Des fragments d’énergie – pas des ondes ou des particules – peuvent être les éléments fondamentaux de l’univers

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De nouvelles mathématiques ont montré que les lignes d’énergie peuvent être utilisées pour décrire l’univers.

La matière est ce qui compose l’univers, mais qu’est-ce qui compose 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 ont décrit une manière actualisée de penser la matière. Nous proposons que la matière ne soit pas faite de particules ou d’ondes, comme on l’a longtemps pensé, mais – plus fondamentalement – que la matière est faite de fragments d’énergie.

Cinq éléments

Dans les temps anciens, on pensait que cinq éléments étaient les éléments constitutifs de la réalité.

De cinq à un

Les Grecs de l’Antiquité ont conçu cinq éléments constitutifs de la matière – de bas en haut: la terre, l’eau, l’air, le feu et l’éther. L’éther était la matière qui remplissait les cieux et expliquait la rotation des étoiles, telle qu’observée depuis le point de vue de la Terre. Ce sont les premiers éléments les plus fondamentaux à partir desquels on peut construire un monde. Leurs conceptions des éléments physiques n’ont pas changé de façon spectaculaire pendant près de 2000 ans.

Sir Issac Newton

Sir Issac Newton, crédité du développement de la théorie des particules. Crédit: Christopher Terrell, CC BY-ND

Puis, il y a environ 300 ans, Sir Isaac Newton a introduit l’idée que toute 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 de magnétisme, d’électricité et de 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 matières.

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C’était une grande amélioration par rapport aux cinq éléments des Grecs de l’Antiquité, mais elle était toujours imparfaite. Dans une célèbre série d’expériences, connues 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. En utilisant les outils mathématiques dont il disposait à l’époque, Einstein a pu mieux expliquer certains phénomènes physiques et également résoudre un paradoxe de longue date lié à l’inertie et à la gravité. Mais au lieu d’améliorer les particules ou les ondes, il les a éliminées en proposant la déformation de l’espace et du temps.

À l’aide d’outils mathématiques plus récents, mon collègue et moi avons démontré une nouvelle théorie qui pourrait décrire avec précision l’univers. Au lieu de baser la théorie sur la déformation de l’espace et du temps, nous avons considéré qu’il pourrait y avoir un bloc de construction plus fondamental 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 ondes existent partout sauf aux points qui les créent. Mon collègue et moi avons pensé qu’il était logique qu’il y ait un lien sous-jacent entre eux.

Élément constitutif de la matière

Un nouvel élément constitutif de la matière peut modéliser à la fois la plus grande et la plus petite des choses – des étoiles à la lumière. Crédit: Christopher Terrell, CC BY-ND

Flux et fragments d’énergie

Notre théorie commence par une nouvelle idée fondamentale – que l’énergie «circule» toujours à travers les régions de l’espace et du temps.

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Pensez à l’énergie comme étant constituée de lignes qui remplissent une région de l’espace et du temps, entrant et sortant de cette région, ne commençant jamais, sans fin et ne se croisant jamais.

En partant de l’idée d’un univers de lignes d’énergie fluides, nous avons recherché un seul élément constitutif de l’énergie fluide. Si nous pouvions trouver et définir une telle chose, nous espérions pouvoir l’utiliser pour faire des prédictions précises sur l’univers à la plus grande et la plus petite échelle.

Il y avait de nombreux blocs de construction parmi lesquels choisir mathématiquement, mais nous en avons recherché un qui avait à la fois les caractéristiques de la particule et de l’onde – concentré comme la particule mais également réparti 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 – ayant une énergie qui est la plus élevée au centre et qui devient plus petite plus loin du centre.

À notre grande surprise, nous avons découvert qu’il n’y avait qu’un nombre limité de façons de décrire une concentration d’énergie qui circule. Parmi ceux-ci, nous en avons trouvé un qui fonctionne conformément à notre définition mathématique du flux. Nous l’avons nommé 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.

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Retour à Einstein, ajoutant l’universalité

Il y a plus de 100 ans, Einstein s’était tourné vers deux problèmes légendaires en physique pour valider la relativité générale: la toujours si légère décalage – ou précession – dans l’orbite de Mercure, et le minuscule flexion de la lumière lorsqu’elle passe devant le soleil.

Périhélie Précession de Mercure

La relativité générale a été la première théorie à prédire avec précision la légère rotation de l’orbite de Mercure. Crédit: Rainer Zenz via Wikimedia Commons

Ces problèmes se situaient aux deux extrêmes du spectre des tailles. Ni les théories des ondes ni des particules 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 manière à provoquer le déplacement de la trajectoire de Mercure et la flexion de la lumière dans les proportions exactes observées dans les observations astronomiques.

Si notre nouvelle théorie devait avoir une chance de remplacer la particule et l’onde par le fragment vraisemblablement le plus fondamental, nous devrions également être en mesure de résoudre ces problèmes avec notre théorie.

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 flexion 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.

Nos travaux initiaux ont 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 vagues se décomposent, le fragment de bloc de construction énergétique est resté fort. Le fragment pourrait être un élément de base unique potentiellement universel à partir duquel modéliser la réalité mathématiquement – et mettre à jour la façon dont les gens pensent aux éléments de base de l’univers.

Rédigé par Larry M. Silverberg, professeur de génie mécanique et aérospatial, Université d’État de Caroline du Nord.

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