La materia es lo que compone el universo, pero ¿qué hace la materia? Esta pregunta ha sido complicada durante mucho tiempo para quienes piensan en ella, especialmente para los físicos. Reflejando tendencias recientes en física, mi colega Jeffrey Eischen y yo hemos descrito una forma actualizada de pensar sobre la materia. Proponemos que la materia no está hecha de partículas u ondas, como se pensó durante mucho tiempo, pero —más fundamentalmente— que la materia está hecha de fragmentos de energía.

De cinco a uno

Los antiguos griegos concibieron cinco bloques de construcción de materia, de abajo hacia arriba:tierra, agua, aire, fuego y éter. El éter era el asunto que llenaba los cielos y explicaba la rotación de las estrellas, como se observa desde el punto de vista de la Tierra. Estos fueron los primeros elementos más básicos a partir de los cuales se podría construir un mundo. Sus concepciones de los elementos físicos no cambiaron drásticamente durante casi 2 años. 000 años.

Luego, hace unos 300 años, Sir Isaac Newton introdujo la idea de que toda la materia existe en puntos llamados partículas. Ciento cincuenta años después de eso, James Clerk Maxwell introdujo la onda electromagnética, la forma subyacente y a menudo invisible de magnetismo, electricidad y luz. La partícula sirvió como el bloque de construcción para la mecánica y la onda para el electromagnetismo, y el público se decidió por la partícula y la onda como los dos bloques de construcción de la materia. Juntos, las partículas y ondas se convirtieron en los componentes básicos de todo tipo de materia.

Esta fue una gran mejora con respecto a los cinco elementos de los antiguos griegos, pero todavía tenía fallas. En una famosa serie de experimentos, conocido como los experimentos de doble rendija, la luz a veces actúa como una partícula y en otras ocasiones actúa como una onda. Y mientras que las teorías y las matemáticas de ondas y partículas permiten a los científicos hacer predicciones increíblemente precisas sobre el universo, las reglas se rompen en las escalas más grandes y pequeñas.

Einstein propuso un remedio en su teoría de la relatividad general. Usando las herramientas matemáticas disponibles para él en ese momento, Einstein pudo explicar mejor ciertos fenómenos físicos y también resolver una paradoja de larga data relacionada con la inercia y la gravedad. Pero en lugar de mejorar partículas u ondas, los eliminó al proponer la deformación del espacio y el tiempo.

Usando herramientas matemáticas más nuevas, mi colega y yo hemos demostrado una nueva teoría que puede describir con precisión el universo. En lugar de basar la teoría en la deformación del espacio y el tiempo, consideramos que podría haber un bloque de construcción más fundamental que la partícula y la onda. Los científicos entienden que las partículas y las ondas son opuestos existenciales:una partícula es una fuente de materia que existe en un solo punto, y las ondas existen en todas partes excepto en los puntos que las crean. Mi colega y yo pensamos que tenía sentido lógico que hubiera una conexión subyacente entre ellos.

Flujo y fragmentos de energía

Nuestra teoría comienza con una nueva idea fundamental:que la energía siempre "fluye" a través de regiones del espacio y el tiempo.

Piense en la energía como formada por líneas que llenan una región de espacio y tiempo, fluyendo dentro y fuera de esa región, nunca comenzando, sin fin y sin cruzarse nunca entre sí.

Partiendo de la idea de un universo de líneas de energía fluidas, buscamos un solo bloque de construcción para la energía que fluye. Si pudiéramos encontrar y definir tal cosa, esperábamos poder usarlo para hacer predicciones precisas sobre el universo en las escalas más grandes y pequeñas.

Había muchos bloques de construcción para elegir matemáticamente, pero buscamos una que tuviera las características tanto de la partícula como de la onda:concentrada como la partícula pero también esparcida por el espacio y el tiempo como la onda. La respuesta fue un bloque de construcción que parece una concentración de energía, una especie de estrella, que tiene una energía que es más alta en el centro y que se hace más pequeña cuando se aleja del centro.

Para nuestra sorpresa, descubrimos que solo había un número limitado de formas de describir una concentración de energía que fluye. De aquellos, encontramos solo uno que funciona de acuerdo con nuestra definición matemática de flujo. Lo llamamos fragmento de energía. Para los aficionados a las matemáticas y la física, se define como A =-⍺ / r donde ⍺ es la intensidad y r es la función de distancia.

Usando el fragmento de energía como un bloque de construcción de materia, luego construimos las matemáticas necesarias para resolver problemas de física. El último paso fue probarlo.

De vuelta a Einstein, agregando universalidad

Hace más de 100, Einstein había recurrido a dos problemas legendarios de la física para validar la relatividad general:el cambio anual (o precesión) siempre tan leve en la órbita de Mercurio, y la pequeña curvatura de la luz cuando pasa el sol.

Estos problemas se encuentran en los dos extremos del espectro de tamaños. Ni las teorías de ondas ni las de partículas de la materia podrían resolverlos, pero la relatividad general lo hizo. La teoría de la relatividad general deformaba el espacio y el tiempo de tal manera que hacía que la trayectoria de Mercurio cambiara y la luz se doblara precisamente en las cantidades observadas en las observaciones astronómicas.

Si nuestra nueva teoría tuviera la oportunidad de reemplazar la partícula y la onda con el fragmento presumiblemente más fundamental, tendríamos que poder resolver estos problemas con nuestra teoría, también.

Para el problema de la precesión de Mercurio, modelamos el Sol como un enorme fragmento estacionario de energía y Mercurio como un fragmento de energía más pequeño pero aún enorme de movimiento lento. Para el problema de la flexión de la luz, el sol fue modelado de la misma manera, pero el fotón fue modelado como un minúsculo fragmento de energía que se mueve a la velocidad de la luz. En ambos problemas, calculamos las trayectorias de los fragmentos en movimiento y obtuvimos las mismas respuestas que las predichas por la teoría de la relatividad general. Nos quedamos atónitos.

Nuestro trabajo inicial demostró cómo un nuevo bloque de construcción es capaz de modelar con precisión cuerpos desde lo enorme a lo minúsculo. Donde las partículas y las ondas se rompen el fragmento del bloque de construcción de energía se mantuvo fuerte. El fragmento podría ser un único bloque de construcción potencialmente universal a partir del cual modelar la realidad matemáticamente y actualizar la forma en que la gente piensa sobre los bloques de construcción del universo.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.