Pada tahun 1925, Einstein berjalan-jalan dengan seorang pelajar muda bernama Esther Salaman. Ketika mereka berjalan, dia berkongsi prinsip intelektualnya yang utama: "Saya ingin tahu bagaimana Tuhan menciptakan dunia ini, saya tidak berminat dengan fenomena ini atau dalam fenomena ini atau unsur yang saya ingin tahu. yang lain hanyalah butirannya. "
Ungkapan "pemikiran Tuhan" adalah metafora yang sesuai untuk matlamat utama fizik moden, iaitu untuk membangunkan pemahaman yang sempurna mengenai undang-undang alam - yang ahli fizik panggil "teori segala-galanya," atau TOE. Idealnya, TOE akan menjawab semua soalan, meninggalkan apa-apa yang tidak dijawab. Mengapa langit biru? Dilindungi. Kenapa graviti wujud? Itu juga dilindungi. Dengan cara yang lebih saintifik, TOE dengan jelas akan menjelaskan semua fenomena dengan satu teori, satu blok bangunan dan satu daya. Pada pendapat saya, mencari TOE boleh mengambil beratus-ratus, atau bahkan beribu-ribu tahun. Untuk memahami mengapa, mari ambil saham.
Kita tahu dua teori bahawa, apabila diambil bersama, memberikan gambaran yang baik tentang dunia di sekeliling kita, tetapi keduanya adalah tahun cahaya dari menjadi TOE.
Teori kedua dipanggil Model Standard, yang menggambarkan dunia subatomik. Di dalam domain ini para saintis telah membuat kemajuan yang paling jelas ke arah teori segala-galanya.
Jika kita melihat dunia di sekeliling kita - dunia bintang dan galaksi, pudel dan pizza, kita boleh bertanya mengapa benda mempunyai sifat yang mereka lakukan. Kita tahu semuanya terdiri daripada atom, dan atom-atom itu terdiri daripada proton, neutron dan elektron.
Dan, pada tahun 1960-an, penyelidik mendapati bahawa proton dan neutron dibuat daripada zarah yang lebih kecil yang dipanggil kuark dan elektron adalah ahli kelas zarah yang dipanggil lepton.
Mencari blok bangunan terkecil adalah langkah pertama dalam mencipta teori tentang segala-galanya. Langkah seterusnya ialah memahami kekuatan yang mengawal bagaimana blok bangunan berinteraksi. Para saintis tahu empat kuasa asas, tiga daripadanya - elektromagnetisme, dan kuasa nuklear yang kuat dan lemah - difahami di peringkat subatomik. Elektromagnetisme memegang atom bersama dan bertanggungjawab untuk kimia. Kekuatan kuat memegang nukleus atom dan menyimpan quark di dalam proton dan neutron. Kekuatan lemah bertanggungjawab terhadap beberapa jenis kerosakan nuklear.
Setiap kuasa subatom yang diketahui mempunyai zarah atau zarah yang berkaitan yang membawa kekuatan tersebut: Gluon membawa kekuatan yang kuat, foton mengawal elektromagnetisme, dan boson W dan Z mengawal daya lemah. Terdapat juga bidang tenaga hantu, yang dikenali sebagai medan Higgs, yang meresap alam semesta dan memberikan massa kepada kuark, lepton dan beberapa zarah yang membawa kekuatan. Diambil bersama, blok bangunan dan kuasa ini membentuk Model Standard.
Menggunakan kuark dan lepton dan zarah yang membawa kekuatan yang diketahui, seseorang boleh membina atom, molekul, manusia, planet dan, sememangnya, semua benda yang diketahui alam semesta. Ini tidak diragukan lagi merupakan pencapaian yang luar biasa dan penghampiran teori yang baik.
Namun ia sebenarnya tidak. Matlamatnya adalah untuk mencari satu blok bangunan dan satu daya yang boleh menjelaskan perkara dan gerakan alam semesta. Model Standard mempunyai 12 partikel (enam quark dan enam lepton) dan empat daya (elektromagnetisme, graviti, dan kekuatan nuklear yang kuat dan lemah). Selain itu, tidak ada teori kuantiti graviti yang diketahui (bermakna definisi semasa kita merangkumi graviti yang melibatkan perkara-perkara yang lebih besar daripada, contohnya, habuk biasa), jadi graviti bukanlah sebahagian daripada Model Standard sama sekali. Oleh itu, ahli fizik terus mencari teori yang lebih asas dan asas. Untuk melakukan itu, mereka perlu mengurangkan bilangan blok bangunan dan daya.
Mencari blok bangunan yang lebih kecil akan menjadi sukar kerana ia memerlukan pemecut zarah yang lebih kuat daripada manusia yang pernah dibina. Horizon masa untuk kemudahan pemprosesan baru yang datang pada baris adalah beberapa dekad dan kemudahan itu akan memberikan peningkatan peningkatan yang agak sederhana ke atas keupayaan sedia ada. Oleh itu, ahli sains mestilah membuat spekulasi mengenai apa yang kelihatan seperti blok bangunan yang lebih kecil. Idea popular dipanggil teori superstring, yang menyatakan bahawa blok bangunan terkecil bukanlah zarah, tetapi sebilangan kecil "string". Dengan cara yang sama, rentetan cello boleh memainkan lebih daripada satu nota, corak getaran yang berbeza adalah quarks dan lepton yang berlainan. Dengan cara ini, satu jenis tali boleh menjadi blok bangunan muktamad.
Masalahnya adalah bahawa tidak ada bukti empirikal bahawa superstrings sebenarnya wujud. Tambahan lagi, tenaga yang dijangkakan yang diperlukan untuk melihatnya dipanggil tenaga Planck, yang merupakan kuadrilion (10 dinaikkan kepada kuasa ke-15) lebih tinggi daripada yang kita dapat menjana. Energi Planck yang sangat besar dikaitkan dengan apa yang dikenali sebagai panjang Planck, panjang yang tidak dapat dibayangkan di mana kesan kuantum menjadi begitu besar sehingga tidak mungkin untuk mengukur apa-apa yang lebih kecil. Sementara itu, pergi lebih kecil daripada panjang Planck (atau lebih besar daripada tenaga Planck), dan kesan kuantum graviti antara foton, atau zarah cahaya, menjadi penting dan relativiti tidak lagi berfungsi. Ini menjadikan ia mungkin skala di mana graviti kuantum akan difahami. Ini sememangnya sangat spekulatif, tetapi ia mencerminkan ramalan terbaik semasa kami. Dan, jika benar, superstring akan tetap spekulatif untuk masa depan yang boleh dijangka.
Banyaknya daya juga menjadi masalah. Para saintis berharap untuk "menyatukan" tentera, menunjukkan bahawa mereka hanya manifestasi yang berbeza dari satu pasukan. (Sir Isaac Newton berbuat demikian ketika dia menunjukkan kekuatan yang membuat benda-benda jatuh di Bumi dan kekuatan yang memerintah gerakan langit adalah satu dan yang sama; James Clerk Maxwell menunjukkan bahawa elektrik dan magnetisme adalah tingkah laku yang sangat berbeza dari gaya bersatu dipanggil elektromagnetisme.)
Pada tahun 1960-an, para saintis dapat menunjukkan bahawa daya nuklear yang lemah dan elektromagnetisme sebenarnya adalah dua aspek yang berbeza dari satu kekuatan gabungan yang dipanggil kuasa elektroweak. Sekarang, para penyelidik berharap bahawa kekuatan elektroweak dan kekuatan yang kuat dapat disatukan ke dalam apa yang dipanggil kekuatan bersatu besar. Kemudian, mereka berharap bahawa kekuatan bersatu besar dapat bersatu dengan graviti untuk membuat teori segala-galanya.
Walau bagaimanapun, ahli fizik mengesyaki penyatuan akhir ini juga akan berlaku di tenaga Planck, sekali lagi kerana ini adalah tenaga dan saiz di mana kesan kuantum tidak lagi boleh diabaikan dalam teori relativiti. Dan, seperti yang kita lihat, ini adalah tenaga yang lebih tinggi daripada yang kita boleh berharap untuk mencapai dalam pemecut partikel pada bila-bila masa tidak lama lagi. Untuk memberikan jurang antara teori semasa dan teori segala-galanya, jika kita mewakili tenaga zarah kita boleh mengesan sebagai lebar membran sel, tenaga Planck adalah saiz Bumi. Walaupun difikirkan bahawa seseorang yang mempunyai pemahaman menyeluruh membran sel mungkin meramalkan struktur lain dalam sel - perkara seperti DNA dan mitokondria - tidak dapat difahami bahawa mereka dapat meramalkan dengan tepat Bumi. Bagaimana mungkin mereka dapat meramalkan gunung berapi, lautan atau medan magnet bumi?
Hakikatnya mudah ialah dengan jurang yang besar antara tenaga yang boleh dicapai dalam pemecut zarah dan tenaga Planck, dengan betul mencipta teori tentang segala sesuatu nampaknya mustahil.
Itu tidak bermakna ahli fizik harus bersara dan mengambil lukisan landskap - masih ada kerja bermakna yang perlu dilakukan. Kita masih perlu memahami fenomena yang tidak dapat dijelaskan seperti perkara gelap dan tenaga gelap, yang membentuk 95% alam semesta yang diketahui, dan menggunakan pemahaman itu untuk mewujudkan teori fizik yang lebih baru dan lebih menyeluruh. Teori yang lebih baru ini tidak akan menjadi TOE, tetapi akan lebih baik daripada kerangka teoritis semasa. Kita perlu mengulangi proses itu berulang kali.
Kecewa? Jadi saya. Lagipun, saya telah menumpukan hidup saya untuk cuba membongkar beberapa rahsia alam semesta, tetapi mungkin ada perspektif yang teratur. Penyatuan pasukan pertama dicapai pada tahun 1670an dengan teori graviti universal Newton. Yang kedua ialah pada tahun 1870-an dengan teori electromagnetism Maxwell. Penggabungan elektroweak relatif baru-baru ini, hanya setengah abad yang lalu.
Memandangkan 350 tahun berlalu sejak langkah pertama yang berjaya dalam perjalanan ini, mungkin kurang mengejutkan bahawa jalan di hadapan kita masih lagi. Pandangan bahawa seorang jenius akan mempunyai wawasan yang menghasilkan teori yang sepenuhnya berkembang dalam semua tahun akan datang adalah mitos. Kami berada dalam longsor panjang - dan bahkan cucu-saintis saintis hari ini tidak akan dapat melihatnya.
Tetapi apa perjalanannya.
Don Lincoln adalah seorang penyelidik fizik di Malaysia Fermilab. Beliau adalah pengarang "The Large Hadron Collider: Kisah Luar Biasa Higgs Boson dan Lain-lain Stuff Itu Akan Blow Pikiran Anda"(Johns Hopkins University Press, 2014), dan dia menghasilkan satu siri pendidikan sains video. Ikut dia di Facebook. Pendapat yang dinyatakan dalam ulasan ini adalah beliau.
Don Lincoln menyumbangkan artikel ini kepada Live Science Pakar Suara: Op-Ed & Insights. Originally diterbitkan pada Sains Live.
