Les physiciens suggèrent que toute matière peut être composée de fragments d'énergie

La matière est ce qui compose l'univers, mais qu'est-ce qui compose la matière? Pendant longtemps cette question a été difficile pour ceux qui y pensaient, en particulier pour les physiciens.

Reflétant les dernières tendances de la physique, mon collègue Jeffrey Eishen et moi avons décrit une façon actualisée de penser la matière. Nous supposons que la matière n'est pas constituée de particules ou d'ondes, comme on l'a longtemps pensé, mais, plus fondamentalement, la matière est constituée de fragments d'énergie.

Cinq pour un

Les Grecs de l'Antiquité ont inventé cinq éléments constitutifs de la matière - de bas en haut: la terre, l'eau, l'air, le feu et l'éther. L'éther était la matière qui remplissait les cieux et expliquait la rotation des étoiles vue du point de vue de la Terre.

Ce furent les premiers éléments très basiques à partir desquels le monde pouvait être construit. Leurs idées sur les éléments physiques n'ont pas radicalement changé pendant près de 2000 ans.

Puis, il y a environ 300 ans, Isaac Newton a introduit l'idée que toute matière existe en des points appelés particules. Cent cinquante ans plus tard, James Clerk Maxwell a introduit l'onde électromagnétique - une forme sous-jacente et souvent invisible de magnétisme, d'électricité et de lumière.

La particule a servi de bloc de construction pour la mécanique et l'onde pour l'électromagnétisme - et le public s'est arrêté sur la particule et l'onde comme deux éléments de base de la matière. Ensemble, les particules et les ondes sont devenues les éléments constitutifs de tous les types de matière.

C'était une amélioration significative par rapport aux cinq éléments des anciens Grecs, mais c'était encore imparfait. Dans une célèbre série d'expériences connues sous le nom d'expériences à double fente, la lumière agit parfois comme une particule et parfois comme une onde. Et tandis que les théories et les mathématiques des ondes et des particules permettent aux scientifiques de faire des prédictions incroyablement précises sur l'univers, les règles sont enfreintes aux échelles les plus grandes et les plus petites.

Einstein a proposé une cure dans sa théorie générale de la relativité. En utilisant les outils mathématiques dont il disposait à l'époque, Einstein a pu mieux expliquer certains phénomènes physiques ainsi que résoudre le paradoxe de longue date associé à l'inertie et à la gravité.

Mais au lieu d'améliorer les particules ou les ondes, il les a éliminées en proposant la courbure de l'espace et du temps.

À l'aide de nouveaux outils mathématiques, mon collègue et moi avons démontré une nouvelle théorie qui peut décrire avec précision l'univers. Au lieu de baser une théorie sur la courbure de l'espace et du temps, nous pensions qu'il pouvait y avoir un élément de base plus fondamental qu'une particule et une onde.

Les scientifiques comprennent que les particules et les ondes sont des opposés existentiels: une particule est une source de matière qui existe en un point, et les ondes existent partout sauf les points qui les créent.

Mon collègue et moi avons pensé qu'il était logique qu'il y ait un lien profond entre eux.

Flux d'énergie et fragments

Notre théorie part d'une nouvelle idée fondamentale - que l'énergie «circule» toujours à travers les régions de l'espace et du temps.

Imaginez que l'énergie soit composée de lignes remplissant une zone d'espace et de temps, entrant et sortant de cette zone, ne commençant jamais, sans fin et ne se coupant jamais.

Sur la base de l'idée d'un univers de lignes d'énergie fluides, nous recherchions un seul élément constitutif de l'énergie fluide. Si nous pouvions trouver et définir une telle chose, nous espérions pouvoir l'utiliser pour prédire avec précision l'univers aux échelles les plus grandes et les plus petites.

Il y avait de nombreux blocs de construction parmi lesquels choisir mathématiquement, mais nous en recherchions un qui avait à la fois les propriétés d'une particule et d'une onde - concentré comme une particule, mais aussi propagé dans l'espace et le temps comme une onde.

La réponse à cette question était un élément constitutif qui ressemble à une concentration d'énergie - comme une étoile - avec une énergie maximale au centre et diminuant à mesure que vous vous éloignez du centre.

À notre grande surprise, nous avons constaté qu'il n'y avait qu'un nombre limité de façons de décrire la concentration d'énergie actuelle. Parmi ceux-ci, nous en avons trouvé un seul qui fonctionne selon notre définition mathématique du flux.

Nous l'avons appelé un fragment d'énergie. Pour les amateurs de mathématiques et de physique, il est défini comme A = -⍺ / r, où ⍺ est l'intensité et r est une fonction de la distance.

En utilisant un morceau d'énergie comme élément constitutif de la matière, nous avons ensuite construit les mathématiques nécessaires pour résoudre des problèmes de physique. La dernière étape était de le vérifier.

De retour à Einstein ajoutant de la polyvalence

Il y a plus de 100 ans, Einstein s'est tourné vers deux problèmes légendaires de physique pour valider la relativité générale: un très léger déplacement annuel - ou précession - de l'orbite de Mercure, et une infime courbure de la lumière lorsqu'elle passe devant le soleil.

Ces problèmes se situaient à deux extrêmes du spectre des tailles. Ni les théories ondulatoires ni corpusculaires de la matière ne pouvaient les résoudre, contrairement à la relativité générale.

La relativité générale a courbé l'espace et le temps de telle manière que la trajectoire de Mercure a été déplacée et que la lumière a été courbée exactement dans les quantités observées dans les observations astronomiques.

Si notre nouvelle théorie avait une chance de remplacer la particule et l'onde par une pièce supposée plus fondamentale, nous pourrions également résoudre ces problèmes avec notre théorie.

Pour le problème de la précession de Mercure, nous avons modélisé le Soleil comme un énorme bloc d'énergie stationnaire, et Mercure comme un bloc d'énergie plus petit, mais toujours énorme, se déplaçant lentement.

Pour le problème de la flexion de la lumière, le Soleil a été modélisé de la même manière, mais le photon a été modélisé comme un minuscule morceau d'énergie se déplaçant à la vitesse de la lumière.

Dans les deux problèmes, nous avons calculé les trajectoires des fragments en mouvement et obtenu les mêmes réponses que les prédictions de la relativité générale. Nous avons été débordés.

Nos travaux initiaux ont montré comment le nouveau bloc de construction peut modéliser avec précision des corps du plus grand au plus petit. Là où les particules et les vagues se décomposent, un élément de la pierre angulaire de l'énergie reste solide.

Un fragment peut être le seul élément de base potentiellement universel à partir duquel la réalité peut être modélisée mathématiquement - et renouvelé la façon dont les gens pensent aux éléments de base de l'univers.

Larry M. Silverberg, professeur de génie mécanique et aérospatial, North Carolina State University.

Cet article est réimprimé de The Conversation sous une licence Creative Commons.