uitzetting van het heelal

Als fysicus ArtoAnnila gelijk heeft, bestaat er helemaal geen donkere energie, maar klopt onze rekenmethode om de afstand en snelheid van supernova’s te berekenen, domweg niet.  En veroorzaken sterren en supernova’s zelf de uitzetting als gevolg van een kwantumeffect. Food for thought, want deze oplossing is verrassend elegant…

De snelste route voor licht
Terwijl het licht vanaf de supernova voortreist, neemt het uitzettende heelal af in dichtheid. Als licht van een gebied met hoge dichtheid (zoals toen het heelal nog jong was of in de buurt van een zware ster) naar een gebied met lage dichtheid reist, schrijft Maupertuis’ principe van minimale actie voor dat het licht impuls verliest. Licht met een lagere impuls krijgt een grotere golflengte en wordt dus ‘roder’. Maupertuis’ principe bepaalt volgens Annila ook dat als het licht gebieden met een hoge energiedichtheid, zoals rond een ster, passeert, de lokale lichtsnelheid vermindert en de bewegingsrichting verandert.

Behoud van aantal quanta
Als dit de manier is waarop het licht van supernova’s reist, verklaart dit op zijn beurt waarom het universum uitzet, stelt Annila. Als een ster explodeert en zijn massa wordt omgezet in straling, vereist een behoudswet (vermoedelijk de regel dat er in een gesloten systeem, zoals het heelal, geen kwantuminformatie verloren mag gaan of bij mag komen) dat het aantal kwanta gelijk blijft, of deze zich nu in de vorm van massa of straling bevinden. Om de balans tussen energie die in materie is gebonden en energie die in de vorm van fotonen vrijkomt te behouden, bewegen de supernova’s van elkaar weg met een steeds toenemende gemiddelde snelheid. Deze oplossing heeft als voordeel dat er geen donkere energie of iets dergelijks voor nodig is. Deze zou namelijk de wet van behoud van energie schenden. Dit principe geldt overigens niet alleen voor supernova’s maar voor alle vormen van ‘gebonden’ energie. Als de gebonden vorm van energie in hemellichamen als sterren, pulsars, zwarte gaten en dergelijke in elektromagnetische straling wordt omgezet – energie met een veel lagere dichtheid – zorgen deze onherroepelijke omzettingen van massa in energie de uitzetting van het universum. Klopt Annila’s theorie, dan moet de uitzetting van het heelal volgens een sigmoïde (S-vormige) curve verlopen, zie diagram.  De uitzetting stopt namelijk als er geen ‘gebonden’ energie meer vrijkomt omdat alle materie is opgebrand. We zitten nu nog uiterst links op deze curve.

In één klap ook donkere materie verklaard
Annila laat ook zien dat als zwaartekrachtslenzen met dit concept worden geanalyseerd, er geen donkere materie meer nodig is om de resultaten te verklaren. Zoals bekend buigt zware materie licht af. Eén van de eerste experimentele bevestigingen van de algemene relativiteitstheorie was een minieme afwijking van de positie van een ster omdat het licht door de zwaartekrachtsveld van de zon werd afgebogen.  Bij de zon klopt dit wel aardig, maar bij complete melkwegstelsels blijkt er een grote hoeveelheid “donkere materie” op te treden. Naar schatting is hier ongeveer vijf keer zoveel van als van standaard materie.

Fysische realiteit in plaats van wiskundige theorie
Toen Annila Maupertuis’ principe van minimale actie toepaste om te bestuderen hoe een melkwegstelsel van een bepaalde massa passerend licht zou doen afbuigen, berekende hij dat de afbuiging vijf maal groter is dan de uitkomst volgens de algemene relativiteitstheorie. Met andere woorden, de aanwezige massa in melkwegstelsels is zo voldoende om de afbuiging te verklaren. Dit verklaart mijns inziens ook de merkwaardige verdeling van donkere materie. Volgens Annila schiet de algemene relativiteitstheorie hier tekort omdat het (weer zijn stokpaardje, maar hij heeft een punt) een wiskundig model is, terwijl je in de natuurkunde een fysisch nauwkeurige beschrijving van het systeem moet maken om voorspellingen realistisch te maken. Het volgen van Maupertuis’ principe  levert dit model op.

Theorie kan getest worden met experimenten
In tegenstelling tot de snaartheorie, geloof in boze geesten en andere metafysica, kunnen deze concepten natuurlijk nauwkeurig worden getest. Het principe van kortste-tijd vrije energieconsumptie is per definitie een universele en onschendbare wet. Wordt met een experiment deze wet fout bevonden, dan is hiermee de theorie in één klap gefalsificeerd: een kenmerk van een goede wetenschappelijke theorie. Hiervoor kunnen de supernova-explosies gebruikt worden, maar ook de metingen van de zwaartekracht-satelliet Gravity Probe B.

Heeft Annila gelijk?
Annila doet buitengewone claims en deze vereisen dan ook buitengewoon grondige onderbouwing. Toekomstige experimenten zullen dus uitwijzen of hij gelijk heeft. Veel vakgenoten zijn sceptisch (zie ook comments onder het artikel op Physorg), onder meer omdat er ook melkwegstelsels bekend zijn die vrijwel geheel uit donkere materie bestaan.

Zeer aantrekkelijk aan zijn theorie is dat hij uit gaat van enkele rotsvast gegronde natuurkundig principes, dat van Maupertuis en behoud van kwantuminformatie, en maar liefst twee verschijnselen tegelijk verklaart: de versnelde uitzetting en donkere energie. Zijn theorie is daarom vanuit natuurkundig oogpunt gezien erg elegant. Dit is, kortom, zeker een nader onderzoek waard. Dit soort visionair denken is nodig om fundamentele wetenschappelijke doorbraken te bereiken.

Vervolg op: ‘Donkere energie onnodig’

Bronnen
A second look at supernovae light: Universe’s expansion may be understood without dark energy – Physorg.com (2011)
Arto Annila. “Least-time paths of light.” Mon. Not. R. Astron. Soc. 416, 2944-2948 (2011), versie zonder paywall