Erik Verlinde,det store brag og en ny forklaring på universet

De mest fundamentale naturlove er ikke Newtons eller Einsteins love. Det er termodynamikkens love om energibevarelse og entropi. Alt andet opstår herfra. Påstår i hvert fald den teoretiske fysiker Erik Verlinde.

Læs hele artiklen med kommentarer på ing.dk


Den hollandske fysiker og strengteoretiker Erik Verlinde fra universitetet i Amsterdam gjorde indtryk, da han for et lille år siden offentliggjorde en idé, der forsøger at tænke tyngdekraft, partikler og rummet som noget, der opstår helt af sig selv. Ifølge ham er disse fænomener ikke fundamentale ting, men makroskopiske effekter af en underliggende struktur, der er ude af termodynamisk ligevægt.

Siden Verlinde offentliggjorde sine tanker i et paper på arXiv.org i januar 2010, er interessen kun steget blandt kolleger. Nogle har forsøgt at tænke videre på hans ideer, andre er kritiske. De fleste har været forbeholdent positive og venter på hans næste skridt, forhåbentlig i form af et mere grundigt paper inden jul. Verlinde er nemlig ingen hr. Hvemsomhelst. Han har ydet vigtige bidrag til feltteorierne og er kendt som en stærk strengteoretiker.

Hvis hans idé viser sig at have kød på, vil vi stå over for et paradigmeskift. Universet vil ikke længere blive forstået som en halvtom rumtidsbeholder af partikler og kræfter, men som en amorf svamp, der forsøger at genfinde sin ligevægt.

Man vil kunne forklare, hvad den mørke energi og det mørke stof er for størrelser og erkende, at entropiens lov er grunden til, at naturens store og små kræfter virker, som de gør.

»Mit udgangspunkt er, at fysikkens love, som vi nu bruger til at beskrive naturen, faktisk er udledt fra noget andet,« siger Verlinde i et interview med Ingeniøren:


»Hvis du begynder med at kigge på et system, som du ikke ved særlig meget om, kan du stadig trække en masse information ud af det ved at bruge nogle generelle principper og teste det med nogle eksterne parametre. Faktisk er de ting, vi bruger i fysikken, som f.eks. partiklers position – og selve ideen om en partikel – noget, vi har introduceret for at beskrive naturen. I virkeligheden er de nogle makroskopiske parametre, som vi bruger til at undersøge den underliggende struktur med.«

Verlindes generelle princip lyder: Hvis man ændrer disse parametre på en sådan måde, at der sker noget med mængden af systemets information, eller rettere med dets associerede faserum, så vil man generere en kraft.

»Vores verden, selve rumtiden og alt det, der eksisterer i den, har nogle bestemte kendetegn, og de er associerede med en vis mængde information. Til at begynde med har vi ikke brug for nogen masse, men hvis den er der, f.eks. i form af en partikel, så er der selvfølgelig mere information til stede. På den måde kan man måle informationsmængden i universet, og det sker i form af entropi.«

Intet mystisk ved entropi
Entropi er ifølge Verlinde ikke noget mystisk. Det er et mål for den information, som vi ikke kan se. Når et fysisk system ifølge termodynamikkens anden hovedsætning altid vil maksimere sin entropi, skyldes det en sandsynlighedsbetragtning. Hvis man ikke kender systemets dynamik, må man gætte sig til, i hvilken tilstand det er. Et godt gæt er altid det gæt, der er det mest sandsynlige. Entropi er pr. definition et mål for sandsynlighed, så den maksimale entropi betyder altså bare den mest sandsynlige tilstand.

»Siden Einstein har vi haft en meget skarp adskillelse mellem rumtiden og partiklerne, der bevæger sig i rumtiden, lidt ligesom på en teaterscene. Så viste Einstein, at rumtiden krummer. Men hvis man kigger på den matematik, han brugte, ligner det meget den type matematik, man bruger til at beskrive elasticitet. Det er præcis sådan, man deformerer materie,« siger Verlinde.

»Den terminologi, Einstein brugte for energi, kaldes nogle gange for ‘stress’. Jeg tror vitterlig, at vi er ved at lære, at adskillelsen mellem rumtiden og materien er mere vag, og i sidste ende vil den vise sig at være det samme.«

For at forstå det, skal man kigge på et faserum og på noget, man kalder adiabatisk invarians, dvs. at man perturberer systemet på en så langsom måde, at entropien forbliver konstant, og processen i princippet kan vendes om.

»Vi har altså en generel indsigt, der siger, at hvis du påvirker et system af hurtige variable ved at bruge langsomme variable, så vil de hurtige variable reagere tilbage og generere en kraft. Vores verden er lavet af langsomme kontrolparametre, hvor vi føler de reaktive kræfter – dvs. de modreaktioner af andre frihedsgrader, som vi påvirker, når vi ændrer ting. Spørgsmålet er så: Hvordan beregner man disse kræfter? Det kan hurtigt blive meget kompliceret. Vi har meget lidt information om, hvad der sker på dette mikroskopiske og hurtige niveau. Heldigvis findes der et princip, som fortæller os, hvordan disse kræfter ser ud bare ved at kigge på ændringen af systemets volumen i faserummet.«

Det holografiske princip
Dette princip hedder det holografiske princip og er basalt set ideen om, at den maksimale mængde af information, som kan blive lagt ind i et bestemt område af rummet, kan opnås ved at anbringe et sort hul i det. Så vil mængden af information være proportional med arealet af overfladen rundt om det sorte hul. Det betyder, at alt, hvad der foregår inde i hullet, basalt set kan projiceres som bits på dets overflade. I Hollywood-form kan dette princip formuleres som at ‘alt kan projiceres ud på en skærm’.

»Dette volumen i faserummet er, hvad jeg kalder entropien. Det er mængden af den information, som er til stede. Det generelle princip siger, at hvis du ændrer mængden af information, så er der en pris at betale, og den pris kan udtrykkes som en temperatur, og modreaktionen mod ændringen er det, vi ser som tyngdekraften.«

Så hvad fysikere normalt kalder en graviton, er i dit perspektiv et emergent fænomen på et makroskopisk niveau, eller hvordan?
»Ja. Vi har endnu ikke set nogen gravitoner. Vi har ikke engang set nogen gravitationsbølger. Selvfølgelig mener de fleste fysikere, inklusive jeg, at den slags eksisterer i en eller anden form. Men man kan også se en graviton som en slags fonon – dvs. som en lydbølge, der går igennem stof. Hvis man kvantificerer lyd, får man fononer, som er et meget brugbart koncept, fordi det er en bestemt forståelse af, hvordan lydbølger går igennem en solid genstand. Men selvfølgelig, når jeg normalt tænker på lydbølger igennem en genstand, tænker jeg ikke på en partikel.«

Du skrev, at hvis universet var i en energetisk ligevægtstilstand, ville alt være et gigantisk sort hul. Er det rigtigt?
»Nuvel, vi lever i en verden, der har en kosmologisk konstant. Hvis vi ikke havde andet end den kosmologiske konstant, ville universet se ud som det, vi kalder et ‘de Sitter univers’. Det betyder, at universet har en horisont, ligesom sorte huller har en horisont. Når vi kigger ud i universet, ser vi, at ting bevæger sig væk fra os. De skifter farve hen imod det røde. Ved horisonten forsvinder farverne langsomt og bliver en slags sort. Du kan derfor betragte vores univers som et sort hul (i grænsen af de Sitter-approksimation red.) .«

Er dette ikke kun en funktion af manglende evne til at se langt nok?
»Ja og nej. I den måde, vi bruger Einsteins ligninger på, er der vitterligt noget, som kaldes en horisont, meget analogt til horisonten af et sort hul. Det er stedet, hvor rødforskydningen går mod nul – eller mod uendelig, alt efter hvordan du måler det. Alt bliver langsommere, og du kan ikke længere se noget lys komme derfra.«

Hvordan relaterer dette sig til Big Bang?
»Jeg tror faktisk, at mine ideer i sidste ende vil ændre vores måde at forstå, hvad et ‘big bang’ er, og om det virkelig var et Big Bang.«

Hvad mener du med det?
»En del er stadig under udarbejdelse, men jeg kan fortælle dig lidt om, hvad jeg tænker på. Det har at gøre med den måde, hvorpå materien kan opstå i en de Sitter-horisont. Vi starter med en antagelse om, at der er noget ... jeg vil ikke kalde det materie. Lad os kalde det ‘stuff’. Noget af det er i en ligevægtstilstand, og noget andet er kommet ud af ligevægt. Det, der er ude af ligevægt, er det, vi vil komme til at se som den almindelige materie. Det betyder, at alt det, som vi kan se i universet, faktisk er en undtagelse – det er det ‘stuff’, der er ude af ligevægt, mens det meste er i ligevægt. Den idé vil føre mig til at beskrive, hvad mørkt stof og mørk energi er. Jeg mener, at mørk energi er det stof, der er tættest på en ligevægtstilstand, mørkt stof er en smule længere væk fra ligevægten og resten af den synlige materie er endnu længere væk fra ligevægten.«

Lidt pudsig numerologi
Findes der så noget, som er endnu længere væk fra ligevægt end det synlige stof?
»Ja, det er stråling. Faktisk kan man hygge sig med lidt pudsig numerologi. Hvis du tager en almindelig normalfordeling, så har du noget man kalder sigma – der er et mål for spredningen af fordelingen. Hvis du tager det første for den mørke energi, det andet for det mørke stof, og det tredje for resten, vil du komme ret tæt på, hvad der observeres nu om dage. Det første dækker cirka 68 pct. af kurven, det andet 28 pct. og det tredje cirka 4 pct. Observationerne siger cirka 73 pct. for den mørke energi, 23 pct. for det mørke stof og 4 pct. for resten. Vi og hele det synlige univers ligger i halen af fordelingen. Det mørke er normalen.«

Ja, det er pudsigt og interessant. Men enhver god teori burde ud over det også være i stand til at forudsige ting og give mulighed for falsifikation. Hvordan ser det ud med det?
»Det er et godt spørgsmål. Hvis man siger, at tyngdekraften er som termodynamik, så må de generelle termodynamiske love gælde. Men den statistiske mekanik gør mere. Den giver dig fluktuationerne, og det er her, man skal lede. For at se fluktuationer, er det bedre at kigge på signaler, som er svage, for her kan fluktuationerne være relativt store. Man skal derfor kigge på steder, hvor tyngdekraften er meget svag, og det finder man især i kosmologien. Jeg har beregnet nogle af disse fluktuationer, og de kan sammenlignes med observationer.«

»Som eksempel kan man kigge på det mørke stof. Kosmologer har regnet på galaksers rotationskurver. For at kunne forklare tallene må man lægge en halo af sort stof omkring galakserne. Det er standard-historien. Man mener, at det mørke stof består af såkaldte wimps, som er partikler, der er svagt vekselvirkende med andre masser. Ved LHC forsøger forskere nu at finde disse wimps, og dermed forklare det mørke stof.«

»Jeg tror ikke på det. Heller ikke at det mørke stof blot består af endnu en ukendt partikel. Hvis man til gengæld ser på det som noget, der ikke er i termodynamisk ligevægt, så kan man anvende det tankeeksperiment, som Jacob Bekenstein brugte, og som gik ud på at sænke en boks meget langsomt ned i et sort hul. Ud fra det kunne han beskrive termodynamikken ved horisonten af et sort hul. Jeg vender hans logik på hovedet og får tyngdekraften ud af det.«

En helt anden forklaring
»Jeg tror også, at min idé med fluktuationerne vil kunne udgøre en teoretisk forklaring for det mørke stof. Mere konkret: Hvis du tager Newtons normale 1/r2-lov og kigger på centripetalkraften, som er hastigheden kvadreret divideret med radius og sætter dem lig hinanden, så vil du kunne regne ud, hvilken hastighed disse roterende galakser har ved deres kant.«

»Det er en helt anden måde at beskrive det på end Newtons. Den normale forklaring er, at vi ikke ser nok masse, og derfor må der være mørkt stof. Den anden måde er at sige, at de faktiske tiltrækningslove er en smule anderledes, eller at der findes en anden måde, hvorpå vi kan nedskrive kraftloven. I stedet for F=ma er det mere i retning af F=ma2/a0, hvor a0 er den kosmologiske acceleration og givet ved produktet af Hubblekonstanten og lysets hastighed. Jeg får det samme fra fluktuationerne og tilbyder derfor en teori for, hvorfor det kan være sådan. Men alt i alt må jeg sige, at strengteorien har eksisteret i 40 år, og dens forudsigelser har ikke været særlig imponerende. At spørge mig om det samme efter blot et enkelt paper er lidt voldsomt.«

Ja, men det lyder jo, som om du er godt på vej ved at kigge på steder, hvor tyngdekraften er lav og fluktuationerne høje, så man på et tidspunkt måske kan håbe på at finde nogle eksperimentelle eller observationelle verifikationer af dine ligninger?
»Ja, det er rigtigt. Men min idé er endnu ikke udviklet til noget, som jeg for alvor kan kalde en teori. Men jeg tror, at jeg er tæt på at gøre det næste skridt. Jeg ved dog ikke, hvor mange skridt, der skal til. Husk på, at Einstein brugte otte år på at komme fra ækvivalensprincippet til den almene relativitetsteori, og kvantemekanikken brugte 25 år på at komme fra Planck til sin mere eller mindre endelige form. Så man ved aldrig,« siger Erik Verlinde.

0 comments:

There was an error in this gadget