Mag het een onsje minder zijn? Een Britse astrofysicus stelt dat de invoering van negatieve massa de twee grootste raadsels in de natuurkunde kan oplossen. Andere fysici reageren niet al te positief op dat idee.
We hebben van het grootste deel van het heelal geen idee wat het is. Slechts 5 procent is opgebouwd uit sterren, planeten en andere waarneembare dingen. De rest bestaat uit twee mysterieuze fenomenen: donkere materie (27 procent) en donkere energie (68 procent).
Donkere materie is een voorgestelde onzichtbare vorm van materie die via de zwaartekracht de beweging van sterren en sterrenstelsels beïnvloedt. Donkere energie is een voorgestelde vorm van energie die ervoor zorgt dat het heelal steeds sneller uitdijt. Voor het bestaan van beide duisterheden is geen bevredigende theoretische verklaring – laat staan experimenteel bewijs.
De geschiedenis van de wiskunde is diverser dan je denkt
Wiskunde is niet alleen afkomstig van de oude Grieken. Veel van onze kennis komt van elders, waaronder het oude China, India en het Arabisch Schiereil ...
Astrofysicus Jamie Farnes van de University of Oxford en de Radboud Universiteit Nijmegen denkt dat één maatregel beide problemen kan verhelpen. Het is wel een drastische maatregel: volgens Farnes springen in het heelal voortdurend deeltjes met negatieve massa tevoorschijn. Zijn theorie is vorige week gepubliceerd in Astronomy & Astrophysics.
Uitgespreid gas
Deeltjes met negatieve zwaartekrachtsmassa duiken wel vaker in theorieën op. De door Farnes voorgestelde deeltjes hebben echter ook negatieve traagheidsmassa. Dat geeft ze absurde eigenschappen. Als je een kracht op zo’n deeltje uitoefent, beweegt het in tegengestelde richting van de kracht. Geef een bal van negatieve massa een duw, en hij rolt naar je toe.
Vanwege die negatieve traagheid bewegen in Farnes’ theorie deeltjes met negatieve massa onder invloed van zwaartekracht uit elkaar. Daardoor klonteren ze niet samen tot sterren of planeten, maar vormen ze een uitgespreid gas. Dat zou verklaren waarom we ze – als ze bestaan – nergens zien.
De wederzijdse afstoting is het eerste punt waar andere fysici sceptisch op reageren. De Duitse natuurkundige Sabine Hossenfelder van het Frankfurt Institute for Advanced Studies heeft eerder ook een artikel geschreven over afstoting door zwaartekracht. Zij stelt in een blog over de theorie van Farnes dat de algemene relativiteitstheorie verbiedt dat negatieve massa’s elkaar afstoten.
Achtervolgen
De theorie van Farnes wordt nog vreemder als een deeltje met negatieve massa een deeltje tegenkomt met een even grote, maar positieve massa. Het negatieve deeltje beweegt dan richting het positieve, dat vervolgens diezelfde kant op wegbeweegt, zodat de twee elkaar eeuwig achtervolgen.
Doordat negatieve massa positieve massa wegduwt, kan de aanwezigheid ervan volgens Farnes de snelle uitdijing van het heelal verklaren. Het heelal zou dan gevuld zijn met een onzichtbaar gas van negatieve massa, dat sterrenstelsels steeds sneller uit elkaar drukt. Negatieve massa vervult in zijn model dus de rol van donkere energie.
Simulatie van de beweging van 25.000 positieve massa’s (geel) en 25.000 negatieve massa’s (paars).
Puntige halo
Ook stelt Farnes dat negatieve massa donkere materie overbodig maakt. Volgens de standaardtheorie is het effect van donkere materie met name zichtbaar aan de buitenkant van schijfvormige sterrenstelsels zoals de Melkweg. De sterren draaien daar zo hard om het centrum heen, dat je zou verwachten dat het stelsel uit elkaar wordt gescheurd. Een band van donkere materie houdt de boel in het gareel.
Met een simulatie laat Farnes zien dat een band van negatieve massa rond een sterrenstelsel diezelfde stabiliserende rol kan vervullen. Negatieve massa duwt positieve massa immers weg. Farnes’ oplossing heeft als voordeel dat de band in zijn simulatie overal even dik is, iets wat ook volgt uit observaties van de sterbewegingen. Donkere materie zou volgens computermodellen een ‘puntige halo’ vormen.
Simulatie van een niet-puntige halo die ontstaat wanneer 45.000 negatieve massa’s (paars) een sterrenstelsel van 5000 positieve massa’s (geel) omringen.
Hossenfelder wijst er echter op dat Farnes in zijn artikel niet uitlegt hoe hij de simulatie heeft verricht. ‘Hij heeft de onderlinge afstoting gewoon gecodeerd op de manier waarop hij zelf denkt dat die zou moeten werken.’
Lading en spin
Er is geen fundamentele natuurwet die het bestaan van negatieve massa verbiedt. Bovendien zou het in overeenstemming zijn met andere deeltjeseigenschappen, zoals lading en spin, die ook negatieve waarden kunnen aannemen. Toch denken maar weinig natuurkundigen dat negatieve massa bestaat – zeker niet op de manier waarop Farnes voorstelt.
Een van de tegenargumenten is dat de onderlinge afstoting ervoor zou zorgen dat de dichtheid van negatieve massa in het heelal steeds lager wordt. Dat zou ertoe leiden dat het heelal steeds langzamer uitdijt. Uit metingen blijkt echter dat die uitdijing juist steeds sneller gaat.
Popcorn
Om dit probleem te tackelen, voert Farnes in zijn theorie naast negatieve massa ook de zogeheten creation tensor in. Dat is een wiskundige truc die ervoor zorgt dat materie spontaan ontstaat. Doordat in Farnes’ heelalmodel voortdurend overal negatieve massa tevoorschijn springt, blijft de dichtheid ervan stabiel, ook al bewegen de deeltjes uit elkaar.
‘De lege ruimtetijd gedraagt zich bijna als popcorn – met steeds meer negatieve massa’s die voortdurend uit het niets ontstaan’, zegt Farnes in de publicatie. ‘Donkere materie en donkere energie zijn dan eenvoudig verklaarbaar als deeltjes met positieve massa die surfen op een zee van negatieve massa’, aldus diezelfde Farnes in een persbericht.
Volgens vakgenoten is de invoering van de creation tensor echter een kunstgreep. ‘Dat is simpelweg een tovertruc waarmee je van alles en nog wat kunt verklaren’, schrijft Hossenfelder.
Vacuüm
Een ander bezwaar is dat Farnes’ artikel een toy model presenteert: een simplistische weergave van de werkelijkheid, waarin lang niet alle relevante processen worden meegenomen. Als deeltjes van negatieve massa bestaan, zouden in het heelal volgens fysicus Sean Caroll voortdurend negatieve én positieve massa’s uit het niets ontstaan. ‘Raad eens hoe snel dat gebeurt: oneindig snel. Dat is niet best’, zegt hij op Twitter.
Ook kosmoloog Daniel Baumann van de Universiteit van Amsterdam noemt deze instabiliteit van het vacuüm de voornaamste reden om sceptisch te zijn over negatieve massa. Volgens Farnes zorgt de magische creation tensor ervoor dat nieuwe deeltjes slechts met mate tevoorschijn springen, maar dat vinden anderen een zwaktebod.
Quasi-negatief
Het laatste argument tegen negatieve massa is dat er nog nooit een spoor van is waargenomen. Niet in het heelal, niet in de deeltjesversnellers op aarde – helemaal nergens. Er zou dus een geheel nieuw deeltje moeten bestaan dat tot nu toe aan alle metingen is ontsnapt. Dat vereist een heleboel gesleutel aan het standaardmodel van de deeltjesfysica.
Farnes dekt zich hiertegen in door te stellen dat negatieve massa mogelijk niet werkelijk bestaat. In plaats daarvan kan een ander onbekend proces in het heelal zich manifesteren als een vloeistof van negatieve massa’s. Natuurkundigen hebben in 2017 nog een dergelijke vloeistof met ‘quasi-negatieve’ massa gemaakt.
De enige manier om Farnes’ gelijk of ongelijk definitief te bewijzen, is met waarnemingen. Het meten van negatieve massa’s die positieve massa’s achtervolgen, zou bijvoorbeeld de theorie ondersteunen. Dergelijke deeltjes kunnen elkaar zo hard voortstuwen dat hun energie boven de theoretische bovengrens uitstijgt. Ze zouden daarom meetbaar zijn als zogeheten Oh-my-God-deeltjes. Negatieve massa is echter niet de enige mogelijke verklaring voor het meten van zulke razendsnelle deeltjes.
Minteken
Ondanks alle moeilijkheden is Farnes positief gestemd over het vinden van negatieve massa. ‘De huidige theorie heeft dertig jaar voorsprong. Maar ik kijk ernaar uit om te zien of deze uitbreiding nauwkeurig overeenkomt met observationeel bewijs. Zo ja, dan heeft het probleem van de ontbrekende 95 procent van de kosmos misschien wel een esthetische oplossing: we waren domweg vergeten een minteken aan de theorie toe te voegen.’
Hossenfelder blijft voorlopig sceptisch. ‘Het is een leuk idee. Net als vele anderen in het veld heb ik er weleens mee gespeeld. Het werkt alleen heel slecht’, schrijft ze. ‘De theorie die Farnes voorstelt, creëert meer problemen dan die oplost. Als je dan toch eigenaardige stoffen met ongebruikelijke bewegingsvergelijkingen invoert, kun je net zo goed vasthouden aan donkere materie en donkere energie.’