Kijk 2017_2 DIGIMAG

Is de nieuwe Einstein opgestaan?
De geschiedenis
van de
ZWAARTEKRACHT
1585
De Nederlander Simon Stevin laat
twee loden ballen van de Nieuwe
Kerk in Delft vallen, een zware en een lichte. Beide
bereiken tegelijkertijd de grond.
Isaac Newton schrijft over
1726 de vallende appel die hem
de inspiratie leverde voor zijn zwaartekrachttheorie;
al viel die appel niet op zijn hoofd.
theorieën voorspellen. De eerste is
donkere materie. In sterrenstelsels
lijken de buitenste sterren sterker
naar het midden van het stelsel te
worden getrokken dan op grond van
de zichtbare materie, zoals sterren
en gas, verklaarbaar is. De oplossing:
blijkbaar zit er in sterrenstelsels ook
een onzichtbare vorm van materie, die
met zijn zwaartekracht extra hard aan
de sterren trekt. Maar waaruit deze
‘donkere materie’ dan zou bestaan,
is een raadsel. Als het tot nu toe
onbekende elementaire deeltjes zijn,
weten die zich goed te verbergen, want
ondanks uitgebreide zoektochten zijn
ze nooit gedetecteerd.
De problemen werden nog groter toen
in de loop van de jaren negentig bleek
dat het heelal niet alleen uitdijt, wat
met de algemene relativiteitstheorie
goed te begrijpen valt, maar dat ook
steeds sneller doet. Kosmologen noemen
dit effect ‘donkere energie’, en ook
daarvoor hebben we nog geen echte
verklaring.
ISTOCK/GETTY IMAGES
De algemene relativiteitstheorie
is vooral van toepassing op de
schaal van sterren, zwarte gaten en
het complete heelal. Op kleine schaal
hebben we de quantummechanica, de
vreemde theorie waarin deeltjes op
meerdere plaatsen tegelijk kunnen zijn.
In de tweede helft van de twintigste
eeuw wisten natuurkundigen bovendien
een stortvloed aan nieuw ontdekte
deeltjes, van pionen tot quarks,
onder te brengen in de quantummechanische
theorie die nu bekendstaat
als het standaardmodel. Het
sluitstuk daarvan, het higgsdeeltje,
56 2/2017
konden ze in 2011 in de trofeeënkast
zetten.
Toch wringt er iets: als de natuurkunde
één geheel is, moeten de
quantummechanica en de algemene
relativiteitstheorie eigenlijk varianten
zijn van een grote, overkoepelende
theorie, die we hier gemakshalve
‘quantumzwaartekracht’ zullen
noemen. Maar daar krijgen natuurkundigen
nu al decennialang niet echt
de vinger achter.
Tot overmaat van ramp zien astronomen
in het heelal ook nog eens twee
verschijnselen die geen van beide
Precieze wiskundige
Erik Verlinde (1962) studeerde theoretische natuurkunde in Utrecht.
In 1985 studeerde hij af bij hoogleraar Gerard ’t Hooft. Tot zijn
studiegenoten behoorden zijn identieke tweelingbroer Herman en
Robbert Dijkgraaf (van de DWDD-colleges). In 1988 promoveerde
Verlinde op een proefschrift over quantumveldentheorie en snarentheorie.
Hij staat bekend als een precieze wiskundige, maar ook als
iemand met een sterke natuurkundige intuïtie. In 2011 kreeg Verlinde de
hoogste Nederlandse wetenschappelijke onderscheiding, de Spinozapremie.
In Albert Einsteins
algemene relativiteitstheorie
is de
zwaartekracht een
gevolg van het
kromtrekken van
ruimte en tijd zelf.
Einstein zag de
ruimtetijd als een
strakgespannen
rubberen zeil met
ballen erop.
Steeds meer wanorde
Het is extreem lastig om een theorie
te verzinnen die dit alles wél kan
verklaren, stelt Sabine Hossenfelder
van het Frankfurt Institute for
Advanced Studies. Zij is een van de
eerste natuurkundigen die op haar
blog Backreaction uitgebreid inging
op het artikel van Verlinde. “Ik heb
waardering voor zijn poging,” zegt ze,
“ook al is die nog schetsmatig en voor
mij lastig te volgen.”
In zijn artikel brengt Verlinde
een groot aantal gebieden van de
natuurkunde samen: de fysica van
zwarte gaten, quantuminformatica en
quantumcomputers, de astronomie van
donkere materie, maar ook thermodynamica
(waar het normaal gesproken
over temperaturen en warmte
gaat), en zelfs de natuurkunde van
vervormingen in staal.
Zijn basis gedachte is de ontdekking
dat zwarte gaten een temperatuur
hebben, en ook een entropie. Dat is
een wat abstract maar krachtig
natuurkundig begrip dat staat
voor wanorde; bijvoorbeeld
de wanorde van krioelende
moleculen in een kopje thee.
BOB BRONSHOFF/HH
Dat kopje thee heeft een entropie,
en een beetje melk ook. Maar
als je de twee bij elkaar gooit, vermengen
ze zich en zal de totale
entropie veel groter worden
dan de som van de delen. Sterker