物質はすべてのものを構成していますが、物質を構成しているものは何でしょうか?
2人の物理学者が新しい理論を提唱しています
この新しい理論の中心にあるのは、宇宙の根本的な構成要素は波や粒子ではなく、エネルギーの断片かもしれないという考えです。
物質は宇宙を構成するものですが、物質を構成しているものは何でしょうか? この問いは、考え続けてきた人々、特に物理学者にとって長らく難題でした。物理学の近年の潮流を反映し、私の同僚であるJeffrey Eischenと私は、物質についての更新された考え方を提示しました。同僚のJeffrey Eischen と私は物質は次のものからできているのではないと提案します。粒子あるいは波と、従来考えられてきたように、より根本的には、物質が次のものからできているという考えです。エネルギーの断片。
5つから1つへ
古代ギリシャ人は、物質の5つの構成要素を想定していました。下から上へ、土、水、空気、火、そしてアイテールです。アイテールは天空を満たし、地球から観測される星の回転を説明する物質でした。これらは、世界を築き上げることができる最も基本的な最初の元素でした。物理的な元素に関するその概念は、約2,000年の間、大きく変わることはありませんでした。
その後、約300年前に、アイザック・ニュートン卿は、すべての物質は「粒子」と呼ばれる点に存在するという考えを導入しました。粒子。その150年後、ジェームズ・クラーク・マクスウェルは電磁波を導入しました。これは、磁気、電気、そして光の、根底にある、しばしば目に見えない形態です。粒子は力学の構成要素として、波は電磁気学の構成要素として機能し、人々は粒子と波を物質の二つの構成要素として受け入れました。粒子と波は合わさって、あらゆる種類の物質の構成要素となりました。
これは古代ギリシャ人の五元素からの大きな進歩でしたが、それでも欠陥がありました。「二重スリット実験」として知られる有名な一連の実験では、光は時に粒子のように振る舞い、時に波のように振る舞うことが示されました。波と粒子の理論と数学は、科学者が宇宙について極めて正確な予測を行うことを可能にしますが、その規則は最も大きなスケールと最も小さなスケールでは破綻します。二重スリット実験、光は時に粒子のように振る舞い、時に波のように振る舞います。波と粒子の理論と数学は、科学者が宇宙について極めて正確な予測を行うことを可能にしますが、その規則は最も大きなスケールと最も小さなスケールでは破綻します。
アインシュタインは、その一般相対性理論において解決策を提案しました。一般相対性理論。当時利用可能だった数学的手法を用いて、アインシュタインは特定の物理現象をよりよく説明することができ、また長年の懸案であった慣性と重力に関するパラドックスを解決しました。しかし、粒子や波を改良するのではなく、彼は空間と時間の歪みを提唱することで、それらを排除しました。
より新しい数学的手法を用いて、私の同僚と私は、宇宙を正確に記述する可能性のある新しい理論を示しました。その理論を空間と時間の歪みに基づかせるのではなく、粒子や波よりもさらに根本的な構成要素が存在しうると考えました。科学者は、粒子と波が存在論的に対極にあることを理解しています。粒子は単一の点に存在する物質の源であり、波はそれを生み出す点を除くあらゆる場所に存在します。私の同僚と私は、両者の間に根底にある関連があると考えるのが論理的に筋が通っていると考えました。
流れとエネルギーの断片
私たちの理論は、エネルギーが常に空間と時間の領域を「流れる」という新しい基本的な考えから始まります。
エネルギーは、空間と時間の領域を満たし、その領域の内外へ流れ込み、始まりも終わりもなく、互いに交差することもない線で構成されていると考えてください。
流動するエネルギーの線からなる宇宙という考えから出発して、私たちは流動するエネルギーの単一の構成要素を探しました。もしそのようなものを見つけ定義できれば、それを用いて、最も大きなスケールと最も小さなスケールで宇宙を正確に予測できるのではないかと期待しました。
数学的に選べる構成要素は多数ありましたが、私たちは粒子と波の両方の特徴を備えたもの、すなわち粒子のように集中しつつ、波のように空間と時間に広がるものを探しました。答えは、エネルギーの集中のように見える構成要素でした。これは恒星のようなもので、中心で最もエネルギーが高く、中心から遠ざかるほど小さくなるエネルギーを持ちます。
意外なことに、流動するエネルギーの集中を記述する方法は限られていることがわかりました。そのうち、流れの数学的定義に沿って機能するものは一つだけでした。私たちはそれを「エネルギーの断片」と名付けました。数学や物理学に詳しい方のために説明すると、それは A = -⍺/r と定義され、⍺ は強度、r は距離関数です。エネルギーの断片。数学と物理学に詳しい方のために説明すると、それは A = -⍺/r と定義され、⍺ は強度、r は距離関数です。
エネルギーの断片を物質の構成要素として用い、私たちは次に物理学の問題を解くために必要な数学を構築しました。最後の段階は、それを検証することでした。
アインシュタインに戻り、普遍性を加える
100年以上前、アインシュタインは一般相対性理論を検証するために、物理学における二つの伝説的な問題に取り組みました。それは、毎年の、ごくわずかな水星の軌道における移動、すなわち歳差運動と、太陽の近くを通過する際に光がわずかに曲がることです。
これらの問題は、大きさのスペクトルの両極端にありました。物質の波動理論も粒子理論もそれらを解くことはできませんでしたが、一般相対性理論はそれを解くことができました。一般相対性理論は、天文学的観測で見られる量と正確に一致するように、水星の軌道が移動し、光が曲がるよう空間と時間を歪めました。
私たちの新しい理論が、より根本的と考えられる断片によって粒子と波を置き換える可能性を持つためには、私たちの理論でもこれらの問題を解けなければなりませんでした。
水星の歳差運動の問題については、私たちは太陽を巨大で静止したエネルギーの断片として、水星をより小さいものの依然として巨大でゆっくり動くエネルギーの断片としてモデル化しました。光の曲がりの問題については、太陽は同じ方法でモデル化しましたが、光子は光速で動く極めて微小なエネルギーの断片としてモデル化しました。両方の問題において、私たちは運動する断片の軌道を計算し、一般相対性理論が予測するのと同じ答えを得ました。私たちは驚愕しました。
私たちの初期の研究は、新しい構成要素が、巨大なものから極めて微小なものまで、天体を正確にモデル化できることを示しました。粒子と波が破綻する場所で、エネルギーの断片という構成要素は持ちこたえました。その断片は、現実を数学的にモデル化するための、潜在的に普遍的な単一の構成要素となり得るものであり、宇宙の構成要素について人々が考える方法を更新するものです。
