W 1925 roku Einstein poszedł na spacer z młodą studentką o imieniu Esther Salaman. Podczas wędrówki podzielił się swoją podstawową, intelektualną zasadą: „Chcę wiedzieć, jak Bóg stworzył ten świat. Nie interesuje mnie to czy tamto zjawisko, spektrum tego czy innego elementu. Chcę poznać Jego myśli; reszta to tylko szczegóły ”.
Wyrażenie „myśli Boga” jest zachwycająco trafną metaforą ostatecznego celu współczesnej fizyki, jakim jest rozwinięcie idealnego zrozumienia praw natury - tego, co fizycy nazywają „teorią wszystkiego” lub TOE. Idealnie, TOE odpowiedziałby na wszystkie pytania, nie pozostawiając nic bez odpowiedzi. Dlaczego niebo jest niebieskie? Pokryty. Dlaczego istnieje grawitacja? To też jest objęte. Mówiąc bardziej naukowo, TOE idealnie tłumaczy wszystkie zjawiska za pomocą jednej teorii, jednego elementu konstrukcyjnego i jednej siły. Moim zdaniem znalezienie TOE może zająć setki, a nawet tysiące lat. Aby zrozumieć, dlaczego, podsumujmy.
Znamy dwie teorie, które razem wzięte dają dobry opis otaczającego nas świata, ale obie te lata świetlne od bycia TOE.
Druga teoria nosi nazwę Modelu Standardowego, który opisuje świat subatomowy. W tej dziedzinie naukowcy dokonali najbardziej oczywistego postępu w kierunku teorii wszystkiego.
Jeśli spojrzymy na otaczający nas świat - świat gwiazd i galaktyk, pudli i pizzy, możemy zapytać, dlaczego rzeczy mają takie właściwości. Wiemy, że wszystko składa się z atomów, a atomy te składają się z protonów, neutronów i elektronów.
W latach sześćdziesiątych naukowcy odkryli, że protony i neutrony zostały zbudowane z jeszcze mniejszych cząstek zwanych kwarkami, a elektron należał do klasy cząstek zwanych leptonami.
Znalezienie najmniejszych elementów jest tylko pierwszym krokiem do opracowania teorii wszystkiego. Następnym krokiem jest zrozumienie sił, które rządzą interakcją elementów. Naukowcy znają cztery podstawowe siły, z których trzy - elektromagnetyzm oraz silne i słabe siły jądrowe - są rozumiane na poziomie subatomowym. Elektromagnetyzm utrzymuje atomy razem i jest odpowiedzialny za chemię. Silna siła utrzymuje jądro atomów i utrzymuje kwarki w protonach i neutronach. Słaba siła jest odpowiedzialna za niektóre rodzaje rozpadu jądrowego.
Każda ze znanych sił subatomowych ma powiązaną cząstkę lub cząstki, które niosą tę siłę: gluon przenosi silną siłę, foton reguluje elektromagnetyzm, a bozony W i Z kontrolują słabą siłę. Istnieje również widmowe pole energii, zwane polem Higgsa, które przenika wszechświat i nadaje masę kwarkom, leptonom i niektórym cząstkom przenoszącym siłę. Wszystkie te elementy i siły składają się na Model Standardowy.
Używając kwarków i leptonów oraz znanych cząstek przenoszących siłę, można budować atomy, cząsteczki, ludzi, planety, a nawet całą znaną materię wszechświata. To niewątpliwie ogromne osiągnięcie i dobre przybliżenie teorii wszystkiego.
A jednak tak naprawdę nie jest. Celem jest znalezienie jednego bloku budulcowego i jednej siły, która mogłaby wyjaśnić materię i ruch wszechświata. Model standardowy ma 12 cząstek (sześć kwarków i sześć leptonów) i cztery siły (elektromagnetyzm, grawitacja oraz silne i słabe siły jądrowe). Co więcej, nie jest znana kwantowa teoria grawitacji (co oznacza, że nasza obecna definicja obejmuje tylko grawitację obejmującą rzeczy większe niż na przykład zwykły pył), więc grawitacja w ogóle nie jest częścią Modelu Standardowego. Tak więc fizycy nadal szukają jeszcze bardziej fundamentalnej i leżącej u podstaw teorii. Aby to zrobić, muszą zmniejszyć liczbę zarówno bloków konstrukcyjnych, jak i sił.
Znalezienie mniejszego budulca będzie trudne, ponieważ wymaga to silniejszego akceleratora cząstek niż ludzie kiedykolwiek zbudowali. Horyzont czasowy nowego obiektu akceleracyjnego, który pojawi się na linii, wynosi kilka dziesięcioleci, a ten obiekt zapewni jedynie stosunkowo niewielką stopniową poprawę w stosunku do istniejących możliwości. Naukowcy muszą więc spekulować, jak może wyglądać mniejszy element konstrukcyjny. Popularny pomysł nazywa się teorią superstrun, która zakłada, że najmniejszy blok budulcowy nie jest cząsteczką, a raczej małą i wibrującą „struną”. W ten sam sposób, w jaki struna wiolonczelowa może grać więcej niż jedną nutę, różne wzory wibracji są różnymi kwarkami i leptonami. W ten sposób pojedynczy typ łańcucha może być ostatecznym elementem konstrukcyjnym.
Problem polega na tym, że nie ma empirycznych dowodów na istnienie superstrun. Ponadto, oczekiwana energia potrzebna do ich zobaczenia nazywa się energią Plancka, która jest biliardem (10 podniesionym do 15 mocy) razy wyższym, niż możemy obecnie wytwarzać. Bardzo duża energia Plancka jest ściśle związana z tak zwaną długością Plancka, niezmiernie małą długością, powyżej której efekty kwantowe stają się tak duże, że dosłownie niemożliwe jest zmierzenie czegoś mniejszego. Tymczasem zmniejsz się do długości Plancka (lub większej niż energia Plancka), a kwantowe efekty grawitacji między fotonami lub cząsteczkami światła stają się ważne, a względność przestaje działać. To sprawia, że jest prawdopodobne, że jest to skala, w której grawitacja kwantowa zostanie zrozumiana. Jest to oczywiście wszystko bardzo spekulacyjne, ale odzwierciedla nasze obecne najlepsze przewidywania. A jeśli to prawda, superstruny będą musiały pozostać spekulacyjne w dającej się przewidzieć przyszłości.
Problemem jest także ogrom sił. Naukowcy mają nadzieję „zjednoczyć” siły, pokazując, że są to po prostu różne przejawy pojedynczej siły. (Sir Isaac Newton właśnie to zrobił, gdy pokazał siłę, która spowodowała, że rzeczy spadają na Ziemię, a siła, która rządziła ruchem nieba, była jedna i ta sama; James Clerk Maxwell wykazał, że elektryczność i magnetyzm były naprawdę różnymi zachowaniami zjednoczonej siły zwany elektromagnetyzmem).
W latach 60. naukowcy byli w stanie wykazać, że słaba siła jądrowa i elektromagnetyzm były w rzeczywistości dwoma różnymi aspektami połączonej siły zwanej siłą elektryczną. Teraz naukowcy mają nadzieję, że siła elektro-słaba i siła silna mogą zostać zjednoczone w tak zwaną wielką, zjednoczoną siłę. Następnie mają nadzieję, że wielką zjednoczoną siłę można zjednoczyć z grawitacją, aby stworzyć teorię wszystkiego.
Jednak fizycy podejrzewają, że to ostateczne zjednoczenie miałoby również miejsce przy energii Plancka, ponownie, ponieważ jest to energia i rozmiar, przy których efektów kwantowych nie można dłużej ignorować w teorii względności. I, jak widzieliśmy, jest to znacznie wyższa energia, niż możemy spodziewać się w najbliższym czasie w akceleratorze cząstek. Aby nadać sens przepaści między aktualnymi teoriami a teorią wszystkiego, jeśli reprezentujemy energie cząstek, to my mogą wykrywając jako szerokość błony komórkowej, energia Plancka jest wielkości Ziemi. Chociaż można sobie wyobrazić, że ktoś z dogłębnym zrozumieniem błon komórkowych może przewidzieć inne struktury w komórce - takie jak DNA i mitochondria - nie do pomyślenia jest, aby mogli dokładnie przewidzieć Ziemię. Jak prawdopodobne jest, że mogą przewidzieć wulkany, oceany lub ziemskie pole magnetyczne?
Prostym faktem jest to, że przy tak dużej luce między obecnie osiągalną energią w akceleratorach cząstek a energią Plancka, prawidłowe opracowanie teorii wszystkiego wydaje się nieprawdopodobne.
To nie znaczy, że fizycy powinni wszyscy przejść na emeryturę i zająć się malarstwem krajobrazowym - wciąż pozostaje wiele do zrobienia. Nadal musimy zrozumieć niewyjaśnione zjawiska, takie jak ciemna materia i ciemna energia, które stanowią 95% znanego wszechświata, i wykorzystać to zrozumienie do stworzenia nowszej, bardziej kompleksowej teorii fizyki. Ta nowsza teoria nie będzie TOE, ale będzie stopniowo lepsza niż obecne ramy teoretyczne. Będziemy musieli powtarzać ten proces w kółko.
Rozczarowany? Ja też. W końcu poświęciłem swoje życie próbując odkryć niektóre tajemnice kosmosu, ale być może pewna perspektywa jest w porządku. Pierwsze zjednoczenie sił dokonano w latach 70. XVI wieku za pomocą teorii Newtona o uniwersalnej grawitacji. Drugi był w latach 70. XIX wieku z teorią elektromagnetyzmu Maxwella. Zjednoczenie elektro-słabe nastąpiło stosunkowo niedawno, zaledwie pół wieku temu.
Biorąc pod uwagę, że minęło 350 lat od naszego pierwszego dużego udanego kroku w tej podróży, być może mniej zaskakujące jest to, że droga przed nami jest jeszcze dłuższa. Pogląd, że geniusz będzie miał wgląd, który zaowocuje w pełni rozwiniętą teorią wszystkiego w ciągu najbliższych kilku lat, jest mitem. Mamy długi slog - i nawet wnuki dzisiejszych naukowców nie zobaczą jego końca.
Ale jaka to będzie podróż.
Don Lincoln jest badaczem fizyki w Fermilab. On jest autorem „Wielki zderzacz hadronów: niezwykła historia bozonu Higgsa i innych rzeczy, które oszaleją„(Johns Hopkins University Press, 2014), a on produkuje szereg edukacji naukowej filmy. Podążać za nim na Facebooku. Opinie wyrażone w tym komentarzu należą do niego.
Don Lincoln wniósł ten artykuł do Live Science's Głosy ekspertów: Op-Ed i statystyki. Pierwotnie opublikowany w Live Science.
