Can nonlocal gravity really explain dark energy?

Stel je het universum voor als een gigantische, kosmische film. Decennia lang zijn natuurkundigen de regisseurs geweest, waarbij ze een script genaamd de Algemene Relativiteitstheorie gebruiken om uit te leggen hoe zwaartekracht werkt. Dit script is een meesterwerk; het voorspelt perfect hoe planeten rond sterren draaien en hoe licht buigt rond zwarte gaten. Maar wanneer de regisseurs probeerden de volledige geschiedenis van het universum te filmen, begon het script te haperen. In het allereerste begin (het "ultraviolette" of hoogenergetische regime) loopt de wiskunde vast en explodeert het. Maar het grotere mysterie vindt nu plaats, in het "infrarode" of laagenergetische regime. We weten dat het universum niet zoma vanzelf voortkabbelt; het versnelt, het dijt steeds sneller uit. Om dit uit te leggen, voegt het standaardscript een mysterieus personage toe genaamd "Donkere Energie", die fungeert als een kosmische anti-zwaartekrachtkracht. Echter, dit personage is een beetje een placeholder. We weten niet wat het is, en wanneer we proberen de waarde ervan te berekenen met behulp van kwantumfysica, wijken de getallen met een verbijsterende 120 nullen af. Het is alsof je probeert een kasboek in balans te brengen en ontdekt dat je een verschil hebt ter grootte van een heel sterrenstelsel.

Daarom vragen wetenschappers zich af: is Donkere Energie een echt substantie, of mist ons script voor de zwaartekracht gewoon een paar pagina's? Hier komt het werk van Salvatore Capozziello, Anupam Mazumdar en Giuseppe Meluccio om de hoek kijken. Zij verkennen een radicaal idee: wat als zwaartekracht niet alleen gaat over wat er hier en nu gebeurt, maar ook wordt beïnvloed door wat er daar en toen gebeurde? In de natuurkunde denken we meestal dat zwaartekracht een lokale interactie is—zoals een magneet die een paperclip vlak naast zich aantrekt. Maar "niet-lokale" zwaartekracht suggereert dat de gravitationele aantrekkingskracht op één punt in de ruimte ook wordt beïloed door de geschiedenis van het universum op andere momenten. Denk aan een gesprek waarbij je huidige zin niet alleen gevormd wordt door wat je vriend nú zegt, maar door alles wat hij gisteren, vorige week en vorig jaar zei. De auteurs stellen voor dat deze "echo's" uit het verleden de werkelijke reden kunnen zijn voor de versnelling van het universum, wat potentieel de noodzaak voor een mysterieuze substantie als Donkere Energie wegneemt.

Het verhaal van het artikel: Zwaartekracht met een geheugen

In hun artikel, getiteld "Can nonlocal gravity really explain dark energy?", onderzoeken de auteurs een specifieke versie van dit idee, genaamd Infinite Derivative Gravity. In plaats van een nieuw ingrediënt zoals Donkere Energie toe te voegen aan de kosmische soep, passen ze het recept voor de zwaartekracht zelf aan. Ze suggereren dat zwaartekracht op zeer lage energieën (de schaal van het hele universum) een "geheugen" heeft. Het reageert niet alleen op de materie die er direct voor staat; het integreert informatie uit de volledia geschiedenis van de expansie van het universum.

Om dit te testen, bouwde het team een wiskundig model van het universum dat deze niet-lokale effecten bevat. Ze gokten niet zomaar; ze leidden complexe vergelijkingen af die beschrijven hoe het universum zou evolueren als de zwaartekracht inderdaad dit langetermijngeheugen zou hebben. De wiskunde was ongelooflijk lastig en omvatte oneindige sommen en integralen die normaal gesproken een nachtmerrie zijn om op te lossen. Om dit te omzeilen, ontwikkelden de auteurs een slimme techniek. Ze "lokaliseerden" het probleem in feite, waardoor die oneindige, geschiedenis-omarmende vergelijkingen werden omgezet in een simpelere vorm die opgelost kon worden, vergelijkbaar met het omzetten van een complex, meerlagig recept voor een taart in een hanteerbare set instructies.

Wat hebben ze gevonden?
De resultaten zijn fascinerend. Wanneer ze hun model draaiden, ontdekten ze dat de niet-lokale gravitationele effecten op het juiste moment in de geschiedenis van het universum van kracht worden. Gedurende miljarden jaren gedroeg het universum zich precies zoals de standaard zwaartekracht voorspelt, waarbij materie de expansie vertraagde. Maar toen het universum ouder en koeler werd, werden de niet-lokale "geheugeneffecten" dominant. Plotseling begon de expansie te versnellen, precies zoals we vandaag de dag observeren.

Cruciaal is dat deze versnelling plaatsvond zonder een kosmologische constante (de standaard "Donkere Energie" placeholder) of nieuwe scalaire velden te introduceren. De versnelling ontstond puur uit de manier waarop de zwaartekracht over kosmische tijd met zichzelf interageert. De auteurs suggereren dat dit mechanisme de werkelijke drijfveer kan zijn van de huidige versnelling van het universum.

Een wending in de zwaartekracht:
Een van de meest speelse en verrassende voorspellingen van hun model is dat de sterkte van de zwaartekracht zelf zou kunnen veranderen. In ons huidige tijdperk suggereert het model dat de "effectieve" gravitatieconstante—het getal dat aangeeft hoe sterk de zwaartekracht is—afgenomen is. Specifiek berekenen de auteurs dat de zwaartekracht momenteel ongeveer 82% zo sterk is als in het verleden (een reductie van $G$ naar $G/1.22$). Je kunt dit zien als de "lijm" van het universum die iets zwakker wordt, waardoor het kosmische weefsel zich sneller kan uitstrekken. Dit is geen fout; het is een kenmerk. Het verzwakken van de zwaartekracht werkt als een afstotende kracht, wat de effecten van Donkere Energie nabootst.

Hoe zeker zijn ze?
De auteurs zijn voorzichtig met het claimen dat ze het grootste mysterie van het universum hebben opgelost. Ze beschrijven hun bevindingen als een "toy model" dat aantoont dat het mogelijk is voor niet-lokale zwaartekracht om donkere energie te verklaren. Ze wijzen erop dat hun oplossing rust op bepaalde benaderingen en dat de wiskundige coëfficiënten in hun oneindige reeks nog steeds enigszins een mysterie zijn. Ze argumenteren echter dat het model consistent is met waarnemingen en een overtuigend alternatief biedt voor de standaardvisie. Ze merken ook op dat deze benadering mooi aansluit bij een andere beroemde theorie genaamd Starobinsky-zwaartekracht, die wordt gebruikt om de razendsnelle expansie van het zeer vroege universum (inflatie) te verklaren. Dit suggereert dat niet-lokale zwaartekracht de sleutel kan zijn tot het verenigen van het verhaal van de oerknal en het verhaal van het huidige versnellende universum.

Wat nu?
Het artikel suggereert dat we deze ideeën wellicht kunnen testen. Als de zwaartekracht echt zwakker wordt, zouden we subtiele veranderingen kunnen zien in hoe planeten draaien of hoe licht over enorme afstanden reist. Toekomstige missies zoals de Euclid-telescoop of gegevens van het Lunar Laser Ranging-experiment zouden deze kleine afwijkingen potentieel kunnen opsporen. De auteurs concluderen dat, hoewel we het nog niet zeker weten, het idee dat de zwaartekracht een geheugen heeft een krachtig en efficiënt mechanisme is dat eindelijk kan verklaren waarom het universum versnelt, zonder dat daarvoor een mysterieus nieuwe substantie nodig is. Het is een herinnering aan het feit dat de oplossing voor de grootste problemen van het universum soms niet een nieuw ingrediënt is, maar een beter begrip van de oude ingrediënten.