Новая математика показала, что энергетические линии можно использовать для описания Вселенной.
Материя - это то, из чего состоит Вселенная, но из чего состоит материя?
Этот вопрос давно мучает тех, кто об этом думает, особенно физиков. Отражая последние тенденции в физике, мой коллега Джеффри Эйшен и я описали обновленный способ мышления о материи. Мы предполагаем, что материя состоит не из частиц или волн, как считалось долгое время, а - более фундаментально - что материя состоит из фрагментов энергии.
От пяти до одного
Древние греки представляли себе пять строительных блоков материи - снизу вверх: земля, вода, воздух, огонь и эфир. Эфир был материей, которая наполняла небеса и объясняла вращение звезд, наблюдаемое с точки зрения Земли. Это были первые самые основные элементы, из которых можно было построить мир. Их представления о физических элементах не менялись кардинально в течение почти 2000 лет.
Затем, около 300 лет назад, сэр Исаак Ньютон выдвинул идею о том, что вся материя существует в точках, называемых частицами. Через сто пятьдесят лет после этого Джеймс Клерк Максвелл представил электромагнитную волну - лежащую в основе и часто невидимую форму магнетизма, электричества и света. Частица послужила строительным блоком для механики, а волна - для электромагнетизма, и общественность остановилась на частице и волне как на двух строительных блоках материи. Вместе частицы и волны стали строительными блоками всех видов материи.
Это было значительное улучшение по сравнению с пятью элементами древних греков, но все же имело недостатки. В знаменитой серии экспериментов, известных как эксперименты с двумя щелями, свет иногда ведет себя как частица, а иногда как волна. И хотя теории и математические расчеты волн и частиц позволяют ученым делать невероятно точные предсказания о Вселенной, правила не работают в самых больших и мельчайших масштабах.
Эйнштейн предложил лекарство в своей общей теории относительности. Используя математические инструменты, доступные ему в то время, Эйнштейн смог лучше объяснить некоторые физические явления, а также разрешить давний парадокс, связанный с инерцией и гравитацией. Но вместо того, чтобы улучшить частицы или волны, он устранил их, предложив искривление пространства и времени.
Используя новейшие математические инструменты, мы с коллегой продемонстрировали новую теорию, которая может точно описать вселенную. Вместо того чтобы основывать теорию на искривлении пространства и времени, мы считали, что может существовать более фундаментальный строительный блок, чем частица и волна. Ученые понимают, что частицы и волны - экзистенциальные противоположности: частица - это источник материи, существующий в одной точке, а волны существуют везде, кроме точек, которые их создают. Мой коллега и я подумали, что существует логическая связь между ними.
Новый строительный блок материи может моделировать как самые большие, так и самые маленькие объекты - от звезд до света. Кристофер Террелл, CC BY-ND
Поток и осколки энергии
Наша теория начинается с новой фундаментальной идеи - энергия всегда «течет» через области пространства и времени.
Представьте, что энергия состоит из линий, которые заполняют область пространства и времени, втекают в эту область и выходят из нее, никогда не начинаются, никогда не заканчиваются и никогда не пересекаются друг с другом.
Исходя из идеи вселенной текущих энергетических линий, мы искали единый строительный блок для текущей энергии. Если бы мы могли найти и определить такую вещь, мы надеялись, что сможем использовать ее, чтобы делать точные предсказания о Вселенной в самых больших и самых маленьких масштабах.
С математической точки зрения можно было выбирать из множества строительных блоков, но мы искали тот, который обладал бы характеристиками как частицы, так и волны - сконцентрированными, как частицы, но также рассредоточенными в пространстве и времени, как волны. Ответом был строительный блок, который выглядит как концентрация энергии - что-то вроде звезды - с максимальной энергией в центре и уменьшающейся по мере удаления от центра.
К нашему большому удивлению, мы обнаружили, что существует лишь ограниченное количество способов описать концентрацию текущей энергии. Из них мы нашли только один, который работает в соответствии с нашим математическим определением потока. Мы назвали это фрагментом энергии. Для любителей математики и физики она определяется как A=-⍺/ r, где ⍺ - интенсивность, а r - функция расстояния.
Используя фрагмент энергии в качестве строительного блока материи, мы построили математику, необходимую для решения физических задач. Последним шагом было его тестирование.
Вернемся к Эйнштейну, добавив универсальности
Общая теория относительности была первой теорией, которая точно предсказала небольшое вращение орбиты Меркурия. (Райнер Зенц через Wikimedia Commons)
Более 100 лет назад Эйнштейн обратился к двум легендарным проблемам физики, чтобы подтвердить общую теорию относительности: очень незначительное годовое смещение - или прецессию - орбиты Меркурия и крошечное искривление света когда он проходит мимо Солнца.
Эти проблемы находились на двух крайних точках спектра размеров. Ни волновая, ни корпускулярная теории материи не могли их решить, но общая теория относительности сделала это. Общая теория относительности искажала пространство и время таким образом, что траектория Меркурия смещалась, а свет искривлялся точно так же, как это наблюдается в астрономических наблюдениях.
Если бы наша новая теория имела шанс заменить частицу и волну предположительно более фундаментальным фрагментом, мы должны были бы решить и эти проблемы с помощью нашей теории.
Для задачи о прецессии Меркурия мы смоделировали Солнце как огромный стационарный фрагмент энергии, а Меркурий - как меньший, но все же огромный медленно движущийся фрагмент энергии. Для проблемы искривления света Солнце было смоделировано таким же образом, но фотон был смоделирован как крошечный фрагмент энергии, движущийся со скоростью света. В обеих задачах мы рассчитали траектории движущихся осколков и получили такие же ответы, как и предсказанные общей теорией относительности. Мы были ошеломлены.
Наша первоначальная работа продемонстрировала, как новый строительный блок способен точно моделировать тела от огромных до крошечных. Там, где частицы и волны разрушаются, фрагмент энергетического строительного блока остается прочным. Фрагмент может быть единым потенциально универсальным строительным блоком, из которого можно математически смоделировать реальность - и обновить то, как люди думают о строительных блоках вселенной.
Ларри М. Сильверберг, профессор машиностроения и аэрокосмической техники Университета штата Северная Каролина
Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите исходную статью.