През 1925 г. Айнщайн излиза на разходка с млада студентка на име Естер Саламан. Докато те се скитаха, той сподели основния си ръководен интелектуален принцип: „Искам да знам как Бог е създал този свят. Не се интересувам от този или онзи феномен, в спектъра на този или онзи елемент. Искам да знам мислите Му; останалите са само подробности. "
Изразът "Божиите мисли" е възхитително подходяща метафора за крайната цел на съвременната физика, която е да развие перфектно разбиране на законите на природата - това, което физиците наричат "теория на всичко" или ТО. В идеалния случай TOE би отговорил на всички въпроси, не оставяйки нищо без отговор. Защо небето е синьо? Покрит. Защо гравитацията съществува? Това също е покрито. Посочена по по-научен начин, TOE в идеалния случай би обяснил всички явления с една единствена теория, един единствен градивен елемент и една единствена сила. Според мен намирането на TOE може да отнеме стотици или дори хиляди години. За да разберем защо, нека направим равносметка.
Ние знаем за две теории, които, когато се вземат заедно, дават добро описание на света около нас, но и двете са на светлинни години от създаването на TOE.
Втората теория се нарича Стандартният модел, който описва субатомния свят. Именно в тази област учените постигнаха най-очевидния напредък към теорията на всичко.
Ако погледнем света около нас - света на звезди и галактики, пудели и пица, можем да попитаме защо нещата имат свойствата, които имат. Знаем, че всичко е изградено от атоми и тези атоми са съставени от протони, неутрони и електрони.
И през 60-те години изследователите откриват, че протоните и неутроните са направени от още по-малки частици, наречени кварки, а електронът е член на класа на частиците, наречени лептони.
Намирането на най-малките градивни елементи е само първата стъпка в разработването на теория за всичко. Следващата стъпка е разбирането на силите, които управляват как взаимодействат градивните елементи. Учените знаят за четири основни сили, три от които - електромагнетизъм и силните и слабите ядрени сили - се разбират на субатомно ниво. Електромагнетизмът държи атомите заедно и е отговорен за химията. Силната сила държи заедно ядрото на атомите и държи кваркове вътре в протоните и неутроните. Слабата сила е отговорна за някои видове ядрен разпад.
Всяка от известните субатомни сили има свързана частица или частици, които носят тази сила: Глуонът носи силната сила, фотонът управлява електромагнетизма, а W и Z бозоните контролират слабата сила. Съществува и призрачно енергийно поле, наречено поле на Хигс, което прониква във Вселената и дава маса на кварки, лептони и някои от частиците, носещи сила. Взети заедно, тези градивни елементи и сили съставят Стандартния модел.
Използвайки кварки и лептони и известните частици, носещи сила, човек може да изгради атоми, молекули, хора, планети и наистина цялата известна материя на Вселената. Това несъмнено е огромно постижение и добро сближаване на теория за всичко.
И все пак всъщност не е така. Целта е да се намери единен градивен елемент и една единствена сила, която да обясни материята и движението на Вселената. Стандартният модел има 12 частици (шест кварка и шест лептона) и четири сили (електромагнетизъм, гравитация и силните и слабите ядрени сили). Освен това не е известна квантовата теория на гравитацията (което означава, че настоящата ни дефиниция обхваща само гравитацията, включваща неща, по-големи от, например, обикновения прах), така че гравитацията изобщо не е част от стандартния модел. И така, физиците продължават да търсят още по-фундаментална и основна теория. За целта те трябва да намалят броя на градивните елементи и силите.
Намирането на по-малък градивен елемент ще бъде трудно, защото това изисква по-мощен ускорител на частици, отколкото хората някога са изграждали. Времевият хоризонт за ново ускорително съоръжение, идващо на линия, е няколко десетилетия и това съоръжение ще осигури само сравнително скромно постепенно подобрение спрямо съществуващите възможности. Така че учените вместо това трябва да спекулират как може да изглежда по-малък градивен елемент. Популярна идея се нарича теория на суперструните, която постулира, че най-малкият градивен елемент не е частица, а по-скоро малка и вибрираща „струна“. По същия начин струнното виолончело може да свири повече от една нота, различните модели на вибрации са различните кваркове и лептони. По този начин един тип струни може да бъде крайният градивен елемент.
Проблемът е, че няма емпирични доказателства, че суперструните действително съществуват. Освен това, очакваната енергия, необходима за тяхното виждане, се нарича енергията на Планк, която е квадрилион (10 повдигнати до 15-та мощност) пъти по-голям, отколкото можем да произведем в момента. Много голямата енергия на Планк е тясно свързана с това, което е известно като дължината на Планк, една непосилно малка дължина, отвъд която квантовите ефекти стават толкова големи, че буквално е невъзможно да се измери нещо по-малко. Междувременно отидете по-малко от дължината на Планк (или по-голямо от енергията на Планк) и квантовите ефекти на гравитацията между фотоните или светлинните частици стават важни и относителността вече не работи. Това прави вероятно това да е мащабът, при който ще се разбере квантовата гравитация. Това, разбира се, е много спекулативно, но това отразява нашето най-добро прогнозиране. И ако е вярно, суперструните ще трябва да останат спекулативни в обозримото бъдеще.
Множеството сили също е проблем. Учените се надяват да "обединят" силите, показвайки, че те са просто различни прояви на една единствена сила. (Сър Исак Нютон направи точно това, когато показа силата, която кара нещата да паднат на Земята и силата, която управлява движението на небето, бяха едно и също; Джеймс Клерк Максуел показа, че електричеството и магнетизмът наистина са различни поведения на обединена сила наречен електромагнетизъм.)
През 60-те години на ХХ век учените успяха да покажат, че слабата ядрена сила и електромагнетизмът всъщност са две различни страни на комбинирана сила, наречена сила на електроослабване. Сега изследователите се надяват, че силата на електрослабенето и силната сила могат да бъдат обединени в това, което се нарича велика обединена сила. Тогава те се надяват, че голямата обединена сила може да бъде обединена с гравитацията, за да направи теория за всичко.
Въпреки това физиците подозират, че това окончателно обединение ще се случи и при енергията на Планк, отново защото това е енергията и размерите, при които квантовите ефекти вече не могат да бъдат игнорирани в теорията на относителността. И както видяхме, това е много по-висока енергия, отколкото можем да се надяваме да постигнем вътре в ускорителя на частици скоро. За да дадем усещане за пропастта между настоящите теории и теория за всичко, ако сме представили енергиите на частиците, които ние мога открийте като ширина на клетъчната мембрана, енергията на Планк е размерът на Земята. Въпреки че е възможно някой с задълбочено разбиране на клетъчните мембрани да прогнозира други структури в клетката - неща като ДНК и митохондрии - немислимо е, че биха могли да прогнозират точно Земята. Колко вероятно е те да предскажат вулкани, океани или магнитно поле на Земята?
Простият факт е, че с толкова голяма пропаст между достижимата понастоящем енергия в ускорителите на частици и енергията на Планк, правилното създаване на теория за всичко изглежда невероятно.
Това не означава, че всички физици трябва да се оттеглят и да се занимават с ландшафтна живопис - все още има много смислена работа. Все още трябва да разберем необясними явления като тъмна материя и тъмна енергия, които съставляват 95% от познатата вселена, и да използваме това разбиране за създаване на по-нова, по-всеобхватна теория на физиката. Тази по-нова теория няма да бъде TOE, но ще бъде постепенно по-добра от сегашната теоретична рамка. Ще трябва да повтаряме този процес отново и отново.
Разочарован? Така съм и аз. В крайна сметка, посветих живота си на опитите да разкрия някои от тайните на Космоса, но може би някаква перспектива е в ред. Първото обединение на силите е осъществено през 1670 г. с теорията за универсалната гравитация на Нютон. Втората е през 1870 г. с теорията на Максуел за електромагнетизма. Електрическото обединяване беше сравнително наскоро, само преди половин век.
Като се има предвид, че са минали 350 години от първата ни успешна стъпка в това пътуване, може би е по-малко изненадващо, че пътят пред нас е по-дълъг. Идеята, че гений ще има прозрение, което води до напълно разработена теория за всичко през следващите няколко години, е мит. Предстои ни дълъг лозунг - дори и внуците на днешните учени няма да видят края на това.
Но какво пътуване ще бъде.
Дон Линкълн е изследовател по физика в Fermilab, Той е автор на „Големият адронов колайдер: Изключителната история за Хигс Босън и други неща, които ще взривят ума ви"(Johns Hopkins University Press, 2014), и той произвежда поредица от научно образование видеоклипове, Следвай го във Фейсбук, Мненията, изразени в този коментар, са негови.
Дон Линкълн допринесе тази статия за науката на живо Гласове на експерти: Op-Ed & Insights, Първоначално публикуван на живо науката.
