Materia är det som utgör universum, men vad är det som gör saken? Denna fråga har länge varit knepig för dem som tänker på det - särskilt för fysikerna. Speglar de senaste trenderna inom fysik, min kollega Jeffrey Eischen och jag har beskrivit ett uppdaterat sätt att tänka på materia. Vi föreslår att materia inte är gjord av partiklar eller vågor, som man länge trodde, men - mer i grunden - att saken består av fragment av energi.

Från fem till ett

De gamla grekerna tänkte på fem byggstenar av materia - från botten till toppen:jorden, vatten, luft, eld och eter. Etern var saken som fyllde himlen och förklarade stjärnornas rotation, som observerats från jordens utsiktspunkt. Dessa var de första mest grundläggande elementen från vilka man kunde bygga upp en värld. Deras uppfattning om de fysiska elementen förändrades inte dramatiskt under nästan 2, 000 år.

Sedan, för ungefär 300 år sedan, Sir Isaac Newton introducerade tanken att all materia existerar vid punkter som kallas partiklar. Hundra femtio år efter det, James Clerk Maxwell introducerade den elektromagnetiska vågen - den underliggande och ofta osynliga formen av magnetism, el och ljus. Partikeln fungerade som byggsten för mekanik och våg för elektromagnetism - och allmänheten bestämde sig för partikeln och vågen som materiens två byggstenar. Tillsammans, partiklarna och vågorna blev byggstenarna i all slags materia.

Detta var en enorm förbättring jämfört med de gamla grekernas fem element, men var fortfarande bristfällig. I en berömd serie experiment, känd som dubbelspaltsexperimenten, ljus fungerar ibland som en partikel och vid andra tillfällen fungerar det som en våg. Och medan teorier och matematik om vågor och partiklar tillåter forskare att göra otroligt exakta förutsägelser om universum, reglerna bryts ner på den största och minsta skalan.

Einstein föreslog ett botemedel i sin teori om allmän relativitet. Med hjälp av de matematiska verktyg som var tillgängliga för honom vid den tiden, Einstein kunde bättre förklara vissa fysiska fenomen och också lösa en mångårig paradox som rör tröghet och gravitation. Men istället för att förbättra partiklar eller vågor, han eliminerade dem när han föreslog förvrängning av rum och tid.

Med hjälp av nyare matematiska verktyg, min kollega och jag har visat en ny teori som exakt kan beskriva universum. Istället för att basera teorin på förvrängning av rum och tid, vi ansåg att det kunde finnas en byggsten som är mer grundläggande än partikeln och vågen. Forskare förstår att partiklar och vågor är existentiella motsatser:En partikel är en källa till materia som existerar vid en enda punkt, och vågor finns överallt utom vid de punkter som skapar dem. Min kollega och jag tyckte att det var logiskt förnuftigt att det fanns en underliggande koppling mellan dem.

Flöde och fragment av energi

Vår teori börjar med en ny grundläggande idé - att energi alltid "flyter" genom områden i tid och rum.

Tänk på energi som består av linjer som fyller en region av tid och rum, flyter in och ut ur den regionen, börjar aldrig, aldrig ta slut och aldrig korsa varandra.

Utifrån idén om ett universum av flödande energilinjer, vi letade efter en enda byggsten för den flödande energin. Om vi ​​kunde hitta och definiera något sådant, vi hoppades att vi kunde använda det för att exakt göra förutsägelser om universum på den största och minsta skalan.

Det fanns många byggstenar att välja mellan matematiskt, men vi sökte en som hade egenskaperna hos både partikeln och vågen - koncentrerad som partikeln men också spridd ut över rymden och tiden som vågen. Svaret var en byggsten som ser ut som en energikoncentration - ungefär som en stjärna - med energi som är högst i mitten och som blir mindre längre bort från mitten.

Till vår stora förvåning, vi upptäckte att det bara fanns ett begränsat antal sätt att beskriva en koncentration av energi som flödar. Av dem, vi hittade bara en som fungerar i enlighet med vår matematiska definition av flöde. Vi kallade det ett fragment av energi. För matte- och fysikälskare, det definieras som A =-⍺/ r där ⍺ är intensitet och r är avståndsfunktionen.

Använda energifragmentet som en byggsten av materia, vi konstruerade sedan matematiken som var nödvändig för att lösa fysikproblem. Det sista steget var att testa det.

Tillbaka till Einstein, lägger till universalitet

För mer än 100 år sedan, Einstein hade vänt sig till två legendariska problem inom fysiken för att validera allmän relativitet:det någonsin så små årliga skiftet-eller precessionen-i Merkurius bana, och den lilla böjningen av ljus när det passerar solen.

Dessa problem befann sig i de två ytterligheterna av storleksspektrumet. Varken våg- eller partikelteorier om materia kunde lösa dem, men allmän relativitet gjorde det. Teorin om allmänna relativitetsteorin förvrängde rum och tid på ett sådant sätt att Merkurius bana förflyttades och ljuset böjde i exakt de mängder som ses i astronomiska observationer.

Om vår nya teori skulle ha en chans att ersätta partikeln och vågen med det förmodligen mer grundläggande fragmentet, vi skulle behöva kunna lösa dessa problem med vår teori, för.

För problemet med kvicksilverprecession, vi modellerade solen som ett enormt stationärt energifragment och Merkurius som ett mindre men fortfarande enormt långsamt rörligt energifragment. För problem med böjning av ljus, solen modellerades på samma sätt, men fotonen modellerades som ett minimalt fragment av energi som rör sig med ljusets hastighet. I båda problemen vi beräknade banorna för de rörliga fragmenten och fick samma svar som de som förutses av teorin om allmän relativitet. Vi var bedövade.

Vårt inledande arbete visade hur en ny byggsten klarar av att exakt modellera kroppar från det enorma till det lilla. Där partiklar och vågor bryts ner, fragmentet av energibyggsten var starkt. Fragmentet kan vara en enda potentiellt universell byggsten för att modellera verkligheten matematiskt - och uppdatera hur människor tänker om universums byggstenar.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.