La materia lo compone todo, pero ¿qué compone la materia?
Dos físicos tienen una nueva teoría
El eje central de la nueva teoría es la idea de que los fragmentos de energía, y no las ondas ni las partículas, podrían ser los componentes básicos fundamentales del universo.
La materia es lo que compone el universo, pero ¿qué compone la materia? Esta pregunta ha sido durante mucho tiempo complicada para quienes reflexionan sobre ella, especialmente para los físicos. Reflejando las tendencias recientes en física, mi colega Jeffrey Eischen y yo hemos descrito una forma actualizada de pensar sobre la materia. Proponemos que la materia no está compuesta de partículas o ondas, como se pensaba desde hace mucho tiempo, sino, de forma más fundamental, que la materia está compuesta de fragmentos de energía.
De cinco a uno
Los antiguos griegos concebían cinco componentes básicos de la materia – de abajo arriba: tierra, agua, aire, fuego y éter. El éter era la materia que llenaba los cielos y explicaba la rotación de las estrellas, tal como se observaba desde la Tierra. Estos fueron los primeros elementos más básicos a partir de los cuales se podía construir un mundo. Su concepción de los elementos físicos no cambió de manera drástica durante casi 2000 años.
Luego, hace unos 300 años, sir Isaac Newton introdujo la idea de que toda la materia existe en puntos llamados partículas. Ciento cincuenta años después, James Clerk Maxwell introdujo la onda electromagnética – la forma subyacente y a menudo invisible del magnetismo, la electricidad y la luz. La partícula sirvió como componente básico de la mecánica y la onda, del electromagnetismo; y el público se decantó por la partícula y la onda como los dos componentes básicos de la materia. En conjunto, las partículas y las ondas se convirtieron en los componentes básicos de todo tipo de materia.
Esto supuso una gran mejora respecto a los cinco elementos de los antiguos griegos, pero seguía siendo defectuoso. En una famosa serie de experimentos, conocida como los experimentos de doble rendija, la luz a veces se comporta como una partícula y otras veces como una onda. Y aunque las teorías y las matemáticas de las ondas y las partículas permiten a los científicos hacer predicciones increíblemente precisas sobre el universo, las reglas se rompen en las escalas más grandes y más pequeñas.
Einstein propuso una solución en su teoría de la relatividad general. Con las herramientas matemáticas de que disponía entonces, Einstein logró explicar mejor ciertos fenómenos físicos y también resolver una añeja paradoja relacionada con la inercia y la gravedad. Sin embargo, en lugar de mejorar las partículas o las ondas, las eliminó al proponer la curvatura del espacio y el tiempo.
Usando herramientas matemáticas más recientes, mi colega y yo hemos demostrado una nueva teoría que puede describir con precisión el universo. En lugar de basar la teoría en la curvatura del espacio y el tiempo, consideramos que podría existir un componente básico más fundamental que la partícula y la onda. Los científicos entienden que las partículas y las ondas son opuestos existenciales: una partícula es una fuente de materia que existe en un solo punto, y las ondas existen en todas partes excepto en los puntos que las generan. Mi colega y yo pensamos que tenía sentido lógico que existiera una conexión subyacente entre ellas.
Flujo y fragmentos de energía
Nuestra teoría parte de una nueva idea fundamental: que la energía siempre “fluye” a través de regiones del espacio y el tiempo.
Imaginemos la energía como un conjunto de líneas que llenan una región del espacio y el tiempo, que fluyen hacia dentro y hacia fuera de esa región, que nunca empiezan ni terminan y que nunca se cruzan entre sí.
Partiendo de la idea de un universo de líneas de energía que fluyen, buscamos un componente básico único para la energía en movimiento. Si pudiéramos encontrar y definir tal cosa, esperábamos poder usarla para hacer predicciones precisas sobre el universo a las escalas más grandes y más pequeñas.
Matemáticamente había muchos componentes básicos entre los que elegir, pero buscábamos uno que tuviera las características tanto de la partícula como de la onda: concentrado como la partícula, pero también extendido por el espacio y el tiempo como la onda. La respuesta fue un componente básico que parece una concentración de energía —algo así como una estrella—, con una energía que es máxima en el centro y que disminuye a medida que se aleja del centro.
Para nuestra sorpresa, descubrimos que solo había un número limitado de formas de describir una concentración de energía que fluye. De ellas, encontramos solo una que funciona de acuerdo con nuestra definición matemática de flujo. La llamamos fragmento de energía. Para los aficionados a las matemáticas y la física, se define como A = -⍺/r donde ⍺ es la intensidad y r es la función de distancia.
Usando el fragmento de energía como componente básico de la materia, construimos después las matemáticas necesarias para resolver problemas de física. El último paso fue ponerla a prueba.
De vuelta a Einstein, añadiendo universalidad
Hace más de 100 años, Einstein había recurrido a dos problemas legendarios de la física para validar la relatividad general: el ligerísimo cambio anual –o precesión– de la órbita de Mercurio, y el leve curvamiento de la luz al pasar junto al Sol.
Estos problemas estaban en los dos extremos del espectro de tamaños. Ni las teorías de la onda ni las de la partícula podían resolverlos, pero la relatividad general sí. La teoría de la relatividad general curvó el espacio y el tiempo de tal manera que provocó que la trayectoria de Mercurio se desplazara y que la luz se curvara exactamente en las magnitudes observadas en las observaciones astronómicas.
Si nuestra nueva teoría quería tener la oportunidad de reemplazar la partícula y la onda por el fragmento, presumiblemente más fundamental, también tendríamos que poder resolver estos problemas con nuestra teoría.
Para el problema de la precesión de Mercurio, modelamos el Sol como un fragmento de energía enorme y estacionario, y Mercurio como un fragmento de energía más pequeño, pero aún enorme, que se mueve lentamente. Para el problema de la curvatura de la luz, el Sol se modeló de la misma manera, pero el fotón se modeló como un fragmento de energía diminuto que se mueve a la velocidad de la luz. En ambos problemas, calculamos las trayectorias de los fragmentos en movimiento y obtuvimos las mismas respuestas que las predichas por la teoría de la relatividad general. Nos quedamos asombrados.
Nuestro trabajo inicial demostró cómo un nuevo componente básico es capaz de modelar con precisión cuerpos desde los enormes hasta los diminutos. Allí donde las partículas y las ondas fallan, el componente básico del fragmento de energía se mantuvo firme. El fragmento podría ser un único componente básico potencialmente universal a partir del cual modelar matemáticamente la realidad, y actualizar la forma en que las personas piensan sobre los componentes básicos del universo.
