Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

66
Een nieuwe kijk op de zwaartekracht Marcel Vonk JWG Ouderenkamp, 6 augustus 2016

Transcript of Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

Page 1: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

Marcel VonkJWG Ouderenkamp, 6 augustus 2016

Page 2: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

2/65

Alweer???

Ja, maar er is nieuws! (Of eigenlijk: bijna…)

Page 3: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

3/65

Het plan…

1. Drie zwaartekrachtraadsels2. Emergente zwaartekracht3. Zwaartekracht uit informatie4. Entropie en oppervlakte5. Positief en negatief gekromde ruimte6. Donkere energie: entropie en volume7. Het ontstaan van materie

Page 4: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

1. Drie zwaartekrachtraadsels

Page 5: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

5/65

Drie zwaartekrachtraadselsZwaartekracht is de zwakste van de vier natuurkrachten…

…maar ook degene die we het minst goed begrijpen!

Page 6: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

6/65

Drie zwaartekrachtraadselsRaadsel 1: Hoe kunnen we de zwaarte-kracht verenigen met de quantum-mechanica?

Page 7: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

7/65

Drie zwaartekrachtraadselsToepassen van de “kansrekenening” van de quantummechanica levert oneindige, en dus foute uitkomsten…

Page 8: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

8/65

Drie zwaartekrachtraadselsSnaartheorie zou dit probleem kunnen oplossen, maar is nog verre van volledig ontwikkeld.

Page 9: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

9/65

Drie zwaartekrachtraadselsRaadsel 2: Wat is de mysterieuze donkere energie?

Versnelling, maar zwaartekracht trekt aan…

Page 10: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

10/65

Drie zwaartekrachtraadselsEinstein beschreef deze “donkere energie” al, maar kon die niet verklaren.

Page 11: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

11/65

Drie zwaartekrachtraadselsRaadsel 3: Wat is de mysterieuze donkere materie?

Page 12: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

12/65

Drie zwaartekrachtraadselsVeel natuur- en sterrenkundigen ver-wachten dat donkere materie gevormd wordt door een nog onbekend deeltje.

Maar is dat ook zo?

Page 13: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

2. Emergente zwaartekracht

Page 14: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

14/65

Emergente zwaartekrachtSommige natuurkundige grootheden zijn emergent: ze volgen op grote schaal uit andere, microscopische grootheden.

De thermodynamica bestudeert zulke grootheden.

Page 15: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

15/65

Emergente zwaartekrachtHoe weten we welke grootheden en verschijnselen fundamenteel zijn, en welke emergent?

Is bijvoorbeeld de zwaartekracht wel zo fundamenteel?

Page 16: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

16/65

Emergente zwaartekrachtIn de jaren ’70 ontdekten Stephen Hakwing en Jacob Bekenstein dat zwarte gaten heel goed beschreven kunnen worden als thermodynamische systemen.

Page 17: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

17/65

Emergente zwaartekrachtIs zwaartekracht een emergente kracht? Dat zou in elk geval het quantumraadsel oplossen!

Maar wat zijn de “atomen” van de zwaartekracht?

Page 18: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

3. Zwaartekracht uit informatie

Page 19: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

19/65

Zwaartekracht uit informatieDe stap van microscopisch (fundamenteel) naar macroscopisch (emergent) wordt gezet op het niveau van de informatie.

Verliezen van informatie = emergentie

Page 20: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

20/65

Een eenvoudig voorbeeld: verdeel acht gekleurde ballen over een bak.

Zwaartekracht uit informatie

Page 21: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

21/65

Welke configuratie is waarschijnlijker?

Zwaartekracht uit informatie

(1) (2)

Page 22: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

22/65

Antwoord 1: beide configuraties zijn even waarschijnlijk!

Zwaartekracht uit informatie

(1) (2)

Page 23: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

23/65

De microscopische toestand

…is even waarschijnlijk als de micro-scopische toestand

Zwaartekracht uit informatie

Page 24: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

24/65

Antwoord 2: configuratie (2) is veel waarschijnlijker!

Zwaartekracht uit informatie

Page 25: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

25/65

De macroscopische toestand

…is veel waarschijnlijker dan de macro-scopische toestand

Zwaartekracht uit informatie

2 : 2

4 : 0

Page 26: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

26/65

Het aantal microscopische toestanden dat hoort bij één macroscopische toestand noemen we de entropie van de toestand.(Nou ja, eigenlijk de logaritme van dat aantal…)

Zwaartekracht uit informatie

4 : 0

Page 27: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

27/65

Het aantal microscopische toestanden dat hoort bij één macroscopische toestand noemen we de entropie van de toestand.

Zwaartekracht uit informatie

2 : 2

Page 28: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

28/65

Bij de macrotoestand 3:1 horen bijvoorbeeld 16 microtoestanden:

…en bij 2:2 horen er 36.

Zwaartekracht uit informatie

Page 29: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

29/65

Verlies van informatie = emergentie van nieuwe natuurkunde!

Zwaartekracht uit informatie

Page 30: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

30/65

Verlies van informatie = emergentie van nieuwe natuurkunde!

Zwaartekracht uit informatie

meest waarschijnlijke uitkomst

Page 31: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

31/65

Verlies van informatie = emergentie van nieuwe natuurkunde

Zwaartekracht uit informatie

meest waarschijnlijke uitkomst

Page 32: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

32/65

Systemen zoeken de meest waarschijnlijke macrotoestand op:

Zwaartekracht uit informatie

Page 33: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

33/65

Systemen zoeken de meest waarschijnlijke macrotoestand op:

Zwaartekracht uit informatie

Page 34: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

34/65

Systemen zoeken de meest waarschijnlijke macrotoestand op:

Emergentie van gasdruk!

Zwaartekracht uit informatie

Page 35: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

35/65

Zwaartekracht uit informatieBelangrijke observatie: de eigenschappen van de ballen spelen geen enkele rol!

De vraag “wat zijn de atomen van de zwaartekracht” is dus misschien wel niet de juiste…

Page 36: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

36/65

Zwaartekracht uit informatieWel belangrijk: om wat voor soort informatie gaat het? Op quantumschaal kan informatie verstrengeld zijn!

Page 37: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

37/65

Zwaartekracht uit informatieKan de zwaartekracht voortkomen uit verstrengelde quantuminformatie?

Page 38: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

4. Entropie en oppervlakte

Page 39: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

39/65

Entropie en oppervlakteEinstein: zwaartekracht is een meetkundige eigenschap van de ruimte.

(Eigenlijk: de ruimtetijd.)

Page 40: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

40/65

Entropie en oppervlakteIn 2010 bedacht Mark van Raamsdonk dat juist die meetkunde wel eens het gevolg kan zijn van verstrengelde informatie.

Sterk verstrengelde bits zitten dichter bij elkaar!

Page 41: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

41/65

Entropie en oppervlakteDit kwam mooi overeen met een formule die Bekenstein en Hawking al afleidden:

Gedeelde entropie hangt af van de oppervlakte die twee delen van de ruimte scheidt.

Page 42: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

42/65

Entropie en oppervlakteMisschien moeten we ook dit andersom lezen: oppervlakte ontstaat doordat twee systemen informatie delen!

Page 43: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

43/65

Entropie en oppervlakteJacobson liet zien dat uit dit idee inderdaad de wetten van Einstein afgeleid kunnen worden. Verlinde werkte dit idee van “entropische zwaartekracht” verder uit.

Page 44: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

44/65

Entropie en oppervlakteMaar… waar komen nu die donkere energie en donkere materie vandaan?

Page 45: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

5. Positief en negatief gekromde ruimte

Page 46: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

46/65

Entropie en oppervlakteZoals Einstein al liet zien is ruimte niet altijd vlak. Kromming = zwaartekracht!

Page 47: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

47/65

Entropie en oppervlakteOok op de allergrootste schaal heeft het heelal een “gemiddelde kromming”.

Positieve kromming = versnelde uitdijingNegatieve kromming = vertraagde uitdijing

Page 48: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

48/65

Entropie en oppervlakteOns heelal heeft dus een positieve kromming. (“De Sitterheelal”)

Page 49: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

49/65

Entropie en oppervlakteMaar… Ryu en Takayanagi bewezen de formule van Bekenstein en Hawking voor een negatief gekromd heelal! (“Anti-de Sitterheelal”)

Page 50: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

50/65

Entropie en oppervlakteWe kunnen een De Sitterheelal zien als een Anti-de Sitterheelal gevuld met energie.

Verlinde vroeg zich af: welke gevolgen heeft dit voor entropie en zwaartekracht?

Page 51: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

6. Donkere energie: entropie en volume

Page 52: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

52/65

Entropie en volumeVerlinde: in een De Sitterheelal hangt de hoeveelheid informatie niet alleen af van het oppervlak, maar ook van het volume.

S = const ⨯ A + const ⨯ V

Volume krijgt op grote schaal de overhand!

Page 53: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

53/65

Entropie en volumeJacobsons afleiding van de wetten van Einstein klopt dus niet helemaal. Het verschil bepaalt precies de versnelde uitdijing die wij donkere energie noemen!

Page 54: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

54/65

Entropie en volumeDonkere energie zien we op de schaal van het heelal, waar de volumebijdrage verge-lijkbaar is met de oppervlaktebijdrage.

Op de schaal van sterrenstelsels is de volumebijdrage 100.000⨯ kleiner. Hoe verklaren we dan donkere materie?

Page 55: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

7. Het ontstaan van materie

Page 56: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

56/65

MaterieWe hebben het tot nu toe gehad over een “leeg” heelal, dat alleen energie bevat.

Maar ons heelal bevat ook materie!

Page 57: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

57/65

MaterieDe deeltjes waaruit materie bestaat zijn niets anders dan sterk gelocaliseerde hoeveelheden informatie.

Page 58: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

58/65

MaterieVerlindes idee: als materie ontstaat wordt deze informatie weggenomen uit de omliggende ruimte. Ontstaan van materie laat daarmee een “litteken” achter.

Page 59: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

59/65

MaterieJe kunt uitrekenen hoe groot dit litteken is, en op welke afstand de informatieverdeling dus anders wordt.

Op deze schaal gaat de zwaartekracht zich anders gedragen!

Page 60: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

60/65

MaterieVerlinde leidt hiermee precies de rotatiecurves van een groot aantal sterrenstelsels af.

Het idee lijkt te werken!

Page 61: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

61/65

Materie“Donkere materie” lijkt dus geen deeltje, maar een effect van de zwaartekracht zelf!

Page 62: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

Conclusie

Page 63: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

63/65

ConclusieSterke aanwijzingen dat zwaartekracht een emergente kracht is, die veroorzaakt wordt door de informatieverdeling in het heelal.

• Geen (directe) quantumkracht• Extra informatie (volumebijdrage)

verklaart donkere energie• “Littekens” achtergelaten door materie

verklaren donkere materie.

Page 64: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

64/65

ConclusieWaarschuwing: natuurkunde en sterrenkunde in ontwikkeling!

Lijkt mooi te werken, maar de toekomst zal uitwijzen of dit klopt. Veel rekenwerk en metingen te doen!

Page 65: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

65/65

OK 2017/18/19:

Page 66: Een nieuwe kijk op de zwaartekracht

www.quantumuniverse.nl

Meer weten?