Fragmenter af energi - ikke bølger eller partikler - kan være universets grundlæggende byggesten

Materiale er det, der udgør universet, men hvad er det der gør noget? Dette spørgsmål har længe været vanskeligt for dem, der tænker over det - især for fysikerne. Afspejler de seneste tendenser inden for fysik, min kollega Jeffrey Eischen og jeg har beskrevet en opdateret måde at tænke på sagen på. Vi foreslår, at stof ikke er lavet af partikler eller bølger, som man længe troede, men - mere grundlæggende - at sagen er lavet af fragmenter af energi.

Fra fem til en

De gamle grækere opfattede fem byggesten af ​​stof - fra bund til top:jord, vand, luft, brand og æter. Æter var den sag, der fyldte himlen og forklarede stjernernes rotation, som observeret fra jordens udsigtspunkt. Disse var de første mest grundlæggende elementer, hvorfra man kunne bygge en verden op. Deres opfattelse af de fysiske elementer ændrede sig ikke dramatisk i næsten 2, 000 år.

Derefter, for omkring 300 år siden, Sir Isaac Newton introducerede ideen om, at alt stof eksisterer på punkter kaldet partikler. Hundrede og halvtreds år efter det, James Clerk Maxwell introducerede den elektromagnetiske bølge - den underliggende og ofte usynlige form for magnetisme, elektricitet og lys. Partiklen tjente som byggesten for mekanik og bølge for elektromagnetisme - og offentligheden besluttede sig for partiklen og bølgen som de to byggesten af ​​stof. Sammen, partiklerne og bølgerne blev byggestenene i alle former for stof.

Dette var en enorm forbedring i forhold til de gamle grækers fem elementer, men var stadig mangelfuld. I en berømt række eksperimenter, kendt som dobbeltspalteforsøgene, lys virker nogle gange som en partikel og andre gange som en bølge. Og mens teorier og matematik om bølger og partikler tillader forskere at lave utroligt præcise forudsigelser om universet, reglerne bryder sammen på den største og mindste skala.

Einstein foreslog et middel i sin teori om generel relativitetsteori. Ved hjælp af de matematiske værktøjer, han havde til rådighed på det tidspunkt, Einstein var bedre i stand til at forklare visse fysiske fænomener og også løse et mangeårigt paradoks vedrørende inerti og tyngdekraft. Men i stedet for at forbedre partikler eller bølger, han eliminerede dem, da han foreslog vridning af rum og tid.

Ved hjælp af nyere matematiske værktøjer, min kollega og jeg har demonstreret en ny teori, der præcist kan beskrive universet. I stedet for at basere teorien på vridning af rum og tid, vi overvejede, at der kunne være en byggesten, der er mere grundlæggende end partiklen og bølgen. Forskere forstår, at partikler og bølger er eksistentielle modsætninger:En partikel er en kilde til stof, der findes på et enkelt punkt, og bølger eksisterer overalt undtagen på de punkter, der skaber dem. Min kollega og jeg syntes, det gav logisk mening, at der var en underliggende forbindelse mellem dem.

Strømning og fragmenter af energi

Vores teori begynder med en ny grundlæggende idé - at energi altid "flyder" gennem rum og tid.

Tænk på energi som sammensat af linjer, der fylder et område af rum og tid, flyder ind og ud af denne region, aldrig begyndt, aldrig slutter og aldrig krydser hinanden.

Arbejder ud fra ideen om et univers af flydende energilinjer, vi ledte efter en enkelt byggesten til den flydende energi. Hvis vi kunne finde og definere sådan noget, vi håbede, at vi kunne bruge det til præcist at forudsige universet på den største og mindste skala.

Der var mange byggesten at vælge imellem matematisk, men vi søgte en, der havde egenskaberne af både partiklen og bølgen - koncentreret som partiklen, men også spredte sig ud over rummet og tiden som bølgen. Svaret var en byggesten, der ligner en koncentration af energi - lidt som en stjerne - med energi, der er højest i midten, og som bliver mindre længere væk fra midten.

Meget til vores overraskelse, vi opdagede, at der kun var et begrænset antal måder at beskrive en koncentration af energi, der flyder. Af disse, vi fandt bare en, der fungerer i overensstemmelse med vores matematiske definition af flow. Vi kaldte det et fragment af energi. For matematik- og fysikinteresserede, det er defineret som A =-⍺/ r hvor ⍺ er intensitet og r er afstandsfunktionen.

Brug af energifragmentet som en byggesten i stof, Vi konstruerede derefter den matematik, der var nødvendig for at løse fysiske problemer. Det sidste trin var at teste det.

Tilbage til Einstein, tilføjer universalitet

For mere end 100 siden siden, Einstein havde vendt sig til to legendariske problemer inden for fysik for at validere generel relativitet:det altid så lille årlige skift-eller prækession-i Merkurius bane, og den lille bøjning af lys, når den passerer Solen.

Disse problemer lå i de to ekstremer af størrelsesspektret. Hverken bølge- eller partikelteorier om stof kunne løse dem, men generel relativitet gjorde det. Teorien om generel relativitet skævvrider rum og tid på en sådan måde, at den får Merkur -banen til at skifte og lyset bøje i præcis de mængder, der ses i astronomiske observationer.

Hvis vores nye teori skulle have en chance for at erstatte partiklen og bølgen med det formodentlig mere fundamentale fragment, vi skulle være i stand til at løse disse problemer med vores teori, også.

For problemet med kviksølvpræcession, vi modellerede Solen som et enormt stationært energifragment og Merkur som et mindre, men stadig enormt langsommeligt fragment af energi. For problemet med bøjning af lys, solen blev modelleret på samme måde, men fotonet blev modelleret som et minimalt fragment af energi, der bevægede sig med lysets hastighed. I begge problemer, vi beregnede banerne for de bevægelige fragmenter og fik de samme svar som dem, der forudsiges af teorien om generel relativitetsteori. Vi blev bedøvet.

Vores første arbejde viste, hvordan en ny byggesten er i stand til nøjagtigt at modellere kroppe fra det enorme til det lille. Hvor partikler og bølger nedbrydes, fragmentet af energibyggesten holdt sig stærkt. Fragmentet kan være en enkelt potentielt universel byggesten, hvorfra man kan modellere virkeligheden matematisk - og opdatere den måde, folk tænker på universets byggesten.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.