Materie macht das Universum aus, aber was macht Materie aus? Diese Frage war lange Zeit schwierig für diejenigen, die darüber nachdenken - insbesondere für Physiker. Mein Kollege Jeffrey Eischen und ich haben die jüngsten Trends in der Physik reflektiert. beschreibt eine aktualisierte Art, über Materie nachzudenken .
Wir schlagen vor, dass Materie nicht aus Partikeln oder Wellen besteht, wie lange gedacht wurde, sondern - im Grunde genommen - aus Energiefragmenten besteht.
Von fünf bis eins
Die alten Griechen gedacht fünf Bausteine der Materie - von unten nach oben: Erde, Wasser, Luft, Feuer und Äther. Äther war die Materie, die den Himmel erfüllte und die Rotation der Sterne vom Standpunkt der Erde aus erklärte. Dies waren die ersten grundlegendsten Elementevon dem aus man eine Welt aufbauen konnte. Ihre Vorstellungen von den physischen Elementen änderten sich fast 2.000 Jahre lang nicht dramatisch.
Dann, vor ungefähr 300 Jahren, führte Sir Isaac Newton die Idee ein, dass alle Materie existiert als Punkte, die als Partikel bezeichnet werden . Einhundertfünfzig Jahre später stellte James Clerk Maxwell das vor elektromagnetische Welle - die zugrunde liegende und oft unsichtbare Form von Magnetismus, Elektrizität und Licht. Das Teilchen diente als Baustein für die Mechanik und die Welle für den Elektromagnetismus - und die Öffentlichkeit entschied sich für das Teilchen und die Welle als die beiden Bausteine der Materie.Zusammen wurden die Teilchen und Wellen zu Bausteinen aller Arten von Materie.
Dies war eine enorme Verbesserung gegenüber den fünf Elementen der alten Griechen, aber es war immer noch fehlerhaft. In einer berühmten Reihe von Experimenten, bekannt als die Doppelspaltexperimente Licht wirkt manchmal wie ein Teilchen und manchmal wie eine Welle. Und während die Theorien und die Mathematik von Wellen und Teilchen es Wissenschaftlern ermöglichen, unglaublich genaue Vorhersagen über das Universum zu treffen, brechen die Regeln auf den größten und kleinsten Skalen zusammen.
Einstein schlug ein Mittel in seiner Theorie vor allgemeine Relativitätstheorie Mit den ihm damals zur Verfügung stehenden mathematischen Werkzeugen konnte Einstein bestimmte physikalische Phänomene besser erklären und auch ein langjähriges Problem lösen Paradoxon in Bezug auf Trägheit und Schwerkraft . Aber anstatt Teilchen oder Wellen zu verbessern, beseitigte er sie, als er die Verzerrung von Raum und Zeit vorschlug.
Mit neueren mathematischen Werkzeugen haben mein Kollege und ich eine neue Theorie demonstriert, die das Universum genau beschreiben kann. Anstatt die Theorie auf die Verzerrung von Raum und Zeit zu stützen, haben wir angenommen, dass es einen Baustein geben könnte, der grundlegender ist alsDas Teilchen und die Welle. Wissenschaftler verstehen, dass Teilchen und Wellen existenzielle Gegensätze sind: Ein Teilchen ist eine Materiequelle, die an einem einzelnen Punkt existiert, und Wellen existieren überall außer an den Punkten, die sie erzeugen.
Mein Kollege und ich hielten es für logisch sinnvoll, dass eine zugrunde liegende Verbindung zwischen ihnen besteht.
Fluss und Energiefragmente
Unsere Theorie beginnt mit einer neuen Grundidee - dass Energie immer durch Regionen von Raum und Zeit „fließt“.
Stellen Sie sich Energie als eine Linie vor, die eine Region von Raum und Zeit ausfüllt, in diese Region hinein und aus dieser heraus fließt, niemals beginnt, niemals endet und sich niemals kreuzt.
Ausgehend von der Idee eines Universums fließender Energielinien suchten wir nach einem einzigen Baustein für die fließende Energie. Wenn wir so etwas finden und definieren könnten, hofften wir, dass wir damit genaue Vorhersagen über das Universum treffen könntendie größten und kleinsten Schuppen.
Es gab viele Bausteine zur Auswahl, aber wir suchten einen, der die Merkmale sowohl des Teilchens als auch der Welle aufweist - konzentriert wie das Teilchen, aber auch räumlich und zeitlich verteilt wie die Welle. Die Antwort war ein Baustein, dersieht aus wie eine Energiekonzentration - eine Art Stern - mit einer Energie, die im Zentrum am höchsten ist und die weiter vom Zentrum entfernt kleiner wird.
Zu unserer großen Überraschung haben wir festgestellt, dass es nur eine begrenzte Anzahl von Möglichkeiten gibt, eine fließende Energiekonzentration zu beschreiben. Von diesen haben wir nur eine gefunden, die gemäß unserer mathematischen Definition des Flusses funktioniert. Wir haben sie a genannt. Energiefragment . Für Mathematik- und Physikliebhaber ist es definiert als A = -⍺ / r wobei ⍺ Intensität ist und r ist die Distanzfunktion.
Unter Verwendung des Energiefragments als Baustein der Materie haben wir dann die Mathematik konstruiert, die zur Lösung physikalischer Probleme erforderlich ist. Der letzte Schritt bestand darin, sie zu testen.
Zurück zu Einstein, Universalität hinzufügen
Vor mehr als 100 Jahren hatte sich Einstein gewandt zwei legendäre Probleme in der Physik zur Validierung der allgemeinen Relativitätstheorie: die noch so geringe jährliche Verschiebung - oder Präzession - in der Umlaufbahn von Merkur und die winzige Biegung des Lichts, wenn es die Sonne passiert .
Diese Probleme befanden sich an den beiden Extremen des Größenspektrums. Weder Wellen- noch Teilchentheorien der Materie konnten sie lösen, aber die allgemeine Relativitätstheorie tat es. Die Theorie der allgemeinen Relativitätstheorie verzerrte Raum und Zeit so, dass die Flugbahn von Merkur dazu führteVerschiebung und Licht, um genau die Mengen zu biegen, die bei astronomischen Beobachtungen beobachtet wurden.
Wenn unsere neue Theorie die Chance hätte, das Teilchen und die Welle durch das vermutlich grundlegendere Fragment zu ersetzen, müssten wir diese Probleme auch mit unserer Theorie lösen können.
Für das Problem der Quecksilberpräzession haben wir die Sonne als ein enormes stationäres Energiefragment und Merkur als ein kleineres, aber immer noch enorm langsames Energiefragment modelliert. Für das Problem der Lichtbiegung wurde die Sonne modelliertauf die gleiche Weise, aber das Photon wurde als winziges Energiefragment modelliert, das sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. In beiden Problemen berechneten wir die Trajektorien der sich bewegenden Fragmente und erhielten die gleichen Antworten wie die von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagtenwaren fassungslos.
Unsere ersten Arbeiten haben gezeigt, wie ein neuer Baustein Körper vom enormen bis zum winzigen Baustein genau modellieren kann. Wo Partikel und Wellen zusammenbrechen, bleibt das Fragment des Energiebausteins stark. Das Fragment könnte ein einzelner potenziell universeller Baustein seinvon wo aus man die Realität mathematisch modellieren kann - und die Art und Weise aktualisieren kann, wie Menschen über die Bausteine des Universums denken.
Verfasst von Larry M. Silverberg , Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik North Carolina State University. Dieser Artikel wurde erneut veröffentlicht von Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lesen Sie den Originalartikel .