Is donkere materie een illusie?

Nederlandse fysicus Erik Verlinde komt met een nieuwe theorie van de zwaartekracht, die een alternatief biedt voor donkere materie.

Wat wij ervaren als ‘warmte’ zijn in werkelijkheid fel bewegende atomen en moleculen. Net zoals temperatuur geen op zichzelf staand verschijnsel is, is zwaartekracht volgens de Nederlandse fysicus Erik Verlinde (UvA) geen fundamentele kracht, maar het gevolg van een onderliggende theorie. Die maakt ook donkere materie overbodig.

De bouwstenen van Verlindes theorie zijn brokjes informatie, te vergelijken met bits, de informatie-eenheden van een computer. Niet ruimte en tijd vormen de basis van het heelal, maar kwantuminformatie. Van alle deeltjes in het heelal kunnen we, met een bepaalde waarschijnlijkheid, weten op welk moment ze zich waar bevinden. Zoals temperatuur het gevolg is van de bewegingen van deeltjes, is zwaartekracht het gevolg van veranderingen van die brokjes informatie. Die willen niet verplaatst worden. Zwaartekracht ontstaat wanneer je dat wel wil doen.

In 2010 slaagde Verlinde er al in om de zwaartekrachtwet van Newton af te leiden uit zijn theorie. Nu publiceerde hij op de website Arxiv een vijftig pagina’s lang artikel dat een verklaring biedt voor de mysterieuze donkere materie.

De sterren aan de buitenkant van sterrenstelsels bewegen sneller dan je op basis van de zichtbare massa van stelsel zou verwachten. Waar komt die extra zwaartekracht vandaan? Daarom moet er zich volgens kosmologen nog onzichtbare ‘donkere materie’ in het heelal bevinden. Maar liefst vijf keer meer dan er gewone materie is. Waar die donkere materie uit bestaat, is niet duidelijk.

Volgens Verlinde is die donkere materie nergens voor nodig, want zijn nieuwe theorie kan de bewegingen van sterrenstelsels wél verklaren.  

Cirkelvormige planeetbanen

Het is nu aan andere fysici om de theorie van Verlinde op haar merites te beoordelen. Fysicus Pierre Vanmechelen (UAntwerpen) noemt zijn idee ‘heel interessant’. ‘De theorie van Einstein is een heel elegante beschrijving van de zwaartekracht, maar is nooit helemaal experimenteel bevestigd op afstanden veel groter dan het zonnestelsel. Integendeel: waarnemingen lijken de theorie te weerleggen. Normaal concludeer je dan dat de theorie niet meer werkt op deze afstandsschaal. In het geval van de zwaartekracht is de hypothese van donkere materie geïntroduceerd om de theorie te redden.  Op kosmologische schaal loopt het echter helemaal mis en moet je ook donkere energie veronderstellen.’

De theorie van Einstein is een heel elegante beschrijving van de zwaartekracht, maar is nooit helemaal experimenteel bevestigd op afstanden veel groter dan het zonnestelsel. Integendeel: waarnemingen lijken de theorie te weerleggen

Tellen kosmologen de hoeveelheid gewone en donkere materie bij elkaar op, dan levert dat nog niet de massa op die ze in het heelal verwachten. Volgens de meest recente metingen bestaat het heelal voor 4,9 procent uit gewone materie en voor 26,8 procent uit donkere materie. Het bestaat dus nog voor 68,3 procent uit ‘iets anders’: donkere energie. Dankzij Einstein weten we dat energie ook massa vertegenwoordigt: E = mc². De donkere energie lost bovendien nog een ander lastig probleem op. Al in 1929 ontdekte Edwin Hubble dat het heelal uitdijt. Pas in 1998 bleek dat die uitdijing niet vertraagt, zoals dat onder invloed van de aantrekkende zwaartekracht op materiedeeltjes het geval zou moeten zijn, maar versnelt. Dat komt doordat donkere energie de zwaartekracht als het ware tegenwerkt. Wat die donkere energie dan precies is, is evenmin bekend.

Ook op heel kleine schaal is er iets vreemds aan de hand met de zwaartekracht. ‘In de deeltjesfysica is het de vraag waarom de zwaartekracht zoveel zwakker is dan andere fundamentele krachten’, zegt Vanmechelen. ‘De supersymmetrie-theorie biedt daarvoor een verklaring.’ Die veronderstelt dan weer het bestaan van supersymmetrische deeltjes, tevens kandidaat-donkere materiedeeltjes. ‘De zoektocht naar die deeltjes gaat nog steeds verder, maar de mogelijkheden raken stilaan uitgeput. Dat brengt pogingen om de relativiteitstheorie aan te passen wellicht in een stoomversnelling.  Misschien besluiten we over een paar jaar dat donkere materie even absurd is als de hulpcirkels die werden geïntroduceerd om cirkelvormige planeetbanen te behouden, terwijl we intussen weten dat het ellipsen zijn.’

Gematigde reacties van collega-fysici

Fysicus Dirk Ryckbosch (Universiteit Gent): 'Een interessant idee, meer niet'

'Het idee van Erik Verlinde bouwt voort op de relatie die Hawking al vond tussen een zwart gat en thermodynamica: een zwart gat "verdampt" door uitsturen van fotonen (Hawking radiation), en heeft dus een temperatuur en een zekere entropie. Dit verband werd verder uitgewerkt en uitgediept door verschillende mensen, in het bijzonder Jacob Beckenstein. Verlinde heeft dat idee nog wat aangepast en ziet zo massa (zwaartekracht) als een gevolg van de diepere eigenschappen van de materie. Hij spreekt dan van een "emergente" eigenschap. Zwaartekracht zou ontstaan als een gevolg van het streven van het heelal naar maximale entropie.'

'Dat idee stamt al van 2010, en werd toen op interesse, maar uiteindelijk ook veel skepsis onthaald. Het grote probleem is dat het een idee is, en niet veel verder uitgewerkt geraakte. De nieuwe persmededeling is - voor zover ik het nu kan beoordelen - meer van hetzelfde. Verlinde schetst een manier om uitgaande van zijn 2010-theorie een inschatting te maken van de hoeveelheid "donkere energie" in het heelal.'

'Een zeer interessant idee, dat best waar zou kunnen zijn, maar geen uitgewerkte theorie die af is. Alvorens te zeggen dat "donkere materie niet bestaat" of "zwaartekracht niet bestaat" zullen we toch eerst wat meer bewijzen moeten zien. Het is niet omdat het idee automatisch tot een goede schatting van de donkere energie leidt, dat het ook zeker correct is. Maar interessant is het zeker.'

Theoretisch natuurkundige Lawrence Maxwell Krauss: 'Nog veel onduidelijkheden'

'Ik denk dat dit idee nog niet klaar is om verkondigd te worden. Ik hoorde er professor Verlinde over praten, maar eerlijk gezegd, de details van zijn mechanisme ontgaan me. Ik heb dit ook besproken met een aantal collega's, en ook hun reactie is... meer onderzoek is nodig.'