1925. godine Einstein je krenuo u šetnju s mladom učenicom Esther Salaman. Dok su lutali, dijelio je njegovo temeljno intelektualno načelo: "Želim znati kako je Bog stvorio ovaj svijet. Ne zanima me ovaj ili onaj fenomen, u spektru ovog ili onog elementa. Želim znati Njegove misli; ostalo su samo detalji. "
Izraz "Božje misli" izvrsno je pogodna metafora za konačni cilj moderne fizike, a to je razvijanje savršenog razumijevanja zakona prirode - što fizičari nazivaju "teorijom svega", ili TOE. U idealnom slučaju, TOE bi odgovarao na sva pitanja, ne ostavljajući ništa neodgovoreno. Zašto je nebo plavo? Pokrivena. Zašto gravitacija postoji? I to je pokriveno. Izjavljeno na znanstveniji način, TOE bi idealno objasnio sve pojave s jednom teorijom, jednim građevnim blokom i jednom jedinom silom. Prema mom mišljenju, pronalazak TOE-a moglo bi potrajati stotine, pa čak i tisuće, godina. Da bismo razumjeli zašto, uzmimo u obzir.
Znamo za dvije teorije koje, kada se uzimaju zajedno, daju dobar opis svijeta oko nas, ali obje su svjetlosne godine od postojanja TOE-a.
Druga se teorija zove Standardni model koji opisuje subatomski svijet. Upravo su u tom domenu znanstvenici postigli najočitiji napredak prema teoriji svega.
Ako pogledamo svijet oko nas - svijet zvijezda i galaksija, pudlica i pizza, možemo se zapitati zašto stvari imaju svojstva koja imaju. Znamo da se sve sastoji od atoma, a ti atomi se sastoje od protona, neutrona i elektrona.
I, 1960-ih, istraživači su otkrili da su protoni i neutroni izrađeni od još manjih čestica zvanih kvarkovi, a elektron je bio član klase čestica zvanih leptons.
Pronalaženje najmanjih građevnih blokova tek je prvi korak u osmišljavanju teorije svega. Sljedeći je korak razumijevanje sila koje upravljaju međusobnim djelovanjem građevnih blokova. Znanstvenici znaju za četiri temeljne sile, od kojih su tri - elektromagnetizam i jake i slabe nuklearne sile - shvaćene na subatomskoj razini. Elektromagnetizam drži atome zajedno i odgovoran je za kemiju. Snažna sila drži zajedno jezgru atoma i drži kvarkove unutar protona i neutrona. Slaba sila odgovorna je za neke vrste nuklearnog raspada.
Svaka od poznatih subatomskih sila ima pridružene čestice ili čestice koje nose tu silu: Gluon nosi snažnu silu, foton upravlja elektromagnetizmom, a W i Z bozoni upravljaju slabom silom. Postoji i sablasno energetsko polje, koje se naziva Higgsovo polje, koje prožima svemir i daje masu kvarkovima, leptonima i nekim česticama koje nose silu. Uzeto zajedno, ovi građevni blokovi i snage čine Standardni model.
Koristeći kvarkove i leptone i poznate čestice koje nose silu, čovjek može izgraditi atome, molekule, ljude, planete i doista svu poznatu tvar svemira. Ovo je nesumnjivo ogromno postignuće i dobro približavanje teorije svega.
A ipak stvarno nije. Cilj je pronaći jedan građevni blok i jedinstvenu silu koja bi mogla objasniti materiju i kretanje svemira. Standardni model ima 12 čestica (šest kvarkova i šest leptona) i četiri sile (elektromagnetizam, gravitacija i jake i slabe nuklearne sile). Nadalje, ne postoji poznata kvantna teorija gravitacije (što znači da naša trenutna definicija obuhvaća samo gravitaciju koja uključuje stvari veće od, na primjer, obične prašine), tako da gravitacija uopće nije dio Standardnog modela. Dakle, fizičari i dalje traže još temeljniju i temeljniju teoriju. Da bi to postigli, trebaju smanjiti broj građevnih blokova i sile.
Teško je pronaći manji građevni blok, jer za to je potreban snažniji akcelerator čestica nego što su ga ljudi ikada izgradili. Vremenski horizont novog pogona za ubrzavanje koji dolazi na red je nekoliko desetljeća i taj će pogon pružiti tek relativno skromno inkrementalno poboljšanje u odnosu na postojeće mogućnosti. Dakle, znanstvenici moraju umjesto toga nagađati kako bi mogao izgledati manji građevni blok. Popularna ideja se zove teorija supernamenovanja koja postulira da najmanji građevni blok nije čestica, već mali i vibrirajući "niz". Na isti način violončelo može svirati s više nota, različiti su obrasci vibracija različiti kvarkovi i leptoni. Na taj bi način jedna vrsta niza mogla biti konačni građevni blok.
Problem je što ne postoje empirijski dokazi da superstrings zapravo postoje. Nadalje, očekivana energija potrebna da ih vidimo zove se Planckova energija, što je četvorni bilion (10 podignut na 15. snagu) puta veći nego što trenutno možemo generirati. Vrlo velika Planckova energija usko je povezana s onim što je poznato kao Planckova duljina, neosporno malom dužinom, iza koje kvantni efekti postaju toliko veliki da je doslovno nemoguće izmjeriti ništa manje. U međuvremenu, prijeđite manje od Planckove duljine (ili veće od Planckove energije), a kvantni učinci gravitacije između fotona ili svjetlosnih čestica postaju važni i relativnost više ne djeluje. Zbog toga je vjerovatno da će to biti razmjera kvantne gravitacije. To je, naravno, vrlo spekulativno, ali odražava naše trenutno najbolje predviđanje. I, ako je istina, superstrings će u doglednoj budućnosti morati ostati spekulativni.
Mnoštvo snaga je također problem. Znanstvenici se nadaju "objedinjavanju" sila, pokazujući da su samo različite manifestacije jedne sile. (Sir Isaac Newton to je učinio upravo kad je pokazao silu zbog koje su stvari padale na Zemlju i sila koja upravlja kretanjem neba bile su jedno te isto; James Clerk Maxwell pokazao je da su elektricitet i magnetizam zaista različita ponašanja ujedinjene sile zvan elektromagnetizam.)
Šezdesetih godina prošlog vijeka znanstvenici su mogli pokazati da su slaba nuklearna sila i elektromagnetizam zapravo dvije različite strane kombinirane sile zvane elektro-slaba sila. Sada se istraživači nadaju da se sila slabe elektronike i jaka sila mogu objediniti u ono što se naziva velika objedinjena sila. Zatim se nadaju da se velika objedinjena sila može sravniti sa gravitacijom i napraviti teoriju svega.
Međutim, fizičari sumnjaju da će se ovo konačno ujedinjenje dogoditi i kod Planckove energije, opet zato što su to energije i veličine pri kojima se kvantni učinci više ne mogu zanemariti u teoriji relativnosti. I kao što smo vidjeli, ovo je mnogo veća energija nego što se možemo nadati da ćemo uskoro postići unutar akceleratora čestica. Da bismo dali osjećaj jaz između trenutnih teorija i teorije svega, ako smo zastupali energije čestica koje mi limenka detektiraju kao širinu stanične membrane, Planckova energija je veličina Zemlje. Iako je zamisliti da netko s temeljitim razumijevanjem staničnih membrana može predvidjeti druge strukture unutar stanice - stvari poput DNK i mitohondrija - nezamislivo je da bi mogli precizno predvidjeti Zemlju. Kolika je vjerojatnost da su mogli predvidjeti vulkane, oceane ili Zemljino magnetsko polje?
Jednostavna je činjenica da se s tako velikim razmakom između trenutno dostižne energije u akceleratorima čestica i Planckove energije, ispravno osmišljavanje teorije svega čini nemogućim.
To ne znači da bi se fizičari trebali povući i baviti pejzažnim slikarstvom - još je smislenog posla. Još uvijek trebamo razumjeti neobjašnjive pojave poput tamne materije i tamne energije, koji čine 95% poznatog svemira, i koristiti to razumijevanje za stvaranje novije, sveobuhvatnije teorije fizike. Ova novija teorija neće biti TOE, ali će biti postupno bolja od postojećeg teorijskog okvira. Taj ćemo postupak morati ponavljati iznova i iznova.
Razočaran? Tako sam i ja. Napokon sam svoj život posvetio pokušaju otkrivanja nekih tajni kozmosa, ali možda je neka perspektiva u redu. Prvo objedinjavanje sila ostvareno je 1670-ih godina Newtonovom teorijom univerzalne gravitacije. Drugi je bio 1870-ih s Maxwell-ovom teorijom o elektromagnetizmu. Objedinjavanje elektro slabe bilo je relativno nedavno, i to prije samo pola stoljeća.
S obzirom da je prošlo 350 godina od našeg prvog velikog uspješnog koraka na ovom putovanju, možda je manje iznenađujuće da je put koji je pred nama još duži. Misao da će genij imati uvid koji rezultira potpuno razvijenom teorijom svega u sljedećih nekoliko godina je mit. Zalažemo se za dugačak slog - čak ni unuci današnjih znanstvenika neće vidjeti kraj tome.
Ali kakvo će to putovanje biti.
Don Lincoln je istraživač fizike na Fermilab, Autor je knjige "Veliki hadronski sudarač: Izvanredna priča o Higgsovu bozonu i drugim stvarima koje će vam raznijeti duh"(Johns Hopkins University Press, 2014), a on proizvodi niz naučnih edukacija video, Prati ga Na Facebook-u, Mišljenja izražena u ovom komentaru su njegova.
Don Lincoln je ovom članku pridodao časopis Live Science's Glasovi stručnjaka: Op-Ed i Uvidi, Izvorno objavljeno na Live Science.
