Материята е това, което съставя Вселената, но какво съставя материята? Този въпрос отдавна е труден – особено за физиците. Отразявайки последните тенденции във физиката, Джефри Айшен и Лари Силвърберг от щатския университет в Северна Каролина, описват актуализиран начин на мислене за материята. Те предполагат, че материята не е съставена от частици или вълни, както се смяташе дълго време, а – по-фундаментално – че материята е направена от фрагменти от енергия.
Древните гърци приемат, че има пет градивни елемента на материята – отдолу нагоре: земя, вода, въздух, огън и етер. Етерът е материята, която изпълва небесата и обяснява въртенето на звездите, както се наблюдава от гледната точка на Земята. Това са първите най-основни елементи, от които човек може да изгради свят. Техните представи за физическите елементи не са се променили драстично в продължение на близо 2000 години.
Тогава, преди около 300 години, сър Исак Нютон въвежда идеята, че цялата материя съществува в точки, наречени частици. Сто и петдесет години след това Джеймс Клерк Максуел въвежда електромагнитната вълна – основната и често невидима форма на магнетизъм, електричество и светлина. Частицата служи като градивен елемент за механиката и вълната за електромагнетизма – и обществеността приема частицата и вълната като двата градивни елемента на материята. Заедно частиците и вълните се превръщат в градивните елементи на всички видове материя.
Това е огромно подобрение в сравнение с петте елемента на древните гърци, но все още не е точно. В серия от експерименти, известни като експерименти с двоен процеп, светлината понякога действа като частица, а друг път действа като вълна. И докато теориите и математиката на вълните и частиците позволяват на учените да правят невероятно точни прогнози за Вселената, правилата се разпадат и не работят при най-големите и най-малките мащаби.
Айнщайн предлага решение в своята обща теория на относителността. Използвайки математическите инструменти, с които разполага по онова време, Айнщайн успява да обясни по-добре определени физически явления и също така да разреши дългогодишния парадокс, свързан с инерцията и гравитацията. Но вместо да подобри частиците или вълните, той ги елиминира, като предлага изкривяването на пространство времето.
Използвайки по-нови математически инструменти, Айшен и Силвърберг демонстрират нова теория, която може да опише точно Вселената. Вместо да основават теорията на изкривяването на пространство времето, те предполагат, че може да има градивен елемент, който е по-фундаментален от частицата и вълната. Учените разбират, че частиците и вълните са екзистенциални противоположности: частицата е източник на материя, която съществува в една точка, а вълните съществуват навсякъде, освен в точките, които ги създават. Двамата учени смятат, че има логичен смисъл да има основна връзка между тях.
Новата теория започва с нова фундаментална идея – че енергията винаги „протича“ през региони на пространство времето.
Мислете за енергията като съставена от линии, които запълват област от пространство времето, вливат се и излизат от този регион, никога не започват, никога не свършват и никога не се пресичат една с друга. Работейки с идеята за вселена от течащи енергийни линии, те търсят един-единствен градивен елемент за течащата енергия.
Има много градивни елементи, от които те могат да избират математически, но търсят такъв, който има характеристиките както на частицата, така и на вълната – концентриран като частицата, но също така разпръснат в пространство времето като вълната.
Отговорът е градивен блок, който изглежда като концентрация на енергия – нещо като звезда – с енергия, която е най-висока в центъра и която става по-малка по-далеч от центъра.
Те откриват, че има само ограничен брой начини да се опише концентрацията на енергия, която тече. От тях откриват само един, който работи в съответствие с математическа дефиниция за поток. Наричат го фрагмент от енергия. За любителите на математиката и физиката той се дефинира като A = -⍺/r, където ⍺ е интензитет, а r е функцията на разстоянието. Използвайки фрагмента от енергия като градивен елемент от материята, те създават математиката, необходима за решаване на проблеми по физика. Последната стъпка е да го тестват.
Преди повече от 100 години Айнщайн се обръща към два легендарни проблема във физиката, за да потвърди общата теория на относителността: все по-малкото годишно изместване – или прецесия – в орбитата на Меркурий и малкото огъване на светлината при преминаването й през Слънцето. Тези проблеми бяха в двете крайности на спектъра на размерите. Нито вълновите, нито теориите на частиците на материята могат да ги решат, но общата теория на относителността го направи. Общата теория на относителността изкривява пространство времето по такъв начин, че да накара траекторията на Меркурий да се измести и светлината да се огъва точно в количествата, наблюдавани при астрономическите наблюдения.
За проблема с прецесията на Меркурий двамата моделират Слънцето като огромен стационарен фрагмент от енергия и Меркурий като по-малък, но все пак огромен бавно движещ се фрагмент от енергия. За проблема с огъването на светлината Слънцето е моделирано по същия начин, но фотонът е моделиран като малък фрагмент от енергия, движещ се със скоростта на светлината. И в двете задачи двамата учени изчисляват траекториите на движещите се фрагменти и получават същите отговори като тези, предвидени от общата теория на относителността.
Първоначалната им работа показва как един нов градивен елемент е способен да моделира точно тела от огромното до незначителното. Там, където частиците и вълните се разпадат, фрагментът от енергийния градивен блок се задържа здрав. Фрагментът може да бъде единствен потенциално универсален градивен елемент, от който да се моделира реалността математически – и да се актуализира начина, по който хората мислят за градивните елементи на Вселената.
Тази статия е публикувана от изданието The Conversation.