Fragmenty energii mogą być podstawowym budulcem wszechświata

To materia tworzy wszechświat, ale z czego składa się materia? To pytanie od dawna jest trudne dla tych, którzy o tym myślą – zwłaszcza dla fizyków. Odzwierciedlając najnowsze trendy w fizyce, proponuje się, aby materia nie była zbudowana z cząstek lub fal, jak od dawna sądzono, ale – bardziej zasadniczo – że materia składa się z fragmentów energii.

Od pięciu do jednego

Starożytni Grecy wymyślili pięć cegiełek materii – od dołu do góry: ziemi, wody, powietrza, ognia i eteru. Eter był materią, która wypełniała niebiosa i wyjaśniała rotację gwiazd obserwowaną z punktu obserwacyjnego Ziemi. To były pierwsze najbardziej podstawowe elementy, z których można było zbudować świat. Ich koncepcje elementów fizycznych nie zmieniły się dramatycznie przez prawie 2000 lat.

Następnie, około 300 lat temu, Sir Isaac Newton przedstawił ideę, że cała materia istnieje w punktach zwanych cząstkami. Sto pięćdziesiąt lat później James Clerk Maxwell wprowadził falę elektromagnetyczną – podstawową i często niewidoczną formę magnetyzmu, elektryczności i światła. Cząstka posłużyła jako budulec dla mechaniki i fala dla elektromagnetyzmu – a społeczeństwo zdecydowało się na cząstkę i falę jako dwa elementy budulcowe materii. Razem cząsteczki i fale stały się budulcem wszelkiego rodzaju materii.

To była ogromna poprawa w stosunku do pięciu elementów starożytnych Greków, ale nadal była wadliwa. W słynnej serii eksperymentów, znanych jako eksperymenty z podwójną szczeliną, światło czasami zachowuje się jak cząstka, a innym razem jak fala. I chociaż teorie i matematyka fal i cząstek pozwalają naukowcom na dokonywanie niewiarygodnie dokładnych przewidywań dotyczących wszechświata, zasady rozpadają się w największych i najmniejszych skalach.

Einstein zaproponował remedium w swojej ogólnej teorii względności. Korzystając z dostępnych wówczas narzędzi matematycznych, Einstein był w stanie lepiej wyjaśnić pewne zjawiska fizyczne, a także rozwiązać istniejący od dawna paradoks związany z bezwładnością i grawitacją. Ale zamiast ulepszać cząstki lub fale, wyeliminował je, proponując wypaczenie przestrzeni i czasu.

Korzystając z nowszych narzędzi matematycznych, nowa teoria może dokładnie opisać wszechświat. Zamiast opierać teorię na wypaczaniu przestrzeni i czasu, uznano, że może istnieć element budulcowy, który jest bardziej fundamentalny niż cząstka i fala. Naukowcy rozumieją, że cząstki i fale są egzystencjalnymi przeciwieństwami: cząstka jest źródłem materii, która istnieje w jednym punkcie, a fale istnieją wszędzie, z wyjątkiem tych, które je tworzą. Mój kolega i ja uważaliśmy, że logicznie uzasadnione jest istnienie między nimi podstawowego związku.

Przepływ i fragmenty energii

Teoria zaczyna się od nowej fundamentalnej idei – że energia zawsze „przepływa” przez regiony czasu i przestrzeni.

Pomyśl o energii jako o liniach, które wypełniają obszar czasu i przestrzeni, wpływając do tego regionu i wypływając z niego, nigdy się nie rozpoczynając, nigdy nie kończąc i nigdy się nie przecinając.

Opierając się na idei wszechświata płynących linii energii, szukano pojedynczego elementu budulcowego dla przepływającej energii. Gdyby można znaleźć i zdefiniować coś takiego, byłaby nadzieja, że można by tego użyć do dokładnego prognozowania wszechświata w największych i najmniejszych skalach.

Było wiele elementów do wyboru matematycznego, ale szukano takiego, który miałby cechy zarówno cząstki, jak i fali – skoncentrowany jak cząstka, ale także rozłożony w przestrzeni i czasie jak fala. Odpowiedzią była cegiełka, która wygląda jak koncentracja energii – coś w rodzaju gwiazdy – posiadająca energię, która jest najwyższa w centrum i maleje dalej od centrum.

Ku zdziwieniu naukowców odkryto, że istnieje tylko ograniczona liczba sposobów opisania koncentracji przepływającej energii. Spośród nich naukowcy znaleźli tylko taki, który działa zgodnie z naszą matematyczną definicją przepływu. Nazwali go fragmentem energii. Dla miłośników matematyki i fizyki definiuje się go jako A = -⍺ / r, gdzie ⍺ jest intensywnością, a r jest funkcją odległości.

Używając fragmentu energii jako budulca materii, naukowcy stworzyli matematykę niezbędną do rozwiązania problemów fizycznych. Ostatnim krokiem było przetestowanie tego.

Wracając do Einsteina, dodając uniwersalność

Ponad 100 lat temu Einstein zwrócił się ku dwóm legendarnym problemom w fizyce, aby zweryfikować ogólną teorię względności: bardzo nieznaczne coroczne przesunięcie – lub precesja – na orbicie Merkurego i niewielkie załamanie światła, gdy przechodzi przez Słońce.

Problemy te znajdowały się na dwóch krańcach spektrum rozmiarów. Ani falowe, ani cząstkowe teorie materii nie mogły ich rozwiązać, ale ogólna teoria względności tak. Teoria ogólnej teorii względności wypaczyła przestrzeń i czas w taki sposób, że trajektoria Merkurego uległa przesunięciu, a światło zgięło się dokładnie w ilościach obserwowanych w obserwacjach astronomicznych.

Gdyby nowa teoria miała mieć szansę na zastąpienie cząstki i fali przypuszczalnie bardziej fundamentalnym fragmentem, musieliby być w stanie rozwiązać te problemy również za pomocą nowej teorii.

W przypadku problemu precesji Merkurego modelowano Słońce jako ogromny stacjonarny fragment energii, a Merkury jako mniejszy, ale nadal ogromny, wolno poruszający się fragment energii. W przypadku problemu zginania światła Słońce modelowano w ten sam sposób, ale foton był modelowany jako maleńki fragment energii poruszający się z prędkością światła. W obu zadaniach obliczono trajektoria poruszających się fragmentów i otrzymywano takie same odpowiedzi, jak te przewidywane przez teorię ogólnej teorii względności. Naukowcy byli oszołomieni.

Nasza wstępna praca pokazała, jak nowy element konstrukcyjny jest w stanie dokładnie modelować ciała od ogromnych do maleńkich. Tam, gdzie rozpadają się cząsteczki i fale, fragment bloku energetycznego był mocny. Fragment mógłby być pojedynczym, potencjalnie uniwersalnym blokiem konstrukcyjnym, z którego można by matematycznie modelować rzeczywistość – i aktualizować sposób, w jaki ludzie myślą o elementach budulcowych wszechświata.

Źródła: Larry M. Silverberg

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

Zdjęcia: zf L via Getty Images

Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x