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Fragmentos de energía, no ondas ni partículas, pueden ser los bloques de construcción fundamentales del universo

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Las nuevas matemáticas han demostrado que las líneas de energía se pueden utilizar para describir el universo.

La materia es lo que constituye el universo, pero ¿qué constituye la materia? Esta pregunta ha sido complicada durante mucho tiempo para quienes piensan en ella, especialmente para los físicos. Reflejando las tendencias recientes en física, mi colega Jeffrey Eischen y yo hemos descrito una forma actualizada de pensar sobre la materia. Proponemos que la materia no está hecha de partículas u ondas, como se pensó durante mucho tiempo, sino, más fundamentalmente, que la materia está hecha de fragmentos de energía.

Cinco elementos

En la antigüedad, se pensaba que cinco elementos eran los pilares de la realidad.

De cinco a uno

Los antiguos griegos concibieron cinco componentes básicos de la materia, de abajo hacia arriba: tierra, agua, aire, fuego y éter. El éter era la materia que llenaba los cielos y explicaba la rotación de las estrellas, como se observa desde el punto de vista de la Tierra. Estos fueron los primeros elementos más básicos a partir de los cuales se podría construir un mundo. Sus concepciones de los elementos físicos no cambiaron drásticamente durante casi 2000 años.

Sir Issac Newton

Sir Issac Newton, acreditado con el desarrollo de la teoría de partículas. Crédito: Christopher Terrell, CC BY-ND

Luego, hace unos 300 años, Sir Isaac Newton introdujo la idea de que toda la materia existe en puntos llamados partículas. Ciento cincuenta años después de eso, James Clerk Maxwell introdujo la onda electromagnética, la forma subyacente ya menudo invisible de magnetismo, electricidad y luz. La partícula sirvió como bloque de construcción para la mecánica y la onda para el electromagnetismo, y el público se decidió por la partícula y la onda como los dos bloques de construcción de la materia. Juntas, las partículas y las ondas se convirtieron en los componentes básicos de todo tipo de materia.

Esta fue una gran mejora con respecto a los cinco elementos de los antiguos griegos, pero aún tenía fallas. En una famosa serie de experimentos, conocidos como experimentos de doble rendija, la luz a veces actúa como una partícula y en otras ocasiones actúa como una onda. Y mientras que las teorías y las matemáticas de ondas y partículas permiten a los científicos hacer predicciones increíblemente precisas sobre el universo, las reglas se rompen en las escalas más grandes y pequeñas.

Einstein propuso un remedio en su teoría de la relatividad general. Usando las herramientas matemáticas disponibles para él en ese momento, Einstein pudo explicar mejor ciertos fenómenos físicos y también resolver una paradoja de larga data relacionada con la inercia y la gravedad. Pero en lugar de mejorar las partículas u ondas, las eliminó al proponer la deformación del espacio y el tiempo.

Utilizando herramientas matemáticas más nuevas, mi colega y yo hemos demostrado una nueva teoría que puede describir con precisión el universo. En lugar de basar la teoría en la deformación del espacio y el tiempo, consideramos que podría haber un bloque de construcción que es más fundamental que la partícula y la onda. Los científicos entienden que las partículas y las ondas son opuestos existenciales: una partícula es una fuente de materia que existe en un solo punto, y las ondas existen en todas partes excepto en los puntos que las crean. Mi colega y yo pensamos que tenía sentido lógico que hubiera una conexión subyacente entre ellos.

Bloque de construcción de la materia

Un nuevo bloque de construcción de materia puede modelar tanto las cosas más grandes como las más pequeñas, desde las estrellas hasta la luz. Crédito: Christopher Terrell, CC BY-ND

Flujo y fragmentos de energía

Nuestra teoría comienza con una nueva idea fundamental: que la energía siempre “fluye” a través de regiones del espacio y el tiempo.

Piense en la energía como formada por líneas que llenan una región de espacio y tiempo, fluyendo hacia y desde esa región, sin comenzar nunca, sin terminar y sin cruzarse nunca entre sí.

Partiendo de la idea de un universo de líneas de energía fluidas, buscamos un solo bloque de construcción para la energía que fluye. Si pudiéramos encontrar y definir algo así, esperábamos poder usarlo para hacer predicciones precisas sobre el universo en las escalas más grandes y pequeñas.

Había muchos bloques de construcción para elegir matemáticamente, pero buscamos uno que tuviera las características tanto de la partícula como de la onda: concentrado como la partícula pero también esparcido por el espacio y el tiempo como la onda. La respuesta fue un bloque de construcción que parece una concentración de energía, una especie de estrella, que tiene una energía que es más alta en el centro y que se hace más pequeña más lejos del centro.

Para nuestra sorpresa, descubrimos que solo había un número limitado de formas de describir una concentración de energía que fluye. De ellos, encontramos solo uno que funciona de acuerdo con nuestra definición matemática de flujo. Lo llamamos fragmento de energía. Para los aficionados a las matemáticas y la física, se define como A = -⍺ /r donde ⍺ es la intensidad y r es la función de distancia.

Usando el fragmento de energía como un bloque de construcción de materia, luego construimos las matemáticas necesarias para resolver problemas de física. El último paso fue probarlo.

Volviendo a Einstein, agregando universalidad

Hace más de 100 años, Einstein había recurrido a dos problemas legendarios de la física para validar la relatividad general: el cambio anual (o precesión) siempre tan leve en la órbita de Mercurio y la pequeña curvatura de la luz cuando pasa por el Sol.

Precesión del perihelio de Mercurio

La relatividad general fue la primera teoría en predecir con precisión la ligera rotación de la órbita de Mercurio. Crédito: Rainer Zenz a través de Wikimedia Commons

Estos problemas se encontraban en los dos extremos del espectro de tamaños. Ni las teorías de la materia de ondas ni de partículas pudieron resolverlos, pero la relatividad general lo hizo. La teoría de la relatividad general deformaba el espacio y el tiempo de tal manera que hacía que la trayectoria de Mercurio cambiara y la luz se doblara precisamente en las cantidades observadas en las observaciones astronómicas.

Si nuestra nueva teoría tuviera la oportunidad de reemplazar la partícula y la onda con el fragmento presuntamente más fundamental, también tendríamos que ser capaces de resolver estos problemas con nuestra teoría.

Para el problema de la precesión de Mercurio, modelamos el Sol como un enorme fragmento estacionario de energía y Mercurio como un fragmento de energía más pequeño pero aún enorme de movimiento lento. Para el problema de la curvatura de la luz, el Sol se modeló de la misma manera, pero el fotón se modeló como un minúsculo fragmento de energía que se mueve a la velocidad de la luz. En ambos problemas, calculamos las trayectorias de los fragmentos en movimiento y obtuvimos las mismas respuestas que las predichas por la teoría de la relatividad general. Nos quedamos atónitos.

Nuestro trabajo inicial demostró cómo un nuevo bloque de construcción es capaz de modelar con precisión cuerpos desde lo enorme a lo minúsculo. Donde las partículas y las ondas se rompen, el fragmento del bloque de construcción de energía se mantuvo fuerte. El fragmento podría ser un único bloque de construcción potencialmente universal a partir del cual modelar la realidad matemáticamente y actualizar la forma en que la gente piensa sobre los bloques de construcción del universo.

Escrito por Larry M. Silverberg, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial, Universidad Estatal de Carolina del Norte.



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