Physiker schlagen vor, dass alle Materie aus Energiefragmenten bestehen kann

Materie macht das Universum aus, aber was macht Materie aus? Diese Frage war lange Zeit schwierig für diejenigen, die darüber nachdachten, insbesondere für Physiker.

Mein Kollege Jeffrey Eishen und ich haben die neuesten Trends in der Physik reflektiert und eine neue Art des Denkens über Materie beschrieben. Wir gehen davon aus, dass Materie nicht wie lange gedacht aus Teilchen oder Wellen besteht, sondern grundsätzlich aus Energiefragmenten.

Fünf zu eins

Die alten Griechen erfanden fünf Bausteine ​​der Materie - von unten nach oben: Erde, Wasser, Luft, Feuer und Äther. Äther war die Materie, die den Himmel erfüllte und die Rotation der Sterne aus der Sicht der Erde erklärte.

Dies waren die ersten sehr grundlegenden Elemente, aus denen die Welt aufgebaut werden konnte. Ihre Vorstellungen von den physikalischen Elementen haben sich fast 2000 Jahre lang nicht dramatisch verändert.

Dann, vor ungefähr 300 Jahren, führte Isaac Newton die Idee ein, dass alle Materie an Punkten existiert, die Teilchen genannt werden. Einhundertfünfzig Jahre später führte James Clerk Maxwell die elektromagnetische Welle ein - eine zugrunde liegende und oft unsichtbare Form von Magnetismus, Elektrizität und Licht.

Das Teilchen diente als Baustein für die Mechanik und die Welle für den Elektromagnetismus - und das Publikum entschied sich für das Teilchen und die Welle als zwei Bausteine ​​der Materie. Teilchen und Wellen sind zusammen zu Bausteinen aller Arten von Materie geworden.

Dies war eine bedeutende Verbesserung gegenüber den fünf Elementen der alten Griechen, aber es war immer noch unvollkommen. In einer berühmten Reihe von Experimenten, die als Doppelspaltexperimente bekannt sind, wirkt Licht manchmal als Teilchen und manchmal als Welle. Und während die Theorien und die Mathematik von Wellen und Teilchen es Wissenschaftlern ermöglichen, unglaublich genaue Vorhersagen über das Universum zu treffen, werden die Regeln auf der größten und kleinsten Skala gebrochen.

Einstein schlug in seiner allgemeinen Relativitätstheorie eine Heilung vor. Mit den ihm damals zur Verfügung stehenden mathematischen Werkzeugen konnte Einstein bestimmte physikalische Phänomene besser erklären und das langjährige Paradoxon von Trägheit und Schwerkraft auflösen.

Aber anstatt Teilchen oder Wellen zu verbessern, beseitigte er sie, indem er die Krümmung von Raum und Zeit vorschlug.

Mit neuen mathematischen Werkzeugen haben mein Kollege und ich eine neue Theorie demonstriert, die das Universum genau beschreiben kann. Anstatt eine Theorie auf die Krümmung von Raum und Zeit zu stützen, glaubten wir, dass es einen grundlegenderen Baustein als ein Teilchen und eine Welle geben könnte.

Wissenschaftler verstehen, dass Teilchen und Wellen existenzielle Gegensätze sind: Ein Teilchen ist eine Materiequelle, die an einem Punkt existiert, und Wellen existieren überall, außer an den Punkten, die sie erzeugen.

Mein Kollege und ich hielten es für logisch, dass zwischen ihnen eine tiefe Verbindung bestand.

Energiefluss und Fragmente

Unsere Theorie beginnt mit einer neuen Grundidee - dass Energie immer durch Regionen von Raum und Zeit "fließt".

Stellen Sie sich vor, Energie besteht aus Linien, die einen Bereich von Raum und Zeit füllen, in diesen Bereich hinein und aus ihm heraus fließen, niemals beginnen, niemals enden und sich niemals kreuzen.

Basierend auf der Idee eines Universums fließender Energielinien suchten wir nach einem einzigen Baustein für fließende Energie. Wenn wir so etwas finden und definieren könnten, hofften wir, wir könnten es verwenden, um das Universum auf der größten und kleinsten Skala genau vorherzusagen.

Es gab viele Bausteine, aus denen wir mathematisch auswählen konnten, aber wir suchten nach einem, der die Eigenschaften eines Teilchens und einer Welle hatte - konzentriert wie ein Teilchen, aber auch räumlich und zeitlich wie eine Welle verbreitet.

Die Antwort auf diese Frage war ein Baustein, der wie eine Energiekonzentration aussieht - wie ein Stern - mit maximaler Energie im Zentrum und abnehmender Bewegung, wenn Sie sich vom Zentrum entfernen.

Zu unserer großen Überraschung stellten wir fest, dass es nur eine begrenzte Anzahl von Möglichkeiten gibt, die Konzentration der aktuellen Energie zu beschreiben. Von diesen haben wir nur eine gefunden, die gemäß unserer mathematischen Definition des Flusses funktioniert.

Wir haben es ein Energiefragment genannt. Für Fans von Mathematik und Physik ist es definiert als A = -⍺ / r, wobei ⍺ die Intensität und r eine Funktion der Entfernung ist.

Mit einem Stück Energie als Baustein der Materie haben wir dann die Mathematik erstellt, die zur Lösung physikalischer Probleme erforderlich ist. Der letzte Schritt war das Auschecken.

Zurück zu Einstein, der Vielseitigkeit hinzufügt

Vor mehr als 100 Jahren wandte sich Einstein zwei legendären Problemen der Physik zu, um die allgemeine Relativitätstheorie zu validieren: eine sehr geringe jährliche Verschiebung - oder Präzession - der Umlaufbahn des Merkur und eine winzige Krümmung des Lichts beim Passieren der Sonne.

Diese Probleme waren im Größenspektrum an zwei Extremen. Weder Wellen- noch Korpuskular-Theorien der Materie konnten sie lösen, aber die allgemeine Relativitätstheorie.

Die allgemeine Relativitätstheorie krümmte Raum und Zeit so, dass die Flugbahn von Merkur verschoben wurde und das Licht genau in den Größen gekrümmt wurde, die bei astronomischen Beobachtungen beobachtet werden.

Wenn unsere neue Theorie die Chance hätte, das Teilchen und die Welle durch ein angeblich grundlegenderes Stück zu ersetzen, könnten wir diese Probleme auch mit unserer Theorie lösen.

Für das Problem der Präzession von Merkur haben wir die Sonne als einen riesigen stationären Energiestück und Merkur als einen kleineren, aber immer noch riesigen, sich langsam bewegenden Energiestück modelliert.

Für das Problem des Biegens von Licht wurde die Sonne auf die gleiche Weise modelliert, aber das Photon wurde als winziges Stück Energie modelliert, das sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt.

In beiden Problemen berechneten wir die Trajektorien der sich bewegenden Fragmente und erhielten die gleichen Antworten wie die Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie. Wir waren überwältigt.

Unsere ersten Arbeiten haben gezeigt, wie der neue Baustein Körper vom größten zum kleinsten genau modellieren kann. Wo Teilchen und Wellen zusammenbrechen, bleibt ein Teil des Energiebausteins fest.

Ein Fragment kann der einzige potenziell universelle Baustein sein, aus dem die Realität mathematisch modelliert werden kann - und erneuert, wie Menschen über die Bausteine ​​des Universums denken.

Larry M. Silverberg, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der North Carolina State University.

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