물리학 자들은 모든 물질이 에너지 조각으로 구성 될 수 있다고 제안합니다

물질은 우주를 구성하는 것이지만 무엇이 문제를 구성합니까? 오랫동안이 질문은 그것에 대해 생각하는 사람들, 특히 물리학 자들에게 어려웠습니다.

물리학의 최신 트렌드를 반영하여 제 동료 인 Jeffrey Eishen과 저는 물질에 대한 새로운 사고 방식을 설명했습니다. 우리는 물질이 오랫동안 생각했던 것처럼 입자 나 파동으로 이루어진 것이 아니라, 더 근본적으로 물질은 에너지의 파편으로 이루어져 있다고 가정합니다.

5 대 1

고대 그리스인들은 땅, 물, 공기, 불, 에테르 등 다섯 가지 물질의 구성 요소를 발명했습니다. 에테르는 하늘을 가득 채우고 지구 관점에서 볼 때 별의 회전을 설명하는 물질이었습니다.

이것은 세계를 건설 할 수있는 최초의 매우 기본적인 요소였습니다. 물리적 요소에 대한 그들의 생각은 거의 2000 년 동안 근본적으로 변하지 않았습니다.

그런 다음 약 300 년 전에 Isaac Newton은 모든 물질이 입자라고하는 지점에 존재한다는 아이디어를 도입했습니다. 150 년 후 James Clerk Maxwell은 자기, 전기 및 빛의 근본적이고 종종 보이지 않는 형태 인 전자기파를 도입했습니다.

입자는 역학을위한 빌딩 블록, 전자기학의 파동으로 사용되었으며 청중은 입자와 파동을 물질의 두 가지 빌딩 블록으로 사용했습니다. 함께 입자와 파동은 모든 유형의 물질의 구성 요소가되었습니다.

이것은 고대 그리스인의 다섯 가지 요소에 비해 상당한 개선 이었지만 여전히 불완전했습니다. 이중 슬릿 실험으로 알려진 유명한 일련의 실험에서 빛은 때때로 입자로, 때로는 파동으로 작용합니다. 그리고 파동과 입자의 이론과 수학을 통해 과학자들은 우주에 대해 믿을 수 없을 정도로 정확한 예측을 할 수 있지만 규칙은 가장 크고 작은 규모에서 깨졌습니다.

아인슈타인은 그의 일반 상대성 이론에서 치료법을 제안했습니다. 아인슈타인은 당시 그에게 사용 가능한 수학적 도구를 사용하여 특정 물리적 현상을 더 잘 설명 할 수있을뿐만 아니라 관성과 중력의 오랜 역설을 해결할 수있었습니다.

그러나 그는 입자 나 파동을 개선하는 대신 공간과 시간의 곡률을 제안하여 제거했습니다.

새로운 수학 도구를 사용하여 동료와 저는 우주를 정확하게 설명 할 수있는 새로운 이론을 시연했습니다. 공간과 시간의 곡률에 대한 이론을 기반으로하는 대신 입자와 파동보다 더 근본적인 구성 요소가있을 수 있다고 믿었습니다.

과학자들은 입자와 파동이 실존 적 반대라는 것을 이해합니다. 입자는 한 지점에 존재하는 물질의 원천이며 파동을 생성하는 지점을 제외하고 모든 곳에 존재합니다.

제 동료와 저는 그들 사이에 깊은 관계가 있다는 것이 논리적이라고 생각했습니다.

에너지 흐름과 파편

우리의 이론은 에너지가 항상 공간과 시간의 영역을 통해 "흐르는"새로운 기본 아이디어로 시작됩니다.

에너지가 공간과 시간의 영역을 채우는 선으로 구성되어 있고, 그 영역으로 들어오고 나가며 시작도, 끝도없고 교차하지도 않는다고 상상해보십시오.

흐르는 에너지 라인의 우주라는 아이디어를 바탕으로 우리는 흐르는 에너지를위한 단일 빌딩 블록을 찾고있었습니다. 우리가 그러한 것을 찾아 정의 할 수 있다면, 우리는 그것을 사용하여 가장 크고 가장 작은 규모로 우주를 정확하게 예측할 수 있기를 바랐습니다.

수학적으로 선택할 수있는 빌딩 블록이 많았지 만 우리는 입자와 파동의 특성을 가진 하나를 찾고있었습니다. 입자처럼 집중되어 있지만 파동처럼 공간과 시간으로 전파되는 것입니다.

이 질문에 대한 답은 중심에 최대 에너지가 있고 중심에서 멀어짐에 따라 감소하는 별처럼 에너지가 집중된 것처럼 보이는 빌딩 블록이었습니다.

놀랍게도 현재 에너지의 농도를 설명하는 방법은 제한적이라는 사실을 발견했습니다. 이 중에서 우리는 흐름의 수학적 정의에 따라 작동하는 것을 발견했습니다.

우리는 그것을 에너지 조각이라고 불렀습니다. 수학과 물리학 팬에게는 A = -⍺ / r로 정의됩니다. 여기서 ⍺는 강도이고 r은 거리의 함수입니다.

에너지 조각을 물질의 구성 요소로 사용하여 물리학 문제를 해결하는 데 필요한 수학을 구축했습니다. 마지막 단계는 그것을 확인하는 것이 었습니다.

다재다능 함을 더하는 아인슈타인으로 돌아 가기

100여 년 전, 아인슈타인은 일반 상대성 이론을 검증하기 위해 물리학에서 두 가지 전설적인 문제, 즉 수성의 궤도의 아주 작은 연간 변위 (또는 세차)와 태양을 통과 할 때 빛의 작은 곡률을 확인했습니다.

이러한 문제는 크기 스펙트럼에서 두 가지 극단에있었습니다. 파동도 물질 이론도 문제를 해결할 수 없었지만 일반 상대성 이론은 해결했습니다.

일반 상대성 이론은 수성의 궤적이 이동하는 방식으로 공간과 시간을 구부 렸고, 빛은 천문 관측에서 관찰되는 양만큼 정확하게 구부러졌습니다.

우리의 새로운 이론이 입자와 파동을 좀 더 근본적인 것으로 대체 할 수있는 기회가 있다면 우리는 이론으로 이러한 문제를 해결할 수도 있습니다.

수성의 세차 운동 문제에 대해 우리는 태양을 거대한 고정 에너지 덩어리로, 수성은 더 작지만 여전히 거대하고 천천히 움직이는 에너지 덩어리로 모델링했습니다.

빛을 구부리는 문제에 대해 태양은 같은 방식으로 모델링되었지만 광자는 빛의 속도로 움직이는 작은 에너지 조각으로 모델링되었습니다.

두 문제 모두 움직이는 파편의 궤적을 계산하고 일반 상대성 이론의 예측과 동일한 답을 얻었습니다. 우리는 압도당했습니다.

우리의 초기 작업은 새로운 빌딩 블록이 가장 큰 것에서 가장 작은 것까지 정확하게 몸을 모델링 할 수있는 방법을 보여주었습니다. 입자와 파동이 부서지는 곳에서는 에너지 구성 요소의 일부가 단단하게 유지됩니다.

단편은 현실을 수학적으로 모델링 할 수있는 유일한 잠재적으로 보편적 인 빌딩 블록 일 수 있으며 사람들이 우주의 빌딩 블록에 대해 생각하는 방식을 새롭게합니다.

Larry M. Silverberg, 노스 캐롤라이나 주립대 학교 기계 및 항공 우주 공학 교수.

이 기사는 Creative Commons 라이센스에 따라 The Conversation에서 재 인쇄되었습니다.