Hollandsk fysiker: Tyngdekraften opstår helt af sig selv
Hvorfor findes tyngdekraften? For de fleste er den uforklarlig og fundamental, men den hollandske fysiker Erik Verlinde mener tværtimod, at den hverken er uforklarlig eller fundamental. Tyngdekraft er noget, der opstår, hævder han.
Erik Verlinde udfordrer sin kollegaer med en ny teori for tyngdekraften.
Læs også
Læs mere om
Dokumentation
Tyngdekraften kender og mærker vi alle. Men hvorfor findes den? Mange vil omgå dette spørgsmål ved at sige, at tyngdekraften er en fundamental kraft som vi måske nok kan prøve at forstå og eventuelt søge at forene med de andre naturkræfter i en "teori for alting", men hvis eksistens i bund og grund er uforklarlig.
Den hollandske fysiker Erik Verlinde fra universitetet i Amsterdam har en anden opfattelse. Han mener ikke, at tyngdekraften er hverken uforklarlig eller en fundamental kraft, men at den uomgængeligt opstår i rummet. Ifølge Verlinde kan der simpelthen ikke tænkes et rumligt Univers uden tyngdekraft.
I en ny artikel, der allerede har fået stor opmærksomhed i fysikerkredse, On the Origin of Gravity and the Laws of Newton, forklarer han på skrift sine tanker. De blev første gang fremlagt mundtligt på et symposium i Amsterdam i begyndelsen af december 2009.
Til den hollandske avis De Volkskrant forklarer Erik Verlinde, at tyngdekraften er et makroskopisk fænomen, som opstår ud fra et dybere grundlæggende fænomen.
Han beskriver det ud fra denne analogi: »Vandmolekyler er ikke våde, men en vanddråbe er. Molekyler har et ikke et tryk, men en gas af molekyler har. Newtons love gælder heller ikke på den mindste skala, men de gælder for æbler og planeter«.
Hans kollega Robbert Dijkgraaf, der er præsident for det hollandske videnskabsselskab, siger til samme avis: »Erik vender tingene på hovedet. Velkendte formler udledes ud fra den nyeste fysik, men det er præcist, hvad der er nødvendigt at gøre for at få et gennembrud«.
Først var der tid og energi
Verlindes udgangspunkt er en mikroskopisk teori, der udelukkende drejer sig om tid, energi og tilstande – uden rum. Det er nok til at introducere termodynamik og en særlig entropisk kraft, som i første omgang ikke har noget med Newtons kræfter at gøre – men som Verlinde senere i sin artikel argumenterer for netop er Newtons kraftbegreb.
Begrebet entropisk kraft er ikke sig selv noget nyt, det er kendt i andre sammenhænge som en makroskopisk kraft, der alene skyldes, at system har en statistiske tendens til at øge sin entropi. Udstrækker man eksempelvis en lang polymerkæde i en ret linje, vil den have en tendens til selv at trække sig sammen i en sammenrullet tilstand, hvor entropien er højere – en entropisk kraft.
Udover termodynamik og den entropiske kraft skal Verlinde også bruge det holografiske princip som udgangspunkt i sin teori. Navnet hentyder selvfølgelig til hologram, der er et tredimensionalt billede, der dannes ud fra en todimensional overflade.
På samme måde som et tredimensionalt billede kan beskrives ved et todimensionalt hologram kan et tredimensional sort hul beskrives alene ud fra dets overflade. Ud fra det holografiske princip har fysikere desuden vist, at man kan beskrive et mere generelt tredimensionalt område i rummet ud fra en todimensional overflade, der afgrænser området. Og mere spekulativt kan hele Universet beskrives ved en todimensional informationsstruktur på den kosmologiske horisont.
Det holografisk princip er et ganske kompliceret begreb at forstå i alle detaljer, men Verlinde forklarer, at selv om det holografiske princip oprindeligt stammer fra forskning vedrørende sorte huller, så kan det sagtens formuleres uden hensyn til hverken sorte huller, tyngdekraft eller rummet i øvrigt. Det holografiske princip er et generelt princip.
Og her kommer vi til essensen i Verlindes nye teori.
I den traditionelle fysik kombinerer man termodynamik og tyngdekraft til at komme frem til det holografiske princip - på en meget kompliceret måde, mener Verlinde, som gør det omvendte. Han kombinerer termodynamik og det holografiske princip i et system uden rum og kommer så frem til, at tyngdekraften på en meget enkelt måde automatisk dukker op, når der indføres rumlige størrelser.
Han forklarer selv på sin blog, at der er mange andre eksempler på, at det har vist sig fornuftigt at vende om på tingene for at komme frem til en klar teori. Lorentz forsøgte omkring år 1900 at forklare, hvorfor eksperimenter viste, at lysets hastighed var konstant ved at indføre begreber som Lorentz-forkortningen.
Men det var først, da Einstein i 1905 vendte tingene på hovedet og postulerede, at lysets hastighed var konstant, og Lorenz-forkortningen var en konsekvens heraf, at der kom en mere enkel og sammenhængende teori.
Mere end gammel vin på nye flasker
Erik Verlinde lægger ikke skjul på, at han blandt andet er inspireret af den amerikanske fysiker Ted Jacobson fra University of Maryland, der i 1995 viste, at hvis tager udgangspunkt i termodynamikkens første lov (energibevarelse), det holografiske princip og et særskilt temperaturbegreb (Unruh temperaturen) kan man udlede Einsteins ligninger.
”Et enestående resultat,” skriver Verlinde på sin blog.
Men Verlinde mener ikke, at Ted Jacobson og andre fysikere tidligere har besvaret spørgsmål som: Hvad har tyngdekraften med entropi at gøre, og hvad har entropi med geometri at gøre?
At tyngdekraft er en entropisk kraft, er for Verlinde mener end blot at sige, at ”det har noget med termodynamik at gøre”. Verlinde siger, at bevægelse og kræfter er direkte konsekvenser af entropiforskelle. Det er her Verlinde selv mener, at han er gået et markant skridt videre end andre.
Roterer Newton i sin grav?
Erik Verlinde slutter sin artikel med nogle lidt mere filosofiske betragtninger om kraftbegrebet gennem tiderne.
Robert Hooke kritiserede Newton voldsomt for et kraftbegreb, hvor kræfter kunne virke over store afstande uden en direkte mekanisk årsag, som det var tilfældet for Hookes egen fjederkraft.
Verlinde skriver, at det ironisk nok er er forklaringen på, at Hookes fjederkraft ikke i dag betragtes som en fundamental kraft, men at Newtons tyngdekraft i mere end 300 år har opretholdt denne status.
Verlinde skriver: »Hvad Newton ikke vidste, og Hooke slet ikke, var at Universet er holografisk. Holografi er selvfølgelig også en hypotese, og den kan synes lige så absurd, som vekselvirkning uden fysisk kontakt….. Når alle legemer i et rumfang kan afbildes på den samme holografiske skærm er mekanismerne for Newtons tyngdekraft og Hookes fjederkraft overraskende ens. Ingen af de to rivaler vil nok være særligt glade for den konklusion.«
