La materia è ciò che compone l'universo, ma cosa rende importante? Questa domanda è stata a lungo complicata per coloro che ci pensano, specialmente per i fisici. Riflettendo le recenti tendenze in fisica, io e il mio collega Jeffrey Eischen abbiamo descritto un modo aggiornato di pensare la materia. Proponiamo che la materia non sia fatta di particelle o onde, come si è pensato a lungo, ma, più fondamentalmente, che la materia è fatta di frammenti di energia.

Dalle cinque all'una

Gli antichi greci concepivano cinque elementi costitutivi della materia – dal basso verso l'alto:terra, acqua, aria, fuoco ed etere. L'etere era la materia che riempiva i cieli e spiegava la rotazione delle stelle, come osservato dal punto di vista della Terra. Questi erano i primi elementi basilari da cui si poteva costruire un mondo. Le loro concezioni degli elementi fisici non sono cambiate drasticamente per quasi 2 anni, 000 anni.

Quindi, circa 300 anni fa, Sir Isaac Newton ha introdotto l'idea che tutta la materia esiste in punti chiamati particelle. Centocinquant'anni dopo, James Clerk Maxwell ha introdotto l'onda elettromagnetica - la forma sottostante e spesso invisibile di magnetismo, elettricità e luce. La particella serviva da elemento costitutivo per la meccanica e l'onda per l'elettromagnetismo, e il pubblico si stabilì sulla particella e sull'onda come i due elementi costitutivi della materia. Insieme, le particelle e le onde sono diventate gli elementi costitutivi di tutti i tipi di materia.

Questo è stato un grande miglioramento rispetto ai cinque elementi degli antichi greci, ma era ancora imperfetto. In una famosa serie di esperimenti, noti come esperimenti della doppia fenditura, la luce a volte si comporta come una particella e altre volte come un'onda. E mentre le teorie e la matematica delle onde e delle particelle consentono agli scienziati di fare previsioni incredibilmente accurate sull'universo, le regole si rompono alle scale più grandi e più piccole.

Einstein propose un rimedio nella sua teoria della relatività generale. Utilizzando gli strumenti matematici a sua disposizione in quel momento, Einstein è stato in grado di spiegare meglio alcuni fenomeni fisici e anche di risolvere un antico paradosso relativo all'inerzia e alla gravità. Ma invece di migliorare su particelle o onde, li ha eliminati mentre proponeva la deformazione dello spazio e del tempo.

Utilizzando nuovi strumenti matematici, io e il mio collega abbiamo dimostrato una nuova teoria che può descrivere accuratamente l'universo. Invece di basare la teoria sulla deformazione dello spazio e del tempo, abbiamo considerato che potrebbe esserci un elemento costitutivo più fondamentale della particella e dell'onda. Gli scienziati capiscono che le particelle e le onde sono opposti esistenziali:una particella è una fonte di materia che esiste in un singolo punto, e le onde esistono ovunque tranne che nei punti che le creano. Io e il mio collega pensavamo che fosse logico che ci fosse una connessione di fondo tra loro.

Flusso e frammenti di energia

La nostra teoria inizia con una nuova idea fondamentale:l'energia "fluisce" sempre attraverso regioni dello spazio e del tempo.

Pensa all'energia come composta da linee che riempiono una regione di spazio e tempo, che scorre dentro e fuori quella regione, mai inizio, senza fine e senza mai incrociarsi.

Partendo dall'idea di un universo di linee energetiche fluenti, abbiamo cercato un singolo elemento costitutivo per l'energia che scorre. Se potessimo trovare e definire una cosa del genere, speravamo di poterlo usare per fare previsioni accurate sull'universo alle scale più grandi e più piccole.

C'erano molti elementi costitutivi tra cui scegliere matematicamente, ma ne abbiamo cercato uno che avesse le caratteristiche sia della particella che dell'onda:concentrato come la particella ma anche esteso nello spazio e nel tempo come l'onda. La risposta è stata un blocco costitutivo che sembra una concentrazione di energia, una specie di stella, con un'energia che è più alta al centro e che diventa più piccola più lontano dal centro.

Con nostra grande sorpresa, abbiamo scoperto che c'era solo un numero limitato di modi per descrivere una concentrazione di energia che scorre. Di quelli, ne abbiamo trovato solo uno che funziona in accordo con la nostra definizione matematica di flusso. L'abbiamo chiamato un frammento di energia. Per gli appassionati di matematica e fisica, è definito come A =-⍺/ R dove è l'intensità e R è la funzione distanza.

Usando il frammento di energia come elemento costitutivo della materia, abbiamo quindi costruito la matematica necessaria per risolvere i problemi di fisica. Il passo finale è stato quello di testarlo.

Tornando ad Einstein, aggiungendo universalità

Più di 100 fa, Einstein si era rivolto a due problemi leggendari della fisica per convalidare la relatività generale:lo spostamento annuale, o precessione, sempre così leggero nell'orbita di Mercurio, e la minuscola curvatura della luce mentre passa davanti al Sole.

Questi problemi erano ai due estremi dello spettro dimensionale. Né le teorie delle onde né delle particelle della materia potrebbero risolverli, ma la relatività generale sì. La teoria della relatività generale ha deformato lo spazio e il tempo in modo tale da far sì che la traiettoria di Mercurio si spostasse e la luce si piegasse esattamente nelle quantità osservate nelle osservazioni astronomiche.

Se la nostra nuova teoria avesse la possibilità di sostituire la particella e l'onda con il frammento presumibilmente più fondamentale, dovremmo essere in grado di risolvere questi problemi con la nostra teoria, pure.

Per il problema della precessione di Mercurio, abbiamo modellato il Sole come un enorme frammento stazionario di energia e Mercurio come un frammento di energia più piccolo ma comunque enorme che si muove lentamente. Per il problema della flessione della luce, il Sole è stato modellato allo stesso modo, ma il fotone è stato modellato come un minuscolo frammento di energia che si muove alla velocità della luce. In entrambi i problemi, abbiamo calcolato le traiettorie dei frammenti in movimento e abbiamo ottenuto le stesse risposte previste dalla teoria della relatività generale. Siamo rimasti sbalorditi.

Il nostro lavoro iniziale ha dimostrato come un nuovo elemento costitutivo sia in grado di modellare accuratamente i corpi dall'enorme al minuscolo. Dove le particelle e le onde si rompono, il frammento dell'elemento costitutivo dell'energia si è mantenuto forte. Il frammento potrebbe essere un singolo elemento costitutivo potenzialmente universale da cui modellare matematicamente la realtà e aggiornare il modo in cui le persone pensano agli elementi costitutivi dell'universo.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.