Физики предполагают, что вся материя может состоять из энергетических «фрагментов»

Ларри М. Сильверберг

Материя — это то, что составляет Вселенную, но что составляет материю? Этот вопрос долгое время был непростым для тех, кто задумывался над ним, особенно для физиков.

Отражая последние тенденции в физике, мой коллега Джеффри Эйшен и я описали обновленный способ размышления о материи. Мы предполагаем, что материя состоит не из частиц или волн, как считалось долгое время, а, что более фундаментально, материя состоит из фрагментов энергии.

От пяти до одного

Древние греки придумали пять строительных блоков материи — снизу вверх: землю, воду, воздух, огонь и эфир. Эфир был материей, которая заполняла небеса и объясняла вращение звезд, наблюдаемое с точки зрения Земли.

Это были первые самые основные элементы, из которых можно было построить мир. Их представления о физических элементах кардинально не менялись почти 2000 лет.

Затем, около 300 лет назад, Исаак Ньютон представил идею о том, что вся материя существует в точках, называемых частицами. Спустя сто пятьдесят лет после этого Джеймс Клерк Максвелл представил электромагнитную волну — лежащую в основе и часто невидимую форму магнетизма, электричества и света.

Частица служила строительным блоком для механики, а волна для электромагнетизма — и публика остановилась на частице и волне как двух строительных блоках материи. Вместе частицы и волны стали строительными блоками всех видов материи.

Это было значительным улучшением по сравнению с пятью элементами древних греков, но все же было несовершенным. В известной серии экспериментов, известных как эксперименты с двумя щелями, свет иногда действует как частица, а иногда как волна. И хотя теории и математика волн и частиц позволяют ученым делать невероятно точные предсказания о Вселенной, правила нарушаются в самых больших и самых малых масштабах.

Эйнштейн предложил лекарство в своей общей теории относительности. Используя математические инструменты, доступные ему в то время, Эйнштейн смог лучше объяснить определенные физические явления, а также разрешить давний парадокс, связанный с инерцией и гравитацией.

Но вместо того, чтобы улучшить частицы или волны, он исключил их, предложив искривление пространства и времени.

Используя новые математические инструменты, мы с моим коллегой продемонстрировали новую теорию, которая может точно описать Вселенную. Вместо того чтобы основывать теорию на искривлении пространства и времени, мы считали, что может существовать более фундаментальный строительный блок, чем частица и волна.

Ученые понимают, что частицы и волны являются экзистенциальными противоположностями: частица — это источник материи, существующий в одной точке, а волны существуют везде, кроме тех точек, которые их создают.

Мой коллега и я считали логичным наличие между ними глубинной связи.

Поток и фрагменты энергии

Наша теория начинается с новой фундаментальной идеи — что энергия всегда «течет» через области пространства и времени.

Представьте, что энергия состоит из линий, заполняющих область пространства и времени, текущих в эту область и из нее, никогда не начинающихся, никогда не заканчивающихся и никогда не пересекающихся.

Исходя из идеи вселенной текущих энергетических линий, мы искали единый строительный блок для текущей энергии. Если бы мы могли найти и определить такую ​​вещь, мы надеялись, что сможем использовать ее для точного предсказания Вселенной в самых больших и малых масштабах.

Было много строительных блоков, из которых можно было выбрать математически, но мы искали тот, который обладал бы свойствами как частицы, так и волны — концентрировался как частица, но также распространялся в пространстве и времени, как волна.

Ответом на этот вопрос был строительный блок, который выглядит как концентрация энергии — вроде звезды — с максимальной энергией в центре и уменьшающейся по мере удаления от центра.

К нашему большому удивлению, мы обнаружили, что существует лишь ограниченное количество способов описать концентрацию текущей энергии. Из них мы нашли только один, который работает в соответствии с нашим математическим определением потока.

Мы назвали его фрагментом энергии. Для поклонников математики и физики он определяется как A =-⍺/r, где ⍺ — интенсивность, а r — функция расстояния.

Используя фрагмент энергии как строительный блок материи, мы затем построили математику, необходимую для решения физических задач. Последним шагом было проверить это.

Вернемся к Эйнштейну, добавив универсальности

Более 100 лет назад Эйнштейн обратился к двум легендарным проблемам физики, чтобы подтвердить общую теорию относительности: очень незначительное ежегодное смещение — или прецессия — орбиты Меркурия и крошечное искривление света, когда он проходит мимо Солнца.

Эти проблемы находились на двух крайностях в спектре размеров. Ни волновая, ни корпускулярная теории материи не могли их решить, но общая теория относительности решила.

Общая теория относительности искривляла пространство и время таким образом, что траектория Меркурия смещалась, а свет искривлялся точно в тех величинах, которые наблюдаются в астрономических наблюдениях.

Если бы наша новая теория имела шанс заменить частицу и волну предположительно более фундаментальным фрагментом, мы бы также смогли решить эти проблемы с помощью нашей теории.

Для задачи о прецессии Меркурия мы смоделировали Солнце как огромный стационарный фрагмент энергии, а Меркурий — как меньший, но все же огромный, медленно движущийся фрагмент энергии.

Для задачи изгиба света Солнце моделировалось таким же образом, но фотон моделировался как крохотный фрагмент энергии, движущийся со скоростью света.

В обеих задачах мы рассчитали траектории движущихся фрагментов и получили те же ответы, что и предсказания общей теории относительности. Мы были ошеломлены.

Наша первоначальная работа продемонстрировала, как новый строительный блок может точно моделировать тела от огромных до мельчайших. Там, где частицы и волны разрушаются, фрагмент строительного блока энергии остается прочным.

Фрагмент может быть единственным потенциально универсальным строительным блоком, из которого можно будет математически моделировать реальность — и обновить то, что люди думают о строительных блоках Вселенной.

Ларри М. Сильверберг, профессор механической и аэрокосмической инженерии, Государственный университет Северной Каролины.

Эта статья переиздана из The Conversation по лицензии Creative Commons.