30/12/2020 - 12:50
A matéria é o que constitui o universo, mas o que constitui a matéria? Essa pergunta há muito tempo é complicada para aqueles que pensam sobre ela – especialmente para os físicos. Refletindo as tendências recentes da física, meu colega Jeffrey Eischen e eu descrevemos uma maneira atualizada de pensar sobre 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
Os antigos gregos concebiam cinco blocos de construção da matéria – de baixo para cima: terra, água, ar, fogo e éter. O 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 mil 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 o público se acomodou na ideia da partícula e da onda como os dois blocos de construção da matéria. Juntas, as partículas e as ondas tornaram-se os blocos de construção de todos os tipos de matéria.
Explicações melhores
Isso foi uma grande melhoria em relação aos cinco elementos dos gregos antigos, mas ainda era um conceito 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 rompem nas escalas maiores e menores.
Einstein propôs um remédio em sua teoria da relatividade geral. Usando as ferramentas matemáticas de que dispunha na época, ele foi capaz de explicar melhor certos fenômenos físicos e também resolver um paradoxo antigo relacionado à inércia e à gravidade. Mas em vez de melhorar as partículas ou ondas, ele as eliminou 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 eles.
Fluxo e fragmentos de energia
Nossa teoria começa com uma nova ideia fundamental – a de 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 fluindo, 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 maior e menor.
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 alta no centro e que fica menor conforme se distancia do centro.
Para nossa surpresa, descobrimos que havia apenas um número limitado de maneiras de descrever uma concentração de energia que flui. Destas, encontramos apenas uma que funciona de acordo com nossa definição matemática de fluxo. Nós a chamamos de fragmento de energia. Para os aficionados em matemática e física, ela é definida como A = -⍺/r, em que ⍺ 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 problemas de física. A etapa final foi testá-lo.
De volta a Einstein, adicionando universalidade
Mais de 100 anos atrás, Einstein se voltou para dois problemas lendários da física para validar a relatividade geral: a sempre tão leve mudança anual – 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 as 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 uma 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.
Modelagem com precisão
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 se quebram, 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 se modelaria a realidade matematicamente – e se atualizaria a maneira como as pessoas pensam sobre os blocos de construção do universo.
* Larry M. Silverberg é professor de Engenharia Mecânica e Aeroespacial na Universidade do Estado da Carolina do Norte (EUA).
** Este artigo foi republicado do site The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original aqui.
