Νέα θεωρία για το σύμπαν: Όχι σωματίδια ή κύματα ως δομικά στοιχεία, μα κάτι άλλο

Η θεωρία του τεμαχίου ενέργειας.
metamorworks via Getty Images

Μία νέα θεωρία ως προς την ύλη από την οποία αποτελείται το σύμπαν, βάσει της οποίας δεν αποτελείται από σωματίδια ή κύματα, μα από τεμάχια ενέργειας, παρουσιάζει σε άρθρο του που δημοσιεύεται στο The Conversation o Λάρι Σίλβερμπεργκ, καθηγητής μηχανικής και αεροδιαστημικής μηχανολογίας του North Carolina State University.

«Η ύλη είναι αυτό από το οποίο αποτελείται το σύμπαν, αλλά από τι αποτελείται η ύλη; Αυτό το ερώτημα ήταν για πολύ καιρό δύσκολο για αυτούς που ασχολούνται με αυτό- ειδικά για τους φυσικούς. Αντανακλώντας πρόσφατες τάσεις στη Φυσική, ο συνάδελφός μου Τζέφρι Άισεν κι εγώ έχουμε περιγράψει έναν νέο τρόπο να σκεφτόμαστε την ύλη. Προτείνομυε ότι η ύλη δεν αποτελείται από σωματίδια ή κύματα, όπως πιστευόταν εδώ και πολύ καιρό, μα- πιο θεμελιωδώς- πως η ύλη αποτελείται από τεμάχια ενέργειας».

Οι αρχαίοι Έλληνες, γράφει ο ερευνητής, θεωρούσαν πως υπήρχαν πέντε δομικά στοιχεία της ύλης: γη, νερό, αέρας, φωτιά και αιθέρας. Ο αιθέρας ήταν το υλικό των ουρανών, που εξηγούσε την περιστροφή των άστρων, όπως την παρατηρούσαν από τη Γη. Αυτά ήταν τα βασικά στοιχεία από τα οποία μπορούσε να φτιαχτεί ένας κόσμος, και η αντίληψη αυτή δεν άλλαξε ιδιαίτερα για περίπου 2.000 χρόνια. Ωστόσο 300 χρόνια πριν ο Ισαάκ Νεύτων παρουσίασε την ιδέα ότι όλη η ύλη υφίσταται σε σημεία, τα σωματίδια. Μετά από 150 χρόνια, ο Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ παρουσίασε το ηλεκτρομαγνητικό κύμα- την υποβόσκουσα και συχνά αόρατη μορφή μαγνητισμού, ηλεκτρισμού και φωτός. Το σωματίδιο αποτέλεσε το δομικό στοιχείο-βάση της μηχανικής και το κύμα του ηλεκτρομαγνητισμού- και καταλήξαμε στο σωματίδιο και το κύμα ως τα δύο δομικά στοιχεία της ύλης. «Μαζί, τα σωματίδια και τα κύματα έγιναν τα δομικά στοιχεία όλων των ειδών της ύλης» γράφει ο ερευνητής, σημειώνοντας πως αυτό αποτελούσε βελτίωση ως προς τα πέντε στοιχεία των αρχαίων Ελλήνων, μα υπήρχαν ακόμα προβλήματα: Σε μια σειρά πειραμάτων, φάνηκε ότι το φως κάποιες φορές λειτουργεί ως σωματίδιο και κάποιες φορές ως κύμα. Και, ενώ οι θεωρίες και τα μαθηματικά των κυμάτων και των σωματιδίων επιτρέπουν πολύ ακριβείς προβλέψεις για το σύμπαν, οι κανόνες «δεν τα βγάζουν πέρα» στις μεγαλύτερες και τις πολύ μικρότερες κλίμακες.

Ο Αϊνστάιν πρότεινε κάποιες αλλαγές στη γενική θεωρία της σχετικότητας: Χρησιμοποιώντας τα μαθηματικά εργαλεία που είχε διαθέσιμα, μπορούσε να εξηγήσει καλύτερα κάποια συγκεκριμένα φυσικά φαινόμενα και επίσης να επιλύσει παράδοξα ως προς τη βαρύτητα και την αδράνεια. Ωστόσο, αντί να βελτιώσει τα πράγματα σχετικά με τα σωματίδια ή τα κύματα, τα εξαφάνισε, καθώς πρότεινε τη στρέβλωση (warping) του χωροχρόνου.

Rost-9D via Getty Images

«Χρησιμοποιώντας νέα μαθηματικά εργαλεία, ο συνάδελφός μου κι εγώ επιδείξαμε μια νέα θεωρία που μπορεί να περιγράψει με ακρίβεια το σύμπαν. Αντί να βασίζουμε τη θεωρία στη στρέβλωση του χωροχρόνου, σκεφτήκαμε ότι θα μπορούσε να υπάρχει ένα δομικό στοιχείο που είναι πιο θεμελιώδες από το σωματίδιο και το κύμα. Οι επιστήμονες κατανοούν πως τα σωματίδια και τα κύματα είναι υπαρξιακά αντίθετα: Ένα σωματίδιο αποτελεί πηγή ύλης που υπάρχει σε μεμονωμένο σημείο και τα κύματα υπάρχουν παντού εκτός από τα σημεία όπου δημιουργούνται. Ο συνάδελφός μου κι εγώ σκεφτήκαμε ότι θα ήταν λογικό να υπάρχει μια υποκείμενη σύνδεση μεταξύ τους».

Η συγκεκριμένη θεωρία αρχίζει με μια νέα θεμελιώδη ιδέα- πως η ενέργεια πάντα «ρέει» μέσα σε περιοχές του χωροχρόνου: «Φανταστείτε πως η ενέργεια αποτελείται από γραμμές που γεμίζουν μια περιοχή του χωροχρόνου, ρέοντας εντός και εκτός αυτής της περιοχής, χωρίς να αρχίζουν ή να τελειώνουν πουθενά και χωρίς να διασταυρώνονται ποτέ. Δουλεύοντας πάνω στην ιδέα ενός σύμπαντος από ρέουσες ενεργειακές γραμμές, αναζητήσαμε ένα μεμονωμένο δομικό στοιχείο για τη ρέουσα ενέργεια. Αν μπορούσαμε να βρούμε και να προσδιορίσουμε κάτι τέτοιο, ελπίζαμε πως θα μπορούσαμε να το χρησιμοποιήσουμε για να κάνουμε ακριβείς προβλέψεις για το σύμπαν στις μεγαλύτερες και τις μικρότερες κλίμακες. Υπήρχαν πολλά δομικά στοιχεία για να επιλέξουμε, από μαθηματικής άποψης, μα αναζητήσαμε ένα που είχε τα χαρακτηριστικά τόσο του σωματιδίου όσο και του κύματος- συμπυκνωμένο σαν σωματίδιο μα επίσης διεσπαρμένο στον χωροχρόνο σαν το κύμα. Η απάντηση ήταν ένα δομικό στοιχείο που μοιάζει με συγκέντρωση ενέργειας- σαν ένα άστρο- με ενέργεια στο υψηλότερό της επίπεδο στο κέντρο, που μειώνεται όσο απομακρύνεται κανείς από αυτό».

Προς έκπληξή τους, γράφει ο ερευνητής, διαπιστώθηκε πως υπήρχαν λίγοι μόνο τρόποι να περιγραφεί μια συγκέντρωση ενέργειας που ρέει. «Από αυτούς βρήκαμε μόνο μία που να λειτουργεί σύμφωνα με τον μαθηματικό μας ορισμό της ροής. Την ονομάσαμε τεμάχιο ενέργειας (fragment of energy). Για τους φίλους των μαθηματικών και της φυσικής, ορίζεται ως A=α/r, όπου α είναι η ένταση και r η λειτουργία της απόστασης. Χρησιμοποιώντας το τεμάχιο ενέργειας ως δομικό στοιχείο της ύλης, μετά αναπτύξαμε τα απαραίτητα μαθηματικά για να επιλύσουμε προβλήματα φυσικής. Το τελικό βήμα ήταν η δοκιμή τους».

«Πάνω από 100 χρόνια πριν, ο Αϊνστάιν είχε στραφεί σε δύο θρυλικά προβλήματα της φυσικής για να επικυρώσει τη γενική σχετικότητα: την ανεπαίσθητη ετήσια μεταβολή της τροχιάς του Ερμή και τη μικροσκοπική κάμψη του φωτός καθώς περνά τον Ήλιο. Τα προβλήματα αυτά είναι τα δύο άκρα του φάσματος μεγέθους. Οι θεωρίες των κυμάτων και των σωματιδίων δεν μπορούσαν να τα λύσουν, μα η γενική σχετικότητα μπορούσε. Η γενική θεωρία της σχετικότητας στρέβλωνε τον χωροχρόνο έτσι ώστε να προκαλεί μεταβολή στην τροχιά του Ερμή και κάμψη του φωτός ακριβώς στους βαθμούς που παρατηρούνταν στις αστρονομικές παρατηρήσεις. Αν η νέα μας θεωρία ήταν να έχει ελπίδα να αντικαταστήσει το σωματίδιο και το κύμα ως το εκτιμώμενο πιο θεμελιώδες τεμάχιο, θα έπρεπε να λύσουμε αυτά τα προβλήματα και με τη θεωρία μας, επίσης».

Όπως σημειώνει ο ερευνητής, για το πρόβλημα του Ερμή ο Ήλιος παρουσιάστηκε ως ένα γιγαντιαίο στατικό τεμάχιο ενέργειας και ο Ερμής ως ένα μικρότερο μα και πάλι μεγάλο βραδυκίνητο τεμάχιο ενέργειας. Για το πρόβλημα της κάμψης του φωτός, ο Ήλιος δημιουργήθηκε ως μοντέλο με τον ίδιο τρόπο, μα το φωτόνιο παρουσιάστηκε ως ένα μικροσκοπικό κομμάτι ενέργειας που κινείται με την ταχύτητα του φωτός. Και στα δύο προβλήματα υπολογίστηκαν οι τροχιές των κινούμενων τεμαχίων και προέκυψαν οι ίδιες απαντήσεις όπως αυτές που προβλέπονταν από τη γενική θεωρία της σχετικότητας. «Μας προκάλεσε έκπληξη. Η αρχική μας δουλειά έδειξε πώς ένα νέο δομικό στοιχείο είναι ικανό να δημιουργεί ακριβή μοντέλα, από το τεράστιο στο μικροσκοπικό. Όπου τα σωματίδια και τα κύματα δεν μπορούν να συνεχίσουν, το τεμάχιο ενέργειας ως δομικό στοιχείο αντέχει. Το τεμάχιο θα μπορούσε να είναι ένα και μόνο οικουμενικό δομικό στοιχείο με το οποίο θα μπορούσαμε να φιτάξουμε μαθηματικά μοντέλα της πραγματικότητας- και να ανανεώσουμε τον τρόπο με τον οποίο οι άνθρωποι σκέφτονται για τα δομικά στοιχεία του σύμπαντος».

Popular in the Community