1925-ben Einstein sétált Esther Salaman nevű fiatal tanulóval. Miközben vándoroltak, megosztotta az intellektuális alapelveit: "Tudni akarom, hogyan teremtette Isten ezt a világot. Nem érdekel ez vagy az a jelenség, ezen vagy az elem spektrumában. Tudni akarom gondolatait; a többi csak részletek. "
Az "Isten gondolatai" kifejezés kellemesen illeszkedő metafora a modern fizika végső céljának, amely a természet törvényei tökéletes megértésének fejlesztése - amit a fizikusok "minden elméletének" vagy TOE-nek hívnak. Ideális esetben a TOE minden kérdésre válaszolna, és semmit sem hagy megválaszolatlanul. Miért van az ég kék? Fedett. Miért létezik a gravitáció? Ez szintén fedett. Sokkal tudományosabban fogalmazva, a TOE ideálisan magyarázza meg az összes jelenséget egyetlen elmélettel, egyetlen építőelemmel és egyetlen erővel. Véleményem szerint egy TOE megtalálása több száz, sőt akár több ezer évet is igénybe vehet. Hogy megértsük miért, vessünk áttekintést.
Két elméletről tudunk, amelyek együttesen jó leírást adnak a körülöttünk lévő világról, de mindkettő fényév óta van TOE.
A második elméletet Standard modellnek hívják, amely leírja a szubatómiai világot. A tudósok ezen a területen tették a legnyilvánvalóbb előrelépést mindegyik elmélet felé.
Ha megnézzük a körülöttünk lévő világot - a csillagok és a galaxisok, az uszkárok és a pizzák világát, akkor feltehetjük a kérdést, hogy miért vannak a dolgok azok a tulajdonságok, amelyekkel rendelkeznek. Tudjuk, hogy minden atomokból áll, és ezeket az atomokat protonok, neutronok és elektronok alkotják.
És az 1960-as években a kutatók felfedezték, hogy a protonok és a neutronok még kicsibb részecskékből készülnek, úgynevezett kvarkoknak, és az elektron a leptonoknak nevezett részecskék osztályába tartozik.
A legkisebb építőelemek megtalálása csak az első lépés mindazon elmélet kidolgozásához. A következő lépés az építőelemek kölcsönhatását befolyásoló erők megértése. A tudósok négy alapvető erőt tudnak, amelyek közül három - az elektromágnesesség és az erős és gyenge nukleáris erők - szubatomi szinten megérthető. Az elektromágnesesség együtt tartja az atomokat és felelős a kémiáért. Az erős erő tartja össze az atomok magját, és kvarcokat tart a protonokban és a neutronokban. A gyenge erő felelős bizonyos típusú nukleáris bomlásért.
Az ismert szubatomi erők mindegyikéhez tartozik egy részecske vagy részecskék, amelyek ezt az erőt hordozzák: A gluon hordozza az erős erőt, a foton irányítja az elektromágnesességet, a W és Z boszonok pedig a gyenge erőt irányítják. Van egy kísérteties energiamező, amelyet Higgs-mezőnek hívnak, amely áthatol az univerzumon, és tömeget ad kvarkoknak, leptonoknak és az erőt hordozó részecskéknek. Összességében ezek az építőelemek és erők alkotják a standard modellt.
Kvarkok és leptonok, valamint az ismert erőhordozó részecskék felhasználásával atomok, molekulák, emberek, bolygók és valójában az univerzum minden ismert anyagát fel lehet építeni. Ez kétségtelenül hatalmas eredmény és mindent elméletének jó közelítése.
És mégis valójában nem az. A cél az, hogy egyetlen építőelemet és egyetlen erőt találjanak, amelyek meg tudják magyarázni az univerzum anyagát és mozgását. A standard modell 12 részecskéből (hat kvark és hat lepton) és négy erőből áll (elektromágnesesség, gravitáció, valamint az erős és gyenge nukleáris erők). Ezenkívül nincs ismert gravitációs kvantumelmélet (azaz jelenlegi definíciónk csak a gravitációt foglalja magában, amely magában foglalja például a közönséges pornál nagyobb dolgokat), tehát a gravitáció egyáltalán nem része a standard modellnek. Tehát a fizikusok továbbra is egy még alapvető és mögöttes elméletet keresnek. Ehhez csökkenteni kell mind az építőelemek, mind az erők számát.
Egy kisebb építőelem megtalálása nehéz lesz, mert ehhez erősebb részecskegyorsító szükséges, mint az emberek valaha építettek. Az új gyorsítóberendezés üzembe helyezési ideje több évtizede lehet, és ez a létesítmény a meglévő képességekhez viszonyítva csak viszonylag szerény fokozatos javulást fog biztosítani. Tehát a tudósoknak inkább azon kell gondolkodniuk, hogy nézhet ki egy kisebb építőelem. A népszerû elképzelést szuperstring elméletnek hívják, amely azt állítja, hogy a legkisebb építőelemek nem részecskék, hanem egy kicsi és rezegõ "húr". Ugyanúgy, mint egy csellóhúr egynél több hangot képes lejátszani, a rezgések különböző mintái a különböző kvarkok és leptonok. Ilyen módon egyetlen típusú karakterlánc lehet a végső építőelem.
A probléma az, hogy nincs empirikus bizonyíték arra, hogy a felsővezetékek valóban léteznek. Ezenkívül a látáshoz szükséges várható energiát Planck energiának nevezzük, amely négy milliárdnyi (tízre emelve a 15. hatalomra) szorzattal magasabb, mint amennyit jelenleg tudunk előállítani. A nagyon nagy Planck-energia szorosan összekapcsolódik a Planck-hosszúsággal ismert néven, egy kimeríthetetlenül apró hosszúsággal, amelyen túl a kvantumhatások olyan nagyokká válnak, hogy szó szerint lehetetlen megmérni valami kisebbet. Időközben csökkenjen a Planck hosszúságánál (vagy nagyobb, mint a Planck energia), és a fotonok, vagy a fényrészecskék közötti gravitáció kvantitatív hatásai fontosak lesznek, és a relativitáselmélet már nem működik. Ez valószínűvé teszi, hogy ez a skála megértse a kvantum gravitációt. Ez természetesen nagyon spekulatív, de tükrözi a jelenlegi legjobb jóslatunkat. És ha igaz, akkor a felsővezetékeknek spekulatívnak kell maradniuk a belátható jövőben.
Az erõk sokasága szintén problémát jelent. A tudósok remélik, hogy "egyesítik" az erõket, megmutatva, hogy csak egy erõ különbözõ megnyilvánulásai. (Sir Isaac Newton éppen ezt tette, amikor megmutatta az erőt, amely miatt a dolgok a földre estek, és az ég mozgását irányító erő ugyanaz volt; James Clerk Maxwell megmutatta, hogy az elektromosság és a mágnesesség valóban különféle egységes erő viselkedése). elektromágnesességnek nevezzük.)
Az 1960-as években a tudósok meg tudták mutatni, hogy a gyenge nukleáris erő és az elektromágnesesség valójában a kombinált erő két különféle aspektusa, az úgynevezett electroweak erő. A kutatók remélik, hogy az elektromos és az erős erő egyesülhet úgynevezett nagy egységes erőként. Aztán remélik, hogy a nagy egységes erőt a gravitációval lehet egyesíteni, hogy mindent elmélettel készítsenek.
A fizikusok azonban úgy gondolják, hogy ez a végleges egyesülés a Planck energiáján is megtörténik, ismét azért, mert ez az energia és méret, amelynél a kvantumhatásokat már nem lehet figyelmen kívül hagyni a relativitáselméletben. És amint láttuk, ez sokkal nagyobb energiát jelent, mint amennyire remélhetünk, hamarosan bármilyen részecskegyorsítót elérhetünk. Hogy megértsük a jelenlegi elméletek és a mindent elmélet közötti szakadékot, ha a részecskék energiáit képviseljük tud A sejtmembrán szélességeként a Planck energiája a Föld nagysága. Elképzelhető, hogy valaki, aki alaposan megérti a sejtmembránokat, előre jelezheti a sejten belüli más struktúrákat - például a DNS-t és a mitokondriumokat -, elképzelhetetlen, hogy pontosan megjósolják a Földet. Mennyire valószínű, hogy előre tudják jósolni a vulkánt, óceánt vagy a Föld mágneses mezőjét?
Az a tény, hogy ilyen nagy különbség van a részecskegyorsítókban jelenleg elérhető energia és a Planck energia között, mindent elméletének helyes kidolgozása valószínűtlennek tűnik.
Ez nem azt jelenti, hogy a fizikusoknak mind nyugdíjba vonulniuk, és vállalkozniuk kell a tájfestéssel - még mindig érdemes a tennivaló. Még mindig meg kell értenünk a megmagyarázhatatlan jelenségeket, például a sötét anyagot és a sötét energiát, amelyek az ismert világegyetem 95% -át teszik ki, és ezt a megértést új, átfogóbb fizikaelmélet létrehozására kell felhasználnunk. Ez az újabb elmélet nem lesz TOE, de fokozatosan jobb, mint a jelenlegi elméleti keret. Ezt a folyamatot újra és újra meg kell ismételnünk.
Csalódott? Tehát én is. Végül is az életemnek a kozmosz néhány titkának feltárására törekedtem, de talán bizonyos szempontból rendben van. Az erõk elsõ egyesítését az 1670-es években hajtották végre Newton univerzális gravitációs elméletével. A második az 1870-es években történt, Maxwell elektromágnesesség elméletével. Az elektromos huzamosság egyesítése viszonylag nemrégiben történt, csak fél évszázaddal ezelőtt.
Tekintettel arra, hogy 350 év telt el ezen utazás első nagy sikeres lépése óta, talán kevésbé meglepő, hogy a előttünk álló út még hosszabb. Az a felfogás, hogy a zseniknek olyan betekintése van, amely az elkövetkező néhány évben teljesen kidolgozott elméletet eredményez, mítosz. Hosszú ideig tartunk, és még a mai tudósok unokái sem látják ennek végét.
De milyen utazás lesz.
Don Lincoln a Fermilab. Ő a "A nagy hadron ütköző: A Higson Boson és a dolgok rendkívüli története"(Johns Hopkins University Press, 2014), és egy sor tudományos oktatást készít videók. Kövesd őt Facebookon. A kommentárban kifejtett vélemények ői vélemények.
Don Lincoln közzétette ezt a cikket a Live Science's-ben Szakértői hangok: Op-Ed és betekintés. Eredetileg közzétették az élő tudományról.
