Os físicos sugerem que toda a matéria pode ser composta de fragmentos de energia

A matéria é o que constitui o universo, mas o que constitui a matéria? Por muito tempo essa questão foi difícil para quem a refletia, principalmente para os físicos.

Refletindo as últimas tendências da física, meu colega Jeffrey Eishen e eu descrevemos uma maneira renovada de pensar sobre a matéria. Supomos que a matéria não é composta de partículas ou ondas, como se pensava por muito tempo, mas, mais fundamentalmente, a matéria é composta de fragmentos de energia.

Cinco para um

Os antigos gregos inventaram cinco blocos de construção da matéria - de baixo para cima: terra, água, ar, fogo e éter. O éter era a matéria que enchia os céus e explicava a rotação das estrelas vistas do ponto de vista da Terra.

Esses foram os primeiros elementos básicos com os quais o mundo poderia ser construído. Suas idéias sobre os elementos físicos não mudaram drasticamente por quase 2.000 anos.

Então, cerca de 300 anos atrás, Isaac Newton introduziu a ideia de que toda matéria existe em pontos chamados partículas. Cento e cinquenta anos depois, James Clerk Maxwell introduziu a onda eletromagnética - uma forma subjacente e muitas vezes invisível de magnetismo, eletricidade e luz.

A partícula serviu como um bloco de construção para a mecânica e a onda para o eletromagnetismo - e o público se estabeleceu na partícula e na onda como dois blocos de construção da matéria. Juntas, partículas e ondas tornaram-se os blocos de construção de todos os tipos de matéria.

Isso foi uma melhoria significativa em relação aos cinco elementos dos gregos antigos, mas ainda era imperfeito. Em uma famosa série de experimentos conhecidos como experimentos de dupla fenda, a luz às vezes atua como uma partícula e às vezes como uma onda. E enquanto as teorias e matemática das ondas e partículas permitem que os cientistas façam previsões incrivelmente precisas sobre o universo, as regras são quebradas nas maiores e menores escalas.

Einstein propôs uma cura em sua teoria geral da relatividade. Usando as ferramentas matemáticas disponíveis para ele na época, Einstein foi capaz de explicar melhor certos fenômenos físicos, bem como resolver o paradoxo de longa data associado à inércia e à gravidade.

Mas em vez de melhorar as partículas ou ondas, ele as eliminou propondo a curvatura do espaço e do tempo.

Usando novas ferramentas matemáticas, meu colega e eu demonstramos uma nova teoria que pode descrever o universo com precisão. Em vez de basear uma teoria na curvatura do espaço e do tempo, acreditamos que poderia haver um bloco de construção mais fundamental do que uma partícula e uma onda.

Os cientistas entendem que partículas e ondas são opostos existenciais: uma partícula é uma fonte de matéria que existe em um ponto e as ondas existem em toda parte, exceto nos pontos que as criam.

Meu colega e eu pensamos que era lógico que houvesse uma conexão profunda entre eles.

Fluxo de energia e fragmentos

Nossa teoria começa com uma nova ideia fundamental - que a energia sempre "flui" através de regiões do espaço e do tempo.

Imagine que a energia é composta de linhas que preenchem uma área do espaço e do tempo, fluindo para dentro e para fora dessa área, nunca começando, nunca terminando e nunca se cruzando.

Com base na ideia de um universo de linhas de energia fluindo, estávamos procurando um único bloco de construção para energia fluida. Se pudéssemos encontrar e definir tal coisa, esperávamos poder usá-la para prever com precisão o universo nas escalas maior e menor.

Havia muitos blocos de construção para escolher matematicamente, mas estávamos procurando por um que tivesse as propriedades de uma partícula e de uma onda - concentrado como uma partícula, mas também propagado no espaço e no tempo como uma onda.

A resposta a esta pergunta foi um bloco de construção que se parece com uma concentração de energia - como uma estrela - com energia máxima no centro e diminuindo conforme você se afasta do centro.

Para nossa surpresa, descobrimos que há apenas um número limitado de maneiras de descrever a concentração de energia atual. Destes, encontramos apenas um que funciona de acordo com nossa definição matemática de fluxo.

Chamamos isso de fragmento de energia. Para fãs de matemática e física, é definido como A = -⍺ / r, onde ⍺ é a intensidade e r é uma função da distância.

Usando um pedaço de energia como o bloco de construção da matéria, construímos a matemática necessária para resolver problemas de física. A última etapa foi dar uma olhada.

Voltar para Einstein adicionando versatilidade

Mais de 100 anos atrás, Einstein se voltou para dois problemas lendários da física para validar a relatividade geral: um deslocamento anual muito leve - ou precessão - da órbita de Mercúrio e uma pequena curvatura da luz ao passar pelo sol.

Esses problemas estavam em dois extremos no espectro de tamanhos. Nem as teorias ondulatórias nem corpusculares da matéria poderiam resolvê-los, mas a relatividade geral sim.

A relatividade geral curvou o espaço e o tempo de tal forma que a trajetória de Mercúrio mudou, e a luz foi curvada exatamente nas quantidades que são observadas em observações astronômicas.

Se nossa nova teoria tivesse a chance de substituir a partícula e a onda por uma peça supostamente mais fundamental, também poderíamos resolver esses problemas com nossa teoria.

Para o problema da precessão de Mercúrio, modelamos o Sol como um grande pedaço de energia estacionário e Mercúrio como um pedaço de energia menor, mas ainda assim enorme, em movimento lento.

Para o problema de dobrar a luz, o Sol foi modelado da mesma maneira, mas o fóton foi modelado como um minúsculo pedaço de energia movendo-se na velocidade da luz.

Em ambos os problemas, calculamos as trajetórias dos fragmentos móveis e obtivemos as mesmas respostas que as previsões da relatividade geral. Ficamos maravilhados.

Nosso trabalho inicial demonstrou como o novo bloco de construção pode modelar corpos com precisão do maior ao menor. Onde as partículas e ondas se quebram, um pedaço do bloco de construção de energia permanece sólido.

Um fragmento pode ser o único bloco de construção potencialmente universal a partir do qual a realidade pode ser modelada matematicamente - e renovada a forma como as pessoas pensam sobre os blocos de construção do universo.

Larry M. Silverberg, professor de engenharia mecânica e aeroespacial da North Carolina State University.

Este artigo foi reproduzido de The Conversation sob uma licença Creative Commons.