A matéria não é feita de partículas ou ondas. “Ficamos atônitos”, disseram os cientistas

Por , em 9.12.2020fragmentos de energia

Matéria é o que compõe o universo, mas o que é matéria? Essa pergunta é complicada para aqueles que pensam nisso, especialmente para os físicos. Refletindo tendências recentes na física, meu colega Jeffrey Eischen e eu descrevemos uma maneira atualizada de pensar sobre o assunto. Propomos que a matéria não é feita de partículas ou ondas, como se pensava há muito tempo, mas – mais fundamentalmente – que a matéria é feita de fragmentos de energia.

De cinco para um

Os gregos antigos conceberam cinco blocos de construção de matéria: terra, água, ar, fogo e éter. Éter foi a matéria que encheu os céus e explicou a rotação das estrelas, como observado a partir do ponto de vista da Terra. Estes foram os primeiros elementos mais básicos dos quais se poderia construir um mundo. Suas concepções dos elementos físicos não mudaram dramaticamente por quase dois mil anos.

Então, cerca de 300 anos atrás, Sir Isaac Newton introduziu a ideia de que toda a matéria é feita partículas. 150 anos depois disso, James Clerk Maxwell introduziu a onda eletromagnética – a forma subjacente e muitas vezes invisível de magnetismo, eletricidade e luz. A partícula serviu como bloco de construção para a mecânica e a onda para o eletromagnetismo – e o público se conformou com a idéia da partícula e da onda como os dois blocos de construção da matéria. Juntas, as partículas e as ondas tornaram-se os blocos de construção de todos os tipos de matéria.

Esta foi uma grande melhoria em relação aos cinco elementos dos gregos antigos, mas ainda era falho. Em uma famosa série de experimentos, conhecidos como experimentos de fenda dupla, a luz às vezes age como uma partícula e outras vezes age como uma onda. E enquanto as teorias e a matemática das ondas e partículas permitem que os cientistas façam previsões incrivelmente precisas sobre o universo, as regras desabam nas maiores e nas menores escalas.

Einstein propôs uma solução em sua teoria da relatividade geral. Usando as ferramentas matemáticas disponíveis para ele na época, Einstein foi capaz de explicar melhor certos fenômenos físicos e também resolver um paradoxo de longa data relacionado à inércia e gravidade. Mas em vez de melhorar em partículas ou ondas, ele as eliminou enquanto propôs a deformação do espaço e do tempo.

Usando novas ferramentas matemáticas, meu colega e eu demonstramos uma nova teoria que pode descrever com precisão o universo. Em vez de basear a teoria na deformação do espaço e do tempo, consideramos que poderia haver um bloco de construção que é mais fundamental do que a partícula e a onda. Os cientistas entendem que partículas e ondas são opostos existenciais: uma partícula é uma fonte de matéria que existe em um único ponto, e as ondas existem em todos os lugares, exceto nos pontos que as criam. Meu colega e eu achamos que fazia sentido lógico haver uma conexão subjacente entre eles.

Fluxo e fragmentos de energia

Nossa teoria começa com uma nova ideia fundamental – que a energia sempre “flui” através de regiões do espaço e do tempo.

Pense na energia como composta de linhas que enchem uma região de espaço e tempo, fluindo para dentro e para fora daquela região, sem nunca começar, nunca acabar e nunca se cruzar.

Trabalhando a partir da ideia de um universo de linhas de energia fluindo, procuramos um único bloco de construção para a energia fluindo. Se pudéssemos encontrar e definir isso, esperávamos poder usá-lo para fazer previsões precisas sobre o universo nas maiores e menores escalas.

Há muitos blocos de construção para escolher matematicamente, mas buscamos um que tivesse características de partícula e onda – concentradas como a partícula, mas também espalhadas pelo espaço e pelo tempo como a onda. A resposta foi um bloco de construção que parece uma concentração de energia – como uma estrela – com energia mais alta no centro e que fica menor mais distante do centro.

Para nossa surpresa, descobrimos que havia apenas um número limitado de maneiras de descrever uma concentração de energia que flui. Desses, encontramos apenas um que funciona de acordo com nossa definição matemática de fluxo. Nós o chamamos de fragmento de energia. Para os loucos por matemática e física, é definido como A = -⍺/r onde ⍺ é intensidade e r é a função de distância.

Usando o fragmento de energia como um bloco de construção da matéria, então construímos a matemática necessária para resolver problemas da física. O passo final foi testar.

De volta a Einstein, adicionando universalidade

Há mais de cem anos, Einstein recorreu a dois problemas lendários da física para validar a relatividade geral: a minúscula mudança anual – ou precessão – na órbita de Mercúrio e a pequena dobra da luz à medida que passa pelo Sol.

Esses problemas estavam nos dois extremos do espectro de tamanho. Nem as teorias da onda nem das partículas da matéria poderiam resolvê-las, mas a relatividade resolvei. A teoria da relatividade geral distorceu o espaço e o tempo de forma a fazer com que a trajetória de Mercúrio mudasse e a luz se dobrasse precisamente nas quantidades vistas em observações astronômicas.

Se nossa nova teoria tivesse a chance de substituir a partícula e a onda pelo fragmento presumivelmente mais fundamental, teríamos que ser capazes de resolver esses problemas com nossa teoria, também.

Para o problema da precessão de Mercúrio, modelamos o Sol como um enorme fragmento estacionário de energia e Mercúrio como um fragmento menor, mas ainda enorme, de energia lenta. Para o problema da dobra de luz, o Sol foi modelado da mesma forma, mas o fóton foi modelado como um fragmento minúsculo de energia movendo-se à velocidade da luz. Em ambos os problemas, calculamos as trajetórias dos fragmentos em movimento e obtivemos as mesmas respostas previstas pela teoria da relatividade geral. Ficamos atônitos.

Nosso trabalho inicial demonstrou como um novo bloco de construção é capaz de modelar corpos com precisão do enorme para o minúsculo. Mesmo onde o modelo de partículas e ondas não funcionam, o fragmento do bloco de construção de energia manteve-se forte. O fragmento pode ser um único bloco de construção potencialmente universal através do qual possamos modelar a realidade matematicamente e atualizar a maneira como as pessoas pensam sobre os blocos de construção do universo.

Este artigo de Larry M. Silverberg, Professor de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da Universidade Estadual da Carolina do Norte (EUA), foi originalmente publicado no The Conversation e foi reproduzido aqui com permissões Creative Commons. Leia o artigo original.

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