Fragmenty energie – ne vlny nebo částice – mohou být základními stavebními kameny vesmíru

Hmota tvoří vesmír, ale co tvoří hmota? Tato otázka byla dlouho obtížná pro ty, kteří o ní přemýšlejí – zejména pro fyziky. Můj kolega Jeffrey Eischen a já jsme uvažovali o nejnovějších trendech ve fyzice a nastínili aktualizovaný způsob uvažování o hmotě. Navrhujeme, aby hmota nebyla složena z částic nebo vln, jak se již dlouho myslelo, ale – v zásadě – sestávala z energetických fragmentů.

Ve starověku bylo pět prvků považováno za stavební kameny reality.

Od pěti do jedné

Staří Řekové si představovali pět stavebních kamenů hmoty – zdola nahoru: zemi, vodu, vzduch, oheň a éter. Aether byla hmota, která vyplňovala oblohu a vysvětlovala rotaci hvězd pozorovanou z pohledu Země. Jednalo se o první nejzákladnější prvky, z nichž se dalo vybudovat svět. Vaše pojetí fyzických prvků se dramaticky nezměnilo téměř 2000 let.

Sir Issac Newton, který se zasloužil o rozvoj teorie částic. Fotografický kredit: Christopher Terrell, CC BY-ND

Potom asi před 300 lety Sir Isaac Newton představil myšlenku, že veškerá hmota existuje v bodech zvaných částice. O sto padesát let později představil James Clerk Maxwell elektromagnetickou vlnu – základní a často neviditelnou formu magnetismu, elektřiny a světla. Částice sloužila jako stavební blok pro mechaniku a vlna pro elektromagnetismus – a veřejnost si vybrala částici a vlnu jako dva stavební bloky hmoty. Společně se částice a vlny staly stavebními kameny všeho druhu hmoty.

To bylo obrovské zlepšení oproti pěti prvkům starověkých Řeků, ale stále to bylo chybné. Ve slavné sérii experimentů známých jako experimenty s dvojitou štěrbinou působí světlo někdy jako částice a někdy jako vlna. A zatímco teorie a matematika vln a částic umožňují vědcům dělat neuvěřitelně přesné předpovědi o vesmíru, pravidla se rozpadají na největším a nejmenším měřítku.

Einstein navrhl prostředek ve své obecné teorii relativity. S matematickými nástroji, které měl v té době k dispozici, dokázal Einstein lépe vysvětlit určité fyzikální jevy a také vyřešit dlouhodobý paradox, pokud jde o setrvačnost a gravitaci. Ale místo zlepšování částic nebo vln je eliminoval, když navrhoval zkreslení prostoru a času.

Pomocí novějších matematických nástrojů jsme s kolegou předvedli novou teorii, která dokáže přesně popsat vesmír. Místo toho, abychom založili teorii na zkreslení prostoru a času, předpokládali jsme, že by mohl existovat stavební blok, který je podstatnější než částice a vlna. Vědci chápou, že částice a vlny jsou existenční protiklady: částice je zdrojem hmoty, která existuje v jednom bodě, a vlny existují všude kromě bodů, které je vytvářejí. Můj kolega a já jsme považovali za logické, že mezi nimi existuje základní spojení.

Nový stavební blok hmoty může modelovat největší i nejmenší – od hvězd po světlo. Fotografický kredit: Christopher Terrell, CC BY-ND

Fragmenty toku a energie

Naše teorie začíná novou základní myšlenkou – že energie vždy „proudí“ regiony prostoru a času.

Představte si energii jako linii, která vyplňuje oblast prostoru a času, proudí dovnitř a ven z této oblasti, nikdy nezačíná, nikdy nekončí a nikdy se nepřekračuje.

Vycházeli jsme z myšlenky vesmíru protékajících energetických vedení a hledali jsme jediný stavební blok pro protékající energii. Pokud bychom mohli něco takového najít a definovat, doufali jsme, že nám to umožní dělat přesné předpovědi o vesmíru v největším a nejmenším měřítku.

Na výběr bylo mnoho stavebních bloků, ale hledali jsme ten, který měl vlastnosti částice i vlny – koncentrované jako částice, ale také prostorově a časově rozložené jako vlna. Odpovědí byl stavební blok, který vypadá jako koncentrace energie – jako hvězda – s energií nejvyšší ve středu a snižující se dále od centra.

K našemu velkému překvapení jsme zjistili, že existuje jen omezený počet způsobů, jak popsat tekoucí koncentraci energie. Z nich jsme našli pouze jeden, který funguje podle naší matematické definice toku. Říkali jsme tomu energetický fragment. Pro ty, kteří milují matematiku a fyziku, je definována jako A = -⍺ /r kde ⍺ je intenzita a r je funkce vzdálenosti.

S využitím energetického fragmentu jako stavebního kamene hmoty jsme poté zkonstruovali matematiku potřebnou k řešení fyzikálních problémů. Posledním krokem bylo vyzkoušení.

Zpět k Einsteinovi, přidejte univerzálnost

Před více než 100 lety se Einstein obrátil ke dvěma legendárním problémům ve fyzice, aby ověřil obecnou relativitu: mírné roční přemístění – nebo precese – oběžné dráhy Merkuru a malé ohýbání světla při průchodu Sluncem.

Obecná relativita byla první teorie, která přesně předpověděla mírnou rotaci oběžné dráhy Merkuru. Fotografický kredit: Rainer Zenz prostřednictvím Wikimedia Commons

Tyto problémy byly ve dvou extrémech velikostního spektra. Nemohli vyřešit vlnovou ani částicovou teorii hmoty, ale obecnou teorii relativity. Teorie obecné relativity narušila prostor a čas takovým způsobem, že se dráha Merkuru posunula a světlo se ohýbalo přesně v množství pozorovaném astronomickými pozorováními.

Pokud má naše nová teorie mít šanci nahradit částice a vlnu pravděpodobně zásadnějším fragmentem, měli bychom být schopni tyto problémy vyřešit také naší teorií.

Pro problém precese rtuti jsme modelovali slunce jako obrovský stacionární fragment energie a Merkur jako menší, ale stále enormně pomalý fragment energie. Pro problém ohýbání světla bylo slunce modelováno stejným způsobem, ale foton byl modelován jako malý fragment energie pohybující se rychlostí světla. V obou problémech jsme vypočítali trajektorie pohybujících se fragmentů a dostali jsme stejné odpovědi, jaké předpovídá obecná relativita. Byli jsme ohromeni.

Naše první práce ukázala, jak nový stavební blok dokáže modelovat těla od enormních po extrémně přesná. Tam, kde se částice a vlny zhroutí, zůstává fragment energetického stavebního bloku silný. Fragment by mohl být jediným potenciálně univerzálním stavebním kamenem, z něhož lze realitu matematicky modelovat – a způsob, jakým lidé uvažují o stavebních kamenech vesmíru, lze aktualizovat.

Napsal Larry M. Silverberg, profesor mechanického a leteckého inženýrství, Státní univerzita v Severní Karolíně.