Leta 1925 se je Einstein odpravil na sprehod z mlado študentko Esther Salaman. Ko so se sprehajali, je delil svoje temeljno intelektualno načelo: "Rad bi vedel, kako je Bog ustvaril ta svet. Ne zanima me ta ali tisti pojav v spektru tega ali onega elementa. Želim vedeti Njegove misli; ostalo so le podrobnosti. "
Stavek "Božje misli" je čudovito primerna metafora za končni cilj sodobne fizike, ki je razviti popolno razumevanje zakonov narave - kar fiziki imenujejo "teorija vsega" ali TOE. V idealnem primeru bi TOE odgovoril na vsa vprašanja, pri čemer ničesar ne bi pustil brez odgovora. Zakaj je nebo modro? Pokrita. Zakaj gravitacija obstaja? Tudi to je zajeto. Navedeno na bolj znanstven način bi TOE idealno razložil vse pojave z eno samo teorijo, enim gradnikom in eno samo silo. Po mojem mnenju bi lahko iskanje TOE trajalo na stotine ali celo na tisoče let. Da bi razumeli, zakaj, ocenimo.
Vemo za dve teoriji, ki skupaj sprejemata dober opis sveta okoli nas, vendar sta obe svetlobni leti od TOE.
Druga teorija se imenuje standardni model, ki opisuje subatomski svet. Na tem področju so znanstveniki najbolj očitno napredovali k teoriji vsega.
Če pogledamo svet okoli nas - svet zvezd in galaksij, pudle in pice, se lahko vprašamo, zakaj imajo stvari lastnosti, ki jih imajo. Vemo, da je vse sestavljeno iz atomov, ti atomi pa so sestavljeni iz protonov, nevtronov in elektronov.
In v šestdesetih letih prejšnjega stoletja so raziskovalci odkrili, da so protoni in nevtroni izdelani iz še manjših delcev, imenovanih kvarki, in elektron je bil član razreda delcev, imenovanega leptoni.
Iskanje najmanjših gradnikov je le prvi korak pri oblikovanju teorije o vsem. Naslednji korak je razumevanje sil, ki vplivajo na medsebojno delovanje stavbnih blokov. Znanstveniki poznajo štiri temeljne sile, od katerih so tri - elektromagnetizem ter močne in šibke jedrske sile - razumljene na subatomski ravni. Elektromagnetizem drži atome skupaj in je odgovoren za kemijo. Močna sila drži jedro atomov in zadržuje kvarke znotraj protonov in nevtronov. Šibka sila je odgovorna za nekatere vrste jedrskega razpada.
Vsaka od znanih subatomskih sil ima pripadajoči delček ali delce, ki nosijo to silo: gluon nosi močno silo, foton upravlja elektromagnetizem, W in Z bozoni pa nadzorujejo šibko silo. Obstaja tudi srhljivo energijsko polje, imenovano Higgsovo polje, ki prežema vesolje in daje maso kvarkom, leptonom in nekaterim delcem, ki prenašajo silo. Ti sestavni deli in sile skupaj tvorijo standardni model.
S kvarki in leptoni ter znanimi delci, ki prenašajo silo, lahko zgradimo atome, molekule, ljudi, planete in v resnici vse znane vesolje. To je nedvomno izjemen dosežek in dober približek teorije o vsem.
Pa vendar res ni. Cilj je najti en sam gradnik in eno samo silo, ki bi lahko pojasnila zadevo in gibanje vesolja. Standardni model ima 12 delcev (šest kvarkov in šest leptonov) in štiri sile (elektromagnetizem, gravitacija ter močne in šibke jedrske sile). Poleg tega ne poznamo kvantne teorije gravitacije (kar pomeni, da naša trenutna definicija zajema samo gravitacijo, ki vključuje stvari, večje od na primer običajnega prahu), zato gravitacija sploh ni del standardnega modela. Tako fiziki še naprej iščejo še bolj temeljno in osnovno teorijo. Za to morajo zmanjšati število gradnikov in sil.
Iskanje manjšega gradnika bo težko, saj to zahteva močnejši pospeševalnik delcev, kot so ga ljudje kdajkoli zgradili. Časovno obdobje za novo pospeševalno napravo, ki prihaja na vrsto, je več desetletij, kar bo zagotovilo le razmeroma skromno postopno izboljšanje obstoječih zmogljivosti. Torej morajo znanstveniki namesto tega ugibati, kako bi lahko izgledal manjši gradnik. Priljubljena ideja se imenuje teorija superstringov, ki predpostavlja, da najmanjši gradnik ni delček, temveč majhen in vibrirajoč "niz". Na enak način lahko violončelo igra več kot eno noto, različni vzorci vibracij so različni kvarki in leptoni. Na ta način bi lahko bila ena vrsta vrha končni gradnik.
Težava je v tem, da ni empiričnih dokazov, da superstrice dejansko obstajajo. Poleg tega se pričakovana energija, ki jo potrebujemo, da bi jih videli, imenujemo Planckova energija, kar je štiričetrt (10, povečana na 15. moč), večkrat, kot jo lahko trenutno ustvarimo. Zelo velika Planckova energija je tesno povezana s tistim, kar imenujemo Planckova dolžina, neprimerno majhna dolžina, čez katero postanejo kvantni učinki tako veliki, da ni mogoče dobesedno izmeriti nič manjšega. Medtem gremo manj kot Planckova dolžina (ali večja od Planckove energije) in kvantni učinki gravitacije med fotoni ali svetlobnimi delci postanejo pomembni in relativnost ne deluje več. Zato je verjetno, da je to lestvica, v kateri bo kvantna gravitacija razumljena. To je seveda zelo špekulativno, vendar odraža našo trenutno najboljšo napoved. In, če je res, bodo morale nadvlade ostati predvidljive v prihodnosti.
Težava je tudi množica sil. Znanstveniki upajo, da bodo sile "poenotili" in pokazali, da gre le za različne manifestacije ene same sile. (Sir Isaac Newton je to storil ravno takrat, ko je pokazal silo, zaradi katere so stvari padle na Zemljo, in sila, ki je upravljala gibanje nebes, sta bila eno in isto; James Clerk Maxwell je pokazal, da sta elektrika in magnetizem res različna vedenja združene sile imenujemo elektromagnetizem.)
V šestdesetih letih prejšnjega stoletja so znanstveniki lahko pokazali, da sta šibka jedrska sila in elektromagnetizem pravzaprav dve različni plati kombinirane sile, ki se imenuje sila elektroteči. Zdaj raziskovalci upajo, da se lahko sila elektro-slabega in močna sila združi v tisto, kar imenujemo velika združena sila. Nato upajo, da se lahko velika poenotena sila poenoti z gravitacijo, da se da teorija vsega.
Vendar fiziki domnevajo, da bi se ta končna poenotenje zgodila tudi pri Planckovi energiji, ker je to energija in velikost, pri kateri kvantnih učinkov v teoriji relativnosti ni več mogoče prezreti. In kot smo videli, je to veliko večja energija, kot si lahko upamo, da jo bomo dosegli znotraj pospeševalnika delcev. Dati občutek prepadov med trenutnimi teorijami in teorijo vsega, če bi predstavljali energije delcev, ki jih imamo lahko zaznamo kot širino celične membrane, je Planckova energija velikost Zemlje. Čeprav je mogoče, da bi nekdo s temeljitim razumevanjem celičnih membran predvidel druge strukture znotraj celice - stvari, kot sta DNK in mitohondrije, - je nepredstavljivo, da bi lahko natančno napovedali Zemljo. Kako verjetno je, da bi lahko napovedali vulkane, oceane ali Zemljino magnetno polje?
Preprosto dejstvo je, da se pri tako velikem razkoraku med trenutno dosegljivo energijo v pospeševalcih delcev in Planckovo energijo zdi pravilno razmišljanje teorije o vsem nemogoče.
To ne pomeni, da bi se morali fiziki upokojiti in se lotevati krajinske slike - še veliko dela je treba še opraviti. Še vedno moramo razumeti nepojasnjene pojave, kot sta temna snov in temna energija, ki predstavljajo 95% znanega vesolja, in to razumevanje uporabiti za ustvarjanje novejše, celovitejše teorije fizike. Ta novejša teorija ne bo TOE, ampak bo neprimerno boljša od sedanjega teoretičnega okvira. Ta postopek bomo morali ponavljati znova in znova.
Razočaran? Tako sem tudi jaz. Navsezadnje sem svoje življenje posvetil poskusu razkrivanja nekaterih skrivnosti kozmosa, toda morda je kakšna perspektiva v redu. Prvo združevanje sil je bilo izvedeno v 1670-ih z Newtonovo teorijo univerzalne gravitacije. Drugi je bil v 1870-ih z Maxwellovo teorijo o elektromagnetizmu. Poenotenje elektrobočij je bilo razmeroma nedavno, le pred pol stoletja.
Glede na to, da je od našega prvega uspešnega koraka na tej poti minilo 350 let, je morda manj presenetljivo, da je pot pred nami daljša. Predstava, da bo genij imel vpogled, da bo v naslednjih nekaj letih v celoti razvita teorija vsega, je mit. Dolga slog je - in tudi vnuki današnjih znanstvenikov ne bodo videli konca.
Toda kakšno potovanje bo.
Don Lincoln je raziskovalec fizike pri Fermilab. Je avtor knjige "Veliki hadronski trkalnik: izjemna zgodba o Higgsovem bosonu in drugih stvareh, ki bodo raznesle vaš um"(Johns Hopkins University Press, 2014), ustvaril pa je vrsto naravoslovnega izobraževanja videoposnetki. Sledi mu na Facebooku. Mnenja, izražena v tem komentarju, so njegova.
Don Lincoln je prispeval ta članek k Žive znanosti Glasovi strokovnjakov: Op-Ed & Vpogledi. Prvotno objavljeno o živi znanosti.
