I fisici suggeriscono che tutta la materia può essere composta da frammenti di energia

La materia è ciò che costituisce l'universo, ma cosa costituisce la materia? Per molto tempo questa domanda è stata difficile per chi ci pensava, soprattutto per i fisici.

Riflettendo le ultime tendenze della fisica, il mio collega Jeffrey Eishen e io abbiamo descritto un modo rinnovato di pensare alla materia. Partiamo dal presupposto che la materia non sia costituita da particelle o onde, come si è pensato a lungo, ma, più fondamentalmente, la materia è costituita da frammenti di energia.

Cinque a uno

Gli antichi greci hanno inventato 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 vista dal punto di vista della Terra.

Questi erano i primi elementi di base da cui si poteva costruire il mondo. Le loro idee sugli elementi fisici non sono cambiate drasticamente per quasi 2000 anni.

Poi, circa 300 anni fa, Isaac Newton introdusse l'idea che tutta la materia esiste in punti chiamati particelle. Centocinquanta anni dopo, James Clerk Maxwell introdusse l'onda elettromagnetica, una forma sottostante e spesso invisibile di magnetismo, elettricità e luce.

La particella fungeva da elemento costitutivo per la meccanica e l'onda per l'elettromagnetismo e il pubblico si stabilì sulla particella e sull'onda come due elementi costitutivi della materia. Insieme, le particelle e le onde sono diventate i mattoni di tutti i tipi di materia.

Questo è stato un miglioramento significativo rispetto ai cinque elementi degli antichi greci, ma era ancora imperfetto. In una famosa serie di esperimenti noti come esperimenti a doppia fenditura, la luce a volte agisce come una particella e talvolta 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 sono infrante sulla scala più grande e più piccola.

Einstein ha proposto una cura nella sua teoria della relatività generale. Usando gli strumenti matematici a sua disposizione all'epoca, Einstein fu in grado di spiegare meglio alcuni fenomeni fisici e di risolvere il paradosso di lunga data associato all'inerzia e alla gravità.

Ma invece di migliorare le particelle o le onde, le ha eliminate proponendo la curvatura dello spazio e del tempo.

Usando nuovi strumenti matematici, io e il mio collega abbiamo dimostrato una nuova teoria in grado di descrivere accuratamente l'universo. Invece di basare una teoria sulla curvatura dello spazio e del tempo, abbiamo creduto che potesse esserci un elemento costitutivo più fondamentale di una particella e un'onda.

Gli scienziati capiscono che le particelle e le onde sono opposti esistenziali: una particella è una fonte di materia che esiste in un punto e le onde esistono ovunque tranne che nei punti che le creano.

Io e il mio collega pensavamo fosse logico che ci fosse un profondo legame tra loro.

Flusso e frammenti di energia

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

Immagina che l'energia sia composta da linee che riempiono un'area di spazio e tempo, fluiscono dentro e fuori quell'area, non iniziano, non finiscono mai e non si intersecano mai.

Basandoci sull'idea di un universo di linee di energia fluenti, stavamo cercando un singolo elemento costitutivo per l'energia fluente. Se potessimo trovare e definire una cosa del genere, speravamo di poterla utilizzare per prevedere accuratamente l'universo su scala più grande e più piccola.

C'erano molti mattoni da cui scegliere matematicamente, ma stavamo cercando uno che avesse le proprietà sia di una particella che di un'onda - concentrato come una particella, ma anche propagato nello spazio e nel tempo come un'onda.

La risposta a questa domanda era un elemento costitutivo che sembra una concentrazione di energia - come una stella - con la massima energia al centro e che diminuisce man mano che ci si allontana dal centro.

Con nostra grande sorpresa, abbiamo scoperto che ci sono solo un numero limitato di modi per descrivere la concentrazione di energia attuale. Di questi, ne abbiamo trovato solo uno che funziona secondo la nostra definizione matematica di flusso.

L'abbiamo chiamato frammento di energia. Per gli appassionati di matematica e fisica, è definito come A = -⍺ / r, dove ⍺ è l'intensità er è una funzione della distanza.

Usando un pezzo di energia come elemento costitutivo della materia, abbiamo quindi costruito la matematica necessaria per risolvere i problemi di fisica. L'ultimo passaggio è stato quello di verificarlo.

Torna a Einstein aggiungendo versatilità

Più di 100 anni fa, Einstein si rivolse a due leggendari problemi di fisica per convalidare la relatività generale: un leggerissimo spostamento annuale - o precessione - dell'orbita di Mercurio e una minuscola curvatura della luce mentre passa il Sole.

Questi problemi erano a due estremi nello spettro delle dimensioni. Né le teorie ondulatorie né corpuscolari della materia potrebbero risolverli, ma la relatività generale sì.

La relatività generale ha curvato lo spazio e il tempo in modo tale che la traiettoria di Mercurio si è spostata e la luce è stata curvata esattamente in quelle quantità che si osservano nelle osservazioni astronomiche.

Se la nostra nuova teoria avesse la possibilità di sostituire la particella e l'onda con un pezzo apparentemente più fondamentale, potremmo anche risolvere questi problemi con la nostra teoria.

Per il problema della precessione di Mercurio, abbiamo modellato il Sole come un enorme pezzo di energia stazionario e Mercurio come un pezzo 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 pezzo 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 delle previsioni della relatività generale. Siamo stati sopraffatti.

Il nostro lavoro iniziale ha dimostrato come il nuovo elemento costitutivo possa modellare accuratamente i corpi dal più grande al più piccolo. Dove le particelle e le onde si rompono, un pezzo del mattone di energia rimane solido.

Un frammento può essere l'unico mattone potenzialmente universale da cui la realtà può essere modellata matematicamente e rinnovato il modo in cui le persone pensano ai mattoni dell'universo.

Larry M. Silverberg, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale, North Carolina State University.

Questo articolo è stato ristampato da The Conversation con una licenza Creative Commons.