Vuonna 1925 Einstein käveli nuoren opiskelijan, nimeltä Esther Salaman, kanssa. Heidän vaeltellessaan hän jakoi ydinsisäisen henkisen periaatteensa: "Haluan tietää, kuinka Jumala loi tämän maailman. En ole kiinnostunut tästä tai tuosta ilmiöstä, tämän tai sen elementin spektrissä. Haluan tietää hänen ajatuksensa; loput ovat vain yksityiskohtia. "
Lause "Jumalan ajatukset" on ilahduttavasti sopiva metafora modernin fysiikan lopulliselle päämäärälle, joka on kehittää täydellinen käsitys luonnonlaista - mitä fyysikot kutsuvat "kaiken teoriaksi" tai TOE. Ihannetapauksessa TOE vastaisi kaikkiin kysymyksiin, jättämättä mitään vastaamatta. Miksi taivas on sininen? Katettu. Miksi painovoima on olemassa? Se on katettu myös. Tieteellisemmin sanottuna TOE selittäisi ihanteellisesti kaikki ilmiöt yhdellä teorialla, yhdellä rakennuspalikalla ja yhdellä voimalla. Mielestäni TOE: n löytäminen voi viedä satoja tai jopa tuhansia vuosia. Tarkastellaan tilannetta ymmärtääksesi miksi.
Tiedämme kaksi teoriaa, jotka yhdessä käsiteltynä kuvaavat hyvin ympärillämme olevaa maailmaa, mutta molemmat ovat valovuosia TOE: sta.
Toista teoriaa kutsutaan standardimalliksi, joka kuvaa subatomista maailmaa. Juuri tällä alalla tutkijat ovat edenneet ilmeisimmin kohti teoriaa kaikesta.
Jos tarkastelemme ympäröivää maailmaa - tähtiä ja galakseja, villakoiria ja pizzaa, voimme kysyä, miksi asioilla on ominaisuudet, joita he tekevät. Tiedämme, että kaikki koostuu atomista, ja nämä atomit koostuvat protoneista, neutroneista ja elektronista.
Ja 1960-luvulla tutkijat havaitsivat, että protonit ja neutronit tehtiin vielä pienemmistä hiukkasista, joita kutsuttiin kvarkeiksi ja elektroni kuului hiukkasluokkaan, jota kutsuttiin leptoneiksi.
Pienimpien rakennuspalikoiden löytäminen on vasta ensimmäinen askel kaiken teorian suunnittelussa. Seuraava askel on ymmärtää voimat, jotka hallitsevat rakennuspalikoiden vuorovaikutusta. Tutkijat tietävät neljä perusvoimaa, joista kolme - sähkömagneettisuus sekä vahvat ja heikot ydinvoimat - ymmärretään subatomialla. Sähkömagneettisuus pitää atomit yhdessä ja on vastuussa kemiasta. Vahva voima pitää yhdessä atomien ytimen ja pitää kvarkeja protonien ja neutronien sisällä. Heikko voima on vastuussa tietyntyyppisistä ydinhajoamista.
Jokaisella tunnetulla alaatomisella voimalla on liittyvä hiukkanen tai hiukkasia, jotka kantavat sitä voimaa: Gluoni kantaa voimakasta voimaa, fotoni säätelee sähkömagneettisuutta ja W- ja Z-bosonit ohjaavat heikkoa voimaa. On myös aavemainen energiakenttä, nimeltään Higgs-kenttä, joka tunkeutuu maailmankaikkeuteen ja antaa massaa kvarkeille, leptoneille ja joillekin voimaa kantaville hiukkasille. Yhdessä nämä rakennuspalikat ja voimat muodostavat standardimallin.
Käyttämällä kvarkkeja ja leptoneja ja tunnettuja voimaa kantavia hiukkasia, voidaan rakentaa atomeja, molekyylejä, ihmisiä, planeettoja ja todellakin kaikkea maailmankaikkeuden tunnettua ainetta. Tämä on epäilemättä valtava saavutus ja hyvä lähestymistapa teoriaan kaikesta.
Ja silti se ei oikeastaan ole. Tavoitteena on löytää yksi rakennuspalikka ja yksi voima, joka voisi selittää maailmankaikkeuden asian ja liikkeen. Vakiomallissa on 12 hiukkasta (kuusi kvarkkia ja kuusi leptonia) ja neljä voimaa (sähkömagneettisuus, painovoima sekä voimakas ja heikko ydinvoima). Lisäksi ei ole tunnettua painovoiman kvantiteoriaa (tarkoittaen, että nykyinen määritelmämme kattaa vain painovoiman, joka liittyy asioihin, jotka ovat suurempia kuin esimerkiksi tavallinen pöly), joten painovoima ei ole edes osa standardimallia. Joten fyysikot etsivät edelleen entistä perusteellisempaa ja taustalla olevaa teoriaa. Tätä varten heidän on vähennettävä sekä rakennuspalikoiden että voimien lukumäärää.
Pienemmän rakennuspalikan löytäminen on vaikeaa, koska se vaatii tehokkaamman hiukkaskiihdyttimen kuin ihmiset ovat koskaan rakentaneet. Aikahorisontti uuden käyttöönottavan kiihdytyslaitoksen käyttöön on useita vuosikymmeniä, ja laitos tarjoaa vain suhteellisen vaatimattoman asteittaisen parannuksen nykyisiin ominaisuuksiin verrattuna. Joten tutkijoiden on sen sijaan spekuloitava siitä, miltä pienempi rakennuspalkki voi näyttää. Suosittua ideaa kutsutaan superstring-teoriaksi, joka postuloi, että pienin rakennuspalikka ei ole hiukkanen, vaan pieni ja värisevä "merkkijono". Samalla tavalla sellojono voi soittaa useampaa kuin yhtä nuottia, värähtelyt ovat erilaisia kvarkeja ja leptoneja. Tällä tavoin yhden tyyppinen merkkijono voisi olla lopullinen rakennuspalikka.
Ongelmana on, että ei ole empiiristä näyttöä siitä, että ylijäämiä todella esiintyy. Lisäksi niiden näkemiseen vaadittavaa odotettua energiaa kutsutaan Planck-energiaksi, joka on kvadriljoonaa (10 nostettu 15. virtaan) kertaa suurempi kuin voimme tällä hetkellä tuottaa. Erittäin suuri Planckin energia on läheisesti yhteydessä siihen, mitä kutsutaan Planckin pituudeksi, joka on uskomattoman pieni pituus, jonka ylittäessä kvanttiefektit tulevat niin suuriksi, että on kirjaimellisesti mahdotonta mitata mitään pienempää. Sillä välin mennä pienemmäksi kuin Planckin pituus (tai suurempi kuin Planckin energia), ja fotonien tai valohiukkasten väliset painovoiman kvanttivaikutukset tulevat tärkeiksi ja relatiivisuus ei enää toimi. Siksi on todennäköistä, että tämä on asteikko, jolla kvanttipaino ymmärretään. Tämä on tietysti kaikki hyvin spekulatiivista, mutta se heijastaa nykyistä parasta ennustetamme. Ja jos totta, ylikuormituksen on pysyttävä spekulatiivisena lähitulevaisuudessa.
Voimien runsaus on myös ongelma. Tutkijat toivovat "yhdistää" joukot osoittaen, että ne ovat vain yhden voiman erilaisia ilmenemismuotoja. (Sir Isaac Newton teki juuri sen, kun hän osoitti voiman, joka sai asiat putoamaan maan päälle, ja taivaan liikettä hallitseva voima oli yksi ja sama; James Clerk Maxwell osoitti, että sähkö ja magneettisuus olivat todella erilaisia yhdistyneen voiman käyttäytymisiä jota kutsutaan sähkömagneetismiksi.)
1960-luvulla tutkijat pystyivät osoittamaan, että heikko ydinvoima ja sähkömagneetismi olivat itse asiassa yhdistetyn voiman, nimeltään sähkövirtavoima, kaksi eri puolta. Nyt tutkijat toivovat, että sähkövirtavoima ja voimakas voima voidaan yhdistää niin kutsuttuun suureksi yhtenäiseksi voimaksi. Sitten he toivovat, että suuri yhtenäinen voima voidaan yhdistää painovoiman avulla teoriasta kaikesta.
Fyysikot epäilevät kuitenkin, että tämä lopullinen yhdistyminen tapahtuisi myös Planckin energialla, taas siksi, että tämä on energia ja koko, jolla kvanttiefektejä ei voida enää sivuuttaa suhteellisuusteoriassa. Ja kuten olemme nähneet, tämä on paljon enemmän energiaa kuin voimme toivoa saavuttavan hiukkaskiihdyttimen sisällä milloin tahansa pian. Antaa käsitys nykyisten teorioiden ja kaiken teorian välisestä kuilusta, jos edustaisimme hiukkasten energioita voida havaita solukalvon leveytenä, Planckin energia on maan koko. Vaikka on ajateltavissa, että joku, jolla on perusteellinen käsitys solukalvoista, voi ennustaa muita solun rakenteita - kuten DNA: ta ja mitokondrioita -, on mahdotonta, että he pystyisivät ennustamaan tarkasti maan. Kuinka todennäköistä on, että he pystyivät ennustamaan tulivuoria, valtameriä tai maan magneettikenttää?
Yksinkertainen tosiasia on, että niin suurella raolla hiukkaskiihdyttimissä tällä hetkellä saavutettavissa olevan energian ja Planckin energian välillä, kaiken teorian oikea suunnittelu on vaikeaa.
Se ei tarkoita, että kaikkien fyysikkojen tulisi jäädä eläkkeelle ja aloittaa maiseman maalaus - tehtävää on vielä merkityksellistä. Meidän on vielä ymmärrettävä selittämättömiä ilmiöitä, kuten tumma aine ja tumma energia, jotka muodostavat 95% tunnetusta maailmankaikkeudesta, ja käytettävä tätä ymmärrystä luomaan uudempi, kattavampi fysiikan teoria. Tämä uudempi teoria ei ole TOE, mutta on asteittain parempi kuin nykyinen teoreettinen kehys. Meidän on toistettava tämä prosessi uudestaan ja uudestaan.
Pettynyt? Olen minä. Loppujen lopuksi olen omistanut elämäni yrittäessään paljastaa joitain kosmoksen salaisuuksia, mutta ehkä jokin näkökulma on kunnossa. Ensimmäinen voimien yhdistäminen toteutettiin 1670-luvulla Newtonin teoriassa universaalisesta painovoimasta. Toinen oli 1870-luvulla Maxwellin sähkömagneettisuuden teorian kanssa. Sähkövirtayhdistäminen oli suhteellisen uusi, vasta puoli vuosisataa sitten.
Ottaen huomioon, että 350 vuotta on kulunut ensimmäisestä suuresta onnistuneesta askeleesta tällä matkalla, on ehkä vähemmän yllättävää, että edessämme oleva tie on vielä pidempi. Ajatus siitä, että neroilla on käsitys, joka johtaa täysin kehitettyyn teoriaan kaikesta seuraavien vuosien aikana, on myytti. Olemme pitkään tynkässä - ja edes nykypäivän tutkijoiden lastenlapset eivät näe sen loppua.
Mutta mikä matka siitä tulee.
Don Lincoln on fysiikan tutkija Fermilab. Hän on kirjoittanut "Suuri hadronin kolari: Erinomainen tarina Higgs Bosonista ja muista juttuista, jotka tulevat mieleen"(Johns Hopkins University Press, 2014), ja hän tuottaa joukon luonnontieteiden koulutusta Videot. Seuraa häntä Facebookissa. Tässä kommentissa esitetyt mielipiteet ovat hänen.
Don Lincoln kirjoitti tämän artikkelin Live Science's -elokuvalle Asiantuntijaäänet: Op-Ed & Insights. Alun perin julkaistu live-tieteessä.
