Pe
Noua matematică a arătat că liniile electrice pot fi folosite pentru a descrie universul.
Materia este ceea ce alcătuiește universul, dar ceea ce alcătuiește materia? Această întrebare a fost mult timp complicată pentru cei care se gândesc la asta, în special pentru fizicieni. Reflectând tendințele recente ale fizicii, colegul meu Jeffrey Eischen și cu mine am descris un mod actual de a gândi subiectul. Propunem că materia nu este formată din particule sau unde, așa cum s-a crezut mult timp, dar, mai fundamental, această materie este alcătuită din fragmente de energie.
În antichitate, cinci elemente erau considerate a fi componentele de bază ale realității.
De la cinci la unu
Vechii greci au conceput cinci blocuri de materie, de jos în sus: pământ, apă, aer, foc și eter. Eterul a fost materia care a umplut cerul și a explicat rotația stelelor, așa cum se vede din punctul de vedere al Pământului. Acestea au fost primele elemente de bază din care s-a putut construi o lume. Concepțiile sale despre elementele fizice nu s-au schimbat drastic timp de aproape 2.000 de ani.
Sir Issac Newton, creditat cu dezvoltarea teoriei particulelor. Credit: Christopher Terrell, CC BY-ND
Apoi, acum aproximativ 300 de ani, Sir Isaac Newton a introdus ideea că toată materia există în puncte numite particule. O sută cincizeci de ani mai târziu, James Clerk Maxwell a introdus unda electromagnetică, forma subiacentă și adesea invizibilă de magnetism, electricitate și lumină. Particula a servit ca element de bază pentru mecanică și undă pentru electromagnetism, iar publicul a privit particula și unda ca două blocuri de materie. Împreună, particulele și undele au devenit componentele de bază ale tuturor tipurilor de materie.
Acest lucru a însemnat o mare îmbunătățire față de cele cinci elemente ale vechilor greci, dar a fost încă defect. Într-o serie celebră de experimente, cunoscute sub numele de experimente cu dublă fantă, lumina acționează uneori ca o particulă, iar altele acționează ca o undă. Și în timp ce teoriile undelor și particulelor și matematica permit oamenilor de știință să facă predicții incredibil de exacte despre univers, regulile se descompun la cele mai mari și mai mici scale.
Einstein a propus un remediu în teoria sa relativității generale. Folosind instrumentele matematice pe care le avea 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 îmbunătățească particulele sau undele, le-a îndepărtat în timp ce propunea deformarea spațiului și a timpului.
Folosind instrumente matematice mai noi, partenerul meu și cu mine 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 de construcție mai fundamental decât particula și unda. Oamenii de știință înțeleg că particulele și undele sunt opuse existențiale: o particulă este o sursă de materie care există într-un singur punct și unde există peste tot, cu excepția punctelor care le creează. Eu și partenerul meu am crezut că este logic să existe o legătură subiacentă între ei.
Un nou bloc de materii poate modela lucrurile din ce în ce mai mici, de la stele la lumină. Credit: Christopher Terrell, CC BY-ND
Fluxul de energie și fragmente
Teoria noastră începe cu o nouă idee fundamentală: energia „curge” întotdeauna prin regiuni de spațiu și timp.
Gândiți-vă la energia formată din linii care umple o regiune de spațiu și timp, care curg în și din acea regiune, care nu încep niciodată, nu se termină niciodată și nu traversează niciodată.
Plecând de la ideea unui univers de linii electrice curgătoare, am căutat un bloc de bază pentru curgerea energiei. Dacă am putea găsi și defini un astfel de lucru, am sperat să îl putem folosi pentru a face predicții exacte despre univers la cele mai mari și mai mici scale.
Au existat multe blocuri de bază de ales matematic, dar am căutat unul care să aibă caracteristicile particulei și ale undei, concentrate ca particulele, dar care să se extindă și prin spațiu și timp, ca unda. Răspunsul a fost un bloc de construcție care arată ca o concentrație de energie, ca o stea, care are o energie mai mare în centru și devine mai mică mai departe de centru.
Spre surprinderea noastră, am descoperit că există doar un număr limitat de moduri de a descrie o concentrație de energie care curge. Dintre acestea, am găsit doar unul care funcționează conform definiției noastre matematice a fluxului. Am numit-o un fragment de energie. Pentru pasionații de matematică și fizică, este definit ca A = -⍺ /r unde ⍺ este intensitatea i r este funcția de distanță.
Folosind fragmentul energetic ca element de bază al materiei, am construit matematica necesară pentru rezolvarea problemelor de fizică. Ultimul pas a fost să-l încerc.
Ne întoarcem la Einstein, adăugând universalitate
Cu mai bine de 100 de ani în urmă, Einstein a recurs la două probleme legendare în fizică pentru a valida relativitatea generală: o astfel de ușoară modificare anuală (sau precesiune) în orbita lui Mercur și inflexiunea mică a luminii pe măsură ce Soarele a trecut.
Relativitatea generală a fost prima teorie care a prezis cu precizie ușoara rotație a orbitei lui Mercur. Credit: Rainer Zenz prin Wikimedia Commons
Aceste probleme erau la ambele capete ale spectrului de dimensiuni. Nici teoriile undelor, nici particulele de materie nu le-au putut rezolva, dar relativitatea generală a făcut-o. Teoria relativității generale a distorsionat spațiul și timpul în așa fel încât a determinat deplasarea traiectoriei lui Mercur și lumina să se îndoaie exact în cantitățile observate în observațiile astronomice.
Dacă noua noastră teorie a avut ocazia să înlocuiască particula și unda cu fragmentul probabil mai fundamental, ar trebui să putem rezolva aceste probleme cu teoria noastră.
Pentru problema precesiunii cu Mercur, am modelat Soarele ca un imens fragment staționar de energie și Mercur ca un fragment mai mic, dar încă imens de energie. Pentru problema îndoirii luminii, Soarele a fost modelat în același mod, dar fotonul a fost modelat ca un mic fragment de energie care se mișca cu viteza luminii. În ambele probleme, am calculat traiectoriile fragmentelor în mișcare și am obținut aceleași răspunsuri ca și cele prezise de teoria relativității generale. Am fost uimiți.
Munca noastră inițială a demonstrat cum un nou bloc de construcție este capabil să modeleze cu precizie corpurile de la uriaș la mic. Acolo unde particulele și undele se descompun, fragmentul blocului energetic a rămas puternic. Fragmentul ar putea fi un element de construcție potențial universal din care să se modifice matematic realitatea și să se actualizeze modul de gândire al oamenilor despre elementele de bază ale universului.
Scris de Larry M. Silverberg, profesor de inginerie mecanică și aerospațială, Universitatea de Stat din Carolina de Nord.