Por The Conversation
A matéria é o que constitui o Universo, mas o que constitui a matéria? Esta pergunta feita há muito tempo é complicada para aqueles que refletem sobre ela – especialmente para os físicos. Refletindo as tendências recentes da física, meu colega Jeffrey Eischen e eu descrevemos uma maneira atualizada de pensar a matéria. 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
Na Grécia Antiga, os filósofos concebiam cinco blocos de construção da matéria – de baixo para cima: terra, água, ar, fogo e éter. Éter era a matéria que preenchia os céus e explicava a rotação das estrelas, observada do ponto de vista da Terra. Esses foram os primeiros elementos básicos com os quais se poderia construir um mundo. Suas concepções dos elementos físicos não mudaram dramaticamente por quase 2.000 anos.
Então, cerca de 300 anos atrás, Sir Isaac Newton introduziu a ideia de que toda matéria existe em pontos chamados partículas. Cento e cinquenta 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 o bloco de construção para a mecânica e a onda para o eletromagnetismo – e foi estabelecido publicamente que a partícula e a onda eram os dois blocos de construção da matéria. Juntas, as partículas e ondas tornaram-se os blocos de construção de todos os tipos de matéria.
Isso foi um grande avanço em relação aos cinco elementos dos gregos antigos, mas ainda era falho. Em uma famosa série de experimentos, conhecidos como experimentos de dupla fenda, a luz às vezes age como uma partícula e, outras vezes, como uma onda. E enquanto as teorias e a matemática das ondas e partículas permitem aos cientistas fazer previsões incrivelmente precisas sobre o Universo, as regras se quebram nas escalas maiores e menores.
Einstein propôs uma solução em sua teoria da relatividade geral. Usando as ferramentas matemáticas de que dispunha na época, Einstein foi capaz de explicar melhor certos fenômenos físicos e também resolver um antigo paradoxo relacionado à inércia e à gravidade. Mas em vez de avançar com as partículas ou ondas, ele as deixou de lado ao propor a deformação do espaço e do tempo.
Usando ferramentas matemáticas mais novas, meu colega e eu demonstramos uma nova teoria que pode descrever o Universo com precisão. 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 que houvesse uma conexão subjacente entre elas.
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 preenchem uma região do espaço e do tempo, fluindo para dentro e para fora dessa região, nunca começando, nunca terminando e nunca se cruzando.
Trabalhando a partir da ideia de um Universo de linhas de energia fluente, procuramos um único bloco de construção para a energia fluente. Se pudéssemos encontrar e definir tal coisa, esperávamos poder usá-la para fazer previsões precisas sobre o Universo nas escalas maiores e menores.
Havia muitos blocos de construção para escolher matematicamente, mas buscamos um que tivesse as características tanto da partícula quanto da onda – concentrado como a partícula, mas também espalhado no espaço e no tempo como a onda. A resposta foi um bloco de construção que se parece com uma concentração de energia – uma espécie de estrela – tendo a energia mais forte no centro e menor quanto mais distante do centro.
Para nossa surpresa, descobrimos que havia apenas um número limitado de maneiras de descrever uma concentração de energia fluente. Destes, encontramos apenas um que funciona de acordo com nossa definição matemática de fluxo. Nós o chamamos de fragmento de energia. Para os aficionados em matemática e física, é definido como A = -⍺/r onde ⍺ é a intensidade e r é a função de distância.
Usando o fragmento de energia como um bloco de construção da matéria, construímos a matemática necessária para resolver alguns problemas da física. A etapa final foi testá-la.
De volta a Einstein, mas adicionando universalidade
Mais de 100 anos atrás, Einstein se voltou para dois problemas lendários da física para validar a relatividade geral: a sempre pequena mudança – ou precessão – na órbita de Mercúrio e a minúscula curvatura da luz ao passar pelo Sol.
Esses problemas estavam nos dois extremos do espectro de tamanho. Nem as teorias das ondas nem das partículas da matéria poderiam resolvê-los, mas a relatividade geral sim. A teoria da relatividade geral distorceu o espaço e o tempo de modo a fazer com que a trajetória de Mercúrio se deslocasse e a luz se curvasse precisamente nas quantidades vistas nas observações astronômicas.
Se nossa nova teoria tivesse a chance de substituir a partícula e a onda pelo fragmento presumivelmente mais fundamental, teríamos de ser capazes de resolver esses problemas também com nossa teoria.
Para o problema da precessão de Mercúrio, modelamos o Sol como um enorme fragmento estacionário de energia e Mercúrio como um fragmento de energia menor, mas ainda enorme, de movimento lento. Para o problema da curvatura da luz, o Sol foi modelado da mesma maneira, mas o fóton foi modelado como um fragmento minúsculo de energia movendo-se na velocidade da luz. Em ambos os problemas, calculamos as trajetórias dos fragmentos em movimento e obtivemos as mesmas respostas que as previstas pela teoria da relatividade geral. Ficamos chocados.
Nosso trabalho inicial demonstrou como um novo bloco de construção é capaz de modelar corpos com precisão, desde os enormes aos minúsculos. Onde partículas e ondas falham em explicar situações, o fragmento do bloco de construção de energia se mantém forte. O fragmento poderia ser um único bloco de construção potencialmente universal a partir do qual modelar a realidade matematicamente – e atualizar a maneira como as pessoas pensam sobre os blocos de construção do Universo.
