Nem ondas nem partculas – Fragmentos de energia podem ser unidades fundamentais do Universo

Espao

Larry M. Silverberg – The Conversation – 14/05/2021

Partculas e ondas

Os antigos gregos concebiam cinco blocos fundamentais da matria: terra, gua, ar, fogo e ter. ter era a matria que preenchia os cus e explicava a rotao das estrelas, observada do ponto de vista da Terra.

Esses foram os primeiros elementos bsicos com os quais se poderia construir um mundo. E essa concepo dos elementos fsicos no mudou dramaticamente por quase 2.000 anos.

Ento, cerca de 300 anos atrs, Isaac Newton introduziu a ideia de que toda matria existe em pontos chamados partculas. Mais 150 anos depois, James Clerk Maxwell introduziu a onda eletromagntica – a forma subjacente e muitas vezes invisvel de magnetismo, eletricidade e luz.

A partcula serviu como o bloco de construo para a mecnica e a onda para o eletromagnetismo – e o pblico passou a se fundamentar na partcula e na onda como os dois blocos de construo da matria. Juntas, as partculas e as ondas tornaram-se os blocos de construo de todos os tipos de matria.

Este foi um grande aprimoramento em relao aos cinco elementos dos gregos antigos, mas continuava falho. Em uma famosa srie de experimentos, conhecidos como experimentos da dupla fenda, a luz s vezes se comporta como uma partcula e outras vezes como uma onda. E, embora as teorias e a matemtica das ondas e das partculas permitam aos cientistas fazer previses incrivelmente precisas sobre o Universo, essas regras se quebram nas escalas maiores e menores.

Deformao do espao-tempo

Einstein props um remdio para isso em sua Teoria da Relatividade Geral. Usando as ferramentas matemticas de que dispunha na poca, Einstein foi capaz de explicar melhor certos fenmenos fsicos e tambm resolver um paradoxo antigo relacionado inrcia e gravidade.

Mas, em vez de melhorar as partculas ou as ondas, ele as eliminou ao propor a deformao do espao e do tempo.

Usando novas ferramentas matemticas, meu colega Jeffrey Eischen e eu demonstramos uma nova teoria que pode descrever com preciso o Universo. Em vez de basear a teoria na deformao do espao e do tempo, consideramos que poderia haver um bloco de construo que mais fundamental do que a partcula e a onda.

Os cientistas entendem que partculas e ondas so opostos existenciais: Uma partcula uma fonte de matria que existe em um nico ponto e as ondas existem em todos os lugares, exceto nos pontos que as criam. Meu colega e eu achamos que fazia sentido haver uma conexo subjacente entre elas.

Seria o espao formado por “tomos de espao”?
[Imagem: T. Thiemann/FAU Erlangen]

Fragmentos de energia

Nossa teoria comea com uma nova ideia fundamental – que a energia sempre “flui” atravs de regies do espao e do tempo.

Pense na energia como formada por linhas que preenchem uma regio do espao e do tempo, fluindo para dentro e para fora dessa regio, nunca comeando, nunca terminando e nunca cruzando umas com as outras.

Trabalhando a partir da ideia de um Universo de linhas de energia que fluem, procuramos um nico bloco de construo para a energia fluindo. Se pudssemos encontrar e definir tal coisa, espervamos poder us-la para fazer previses precisas sobre o Universo nas escalas gigantesca e minscula.

Havia muitos blocos de construo para escolher matematicamente, mas procuramos um que tivesse as caractersticas tanto da partcula quanto da onda – concentrado como a partcula, mas tambm espalhado no espao e no tempo como a onda.

A resposta foi um bloco de construo que se parece com uma concentrao de energia – como uma espcie de estrela – tendo a energia mais alta no centro e a menor o mais distante do centro.

Para nossa surpresa, ns descobrimos que havia apenas um nmero limitado de modos de descrever uma concentrao de energia que flui. Destes, encontramos apenas um que funciona de acordo com nossa definio matemtica de fluxo. Ns o chamamos de fragmento de energia. Para os aficionados de matemtica e fsica, ele definido como A = -α/R onde α a intensidade e R a funo de distncia.

Usando o fragmento de energia como bloco fundamental da matria, ns ento construmos a matemtica necessria para resolver problemas de fsica. A etapa final foi test-la.

Einstein com universalidade

Mais de 100 anos atrs, Einstein se voltou para dois problemas lendrios da fsica para validar a Relatividade Geral: A sutil mudana anual – ou precesso – na rbita de Mercrio e a minscula curvatura da luz ao passar pelo Sol.

Esses problemas estavam nos dois extremos do espectro de tamanhos. Nem as teorias das ondas nem das partculas da matria poderiam resolv-los, mas a Relatividade Geral sim. A Teoria da Relatividade Geral distorceu o espao e o tempo de modo a fazer com que a trajetria de Mercrio se deslocasse e a luz se curvasse precisamente nas quantidades vistas nas observaes astronmicas.

Se nossa nova teoria tivesse a chance de substituir a partcula e a onda pelo fragmento presumivelmente mais fundamental, teramos de ser capazes de resolver esses problemas tambm com a nossa teoria.

Para o problema da precesso de Mercrio, modelamos o Sol como um enorme fragmento estacionrio de energia e Mercrio 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 fton foi modelado como um fragmento minsculo de energia movendo-se na velocidade da luz.

Em ambos os problemas, calculamos as trajetrias dos fragmentos em movimento e obtivemos as mesmas respostas que as previstas pela Teoria da Relatividade Geral. Ficamos atordoados.

Nosso trabalho inicial demonstrou como um novo bloco de construo capaz de modelar corpos com preciso, desde os enormes aos minsculos. Onde as partculas e ondas se esfacelam, o fragmento fundamental de energia se mantm forte.

O fragmento pode ser um nico bloco de construo potencialmente universal a partir do qual modelar a realidade matematicamente – e atualizar a maneira como as pessoas pensam sobre os blocos fundamentais de construo do Universo.

Outras notcias sobre: