite waard is om aandacht aan te besteden. “

Vroeger

Tot dusver zijn de ideeën waar Verlinde vol vertrouwen achter staat, wiskundig en observationeel bewezen – althans wat de rotatiecurven van sterrenstelsels betreft. Het echte project zal een theorie bouwen die meer beschrijft dan de rotatie van sterrenstelsels. Sabine Hossenfelder, een research fellow aan het Frankfurt Institute for Advanced Studies, zegt dat het beschrijven van de evolutie van het vroege universum een ​​grote uitdaging zal zijn.

Momenteel voorspellen theorieën die donkere materie van deeltjes bevatten de waargenomen temperatuurvariaties in de kosmische microgolfachtergrond correct. “Helaas laat Verlinde’s opkomende zwaartekrachtmodel niet de nodige analyse toe [om de geldigheid ervan te bewijzen] – althans nog niet”, schreef ze in een  Forbes-  artikel.

Verlinde is zich bewust van de tekortkomingen van de jonge theorie, maar vertrouwt erop dat hij ze in de toekomst kan aanpakken.

“Ik concentreerde me voornamelijk op het proberen deze rotatiecurves te verklaren, maar donkere materie is in veel andere delen van het proberen om het vroege universum te begrijpen gebruikt”, zegt Verlinde. “Ik moet een verklaring ontwikkelen voor het ontstaan ​​van sterrenstelsels, maar ook voor deze fluctuaties in wat we zien in de kosmische microgolfachtergrond. Als ik de evolutie van het universum wil beschrijven, moet ik veel meer berekenen wat er op langere tijdschalen gebeurt. Dat is de volgende stap voor mij. “

Ondersteuning zoeken

Dit idee over de hele wereld verspreiden was een hele opgave voor Verlinde. Gezien het feit dat het idee zo sterk indruist tegen het populaire geloof, heeft hij zelfs onder zijn eigen teamgenoten slechts een handvol bondgenoten.

“Ik moet mijn ideeën aan verschillende doelgroepen verkopen, niet alleen aan kosmologen en mensen die op andere manieren met donkere materie te maken hebben, maar ook aan mijn collega’s op het gebied van snaartheorie”, zegt hij. “Ik denk dat mensen langzaamaan de voordelen van de logica van mijn redenering beginnen in te zien.”

“Er is nog veel werk aan de winkel, maar ik denk dat dit een betere theorie is dan aan te nemen dat er donkere materie is. Want als donkere materie zoveel vormen heeft waarin mensen zich kunnen voorstellen dat het er is, en er is een dierentuin van die theorieën en niemand weet echt welke het is, dan zijn die misschien allemaal verkeerd. “

Ongeacht hoe Verlinde’s theorie het in het algemeen vergaat bij het nastreven van begrip, het resultaat biedt een aantal opwindende vooruitzichten.

“Het is in ieder geval erg spannend om de implicaties van deze nieuwe verbindingen tussen zwaartekracht en [kwantum] verstrengeling te begrijpen, en velen van ons werken er hard aan om te zien waar dit toe zal leiden”, zegt Van Raamsdonk. “Zelfs als Verlinde’s specifieke verklaring voor donkere materie niet correct blijkt te zijn, leren we al nieuwe dingen over zwaartekracht en zwarte gaten, en ik ben optimistisch dat we iets spannends zullen leren over kosmologie, donkere energie of de Grote Bang. “


Dit artikel is oorspronkelijk verschenen op Astronomy.com .

Geef een reactie