Materie is wat het universum vormt, maar wat maakt het uit? Deze vraag is lang lastig geweest voor degenen die erover nadenken, vooral voor de natuurkundigen. Als gevolg van recente trends in de natuurkunde, mijn collega Jeffrey Eischen en ik hebben een vernieuwde manier van denken over materie beschreven. We stellen voor dat materie niet bestaat uit deeltjes of golven, zoals lang werd gedacht, maar - meer fundamenteel - die materie is gemaakt van fragmenten van energie.

Van vijf naar één

De oude Grieken bedachten vijf bouwstenen van materie – van onder naar boven:aarde, water, lucht, vuur en ether. Aether was de materie die de hemel vulde en de rotatie van de sterren verklaarde, zoals waargenomen vanaf het uitkijkpunt van de aarde. Dit waren de eerste meest basale elementen van waaruit men een wereld kon opbouwen. Hun opvattingen over de fysieke elementen veranderden bijna 2 jaar lang niet dramatisch. 000 jaar.

Vervolgens, ongeveer 300 jaar geleden, Sir Isaac Newton introduceerde het idee dat alle materie bestaat op punten die deeltjes worden genoemd. Honderdvijftig jaar daarna, James Clerk Maxwell introduceerde de elektromagnetische golf - de onderliggende en vaak onzichtbare vorm van magnetisme, elektriciteit en licht. Het deeltje diende als de bouwsteen voor mechanica en de golf voor elektromagnetisme - en het publiek vestigde zich op het deeltje en de golf als de twee bouwstenen van materie. Samen, de deeltjes en golven werden de bouwstenen van allerlei soorten materie.

Dit was een enorme verbetering ten opzichte van de vijf elementen van de oude Grieken, maar was nog steeds gebrekkig. In een beroemde reeks experimenten, zogenaamde dubbelspletenexperimenten, licht werkt soms als een deeltje en op andere momenten als een golf. En hoewel de theorieën en wiskunde van golven en deeltjes wetenschappers in staat stellen ongelooflijk nauwkeurige voorspellingen te doen over het universum, de regels vallen uiteen op de grootste en kleinste schaal.

Einstein stelde een remedie voor in zijn algemene relativiteitstheorie. Met behulp van de wiskundige hulpmiddelen die hem op dat moment ter beschikking stonden, Einstein was in staat om bepaalde fysische verschijnselen beter te verklaren en ook een al lang bestaande paradox met betrekking tot traagheid en zwaartekracht op te lossen. Maar in plaats van deeltjes of golven te verbeteren, hij elimineerde ze toen hij de kromming van ruimte en tijd voorstelde.

Met behulp van nieuwere wiskundige hulpmiddelen, mijn collega en ik hebben een nieuwe theorie gedemonstreerd die het universum nauwkeurig kan beschrijven. In plaats van de theorie te baseren op het kromtrekken van ruimte en tijd, we dachten dat er een bouwsteen zou kunnen zijn die fundamenteler is dan het deeltje en de golf. Wetenschappers begrijpen dat deeltjes en golven existentiële tegenpolen zijn:een deeltje is een bron van materie die op een enkel punt bestaat, en golven bestaan ​​overal, behalve op de punten waar ze ontstaan. Mijn collega en ik vonden het logisch dat er een onderliggend verband tussen hen was.

Stroom en fragmenten van energie

Onze theorie begint met een nieuw fundamenteel idee:energie 'stroomt' altijd door gebieden in ruimte en tijd.

Zie energie als samengesteld uit lijnen die een gebied van ruimte en tijd vullen, in en uit dat gebied stroomt, nooit beginnen, nooit eindigend en nooit kruisend elkaar.

Werkend vanuit het idee van een universum van stromende energielijnen, we zochten een enkele bouwsteen voor de stromende energie. Als we zoiets zouden kunnen vinden en definiëren, we hoopten dat we het konden gebruiken om nauwkeurige voorspellingen te doen over het universum op de grootste en kleinste schaal.

Er waren wiskundig veel bouwstenen om uit te kiezen, maar we zochten er een die de kenmerken had van zowel het deeltje als de golf - geconcentreerd als het deeltje, maar ook verspreid over ruimte en tijd zoals de golf. Het antwoord was een bouwsteen die eruitziet als een concentratie van energie - een beetje zoals een ster - met energie die het hoogst is in het centrum en die verder van het centrum kleiner wordt.

Tot onze verbazing, we ontdekten dat er maar een beperkt aantal manieren was om een ​​concentratie van energie die stroomt te beschrijven. Van deze, we hebben er maar één gevonden die werkt in overeenstemming met onze wiskundige definitie van stroming. We noemden het een fragment van energie. Voor de liefhebbers van wiskunde en natuurkunde, het is gedefinieerd als A =-⍺/ R waarbij ⍺ intensiteit is en R is de afstandsfunctie.

Gebruikmakend van het energiefragment als bouwsteen van materie, we hebben vervolgens de wiskunde geconstrueerd die nodig is om natuurkundige problemen op te lossen. De laatste stap was om het uit te testen.

Terug naar Einstein, universaliteit toevoegen

Meer dan 100 geleden, Einstein had zich tot twee legendarische problemen in de natuurkunde gewend om de algemene relativiteitstheorie te valideren:de altijd zo kleine jaarlijkse verschuiving - of precessie - in de baan van Mercurius, en de kleine buiging van licht als het de zon passeert.

Deze problemen bevonden zich aan de twee uitersten van het groottespectrum. Noch golf- noch deeltjestheorieën van materie konden ze oplossen, maar de algemene relativiteitstheorie deed dat wel. De algemene relativiteitstheorie heeft ruimte en tijd zodanig vervormd dat de baan van Mercurius verschuift en het licht afbuigt in precies de hoeveelheden die worden waargenomen bij astronomische waarnemingen.

Als onze nieuwe theorie een kans zou hebben om het deeltje en de golf te vervangen door het vermoedelijk meer fundamentele fragment, we zouden deze problemen met onze theorie moeten kunnen oplossen, te.

Voor het precessie-van-kwikprobleem, we hebben de zon gemodelleerd als een enorm stationair energiefragment en Mercurius als een kleiner maar nog steeds enorm langzaam bewegend energiefragment. Voor het buiging-van-licht probleem, de zon werd op dezelfde manier gemodelleerd, maar het foton werd gemodelleerd als een minuscuul energiefragment dat zich met de lichtsnelheid voortbewoog. Bij beide problemen we berekenden de banen van de bewegende fragmenten en kregen dezelfde antwoorden als voorspeld door de algemene relativiteitstheorie. We waren verbijsterd.

Ons eerste werk toonde aan hoe een nieuwe bouwsteen in staat is om lichamen van enorm tot minuscuul nauwkeurig te modelleren. Waar deeltjes en golven afbreken, het fragment van energiebouwsteen hield sterk. Het fragment zou een enkele potentieel universele bouwsteen kunnen zijn van waaruit de werkelijkheid wiskundig kan worden gemodelleerd - en de manier waarop mensen denken over de bouwstenen van het universum kunnen actualiseren.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.