Des fragments d'énergie – et non des ondes ou des particules – peuvent être les éléments constitutifs fondamentaux de l'univers

De cinq à un

Les anciens Grecs concevaient cinq éléments constitutifs de la matière – de bas en haut : la terre, l'eau, l'air, le feu et l'éther. L'éther était la matière qui remplissait les cieux et expliquait la rotation des étoiles, telle qu'observée depuis le point de vue de la Terre. Ce furent les premiers éléments les plus élémentaires à partir desquels on pouvait construire un monde. Leurs conceptions des éléments physiques n'ont pas changé de façon spectaculaire pendant près de 2000 ans.

Puis, il y a environ 300 ans, Sir Isaac Newton a introduit l'idée que toute la matière existe en des points appelés particules. Cent cinquante ans plus tard, James Clerk Maxwell a introduit l'onde électromagnétique – la forme sous-jacente et souvent invisible du magnétisme, de l'électricité et de la lumière. La particule a servi de bloc de construction pour la mécanique et l'onde pour l'électromagnétisme – et le public a choisi la particule et l'onde comme les deux blocs de construction de la matière. Ensemble, les particules et les ondes sont devenues les éléments constitutifs de toutes sortes de matière.

Il s'agissait d'une grande amélioration par rapport aux cinq éléments des Grecs anciens, mais restait imparfait. Dans une célèbre série d'expériences, connue sous le nom d'expériences à double fentela lumière agit parfois comme une particule et à d'autres moments comme une onde. Et tandis que les théories et les mathématiques des ondes et des particules permettent aux scientifiques de faire des prédictions incroyablement précises sur l'univers, les règles s'effondrent aux échelles les plus grandes et les plus petites.

Einstein a proposé un remède dans sa théorie de la relativité générale. À l'aide des outils mathématiques dont il disposait à l'époque, Einstein a pu mieux expliquer certains phénomènes physiques et également résoudre un paradoxe de longue date relatif à l'inertie et à la gravité. Mais au lieu d'améliorer les particules ou les ondes, il les a éliminées en proposant la déformation de l'espace et du temps.

En utilisant des outils mathématiques plus récents, mon collègue et moi avons démontré une nouvelle théorie qui peut décrire avec précision l'univers. Au lieu de fonder la théorie sur la déformation de l'espace et du temps, nous avons considéré qu'il pourrait y avoir un élément constitutif plus fondamental que la particule et l'onde. Les scientifiques comprennent que les particules et les ondes sont des opposés existentiels : une particule est une source de matière qui existe en un seul point, et les ondes existent partout sauf aux points qui les créent. Mon collègue et moi pensions qu'il était logique qu'il y ait un lien sous-jacent entre eux.

Flux et fragments d'énergie

Notre théorie commence par une nouvelle idée fondamentale – que l'énergie « circule » toujours à travers des régions de l'espace et du temps.

Pensez à l'énergie comme composée de lignes qui remplissent une région de l'espace et du temps, entrant et sortant de cette région, ne commençant jamais, ne finissant jamais et ne se croisant jamais.

Travailler à partir de l'idée d'un univers. des lignes d'énergie en circulation, nous avons cherché un seul bloc de construction pour l'énergie en circulation. Si nous pouvions trouver et définir une telle chose, nous espérions pouvoir l'utiliser pour faire des prédictions précises sur l'univers aux plus grandes et plus petites échelles.

Il y avait de nombreux blocs de construction parmi lesquels choisir mathématiquement, mais nous en avons recherché un qui avait les caractéristiques à la fois de la particule et de l'onde – concentré comme la particule mais également réparti dans l'espace et le temps comme l'onde. La réponse était un bloc de construction qui ressemble à une concentration d'énergie – un peu comme une étoile – dont l'énergie est la plus élevée au centre et qui diminue en s'éloignant du centre.

À notre grande surprise, nous avons découvert qu'il n'y avait qu'un nombre limité de façons de décrire une concentration d'énergie qui circule. Parmi ceux-ci, nous n'en avons trouvé qu'un qui fonctionne conformément à notre définition mathématique du flux. Nous l'avons nommé un fragment d'énergie. Pour les aficionados de mathématiques et de physique, il est défini comme A = -⍺/r où est l'intensité et r est la fonction de distance.

En utilisant le fragment d'énergie comme élément constitutif de la matière, nous avons ensuite construit les mathématiques nécessaires pour résoudre des problèmes de physique. La dernière étape consistait à le tester.

Retour à Einstein, en ajoutant l'universalité

Il y a plus de 100 ans, Einstein s'était tourné vers deux problèmes légendaires en physique pour valider la relativité générale : le très léger décalage annuel – ou précession – dans l'orbite de Mercureet la petite courbure de la lumière lorsqu'elle passe devant le Soleil.

Ces problèmes se situaient aux deux extrêmes du spectre de taille. Ni les théories des ondes ni des particules de la matière ne pouvaient les résoudre, mais la relativité générale l'a fait. La théorie de la relativité générale a déformé l'espace et le temps de telle sorte que la trajectoire de Mercure se déplace et la lumière se plie précisément dans les quantités observées dans les observations astronomiques.

Si notre nouvelle théorie devait avoir une chance de remplacer la particule et l'onde par le fragment vraisemblablement plus fondamental, nous devrions également être capables de résoudre ces problèmes avec notre théorie.

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Pour le problème de la précession de Mercure, nous avons modélisé le Soleil comme un énorme fragment stationnaire d'énergie et Mercure en tant que fragment d'énergie lent plus petit mais toujours énorme. Pour le problème de la courbure de la lumière, le Soleil a été modélisé de la même manière, mais le photon a été modélisé comme un minuscule fragment d'énergie se déplaçant à la vitesse de la lumière. Dans les deux problèmes, nous avons calculé les trajectoires des fragments en mouvement et obtenu les mêmes réponses que celles prédites par la théorie de la relativité générale. Nous avons été stupéfaits.

Nos premiers travaux ont démontré comment un nouveau bloc de construction est capable de modéliser avec précision des corps de l'énorme au minuscule. Là où les particules et les ondes se brisent, le fragment de bloc de construction d'énergie a tenu bon. Le fragment pourrait être un seul bloc de construction potentiellement universel à partir duquel modéliser mathématiquement la réalité – et mettre à jour la façon dont les gens pensent les blocs de construction de l'univers.

Cet article est republié à partir de The Conversation , un site d'actualités à but non lucratif dédié au partage d'idées d'experts universitaires. Il a été écrit par : Larry M. SilverbergNorth Carolina State University.

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Larry M. Silverberg ne travaille pas, ne consulte pas, ne détient pas d'actions ou ne reçoit de financement d'aucune entreprise ou organisation qui bénéficierait de cet article, et n'a divulgué aucune affiliation pertinente au-delà de son poste universitaire.