V roku 1925 Einstein chodil na prechádzku s mladým študentom menom Esther Salaman. Keď putovali, zdieľa jeho hlavný vedúci intelektuálny princíp: „Chcem vedieť, ako Boh stvoril tento svet. Nezaujímam sa o tento alebo ten fenomén, o spektrum tohto alebo toho prvku. Chcem poznať jeho myšlienky; ostatné sú len detaily. ““
Fráza „Božie myšlienky“ je nádherne vhodnou metaforou pre konečný cieľ modernej fyziky, ktorým je rozvíjať dokonalé pochopenie prírodných zákonov - čo fyzici nazývajú „teóriou všetkého“ alebo TOE. V ideálnom prípade by TOE odpovedal na všetky otázky a nenechal nič nezodpovedané. Prečo je obloha modrá? Zakryté. Prečo existuje gravitácia? To je tiež zakryté. Vedecky povedané, TOE by ideálne vysvetlil všetky javy jednou teóriou, jedným stavebným blokom a jednou silou. Podľa môjho názoru by nájdenie TOE mohlo trvať stovky alebo dokonca tisíce rokov. Aby sme pochopili dôvod, pozrime sa na to.
Poznáme dve teórie, ktoré, keď sa berú spolu, poskytujú dobrý opis sveta okolo nás, ale obe sú svetelnými rokmi od toho, aby boli TOE.
Druhá teória sa nazýva štandardný model, ktorý popisuje subatomický svet. V tejto oblasti vedci urobili najviditeľnejší pokrok smerom k teórii všetkého.
Ak sa pozrieme na svet okolo nás - svet hviezd a galaxií, pudlíkov a pizze, môžeme sa opýtať, prečo veci majú vlastnosti, ktoré majú. Vieme, že všetko sa skladá z atómov a tieto atómy sa skladajú z protónov, neutrónov a elektrónov.
A v 60. rokoch vedci objavili, že protóny a neutróny boli vyrobené z ešte menších častíc nazývaných kvarky a elektrón bol členom triedy častíc nazývaných leptony.
Nájdenie najmenších stavebných blokov je iba prvým krokom pri navrhovaní teórie všetkého. Ďalším krokom je pochopenie síl, ktoré určujú, ako stavebné bloky interagujú. Vedci poznajú štyri základné sily, z ktorých tri - elektromagnetizmus a silné a slabé jadrové sily - sú chápané na subatomárnej úrovni. Elektromagnetizmus drží atómy pohromade a je zodpovedný za chémiu. Silná sila drží pohromade jadro atómov a udržuje kvarky vo vnútri protónov a neutrónov. Slabá sila je zodpovedná za niektoré typy rozpadu jadra.
Každá zo známych subatomatických síl má pridruženú časticu alebo častice, ktoré túto silu nesú: Gluón nesie silnú silu, fotón riadi elektromagnetizmus a bozóny W a Z regulujú slabú silu. Existuje aj strašidelné energetické pole nazývané Higgsovo pole, ktoré preniká do vesmíru a dáva hmotu kvarkom, leptónom a niektorým časticiam prenášajúcim sily. Tieto stavebné kamene a sily dohromady tvoria štandardný model.
Pomocou kvarkov a leptónov a známych častíc prenášajúcich silu je možné stavať atómy, molekuly, ľudí, planéty a skutočne všetky známe veci vesmíru. Je to nepochybne obrovský úspech a dobrá aproximácia teórie všetkého.
A napriek tomu to naozaj nie je. Cieľom je nájsť jediný stavebný blok a jedinú silu, ktorá by mohla vysvetliť záležitosť a pohyb vesmíru. Štandardný model má 12 častíc (šesť kvarkov a šesť leptonov) a štyri sily (elektromagnetizmus, gravitácia a silné a slabé jadrové sily). Ďalej nie je známa kvantová teória gravitácie (čo znamená, že naša súčasná definícia zahŕňa iba gravitáciu zahŕňajúcu veci väčšie ako napríklad obyčajný prach), takže gravitácia nie je vôbec súčasťou štandardného modelu. Fyzici teda pokračujú v hľadaní ešte zásadnejšej a základnej teórie. Na to musia znížiť počet stavebných blokov a síl.
Nájdenie menšieho stavebného bloku bude ťažké, pretože si to vyžaduje výkonnejší urýchľovač častíc, aký ľudia kedy postavili. Časový horizont pre nové zariadenie urýchľovača, ktorý bude uvedený do prevádzky, je niekoľko desaťročí a toto zariadenie poskytne iba relatívne mierne prírastkové zlepšenie oproti existujúcim schopnostiam. Vedci teda musia uvažovať o tom, ako môže vyzerať menší stavebný blok. Populárny nápad sa nazýva teória superstrunu, ktorá predpokladá, že najmenší stavebný blok nie je častica, ale skôr malý a vibrujúci „reťazec“. Rovnakým spôsobom môže violoncellový reťazec hrať viac ako jednu notu, rôzne vzory vibrácií sú rôzne kvarky a leptóny. Týmto spôsobom môže byť jediným typom reťazca konečný stavebný blok.
Problém je v tom, že neexistujú žiadne empirické dôkazy o tom, že by superstringy skutočne existovali. Očakávaná energia potrebná na ich zobrazenie sa ďalej nazýva Planckova energia, čo je štvornásobok (10 zvýšených na 15. energiu) krát viac, ako je možné v súčasnosti vyrábať. Veľmi veľká Planckova energia je úzko spojená s tým, čo sa nazýva Planckova dĺžka, čo je nepochopiteľne malá dĺžka, za ktorou sú kvantové efekty také veľké, že je doslova nemožné zmerať čokoľvek menšie. Medzitým choďte menšie ako Planckova dĺžka (alebo väčšia ako Planckova energia) a kvantové účinky gravitácie medzi fotónmi alebo svetelnými časticami sa stanú dôležitými a relativita už nebude fungovať. Preto je pravdepodobné, že toto je miera, v ktorej bude kvantová gravitácia pochopená. Toto je, samozrejme, všetko veľmi špekulatívne, ale odráža to našu súčasnú najlepšiu predpoveď. A ak je to pravda, superstringy budú musieť v dohľadnej budúcnosti zostať špekulatívne.
Problémom je aj nepreberné množstvo síl. Vedci dúfajú, že sily „zjednotia“ a ukážu, že sú to iba odlišné prejavy jednej sily. (Sir Isaac Newton urobil práve to, keď ukázal, že sila, ktorá spôsobila pád vecí na Zem, a sila, ktorá riadila pohyb nebies, bola rovnaká; James Clerk Maxwell ukázal, že elektrina a magnetizmus boli skutočne odlišné správanie zjednotenej sily nazývaný elektromagnetizmus.)
V 60. rokoch 20. storočia vedci dokázali, že slabá jadrová sila a elektromagnetizmus sú vlastne dva rôzne aspekty kombinovanej sily nazývanej elektroslabá sila. Vedci teraz dúfajú, že elektroslabá sila a silná sila môžu byť zjednotené do toho, čo sa nazýva veľká zjednotená sila. Potom dúfajú, že veľká zjednotená sila môže byť s gravitáciou zjednotená, aby vytvorila teóriu všetkého.
Fyzici sa však domnievajú, že toto konečné zjednotenie by nastalo aj pri Planckovej energii, opäť preto, že toto je energia a veľkosť, pri ktorej kvantové efekty už nemožno ignorovať v teórii relativity. A ako sme videli, je to oveľa vyššia energia, ako sa dá dúfať, že sa čoskoro dosiahne vo vnútri urýchľovača častíc. Dať zmysel priepasti medzi súčasnými teóriami a teóriou všetkého, ak sme reprezentovali energie častíc, ktoré sme my môcť detekovať ako šírku bunkovej membrány, Planckova energia je veľkosť Zeme. Aj keď je možné, že niekto s dôkladným porozumením bunkových membrán môže predpovedať ďalšie štruktúry v bunke - veci ako DNA a mitochondrie - je nemysliteľné, že by mohli presne predpovedať Zem. Aká je pravdepodobnosť, že dokážu predpovedať sopky, oceány alebo zemské magnetické pole?
Jednoduchá skutočnosť je, že s tak veľkým rozdielom medzi v súčasnosti dosiahnuteľnou energiou v urýchľovačoch častíc a Planckovou energiou sa zdá, že správne vymyslieť teóriu všetkého je nepravdepodobné.
To neznamená, že by všetci fyzici mali odísť do dôchodku a nastúpiť do krajinomalby - ešte stále je potrebné vykonať zmysluplnú prácu. Stále musíme porozumieť nevysvetleným fenoménom, ako je temná hmota a temná energia, ktoré tvoria 95% známeho vesmíru, a pomocou tohto porozumenia vytvoriť novú, komplexnejšiu teóriu fyziky. Táto novšia teória nebude TOE, ale bude postupne lepšia ako súčasný teoretický rámec. Tento proces budeme musieť znova a znova opakovať.
Sklamaný? Ja som koniec koncov som svoj život zasvätil snahe odhaliť niektoré tajomstvá vesmíru, ale možno je nejaká perspektíva v poriadku. K prvému zjednoteniu síl došlo v 70. rokoch 20. storočia Newtonovou teóriou univerzálnej gravitácie. Druhý bol v 70. rokoch 20. storočia s Maxwellovou teóriou elektromagnetizmu. Elektroslabé zjednotenie bolo relatívne nové, len pred polstoročím.
Vzhľadom na to, že od nášho prvého veľkého úspešného kroku na tejto ceste uplynulo 350 rokov, je možno menej prekvapujúce, že cesta pred nami je ešte dlhšia. Predstava, že génius bude mať vhľad, ktorý vyústi do plne rozvinutej teórie všetkého v nasledujúcich rokoch, je mýtus. Sme pripravení na dlhý slogan - a dokonca ani vnúčatá dnešných vedcov neuvidia koniec.
Ale aká bude cesta.
Don Lincoln je výskumný pracovník v oblasti fyziky Fermilab, Je autorom knihy „Veľký Hadron Collider: Mimoriadny príbeh Higgsovho bosona a ďalších vecí, ktoré vyfúknu vašu myseľ„(Johns Hopkins University Press, 2014) a produkuje sériu prírodných vied videá, Nasleduj ho na Facebooku, Názory vyjadrené v tomto komentári sú jeho.
Don Lincoln prispel týmto článkom do programu Live Science Hlasy expertov: Op-Ed & Insights, Pôvodne uverejnené o živej vede.
