Alternatieve bron voor zwaartekracht?

Zo af en toe komen er in de natuurkunde idiote nieuwe ideeën op. Onwaarschijnlijk, onmogelijk en volledig buiten de mainstream van de lijn die de wetenschap tot dat moment heeft gevolgd.

Is theorie conservatief?

Vaak wordt gedacht dat de gevestigde natuurwetenschap allergisch reageert op nieuwe ideeën. Alsof een andere insteek in strijd zou zijn met ‘gevestigde belangen’. Alsof fysici oerconservatief zijn en allergisch voor nieuwigheden. Alsof ze alleen aandacht hebben voor hun stokpaardjes.

Helaas voor complotdenkers: dat is niet zo. Elk nieuw idee dat oplossingen zou kunnen bieden voor de uitdagingen waar de theorie mee zit, wordt geproefd. Want stel dat er iets in zit… Stel dat het een kans oplevert om… Stel dat het waar zou zijn…

Natuurlijk wordt er wél kritisch gekeken. Er is terughoudendheid, want er wordt zoveel geroepen. Vanzelfsprekend wordt er gekeken naar wie het roept: ‘Kareltje heeft wel vaker domme dingen gezegd’ geeft een andere smaak aan een nieuw idee dan ‘oh, dat is die Kareltje van dat goede artikel’.

Maar er is ook een andere kant. Stel dat er iets in zit en je zou de bus missen! Doorbraken en nieuwe benaderingen zijn toevallig wél de plekken waar dingen veranderen. Waar spektaculaire vernieuwingen plaatsvinden. Waar je iets wezenlijks kunt bijdragen. Waar publiciteit zit en dus financiering. Waar bij successen de toekomstige Nobelprijzen worden verdeeld. Waar patenten loeren.

Nee, een goed nieuw idee dat onderbouwd wordt gebracht: het krijgt aandacht. Positief of negatief – dat hangt van de inhoud af.

Criteria

Bij het nadenken of een nieuw model in de natuurwetenschappen iets zou kunnen worden, worden een paar criteria toegepast:

1) verklaart het nieuwe idee alle waarnemingen tot op heden? Want theorieën zijn niet heilig, maar waarnemingen wél. En als dat nu nog niet zo is: lijkt het mogelijk dat het idee (al dan niet met wat aanpassingen) dat in de toekomst wel zal kunnen doen?

2) nog boeiender: verklaart het idee ook waarnemingen waarmee de huidige theorieën moeite hebben?

3) en nog aantrekkelijker: kun je uit het idee riskante voorspellingen doen? Kun je experimenten bedenken waarvan de uitkomsten in strijd zullen zijn met de vorige theorie?

Zoek voor meer info hierover bij de wetenschapsfilosoof Karl Popper.

Zwaartekracht

Zwaartekracht is voor theoretici een hoofdpijndossier. Op zichzelf staat de theorie van Newton en Einstein als een huis. Hij wordt door metingen voortdurend bevestigd. Zelfs de zeer riskante voorspellingen van Einstein worden keer op keer bewaarheid. Tot zover een successtory.

Toch is er een kleinigheid dat fysici jeuk bezorgt: zwaartekracht gedraagt zich totaal anders dan alle andere krachten in ons universum. Dat is irritant. ‘Het is niet elegant’, zeggen ze dan – hoewel er geen enkele harde reden is dat ons universum wél elegant zou moeten zijn. Maar toch…

Graag zouden de modelbouwers zien dat alle krachten zouden zijn te beschrijven met één aanpak. Dat lukt een heel eind, de enige kracht die zich daaraan onttrekt is …. zwaartekracht.

GUT

De zoektocht naar de ene Grand Unifying Theory, een onderliggend systeem waarin ook zwaartekracht past, loopt steeds vast. Het is dus geen wonder dat er af en toe aangepaste of zelfs alternatieve versies voor gravitatie worden aangedragen. Klinkende namen als ‘Modified Newtonian Dynamics’, Loop-Kwantum-Zwaartekracht, verschillende varianten van snaartheorie, holografische benaderingen, en nog wat minder bekende alternatieven.

Vooralsnog blijft Einstein fier overeind en leveren de alternatieven niet de spectaculaire verbeteringen waarop iedereen hoopt. Maar dat er iets moet zijn… De zoektocht naar de GUT gaat door.

Entropie

Zwaartekracht is de fundamentele kracht waarmee objecten aan elkaar trekken. ‘Massa’ is de term die we op macro-schaal gebruiken voor het geheimzinnige ‘iets’ dat zwaartekracht uitoefent. Op micro-schaal is het Higgs-veld gemunt, en het bijbehorende Higgs-deeltje is een paar jaar geleden door CERN gevonden. Daarmee lijkt het model redelijk consistent. Maar…

Er is een nieuwe suggestie. Volgens ‘Entropic Gravity’ zou zwaartekracht niet een oorzaak zijn, maar een gevolg. Geen echte, onafhankelijke natuurkracht, maar een illusie. De oorzaak ligt volgens de auteurs in de tweede hoofdwet van de thermodynamica, die zegt dat alle geïsoleerde systemen altijd op natuurlijke wijze naar een toestand van hogere entropie of ‘chaos’ zullen gaan.

Hoe werkt het idee? Stel je voor: je rekt een elastiekje uit, en daardoor voel je spanning aan je vingers trekken. Komt die spanning door een fundamentele rubberkracht? Nee, die is er niet. Door het uitrekken krijgen de microscopische polymeerketens in het materiaal een opgelegde ordening. Ze willen van nature terugkeren naar hun verwarde, ongeordende toestand. De fysieke spanning die je in het elastiekje voelt, zijn in feite de wetten van de thermodynamica die proberen die basischaos te herstellen.

Theoretische natuurkundigen, waaronder Bianconi (2026, zie de bron hieronder), passen dit idee toe op het weefsel van de ruimtetijd zelf. Ze redeneren als volgt. De ruimte is niet leeg, maar vol met microscopische stukjes kwantuminformatie. Het basismateriaal bevindt zich in de toestand van maximale entropie. Zodra objecten in deze lege ruimte worden geplaatst, veranderen ze de verdeling van de informatie. Ze creëren op die manier een beetje orde (= minder entropie). Volgens de tweede hoofdwet wil de ruimte terug naar de situatie van maximale entropie (= grootste chaos) en creëert om dat te bereiken een natuurlijk thermodynamisch verloop, wat door ons wordt waargenomen als een kracht. De parallel met het elastiekje is duidelijk.

Er is een opvallende overeenkomst met de speciale relativiteitstheorie: ‘massa leidt tot een vervorming’. Bij Einstein zorgt massa voor vervorming van de ruimtetijd, die vervolgens door ons als kracht wordt geïnterpreteerd. Bij Bianconi is het vervorming van de entropie-verdeling.

Het idee van Bianconi heeft geen directe gevolgen: wat we zien en meten blijft gelijk. Het verandert wel ons beeld van de diepe (theoretische) grond: in de nieuwe aanpak is zwaartekracht niets anders is dan ‘vermomde thermodynamica’ – en daarmee is zwaartekracht opeens niet meer een vreemd afwijkende autonome kracht in het systeem.

De beschrijvingen van Newton en Einstein zijn daarmee niet opeens fout, maar ze worden teruggebracht tot een beschrijving van effecten. Gevolgen, en niet een onafhankelijke oorzaak. Het is ee boeiend idee.

En nu?

Dit idee is leuk (en zéker goed voor wat ideeën voor SF-verhalen!), maar… Het echte werk voor de theoretici gaat nu pas beginnen. Wanneer ze het basisidee willen uitwerken, moet er een model worden opgesteld dat uit de uitgangspunten de Newtoniaanse zwaartekracht verklaart. Vervolgens moet het een herformulering opleveren van Einsteins speciale relativiteitstheorie. Daarna moet het óók nog toetsbare gevolgen hebben die niet in de andere theorieën passen. Of waarnemingen verklaren waar anderen niet goed uitkomen. Of zelfs nieuwe velden van onderzoek openen.

Tenslotte zal het een uitdaging zijn om te onderzoeken of deze benadering van zwaartekracht wél met de andere natuurkrachten in een GUT kan worden ondergebracht. Dat zou pas elegant zijn!

PS: dit is niet de enige alternatieve aanpak voor zwaartekracht, die is bedacht. Allemaal tegelijk kunnen ze niet waar zijn, dus de uitdaging ligt er: bedenk experimenten die in de zee van mogelijkheden kunnen selecteren tussen verschillende opties. Er wacht een Nobelprijs op de winnaar!

SF

Leuk SF-verhaaltje lezen over entropie? Heeeeeeel veel entropie? Lees ‘De laatste kuil’ op de site van EdgeZero: https://edge-zero.com/de-laatste-kuil-charles-van-wettum/. Het verhaal staat ook in de bundel ‘Anderen’, meer dan 20 andere prima SF-verhalen.

Bronnen:

https://zenitonline.nl/veel-alternatieven-voor-einsteins-zwaartekrachttheorie/

Ginestra Bianconi, Thermodynamics of the gravity from entropy theory, Physical Review D (2026). https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/26kn-thgp