Το 1925, ο Αϊνστάιν πήγε σε μια βόλτα με μια νεαρή φοιτήτρια ονόματι Esther Salaman. Καθώς περιπλανιόταν, μοιράστηκε την βασική πνευματική του αρχή: "Θέλω να μάθω πώς ο Θεός δημιούργησε αυτόν τον κόσμο. Δεν ενδιαφέρομαι για αυτό ή εκείνο το φαινόμενο, στο φάσμα αυτού ή του στοιχείου. τα υπόλοιπα είναι απλά λεπτομέρειες. "
Η φράση «οι σκέψεις του Θεού» είναι μια ευχάριστα κατάλληλη μεταφορά για τον τελικό στόχο της σύγχρονης φυσικής, που είναι να αναπτύξει μια τέλεια κατανόηση των νόμων της φύσης - αυτό που οι φυσικοί ονομάζουν «θεωρία των πάντων» ή του TOE. Στην ιδανική περίπτωση, ένα TOE θα απαντούσε σε όλες τις ερωτήσεις, αφήνοντας τίποτα αναπάντητο. Γιατί είναι το μπλε του ουρανού; Σκεπαστός. Γιατί υπάρχει η βαρύτητα; Και αυτό καλύπτεται. Αναφερόμενος με έναν πιο επιστημονικό τρόπο, ένα TOE θα εξηγήσει ιδανικά όλα τα φαινόμενα με μια ενιαία θεωρία, ένα ενιαίο δομικό στοιχείο και μια ενιαία δύναμη. Κατά τη γνώμη μου, η εξεύρεση ενός ΤΕΣ μπορεί να διαρκέσει εκατοντάδες ή και χιλιάδες χρόνια. Για να καταλάβουμε γιατί, ας κάνουμε απολογισμό.
Γνωρίζουμε δύο θεωρίες που, όταν λαμβάνονται μαζί, δίνουν μια καλή περιγραφή του κόσμου γύρω μας, αλλά και τα δύο είναι έτη φωτός από το να είσαι TOE.
Η δεύτερη θεωρία ονομάζεται Πρότυπο Μοντέλο, το οποίο περιγράφει τον υποατομικό κόσμο. Στον τομέα αυτό, οι επιστήμονες έχουν κάνει την πιο προφανή πρόοδο προς μια θεωρία των πάντων.
Αν κοιτάξουμε τον κόσμο γύρω μας - τον κόσμο των αστεριών και των γαλαξιών, των ποδοκοιτιών και της πίτσας, μπορούμε να ρωτήσουμε γιατί τα πράγματα έχουν τις ιδιότητες που κάνουν. Ξέρουμε ότι όλα αποτελούνται από άτομα, και τα άτομα αυτά αποτελούνται από πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια.
Και στη δεκαετία του 1960, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούσαν ακόμη μικρότερα σωματίδια που ονομάζονταν κουάρκς και το ηλεκτρόνιο ήταν μέλος της τάξης των σωματιδίων που ονομάζονταν λεπτόνια.
Η εύρεση των μικρότερων οικοδομικών τετραγώνων είναι μόνο το πρώτο βήμα στην επινόηση μιας θεωρίας για τα πάντα. Το επόμενο βήμα είναι η κατανόηση των δυνάμεων που διέπουν το πώς αλληλεπιδρούν τα δομικά στοιχεία. Οι επιστήμονες γνωρίζουν τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις, τρεις από τις οποίες - ο ηλεκτρομαγνητισμός και οι ισχυρές και αδύναμες πυρηνικές δυνάμεις - κατανοούνται στο υποατομικό επίπεδο. Ο ηλεκτρομαγνητισμός κρατά μαζί τα άτομα και είναι υπεύθυνος για τη χημεία. Η ισχυρή δύναμη συγκρατεί τον πυρήνα των ατόμων και διατηρεί τα κουάρκ μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια. Η ασθενής δύναμη είναι υπεύθυνη για ορισμένους τύπους πυρηνικής αποσύνθεσης.
Κάθε μία από τις γνωστές υποατομικές δυνάμεις έχει ένα σχετικό σωματίδιο ή σωματίδια που φέρουν αυτή τη δύναμη: Ο γλουόνιον φέρει την ισχυρή δύναμη, το φωτόνιο ρυθμίζει τον ηλεκτρομαγνητισμό και τα μποζόνια W και Ζ ελέγχουν την ασθενή δύναμη. Υπάρχει επίσης ένα φαινομενικό ενεργειακό πεδίο, που ονομάζεται πεδίο Higgs, το οποίο διαπερνά το σύμπαν και δίνει μάζα σε κουάρκ, λεπτόνια και μερικά από τα σωματίδια που μεταφέρουν δύναμη. Συνολικά, αυτά τα δομικά στοιχεία και οι δυνάμεις αποτελούν το Τυπικό Μοντέλο.
Χρησιμοποιώντας τα κουάρκ και τα λεπτόνια και τα γνωστά σωματίδια που μεταφέρουν δύναμη, μπορεί κανείς να κατασκευάσει άτομα, μόρια, ανθρώπους, πλανήτες και όντως όλα τα γνωστά θέματα του σύμπαντος. Αυτό είναι αναμφισβήτητα ένα τεράστιο επίτευγμα και μια καλή προσέγγιση μιας θεωρίας των πάντων.
Και όμως δεν είναι. Ο στόχος είναι να βρεθεί ένα ενιαίο δομικό στοιχείο και μια ενιαία δύναμη που θα μπορούσε να εξηγήσει το θέμα και την κίνηση του σύμπαντος. Το Πρότυπο Μοντέλο έχει 12 σωματίδια (έξι κουάρκ και έξι λεπτόνια) και τέσσερις δυνάμεις (ηλεκτρομαγνητισμός, βαρύτητα και ισχυρές και αδύναμες πυρηνικές δυνάμεις). Επιπλέον, δεν υπάρχει γνωστή κβαντική θεωρία της βαρύτητας (δηλαδή ο σημερινός μας ορισμός καλύπτει μόνο τη βαρύτητα που περιλαμβάνει πράγματα μεγαλύτερα από, για παράδειγμα, κοινή σκόνη), έτσι η βαρύτητα δεν είναι καν μέρος του Μοντέλου Μοντέλου. Έτσι, οι φυσικοί συνεχίζουν να αναζητούν μια ακόμα θεμελιώδη και υποκείμενη θεωρία. Για να γίνει αυτό, πρέπει να μειώσουν τον αριθμό των δομικών στοιχείων και των δυνάμεων.
Η εύρεση ενός μικρότερου δομικού στοιχείου θα είναι δύσκολη, διότι απαιτεί πιο ισχυρό επιταχυντή σωματιδίων από ό, τι οι άνθρωποι έχουν κατασκευάσει ποτέ. Ο χρονικός ορίζοντας για μια νέα εγκατάσταση επιταχυντή που έρχεται σε απευθείας σύνδεση είναι αρκετές δεκαετίες και η εγκατάσταση αυτή θα παρέχει μόνο μια σχετικά μέτρια αυξητική βελτίωση σε σχέση με τις υπάρχουσες δυνατότητες. Έτσι, οι επιστήμονες πρέπει αντ 'αυτού να σκεφτούν τι μπορεί να μοιάζει με ένα μικρότερο οικοδομικό τετράγωνο. Μια δημοφιλής ιδέα ονομάζεται θεωρία υπερσυρμάτων, η οποία δηλώνει ότι το μικρότερο δομικό στοιχείο δεν είναι σωματίδιο, αλλά μάλλον μια μικρή και δονητική "χορδή". Κατά τον ίδιο τρόπο, μια σειρά τσέων μπορεί να παίξει περισσότερα από ένα σημείωμα, τα διαφορετικά μοντέλα δονήσεων είναι τα διαφορετικά κουάρκ και τα λεπτόνια. Με αυτόν τον τρόπο, ένας μόνο τύπος συμβολοσειράς θα μπορούσε να είναι το τελικό δομικό στοιχείο.
Το πρόβλημα είναι ότι δεν υπάρχουν εμπειρικά αποδεικτικά στοιχεία ότι υπάρχουν υπερσυνδέσεις. Περαιτέρω, η αναμενόμενη ενέργεια που απαιτείται για να τις δει λέγεται ενέργεια Planck, η οποία είναι τετραπλάσια (10 ανυψωμένη στη 15η δύναμη) φορές υψηλότερη από αυτήν που μπορούμε να παράγουμε σήμερα. Η πολύ μεγάλη ενέργεια Planck συνδέεται στενά με αυτό που είναι γνωστό ως το μήκος Planck, ένα ελάχιστα μικρό μήκος πέρα από το οποίο τα κβαντικά αποτελέσματα γίνονται τόσο μεγάλα που είναι σχεδόν αδύνατο να μετρήσουμε κάτι μικρότερο. Εν τω μεταξύ, πηγαίνετε μικρότεροι από το μήκος Planck (ή μεγαλύτερο από την ενέργεια Planck) και οι κβαντικές επιδράσεις της βαρύτητας μεταξύ φωτονίων ή ελαφρών σωματιδίων γίνονται σημαντικές και η σχετικότητα δεν λειτουργεί πλέον. Αυτό πιθανόν να είναι η κλίμακα με την οποία θα γίνει κατανοητή η κβαντική βαρύτητα. Αυτό είναι, φυσικά, όλα πολύ υποθετικά, αλλά αντανακλά την τρέχουσα καλύτερη πρόβλεψή μας. Και, αν είναι αλήθεια, οι υπερσυνδέσεις θα πρέπει να παραμείνουν κερδοσκοπικές για το προσεχές μέλλον.
Η πληθώρα των δυνάμεων είναι επίσης ένα πρόβλημα. Οι επιστήμονες ελπίζουν να «ενοποιήσουν» τις δυνάμεις, δείχνοντας ότι είναι απλώς διαφορετικές εκδηλώσεις μιας ενιαίας δύναμης. (Ο Sir Isaac Newton το έκανε ακριβώς όταν έδειξε τη δύναμη που κατέστησε τα πράγματα να πέσουν στη Γη και η δύναμη που κυβερνούσε την κίνηση των ουρανών ήταν η ίδια · ο James Clerk Maxwell έδειξε ότι η ηλεκτρική ενέργεια και ο μαγνητισμός ήταν πραγματικά διαφορετικές συμπεριφορές μιας ενωμένης δύναμης ονομάζεται ηλεκτρομαγνητισμός.)
Στη δεκαετία του 1960, οι επιστήμονες μπόρεσαν να δείξουν ότι η αδύναμη πυρηνική δύναμη και ο ηλεκτρομαγνητισμός ήταν στην πραγματικότητα δύο διαφορετικές όψεις μιας συνδυασμένης δύναμης που ονομάζεται δύναμη ηλεκτροσόκ. Τώρα, οι ερευνητές ελπίζουν ότι η ηλεκτροσόκκινη δύναμη και η ισχυρή δύναμη μπορούν να ενοποιηθούν σε αυτό που ονομάζεται μεγάλη ενοποιημένη δύναμη. Τότε, ελπίζουν ότι η μεγάλη ενοποιημένη δύναμη μπορεί να ενοποιηθεί με τη βαρύτητα για να κάνει μια θεωρία για τα πάντα.
Ωστόσο, οι φυσικοί υποπτεύονται ότι αυτή η τελική ενοποίηση θα πραγματοποιηθεί επίσης στην ενέργεια Planck, και πάλι επειδή αυτή είναι η ενέργεια και το μέγεθος στο οποίο τα κβαντικά αποτελέσματα δεν μπορούν πλέον να αγνοηθούν στη θεωρία της σχετικότητας. Και, όπως είδαμε, αυτή είναι μια πολύ μεγαλύτερη ενέργεια από ό, τι ελπίζουμε να επιτύχουμε μέσα σε ένα επιταχυντή σωματιδίων σύντομα. Για να δώσουμε μια αίσθηση του χάσματος μεταξύ των σημερινών θεωριών και μιας θεωρίας των πάντων, αν εκπροσωπούμε τις ενέργειες των σωματιδίων εμείς μπορώ ανίχνευση ως το πλάτος μιας κυτταρικής μεμβράνης, η ενέργεια Planck είναι το μέγεθος της Γης. Αν και είναι κατανοητό ότι κάποιος με πλήρη κατανόηση των κυτταρικών μεμβρανών μπορεί να προβλέψει άλλες δομές μέσα σε ένα κύτταρο - πράγματα όπως το DNA και τα μιτοχόνδρια - είναι αδιανόητο ότι θα μπορούσαν να προβλέψουν με ακρίβεια τη Γη. Πόσο πιθανό είναι να προβλέψουν τα ηφαίστεια, τους ωκεανούς ή το μαγνητικό πεδίο της Γης;
Το απλό γεγονός είναι ότι με ένα τόσο μεγάλο κενό ανάμεσα στην επί του παρόντος εφικτή ενέργεια στους επιταχυντές σωματιδίων και την ενέργεια Planck, η σωστή εκπόνηση μιας θεωρίας για τα πάντα φαίνεται απίθανη.
Αυτό δεν σημαίνει ότι όλοι οι φυσικοί θα πρέπει να συνταξιοδοτηθούν και να αναλάβουν ζωγραφική τοπίου - υπάρχει ακόμη σημαντική εργασία που πρέπει να γίνει. Πρέπει ακόμα να κατανοήσουμε ανεξήγητα φαινόμενα όπως η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια, που αποτελούν το 95% του γνωστού κόσμου, και να χρησιμοποιήσουμε αυτή την κατανόηση για να δημιουργήσουμε μια νεότερη, πληρέστερη θεωρία της φυσικής. Αυτή η νεότερη θεωρία δεν θα είναι TOE, αλλά θα είναι σταδιακά καλύτερη από το τρέχον θεωρητικό πλαίσιο. Θα πρέπει να επαναλάβουμε αυτή τη διαδικασία ξανά και ξανά.
Απογοητευμένος? Έτσι είμαι εγώ. Εξάλλου, έχω αφιερώσει τη ζωή μου προσπαθώντας να αποκαλύψω κάποια από τα μυστικά του Κόσμου, αλλά ίσως κάποια προοπτική είναι εντάξει. Η πρώτη ενοποίηση των δυνάμεων ολοκληρώθηκε στη δεκαετία του 1670 με τη θεωρία του Newton για παγκόσμια βαρύτητα. Το δεύτερο ήταν στη δεκαετία του 1870 με τη θεωρία του Maxwell για τον ηλεκτρομαγνητισμό. Η ενοποίηση της ηλεκτροπαραγωγής ήταν σχετικά πρόσφατη, πριν από περίπου μισό αιώνα.
Δεδομένου ότι έχουν παρέλθει 350 χρόνια από το πρώτο μας μεγάλο επιτυχημένο βήμα σε αυτό το ταξίδι, ίσως είναι λιγότερο περίεργο το γεγονός ότι η πορεία μπροστά μας είναι ακόμα μεγαλύτερη. Η ιδέα ότι μια μεγαλοφυία θα έχει μια εικόνα που θα οδηγήσει σε μια πλήρως ανεπτυγμένη θεωρία για τα πάντα τα επόμενα χρόνια είναι ένας μύθος. Είμαστε εδώ για μια μακρά σλόγκαν - και ακόμη και τα εγγόνια των σημερινών επιστημόνων δεν θα δουν το τέλος του.
Αλλά τι θα είναι ένα ταξίδι.
Ο Don Lincoln είναι ερευνητής φυσικής στο Fermilab. Είναι ο συγγραφέας του "Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων: Η Εξαιρετική Ιστορία του Βόσμωνα Χιγκς και άλλα πράγματα που θα πνίξουν το μυαλό σας»(Πανεπιστημιακός Τύπος του Johns Hopkins, 2014), και παράγει μια σειρά επιστημονικής εκπαίδευσης Βίντεο. Ακολούθα τον στο Facebook. Οι απόψεις που εκφράζονται σε αυτό το σχόλιο είναι του.
Ο Ντον Λίνκολν συνέβαλε αυτό το άρθρο στο Live Science Εξειδικευμένες φωνές: Op-Ed & Insights. Δημοσιεύθηκε αρχικά στη ζωντανή επιστήμη.
