Donkere materie én energie opgelost met één theorie

De habitat van deze theoreticus is zoals je hem verwacht. Ingeklemd tussen twee van boven tot onder met formules volgekalkte krijtborden zit Erik Verlinde achter zijn bureau. De hoogleraar theoretische natuurkunde van de Universiteit van Amsterdam is de rust zelve, vriendelijk en bescheiden. Niet iemand die snel zijn nek uitsteekt.

Van binnen broedt hij echter op de meest revolutionaire natuurkundige ideeën. Neem zijn theorie over de zogenoemde emergente zwaartekracht, die hij in 2010 publiceerde. Daarin stelt Verlinde dat zwaartekracht geen op zichzelf staande kracht is zoals bijvoorbeeld de elektromagnetische kracht, of de kernkrachten, maar een effect van de manier waarop deeltjes met elkaar omgaan.

Verlindes poging om te verklaren waar de zwaartekracht vandaan komt – tot nu toe nog een raadsel der natuurkunde – kon rekenen op bewondering van collega’s (hij won de Spinozapremie in 2011), maar ook op weerstand. Niet alle natuurkundigen waren overtuigd van zijn idee. Ondanks kritiek is Verlinde vastberaden zijn theorie te perfectioneren. Hij heeft de afgelopen jaren zijn hoofd gebogen over onder andere donkere materie en denkt dat de emergente zwaartekrachttheorie de oplossing is.

De donkere kant van het universum

In de loop van 20e eeuw kwamen verschillende astronomen tot de conclusie dat er iets raars aan de hand was met de draaiing van de vaak honderden miljarden sterren om de centra in sterrenstelsels. Met behulp van roodverschuiving – het feit dat licht van objecten die van je af bewegen iets roder is dan normaal – was het mogelijk om draaisnelheden van sterren in sterrenstelsels te bepalen. Die zou gemiddeld moeten afnemen naarmate de sterren zich verder van het centrum bevinden. Maar wat astronomen waarnamen is dat de snelheden richting de rand van sterrenstelsels alleen maar groter lijken te worden! Iets klopte er niet.

Sindsdien zijn er verschillende oplossingen bedacht. De meeste gaan uit van een grote hoeveelheid donkere materie in sterrenstelsels, die de boel via de zwaartekracht bij elkaar houdt. Niemand weet wat donkere materie is, maar de meeste wetenschappers houden het op exotische deeltjes die we nog niet hebben ontdekt.

Verlinde moet daar weinig van hebben. Hij denkt dat het antwoord ligt in de zwaartekracht. Een idee dat hem gezien zijn eerdere theorie op het lijf geschreven is. “De bewegingen in sterrenstelsels blijken allemaal bij een bepaalde versnelling af te wijken van Newtons wetten. Dus wat als die afwijking niet wordt veroorzaakt door onzichtbare materie, maar doordat de wet zelf afwijkt?”, zegt hij.

Onzichtbare bol

Dat idee past volgens Verlinde in zijn eerdere theorie van emergente zwaartekracht die een alternatieve verklaring probeert te geven voor het principe achter de zwaartekracht. Verlinde stelt dat de kracht niet wordt overgebracht door een krachtdeeltje – het meest gangbare model voor natuurkrachten – maar dat het eigenlijk een bijverschijnsel is van de informatie die beschrijft waar alle materie zich bevindt.

Deze informatie zou besloten liggen op een bol. Geen echt object, maar een theoretische bol die de informatie bevat van alle materie in ons universum. Zodra er zich materie verplaatst, verandert ook de dichtheid van informatie op de bol. Zwaartekracht zou een soort uitwerking zijn van een verandering van die informatie.

“Al vrij snel nadat ik mijn theorie over de emergente zwaartekracht publiceerde, vermoedde ik dat de theorie wellicht ook een verklaring kon geven voor het probleem van donkere materie”, zegt Verlinde. “Daar ben ik sindsdien mee bezig geweest. Het werk is nog niet gepubliceerd, maar dat komt ook omdat ik zo perfectionistisch ben.”

Twee vliegen in een klap

Stel dat Verlinde op het goede spoor zit en donkere materie kan verklaren, dan zou dat een geweldige opsteker zijn voor astronomen die al ruim een halve eeuw met het vraagstuk in hun maag zitten. Maar alsof dat niet genoeg is denkt Verlinde al verder. Hij vermoedt dat emergente zwaartekracht naast donkere materie ook een oplossing kan bieden voor donkere energie, een zo mogelijk nog grotere kosmologische mysterie.

Donkere energie werd in het leven geroepen na de ontdekking dat het universum met een steeds grotere snelheid lijkt uit te dijen. Tot 1998 dachten astronomen juist dat sterrenstelsel zouden afremmen door de zwaartekracht die ze op elkaar uitoefenen. De uitdijende kracht wordt sindsdien toegeschreven aan donkere energie, waarvan niemand een idee heeft wat het is.

“Als je naar de formules kijkt die de afwijkende bewegingen in sterrenstelsels beschrijven, dan kun je dat vrij gemakkelijk omschrijven naar een formule waar de Hubble-constante in voorkomt”, zegt Verlinde. “De Hubble-constante beschrijft de uitdijing van het universum op grote schaal. Ik zeg niet dat donkere materie en donkere energie dezelfde fenomenen zijn, maar ze kunnen wel een gemeenschappelijke oorzaak hebben.”

Tegen de stroming in

Het idee dat de zwaartekracht anders werkt dan we vermoeden is niet nieuw. Verschillende wetenschappers kwamen in de loop der jaren met alternatieve zwaartekrachttheorieën, maar die stuitten vaak op kritiek, net als de theorie van Verlinde. En dat is te verklaren.

Iedere natuurkundestudent krijgt de zwaartekrachttheorieën van Newton en Einstein met de paplepel ingegoten. Je moet heel wat van stal halen om daar tegenin te gaan. Verlinde geeft toe dat hij met zijn nieuwe theorie wat dat betreft weer behoorlijk zijn nek uitsteekt. “Ik ga met zo’n theorie eigenlijk in tegen de hele wetenschappelijke ‘lobby’ die er is voor grote deeltjesexperimenten die de kandidatendeeltjes voor donkere materie proberen te vinden. Als mijn theorie klopt dan zijn dergelijke deeltjesexperimenten eigenlijk overbodig.”