Fragmentele de energie, nu undele sau particulele, ar putea fi elementele fundamentale ale universului

Materia este ceea ce alcătuiește universul, dar din ce este formată materia?

Această întrebare a fost de multă vreme o provocare dificilă pentru toţi cei care se gândesc la ea, în special pentru fizicieni.

Reflectând la tendințele recente din fizică, împreună cu colegul meu Jeffrey Eischen am descris un alt mod de a ne gândi la materie.

Noi propunem că materia nu este formată din particule sau unde, așa cum se crede în mod obişnuit, ci din fragmente de energie.

În Antichitate se credea că materia este formată din cinci elemente de bază. Credit: IkonStudio/iStock via Getty Images

De la cinci la unu

Vechii greci au conceput cinci blocuri ale materiei: pământ, apă, aer, foc și eter. Eterul a fost considerat materia care a umple cerurile și care explică rotația stelelor, așa cum a fost observată de pe Pământ. Acestea au fost primele elemente de bază din care s-ar putea construi universul. Aceste concepții despre elementele fizice nu s-au schimbat semnificativ timp de aproape 2.000 de ani.

Ulterior, acum aproximativ 300 de ani, Sir Isaac Newton a introdus ideea că toată materia este formată din particule. După 150 de ani, James Clerk Maxwell a introdus noţiunea de undă electromagnetică, forma subiacentă și adesea invizibilă de magnetism, electricitate și lumină.

Isaac Newton a introdus teoria particulelor. Credit: Christopher Terrell, CC BY-ND

Particulă a servit ca element de construcție pentru mecanică și unda pentru electromagnetism, acestea fiind considerate cele două elemente de bază ale materiei. Împreună, particulele și undele au devenit elementele constitutive ale tuturor tipurilor de materie.

Acesta a fost un progres evident față de cele cinci elemente ale grecilor antici, dar nu a fost suficient. Într-o serie celebră de experimente, cunoscute sub numele de experimentele cu dublă fantă, s-a dovedit că lumina acționează uneori ca o particulă și alteori ca o undă.

Deşi teoriile și matematica undelor și particulelor le permit oamenilor de știință să facă predicții incredibil de precise despre univers, regulile acestora nu se pot aplica la cele mai mari și cele mai mici scări dimensionale ale universului.

Einstein a propus un remediu în teoria sa a relativității generale. Folosind instrumentele matematice de care dispunea la acea vreme, Einstein a reușit să explice mai bine anumite fenomene fizice și, de asemenea, să rezolve un paradox de lungă durată legat de inerție și gravitație. Dar, în loc să se bazeze pe particule sau unde, Einstein le-a eliminat propunând în schimb deformarea spațiului și a timpului.

Folosind instrumente matematice mai noi, împreună cu colegul meu am demonstrat o nouă teorie care poate descrie cu exactitate universul. În loc să ne bazăm teoria pe deformarea spațiului și a timpului, am considerat că ar putea exista un bloc care este mai fundamental decât particula sau unda.

Oamenii de știință au înțeles că particulele și undele sunt fundamental opuse: o particulă este o sursă de materie care există într-un singur punct, iar undele există peste tot, cu excepția punctelor pe care le creează. Am crezut că este logic să existe o legătură între ele.

Un nou element de construcție al materiei poate modela cele mai mari şi cele mai mici lucruri fin Univers, de la stele la fotoni. Credit: Christopher Terrell, CC BY-ND

Flux și fragmente de energie

Teoria noastră începe cu o nouă idee fundamentală, aceea ca energia „curge” întotdeauna prin regiuni ale spațiului și timpului.

Gândiți-vă la energie ca fiind alcătuită din linii care umplu o regiune de spațiu și timp, care curg în și din acea regiune, care nu încep şi nu se termină niciodată și care nu se intersectează niciodată.

Lucrând la ideea unui univers format din linii de energie, am căutat un singur bloc de construcție pentru energia care curge. Dacă am putea găsi și defini un astfel de lucru, atunci putem spera să-l folosim pentru a face cu precizie predicții despre univers la cele mai mari și mai mici scări dimensionale.

Deşi există, din punct de vedere matematic, multe elemente de construcție din care putem alege, am căutat unul care să aibă caracteristicile atât ale particulei, cât și ale undei, fiind concentrat ca particula, dar, de asemenea, răspândit în spațiu și timp ca unda.

Răspunsul a fost un bloc de construcție care arată ca o concentrare de energie, cam ca o stea, având cea mai mare energie în centru și a cărui energie devine tot mai mică mai departe de centru.

Spre surprinderea noastră, am descoperit că există doar un număr limitat de moduri de a descrie o astfel de concentrare de energie care curge. Dintre acestea, am găsit doar unul care funcționează în conformitate cu definiția noastră matematică a fluxului. L-am numit un fragment de energie.

Pentru pasionații de matematică și fizică, acesta este definit ca A = -a/r unde a este intensitate și r este distanța.

Folosind fragmentul de energie ca element de construcție al materiei, am construit apoi matematica necesară pentru rezolvarea problemelor de fizică. Ultimul pas a fost testarea acestuia.

Înapoi la Einstein, adăugând universalitate

Cu mai mult de 100 de ani în urmă, Einstein s-a orientat către două probleme legendare din fizică pentru a valida relativitatea generală: precesia periheliului orbitei lui Mercur și devierea razelor de lumină la trecerea prin apropierea Soarelui.

Relativitatea generală a fost prima teorie care a prezis, cu precizie, ușoara rotație a orbitei lui Mercur. Credit: Rainer Zenz, Wikimedia Commons

Aceste probleme se aflau la cele două extreme ale scărilor dimensionale. Teoriile undelor sau ale particulelor despre materie nu le-au putut rezolva, dar relativitatea generală a reuşit.

Deformarea spațiului și timpului, conform teoriei relativității generale, are loc astfel încât să determine deplasarea traiectoriei lui Mercur şi devierea luminii conform observațiilor astronomice.

Dacă noua noastră teorie poate înlocui particula și unda cu fragmentul de energie, care este probabil mai fundamental, atunci ar trebui să putem rezolva aceste probleme și cu teoria noastră.

Fragmentele de energie – elementele fundamentale ale universului. Credit: zf L/Moment via Getty Images

Pentru problema precesiei periheliului lui Mercur, am modelat Soarele ca un fragment staționar enorm de energie și Mercur ca un fragment de energie mai mic, dar încă enorm, având o mișcare lentă.

Pentru problema devierii luminii, Soarele a fost modelat în același mod, dar fotonul a fost modelat ca un fragment minuscul de energie care se mișcă cu viteza luminii.

În ambele probleme, am calculat traiectoriile fragmentelor în mișcare și am obținut aceleași răspunsuri ca cele prezise de teoria relativității generale. Am rămas uimiți.

Studiul nostru a demonstrat cum un nou bloc de construcție al materiei poate modela, cu precizie, corpurile de la cele mai mari până la cele mai mici. Acolo unde particulele și undele nu se mai pot aplica, fragmentul de energie rămâne valabil.

Fragmentul de energie ar putea fi singurul element fundamental de construcție al universului cu ajutorul căruia putem modela matematic realitatea şi care ar putea schimba concepţia actuală privind elementele de bază ale universului.

Traducere după Fragments of energy – not waves or particles – may be the fundamental building blocks of the universe