Nem onda nem partícula - Fragmento de energia pode ser unidade fundamental do Universo

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

Um paradoxo quântico revelou contradições em nossa visão do Universo.
[Imagem: Anthony Dunnigan]

Partículas e ondas

Os antigos gregos concebiam cinco blocos fundamentais da matéria: terra, água, ar, fogo e éter. 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. E essa concepção dos elementos físicos não mudou dramaticamente por quase 2.000 anos.

Então, cerca de 300 anos atrás, Isaac Newton introduziu a ideia de que toda matéria existe em pontos chamados partículas. Mais 150 anos depois, 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 passou a se fundamentar na partícula e na 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.

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

Deformação do espaço-tempo

Einstein propôs um remédio para isso em sua Teoria da Relatividade Geral. Usando as ferramentas matemáticas de que dispunha na época, Einstein 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 as ondas, ele as eliminou ao propor a deformação do espaço e do tempo.

Usando novas ferramentas matemáticas, meu colega Jeffrey Eischen e eu demonstramos uma nova teoria que pode descrever com precisão o Universo. 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 haver uma conexão subjacente entre elas.

Seria o espaço formado por "átomos de espaço"?
[Imagem: T. Thiemann/FAU Erlangen]

Fragmentos de energia

Nossa teoria começa com uma nova ideia fundamental - que a energia sempre "flui" através de regiões do espaço e do tempo.

Pense na energia como formada por linhas que preenchem uma região do espaço e do tempo, fluindo para dentro e para fora dessa região, nunca começando, 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 único bloco de construção para a energia fluindo. Se pudéssemos encontrar e definir tal coisa, esperávamos poder usá-la para fazer previsões precisas sobre o Universo nas escalas gigantesca e minúscula.

Havia muitos blocos de construção para escolher matematicamente, mas procuramos 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 - como uma espécie de estrela - tendo a energia mais alta no centro e a menor o mais distante do centro.

Para nossa surpresa, nós descobrimos que havia apenas um número limitado de modos de descrever uma concentração de energia que flui. Destes, encontramos apenas um que funciona de acordo com nossa definição matemática de fluxo. Nós o chamamos de fragmento de energia. Para os aficionados de matemática e física, ele é definido como A = -α/R onde α é a intensidade e R é a função de distância.

Usando o fragmento de energia como bloco fundamental da matéria, nós então construímos a matemática necessária para resolver problemas de física. A etapa final foi testá-la.

Ondas temporais podem emergir da dilatação quântica do tempo.
[Imagem: Petra Korlevic]

Einstein com universalidade

Mais de 100 anos atrás, Einstein se voltou para dois problemas lendários da física para validar a Relatividade Geral: A sutil 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 tamanhos. Nem as teorias das ondas nem 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 a chance de substituir a partícula e a onda pelo fragmento presumivelmente mais fundamental, teríamos de ser capazes de resolver esses problemas também com a nossa teoria.

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 atordoados.

Nosso trabalho inicial demonstrou como um novo bloco de construção é capaz de modelar corpos com precisão, desde os enormes aos minúsculos. Onde as partículas e ondas se esfacelam, o fragmento fundamental de energia se mantém forte.

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

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