De 17e-eeuwse astronoom Johannes Kepler mijmerde als eerste over de structuur van sneeuwvlokken. Waarom zijn ze zo symmetrisch? Hoe weet de ene kant hoe lang de andere kant is gegroeid? Kepler dacht dat het allemaal neerkwam op wat we nu een "morfogeen veld" zouden noemen - dat dingen wil om de vorm te hebben die ze hebben. De wetenschap heeft dit idee sindsdien verworpen. Maar de vraag waarom sneeuwvlokken en soortgelijke structuren zo symmetrisch zijn, wordt niettemin niet helemaal begrepen.

De moderne wetenschap laat zien hoe fundamenteel de vraag is:kijk naar alle spiraalstelsels die er zijn. Ze kunnen een half miljoen lichtjaar in doorsnede zijn, maar ze behouden nog steeds hun symmetrie. Hoe? In onze nieuwe studie gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , we geven een toelichting.

We hebben aangetoond dat informatie en 'entropie' - een maat voor de wanorde van een systeem - met elkaar verbonden zijn ("info-entropie") op een manier die precies analoog is aan elektrische en magnetische velden ("elektromagnetisme"). Elektrische stromen produceren magnetische velden, terwijl veranderende magnetische velden elektrische stromen produceren. Informatie en entropie beïnvloeden elkaar op dezelfde manier.

Entropie is een fundamenteel concept in de natuurkunde. Bijvoorbeeld, omdat entropie nooit kan afnemen (wanorde neemt altijd toe) kun je van een ei roerei maken, maar niet andersom. Als u informatie verplaatst, moet u ook de entropie verhogen - een telefoongesprek heeft entropiekosten.

We hebben laten zien dat entropie en informatie als een veld kunnen worden behandeld en dat ze gerelateerd zijn aan geometrie. Denk aan de twee strengen van de dubbele DNA-helix die om elkaar heen kronkelen. Lichtgolven hebben dezelfde structuur, waarbij de twee strengen de elektrische en magnetische velden zijn. We hebben wiskundig laten zien dat de relatie tussen informatie en entropie kan worden gevisualiseerd met dezelfde geometrie.

We wilden zien of onze theorie dingen in de echte wereld kon voorspellen, en besloot te proberen te berekenen hoeveel energie je nodig hebt om de ene vorm van DNA in de andere om te zetten. DNA is immers een spiraal en een vorm van informatie.

Dit gebeurde zo'n 16 jaar geleden in buitengewoon nauwkeurige metingen. De onderzoekers trokken een DNA-molecuul recht (DNA krult graag op), en verdraaide het 4, 800 draaien terwijl je de uiteinden vasthoudt met een optisch pincet. Het DNA ging van de ene vorm naar de andere, zoals op de foto hierboven. De onderzoekers konden dan het energieverschil tussen de twee vormen berekenen.

Maar onze theorie zou dit energieverschil kunnen berekenen, te. We kenden de entropie van elk van de twee versies van dit DNA-molecuul, en de energie is gewoon het product van entropie en temperatuur. Ons resultaat was perfect - de theorie leek stand te houden.

Van klein tot enorm

Spiraalstelsels zijn dubbele spiralen, net zoals DNA een dubbele helix is ​​- wiskundig gezien hebben ze vergelijkbare geometrieën.

Onze theorie laat direct zien waarom de twee armen van de spiraalvormige sterrenstelsels symmetrisch zijn - het is omdat info-entropievelden aanleiding geven tot krachten (zoals andere velden). De sterren in de melkweg worden eenvoudig gechoreografeerd door een entropische kracht om in een paar van dergelijke spiralen te komen om de entropie te maximaliseren.

Maar we wilden wat echte cijfers krijgen, te. We hebben daarom besloten om te proberen de massa van ons sterrenstelsel uit onze theorie te berekenen. We weten hoe zwaar de Melkweg lijkt te zijn door de snelheid waarmee de sterren in de buurt van de galactische rand bewegen - het is ongeveer 1,3 biljoen zonmassa's.

Vreemd, dit is eigenlijk veel meer dan de massa van alle zichtbare sterren in de melkweg. Om deze discrepantie te kunnen verklaren en te verklaren waarom sterren zo veel sneller bewegen dan verwacht, astronomen kwamen op het idee van 'donkere materie' - ongeziene massa die op de loer ligt in de melkweg, toenemende aantrekkingskracht op de sterren.

We moesten de entropie van de melkweg weten voor onze berekeningen. Gelukkig, de wiskundige fysicus Roger Penrose toonde aan dat deze entropie wordt gedomineerd door de entropie van zijn centrale superzware zwarte gat.

We kennen de massa van dit zwarte gat (4,3 m zonmassa's). En verbazingwekkend, als je de massa van een zwart gat kent, er is een vergelijking, ontdekt door wijlen natuurkundige Stephen Hawking, die zijn entropie berekent. Hawking ontdekte ook hoe hij de "temperatuur" aan het oppervlak kon berekenen, of "gebeurtenishorizon".

Als je een "temperatuur" kunt toewijzen aan de gebeurtenishorizon van het zwarte gat - die niets bevat om temperatuur te hebben - waarom zou je dan niet ook een temperatuur aan een sterrenstelsel toewijzen? We stellen in ons artikel dat dit redelijk is (met behulp van wat bekend staat als het "holografische principe"). Dus gebruikten we onze info-entropievergelijkingen om de holografische temperatuur van de melkweg te berekenen.

Dan wordt het makkelijk. We weten dat de galactische energie wordt gegeven door het product van zijn entropie en temperatuur. En als we de energie kennen, kunnen we de massa achterhalen dankzij de beroemde vergelijking van Einstein:E=mc ² .

Dit keer was het resultaat niet helemaal perfect, maar het was redelijk dichtbij gezien ons sterk vereenvoudigde model van de melkweg. De info-entropische geometrie van een melkwegstelsel verklaart niet alleen hoe entropische krachten de prachtig symmetrische vorm creëren en behouden, maar is ook goed voor alle massa die erin blijkt te zijn.

Dit betekent dat we eigenlijk geen donkere materie nodig hebben. Volgens ons model, de galactische entropie veroorzaakt zo'n grote hoeveelheid extra energie dat het de waargenomen dynamiek van de melkweg wijzigt, waardoor sterren aan de rand sneller bewegen dan verwacht. Dit is precies wat donkere materie moest verklaren. De energie is niet direct waarneembaar als massa, maar zijn aanwezigheid wordt zeker ondersteund door de astronomische waarnemingen - die verklaren waarom zoekopdrachten naar donkere materie tot nu toe niets hebben gevonden.

Er is echter veel onderzoek dat het idee van donkere materie ondersteunt. Onze theorie suggereert een alternatieve verklaring voor de waarnemingen, en heeft geen nieuwe fysica nodig. Natuurlijk, meer gedetailleerd werk is nodig om te verifiëren dat de ware complexiteit van de waarnemingen ook met succes kan worden gemodelleerd.

We denken dat het 'morfogene veld' waar Kepler naar op zoek was, echt bestaat, en is eigenlijk het effect van de verstrengeling van informatie en entropie. Na vier lange eeuwen, het lijkt erop dat Kepler eindelijk in het gelijk is gesteld.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.