Fundamentaliaisiais Visatos statybiniais blokais gali būti energijos fragmentai – ne bangos ar dalelės (Video)

Materija sudaro visatą, tačiau kas sudaro materiją? Šis klausimas seniai kirba apie tai galvojantiems – ypač fizikams.

Atspindėdamas pastarąsias fizikos tendencijas, mano kolega Jeffrey Eischen kartu su manimi apibūdino atnaujintą mąstymą apie materiją.

Iškėlėme idėją, kad materija sudaryta ne iš – kaip seniai manoma – iš dalelių ar bangų, o, fundamentaliau, kad materija sudaryta iš energijos fragmentų.

Nuo penkių prie vieno

Senovės Graikijoje buvo pripažįstami penki materiją sudarantys blokai – nuo apačios į viršų: žemė, vanduo, oras, ugnis ir eteris.

Eteris buvo materija, užpildanti dangų ir paaiškinanti žvaigždžių sukimąsi, kaip matoma iš Žemės.

Tai buvo pirmieji baziniai elementai, iš kurių galima sukurti pasaulį. Tokia fizinių elementų koncepcija dramatiškai nesikeitė beveik 2 000 metų.

Tuomet, prieš maždaug 300 metų, seras Izaokas Niutonas iškėlė idėją, kad visa materija egzistuoja taškuose, vadinamuose dalelėmis.

Praėjus šimtui penkiasdešimt metų, Jamesas Clerkas Maxwellas pristatė elektromagnetinę bangą – dažnai nematomą magnetizmo, elektros ir šviesos formą. Dalelė buvo kaip statybinis blokas mechanikai o bangos – elektromagnetizmui, ir publika sutarė, kad materiją sudaro dvejopi materijos statybiniai blokai – bangos ir dalelės. Taip dalelės ir bangos tapo visokiausios materijos sudedamosiosis dalimis.

Lyginant su senovės Graikijos penkiais elementais, tai buvo didelis žingsnis į priekį, bet vis viena nepakankamas. Žymiuosiuose dvigubo plyšelio eksperimentuose šviesa kartais elgiasi kaip dalelė, o kartais – kaip banga. Ir nors pasitelkę tiek dalelių, tiek bangų elgesį aprašančių teorijų matematiką, mokslininkai gali neįtikėtinai tiksliai prognozuoti visatos reiškinius, didžiausiose ir mažiausiuose masteliuose taisyklės nustoja galioti.

Einšteinas pasiūlė pagalbą savo bendrąja reliatyvumo teorija. Naudodamas tuomet jam prieinamus matematikos įrankius, Einšteinas sugebėjo geriau paaiškinti kai kuriuos fizikos reiškinius ir išspręsti seną inercijos ir gravitacijos paradoksą. Bet užuot patobulinęs dalelių ar bangų teoriją, jis jų iš viso atsisakė, pasiūlydamas erdvės ir laiko kreivumą.

Naudodami naujesnius matematikos įrankius, su kolegomis pademonstravome naują teoriją, galinčią visatą aprašyti tiksliau. Užuot grindę teoriją erdvės ir laiko išlinkimu, pamanėme, kad galėtų būti fundamentalesnis visatos statybinis blokelis už dalelę ir bangą.

Mokslininkai supranta, kad dalelės ir bangos yra priešingybės: dalelė yra konkrečiame taške egzistuojantis materijos šaltinis, o bangos egzistuoja visur, išskyrus tašką, kuriame ji sukurta. Su kolegomis pasvarstėme, kad būtų logiška, jei tarp jų yra kažkoks ryšys.

Energijos srautas ir fragmentai

Mūsų teorija prasideda nuo naujos fundamentalios idėjos – energija „teka“ per erdvės ir laiko regionus.

Įsivaizduokite energiją kaip sudarytą iš linijų, užpildančių erdvės ir laiko regioną, tekančią į jį ir iš jo, niekad neprasidedančią, niekados nepasibaigiančią ir niekad viena kitos nekertančią.

Pradėję nuo tekančių energijos linijų visatos idėjos, ieškojome tos tekančios energijos vienetinio statybinio bloko. Radę ir apibrėžę tokį dalyką, tikėjomės galėsią panaudoti jį tiksliai prognozuoti visatą didžiausiu ir mažiausiu masteliu.

Matematiškai buvo daug blokų, kuriuos galėtume pasirinkti, bet išvydome tokį, kuris turi ir bangos ir dalelės savybes – koncentruotą kaip dalelę, bet ir pasklidusią erdvėje ir laike, kaip banga. Užduoties atsakymas buvo sukurti bloką, atrodantį kaip energijos koncentratas – kažkas panašaus į žvaigždę – kurios energija aukščiausia centre ir mažėja, tolstant nuo centro.

Nustebome atradę, kad tekančio energijos koncentraciją galima aprašyti tik ribotu skaičiumi būdų. Ir iš jų radome tik vieną, kuris atitinka mūsų matematinį tekėjimo apibrėžimą. Pavadinome tai energijos fragmentu.

Matematikos ir fizikos aistruoliams, jis apibrėžiamas kaip \(A=-⍺/ r\) kur ⍺ yra intensyvumas, o r yra atstumo funkcija.

Naudodami energijos fragmentą kaip materijos statybinį bloką, sukonstravome matematiką, būtiną spręsti fizikos problemoms. Galutinis žingsnis buvo jos išbandymas.

Atgal prie Einsteino, daugiau universalumo

Daugiau nei prieš 100 metų, Einsteinas ėmėsi tikrinti bendrąjį reliatyvumą, panaudodamas dvi legendines fizikos problemas: nedidelį metinį Merkurijaus orbitos poslinkį – recesiąj, ir pro Saulę sklindančios šviesos išlinkimą.

Šios problemos buvo abiejose dydžio spektro pusėse. Nei banginė, nei dalelinė materijos teorija jų išspręsti negalėjo, tačiau bendrajam reliatyvumui tokia užduotis įveikiama. BRT teorija iškreipė laiką ir erdvę taip, kad Merkurijaus trajektorija pasislinko, o šviesa išlinko tiek, kiek išmatavo astronomai.

Kad mūsų naujoji teorija turėtų šansą pakeisti dalelę ir bangą kaip fundamentalesnis fragmentas, irgi turėtume gebėti šias problemas išspręsti.

Spręsdami Merkurijaus precesijos problemą, sumodeliavome Saulę kaip milžinišką nejudrų energijos fragmentą, o Merkurijų – kaip mažesnį, bet vis viena didžiulį, lėtai judantį energijos fragmentą. Modeliuojant šviesos užlenkimą, Saulė buvo modeliuojama taip pat, tačiau fotonas buvo modeliuotas kaip skriejantis šviesos greičiu mažas energijos fragmentas. Abiejų problemų atveju, suskaičiavome judančių fragmentų trajektorijas ir gavome tokius pačius atsakymus, kaip numato ir Bendroji reliatyvumo teorija. Buvome priblokšti.

Pradinis mūsų darbas pademonstravo, kaip naujas statybinis blokas gali tiksliai modeliuoti nuo didžiausių iki mažiausių objektų. Kur dalelės ir bangos pasiduoda, energijos fragmentai laikosi kuo puikiausiai. Toks fragmentas potencialiai galėtų būti universaliu statybiniu blokeliu, kuriuo realybė modeliuojama matematiškai – ir atnaujinti žmonių supratimą apie visatos statybinius blokus.

Larry M. Silverberg, Šiaurės Karolinos valstijos universiteto mechanikos ir aerokosminės inžinerijos profesorius
scitechdaily.com