Je moet van goeden huize komen om aan Einstein te tornen

Natuurkunde

Honderd jaar na Einstein is er dringend behoefte aan nieuwe ideeën over de zwaartekracht en het heelal. Het spectaculaire idee van de Nederlandse snaarfysicus Erik Verlinde ontmoet naast welwillendheid ook veel scepsis.

het Bullet-Cluster, waarin twee groepen van sterrenstelsels op elkaar botsen, 3,4 miljard lichtjaar van de aarde. De paarse wolk (in röntgenlicht gefotografeerd) is super heet gas. Uit de relatie tussen sterrenstelsels en het gas kan het bestaan van ‘donkere materie’ worden afgeleid. foto Hubble Space Telescope/NASA/ESA

Dit jaar werd Einsteins algemene relativiteitstheorie 101 jaar. We gebruiken hem dagelijks: de theorie is onontbeerlijk om met gps-satellieten onze precieze plek op de weg of in de stad te berekenen. Hij verklaart ook waarom klokken in het hooggebergte een tikkeltje langzamer lopen dan in de lage landen. En hij beschrijft hoe planeten rond de zon scheren; hoe lichtstralen slingerwegen door sterrenstelsels afleggen; hoe sterren om elkaar heen dansen in sterrenstelsels en hoe sterrenstelsels samenscholen in clusters. Alleen: hij is over de houdbaarheidsdatum, zegt Erik Verlinde – vooraanstaand snaarfysicus, Spinozaprijswinnaar en hoogleraar theoretische natuurkunde aan de Universiteit van Amsterdam. Krasser: Einsteins theorie zou kosmologen en fysici op een dwaalspoor hebben gebracht en ze de duisternis van donkere materie en donkere energie in geleid.

De ruimtetijd van Einstein

Maar eerst Einstein en zijn elegante theorie die zwaartekracht niet langer als een klassieke kracht beschrijft. Einsteins grote voorganger Newton, die de zwaartekrachtsformule ruim tweehonderd jaar eerder had opgeschreven, vond het zelf trouwens ook al een ‘absurde’ gedachte dat een kracht dwars door het vacuüm en instantaan de sterren en planeten in het gareel kon houden. Newtons zwaartekrachtformule beschreef prachtig hoe voorwerpen van torens vallen, appels van bomen en hoe de maan rond de aarde draait, maar had waarschijnlijk niet het laatste woord, zei de bedenker zelf.

Einstein gaf een verfijndere verklaring voor allerlei zwaartekrachtsfenomenen. Ruimte en tijd vormen een hecht vierdimensionaal weefsel waarin massa’s zoals planeten en sterren deuken slaan, stelde hij. Massa laat het ruimtetijdtapijt welven. Iets dat in ons driedimensionale brein nog het beste is voor te stellen alsof er knikkers (planeten) en bowlingballen (zware sterren) op gespannen latex worden gelegd. De kuilen geven de kromming van de ruimtetijd weer en van een toren vallen of in een ruimtestation rond de aarde scheren is als het glijden langs de helling van zo’n kuil. Zelfs licht dat langs een zwaar object reist, moet de welvingen van de ruimtetijd volgen.

Het mooie was dat Einstein zijn ideeën niet alleen een robuust wiskundig fundament gaf, maar ook precieze voorspellingen deed, zoals hoe sterk het licht van verre sterren rond de zon zou buigen. En toen een wetenschappelijke expeditie in 1919 die voorspelling tijdens een zonsverduistering bevestigde, werd de verstrooide professor met de warrige haardos een held. Met sterke oneliners veroverde hij het grote publiek, terwijl zijn wetenschappelijke status groeide met elke waarneming die wéér een andere bizarre voorspelling van zijn theorie bevestigde.

De quantuminformatie van Verlinde

Je moet dus van goeden huize komen wil je aan Einsteins theorie tornen, zoals Verlinde nu doet. Verlinde denkt dat er een betere zwaartekrachtstheorie te bedenken is: één die begint op de schalen van het allerkleinste en die deze microscopische wereld dan beschrijft in termen van informatie. En met die laatste keuze treedt Verlinde in de voetsporen van de Israëlisch-Amerikaanse fysicus Jacob Bekenstein die deze weg al in de jaren 70 insloeg en zo onder anderen de Nederlandse Nobelprijswinnaar Gerard ’t Hooft en de snaarfysicus Juan Maldacena tot nieuw werk inspireerde.

Bekijk hier een filmpje over de theorie van Verlinde

Dat wil niet zeggen dat Verlinde op het fundament van zulk eerder werk een rigoureus wiskundig bouwwerk heeft opgetrokken, een echte nieuwe theorie. In het artikel Emergent gravity and the dark universe dat hij twee weken geleden op internet plaatste, beschrijft hij recente inzichten uit de quantum-informatietheorie; plukt hij uit snaartheorie, uit werk aan quantumcomputers; vergelijkt hij het universum met glas; laat hij materie opduiken uit een bad van donkere energie en wisselt hij beschrijvingen van het universum af met wiskundige speelgoed-kosmossen zoals Anti-de-Sitterruimtes. Verlinde besluit daarna zijn lange schets van een mogelijk scenario voor de zwaartekracht met een formule die de – in zijn ogen heilloze – donkere materie overbodig zou maken (onder specifieke omstandigheden). Een nieuwe Einstein is opgestaan, constateerde het tv-programma DWDD.

Scepsis in het buitenland

Maar wat vinden collega-fysici? „Ik heb een paar dagen geleden een blik op Erik’s paper geworpen, nadat een opgewonden collega (een experimenteel fysicus) me erop attendeerde”, bericht Frank Wilczek. Hij is Nobelprijswinnaar en werkt als theoretische fysicus aan het MIT in de Verenigde Staten. Wilczek heeft het artikel weer weggelegd toen bleek hoeveel tijd het zou kosten de details te doorgronden, vervolgt hij. En hij zal het pas weer oppakken „als – en alleen als - het steun krijgt van ten minste één andere theoretisch fysicus op wiens wijsheid ik vertrouw.” Ofwel: „Ik ben erg sceptisch.”

Verlinde laat materie opduiken uit een bad van donkere energie

Lawrence Krauss, eminent Amerikaans fysicus, kosmoloog en wetenschapspopularisator, heeft het stuk zelfs niet in gekeken. Hij was al kritisch bij het eerste artikel van Verlinde over deze onderwerpen en ergerde zich bovendien aan alle media-aandacht: „Ik heb het nieuwe paper niet gelezen, maar ik las het oorspronkelijke werk [dat kreeg destijds in 2010 ook veel media-aandacht, red.] waarop het voortborduurt, en ik zou dit geen nieuwe theorie van de zwaartekracht noemen. Ik zie verder niet hoe het werk de kosmologische gegevens [zoals over donkere materie, red.] kan verklaren …In mijn opinie was dit werk niet klaar voor prime time…” Het klinkt zacht gezegd zuinig.

Het donkere spul

Misschien valt zulke scepsis te verwachten. Achteraf is het makkelijk om een sluitend verhaal over het ontstaan van nieuw gedachtegoed te vertellen. Maar in werkelijkheid komen ideeën tot wasdom tijdens een grillig proces met dwaalpaden, kronkelpaden en oponthoud. Na bijstellen, aanscherpen en na veel discussie én kritiek.

Bovendien stelt Verlinde niet zomaar een theorietje ter discussie. Vooral voor de kosmos was Einsteins theorie óók als ‘een doos van Pandora’, zoals de eminente theoretisch fysicus Carlo Rovelli het in zijn laatste boek noemde. Die ene elegante formule waarin Einstein zijn idee samenvatte, toverde een woud aan wonderlijke fenomenen tevoorschijn: zwarte gaten, een uitdijend heelal, ja, zelfs de Oerknal werd door deze theorie voortgebracht. En met steeds krachtiger telescopen en ruimtecamera’s moesten astronomen en kosmologen Einstein keer op keer gelijk geven.

Dat inzicht werd in de loop der tijd wel gerelativeerd door nieuwe, onbegrepen fenomenen. De Amerikaanse astronoom Vera Rubin bevestigde bijvoorbeeld in de jaren zeventig en tachtig de al oudere gedachte dat er heel veel onzichtbare, ‘donkere’ materie zit in roterende sterrenstelsels. Aan de rand van die draaischijven vol stralende sterren, planeten en gassen, bewegen sterren véél sneller dan alleen zichtbare materie kan bewerkstelligen, zo liet zij overtuigend zien. En sindsdien liet die ‘donkere materie’ – of het ‘donkere spul’ zoals de Leidse astrofysicus Vincent Icke het liever noemt – ook in andere metingen en op andere plekken in de kosmos zijn sporen na. Icke: „Het aandeel donkere materie loopt op van vrijwel niets op kleine schaal (het zonnestelsel), via 50 procent in sterrenstelsels tot bijna 96 procent in het heelal.”

Tel daarbij op dat aan het einde van de vorige eeuw de ruimte doortrokken bleek van een onbekende energievorm die de uitdijing van de kosmos versnelt, en de kosmische boekhouding slaat op hol. De zichtbare materie – die wij zien en denken te begrijpen en waaruit wij zelf bestaan – beslaat op de eindbalans krap 5 procent van het grote geheel. De rest is donkere materie (iets raadselachtigs dat zwaartekrachts-effecten produceert) en donkere energie (iets geheimzinnigs dat de versnelde uitdijing van het heelal aandrijft). En die gekkigheid draait Verlinde dus om: niet het heelal is duister, maar ons begrip van de zwaartekracht. Als we er 95 procent van het heelal mee kwijtraken, dan kloppen die zwaartekrachtsformules niet.

Quantum-bezwaren tegen Einstein

Bezwaren tegen de relativiteitstheorie waren er ook al uit andere hoek. Want Einsteins theorie laat zich niet rijmen met de quantummechanica die aantoont dat de wereld op de kleinste schalen juist korrelig is, en onvoorspelbaar. Wat betekent dat inzicht voor de relativiteitstheorie? Is het gladde latex van Einsteins ruimtetijd, dat continuüm zonder onderbrekingen, op de kleinste schalen misschien toch korrelig? Vormen tijd en ruimte dan geen statisch decor waartegen de bewegingen van de sterren zich afspelen, zoals Newton dacht, en zelfs geen dynamisch decor, zoals bij Einstein? Is die gladde ruimtetijd in plaats daarvan ‘emergent’, een illusie, net zoals het gladde oppervlak van een kalme zee verhult dat er in werkelijkheid ontelbaar veel watermoleculen rondwarrelen?

Verlinde is niet de enige die zich hierover het hoofd breekt. Quantumloop-fysici zoals Lee Smolin en Carlo Rovelli spelen met het idee dat elk korreltje ruimtetijd zijn eigen tijd en ruimte heeft en dat al die korreltjes door elkaar krioelen. Tijd en ruimte zoals wij die ervaren, komen dan pas tevoorschijn in een samenspel met materie- en lichtdeeltjes dat samenhang tussen die korreltjes geeft. Andere fysici zoeken een oplossing in snaren en branen – minuscule topologische constructies in meer dimensies die aan de kosmos ten grondslag zouden liggen. Edward Witten in Princeton is één van de voormannen van deze school die ook Verlinde heeft voortgebracht. En Bekenstein sloeg in 1970 dus wéér een ander pad in toen hij – briljant – nadacht over het lot van licht en materie (beschreven in termen van quantuminformatie) op de rand van een zwart gat (dat uit de hoed van de relativiteitstheorie tevoorschijn kwam).

Verlinde volgt nu dat laatste pad. Kort door de bocht: de grondslag voor zwaartekracht en ruimtetijd wordt ten diepste gevormd door de informatie over het heelal die op de kleinste schalen is opgeslagen in quantumbits. Ofwel: in nullen en enen en de quantumtoestanden waarin die vermengd of verweven worden.

Gelukkig hoef je niet al die bits uit te lezen om het heelal te doorgronden. Net zo min als je elk afzonderlijk molecuul hoeft te kennen om fysische eigenschappen van de zee, een glas water of het gas in een ballon nauwkeurig te beschrijven. Het is genoeg om te weten hoeveel moleculen er zijn en in welke richtingen en met welke snelheden ze kunnen bewegen. Daarna kun je de relatief eenvoudige regels van de klassieke thermodynamica op het systeem loslaten. En net zoiets kan je doen met de quantuminformatie in het heelal. Sterker, Ted Jacobson liet in 1995 zien dat je zo in principe zelfs Einsteins zwaartekrachtsformule kan terugvinden. Alsof zwaartekracht en ruimtetijd inderdaad ‘emergent’ zijn: zich pas op grote schaal tonen zoals een zeespiegel.

Jammer genoeg zijn zulke ideeën niet te toetsen zo lang de nieuwe formules zich niet onderscheiden door iets extra’s te voorspellen. En precies daarin heeft Verlinde zich nu dus vastgebeten. Hoe?

Een nieuwe ordening van het heelal

Eerst neemt Verlinde een heelal, zoals het onze, dat doortrokken is van donkere energie. Uit de quantuminformatie over dat kosmische energiebad komt dan de ruimtetijd tevoorschijn. En zodra er massa is – zoals sterren en planeten – verschijnt ook de zwaartekracht. Maar: de sterren en planeten brengen daarnaast extra ordening in de kosmos aan. Alsof een deel van een berg knikkers (het energiebad) in groepjes is gerangschikt (sterren en planeten met daaromheen lege ruimte).

De winst is dat nette groepjes knikkers eenvoudiger te beschrijven zijn, dan een wanordelijker hoop. Je hebt er minder bits voor nodig. Net zo reduceert de aanwezigheid van sterren en planeten de hoeveelheid quantumbits, die nodig is om de kosmos samen te vatten. Alleen zit streven naar orde niet zo in de aard van de kosmos. In termen van knikkers: het kost meer energie om die netjes op een rij te leggen, dan om ze in wanordelijke hoop neer te laten storten. En net zo betaalt de kosmos vol donkere energie een prijs voor het herschikken van informatie: volgens Verlinde is die prijs het extra zwaartekrachtseffect dat tot dusver werd verklaard met ‘donkere materie’.

Het probleem van het Bulletcluster

Extreem lastig leesvoer inderdaad. Met veel – mogelijk deels verborgen - aannames. „Ik bewonder zijn werk en zijn poging om verder te kijken dan wat we nu weten”, zegt de bekende theoretisch fysicus Lisa Randall van Harvard. „Verlinde geeft een aantrekkelijke fenomenologische relatie tussen entropie (een maat voor orde en wanorde, red.) en donkere materie die geldig is in sommige systemen.”

Maar niet in alle systemen, zegt ook Nobelprijswinnaar Wilczek. Verlinde maakt amper woorden vuil aan het licht dat door onzichtbare massa’s lijkt te worden afgebogen, aan aanwijzingen voor donkere materie uit super-clusters van sterrenstelsels, uit de kosmische achtergrondstraling… Zelfs aan de sterkste aanwijzing voor donkere materie – die uit de Bullet Cluster – wijdt hij slechts „één of twee duistere zinnetjes”, zegt Wilczek. „Het lijkt erop dat Verlinde alleen wat krenten uit de pap van alle meetgegevens haalt”.

Anders: Verlinde beschrijft slechts een klein stukje van de kosmos. Van de huidige kosmos. Want hij laat buiten beschouwing dat het heelal volgens kosmologen sinds de oerknal een grote evolutie heeft doorgemaakt. Volgens Verlinde komen de zwaartekrachtseffecten waaraan nu nog onterecht het naamkaartje ‘donkere materie’ hangt, voort uit het verzet van de kosmos vol donkere energie tegen de ordening die materie teweegbrengt. Maar kort na de Oerknal was er amper donkere energie, zeggen kosmologen met metingen aan de kosmische achtergrondstraling in de hand. En er was wél overal donkere materie. Die bepaalde zelfs in hoge mate de latere structuur van het heelal. „Ik denk dat Verlinde het moeilijk gaat krijgen om dàt verhaal rond te krijgen”, zegt Randall, zelfs al is uit zijn werk misschien een ‘onderliggende les’ te trekken.

Springen om vooruitgang

Speelt hier jalousie de métier mee? Is Verlinde een eenling die zich tegen de gevestigde orde keert? Ten slotte werkte Randall aan modellen van donkere materie. Hield Krauss er vele lezingen over. En had Wilczek lang de – vergeefse – hoop dat bij de deeltjesbotser op Cern donkere materiekandidaten zouden opduiken (in de vorm van zogeheten supersymmetrische deeltjes). Aan de andere kant: in zijn eigen artikel noemt Verlinde noemt de beperkingen van zijn idee ook.

„Maar dat Verlinde zich in DWDD profileert als een soort Copernicus tegenover de ‘gelovigen in de donkere materie’ – zijn woorden! – vind ik potsierlijk”, zegt de Leidse Icke. „En ik ben bang dat Verlinde met zulke ijdeltuiterij een diepe kuil voor zichzelf heeft gegraven”. Want: de ideeën, hoe ‘verdienstelijk’ ook, zijn nog niet tot een theorie uitgewerkt. En: ze moeten nog aan de harde werkelijkheid worden getoetst. Oftewel: het is te vroeg om te bepalen of een nieuwe Einstein is opgestaan. En zou dat later het geval geval blijken, ja, dan zou Icke dat mooi vinden. Want bij alle duisternis is één ding helder: „We zitten te springen om vooruitgang op dit onderwerp.”