La matière est ce qui compose l'univers, mais qu'est-ce qui fait la matière ? Cette question a longtemps été délicate pour ceux qui y réfléchissent, en particulier pour les physiciens. Reflétant les tendances récentes de la physique, mon collègue Jeffrey Eischen et moi avons décrit une nouvelle façon de penser la matière. Nous proposons que la matière n'est pas faite de particules ou d'ondes, comme on l'a longtemps pensé, mais, plus fondamentalement, cette matière est faite de fragments d'énergie.

De cinq à un

Les anciens Grecs concevaient cinq éléments constitutifs de la matière - de bas en haut :la terre, l'eau, air, le feu et l'éther. L'éther était la matière qui remplissait les cieux et expliquait la rotation des étoiles, comme observé depuis le point de vue de la Terre. C'étaient les premiers éléments les plus élémentaires à partir desquels on pouvait construire un monde. Leurs conceptions des éléments physiques n'ont pas changé radicalement pendant près de 2, 000 ans.

Puis, il y a environ 300 ans, Sir Isaac Newton a introduit l'idée que toute la matière existe en des points appelés particules. Cent cinquante ans plus tard, James Clerk Maxwell a introduit l'onde électromagnétique - la forme sous-jacente et souvent invisible du magnétisme, électricité et lumière. La particule a servi de bloc de construction pour la mécanique et l'onde pour l'électromagnétisme - et le public a choisi la particule et l'onde comme les deux blocs de construction de la matière. Ensemble, les particules et les ondes sont devenues les éléments constitutifs de toutes sortes de matière.

C'était une grande amélioration par rapport aux cinq éléments des anciens Grecs, mais était encore imparfait. Dans une célèbre série d'expériences, connu sous le nom d'expériences à double fente, la lumière agit parfois comme une particule et à d'autres moments comme une onde. Et tandis que les théories et les mathématiques des ondes et des particules permettent aux scientifiques de faire des prédictions incroyablement précises sur l'univers, les règles s'effondrent aux échelles les plus grandes et les plus petites.

Einstein a proposé un remède dans sa théorie de la relativité générale. Utilisant les outils mathématiques dont il disposait à l'époque, Einstein a pu mieux expliquer certains phénomènes physiques et résoudre également un paradoxe de longue date relatif à l'inertie et à la gravité. Mais au lieu d'améliorer les particules ou les ondes, il les a éliminés en proposant la déformation de l'espace et du temps.

En utilisant des outils mathématiques plus récents, mon collègue et moi avons démontré une nouvelle théorie qui peut décrire avec précision l'univers. Au lieu de fonder la théorie sur la déformation de l'espace et du temps, nous avons considéré qu'il pouvait y avoir une brique plus fondamentale que la particule et l'onde. Les scientifiques comprennent que les particules et les ondes sont des opposés existentiels :une particule est une source de matière qui existe en un seul point, et les vagues existent partout sauf aux points qui les créent. Mon collègue et moi pensions qu'il était logique qu'il y ait un lien sous-jacent entre eux.

Flux et fragments d'énergie

Notre théorie commence par une nouvelle idée fondamentale :l'énergie « circule » toujours à travers des régions de l'espace et du temps.

Pensez à l'énergie comme composée de lignes qui remplissent une région de l'espace et du temps, entrant et sortant de cette région, ne commence jamais, sans fin et sans jamais se croiser.

Travaillant à partir de l'idée d'un univers de lignes d'énergie fluides, nous avons cherché un seul bloc de construction pour l'énergie qui circule. Si nous pouvions trouver et définir une telle chose, nous espérions pouvoir l'utiliser pour faire des prédictions précises sur l'univers aux plus grandes et plus petites échelles.

Il y avait de nombreux blocs de construction parmi lesquels choisir mathématiquement, mais nous en avons cherché un qui avait les caractéristiques à la fois de la particule et de l'onde – concentré comme la particule mais aussi étalé dans l'espace et le temps comme l'onde. La réponse était un bloc de construction qui ressemble à une concentration d'énergie - un peu comme une étoile - dont l'énergie est la plus élevée au centre et qui diminue en s'éloignant du centre.

A notre grande surprise, nous avons découvert qu'il n'y avait qu'un nombre limité de façons de décrire une concentration d'énergie qui s'écoule. De celles, nous n'en avons trouvé qu'un qui fonctionne conformément à notre définition mathématique du flux. Nous l'avons appelé un fragment d'énergie. Pour les aficionados de maths et de physique, il est défini comme A =-⍺/ r où est l'intensité et r est la fonction de distance.

En utilisant le fragment d'énergie comme élément constitutif de la matière, nous avons ensuite construit les mathématiques nécessaires pour résoudre des problèmes de physique. La dernière étape consistait à le tester.

Retour à Einstein, ajouter l'universalité

Il y a plus de 100 ans, Einstein s'était tourné vers deux problèmes légendaires en physique pour valider la relativité générale :le très léger décalage annuel - ou précession - de l'orbite de Mercure, et la minuscule courbure de la lumière lorsqu'elle passe devant le Soleil.

Ces problèmes se situaient aux deux extrêmes du spectre des tailles. Ni les théories ondulatoires ni particulaires de la matière ne pouvaient les résoudre, mais la relativité générale l'a fait. La théorie de la relativité générale a déformé l'espace et le temps de telle sorte que la trajectoire de Mercure se déplace et la lumière se plie précisément dans les quantités observées dans les observations astronomiques.

Si notre nouvelle théorie avait une chance de remplacer la particule et l'onde par le fragment vraisemblablement plus fondamental, il faudrait pouvoir résoudre ces problèmes avec notre théorie, trop.

Pour le problème de la précession de Mercure, nous avons modélisé le Soleil comme un énorme fragment stationnaire d'énergie et Mercure comme un fragment d'énergie lent plus petit mais toujours énorme. Pour le problème de la courbure de la lumière, le Soleil a été modélisé de la même manière, mais le photon a été modélisé comme un minuscule fragment d'énergie se déplaçant à la vitesse de la lumière. Dans les deux problèmes, nous avons calculé les trajectoires des fragments en mouvement et obtenu les mêmes réponses que celles prédites par la théorie de la relativité générale. Nous avons été stupéfaits.

Notre travail initial a démontré comment un nouveau bloc de construction est capable de modéliser avec précision des corps de l'énorme au minuscule. Là où les particules et les ondes se brisent, le fragment de bloc de construction énergétique a tenu bon. Le fragment pourrait être un seul bloc de construction potentiellement universel à partir duquel modéliser mathématiquement la réalité et mettre à jour la façon dont les gens pensent aux blocs de construction de l'univers.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.