În 1925, Einstein a plecat la plimbare cu o tânără studentă pe nume Esther Salaman. În timp ce rătăceau, el și-a împărtășit principiul intelectual de bază: "Vreau să știu cum a creat Dumnezeu această lume. Nu mă interesează acest fenomen sau acela, în spectrul acestui sau acelui element. Vreau să-i cunosc gândurile; restul sunt doar detalii ".
Expresia „gândurile lui Dumnezeu” este o metaforă încântătoare pentru scopul final al fizicii moderne, care constă în dezvoltarea unei înțelegeri perfecte a legilor naturii - ceea ce fizicienii numesc „o teorie a tuturor” sau TOE. În mod ideal, un TOE ar răspunde la toate întrebările, fără a lăsa nimic fără răspuns. De ce este cerul albastru? Acoperit. De ce există gravitația? De asemenea, este acoperit. Aflat într-un mod mai științific, un TOE ar explica în mod ideal toate fenomenele cu o singură teorie, un singur bloc de construcție și o singură forță. În opinia mea, găsirea unui TOE ar putea dura sute, sau chiar mii, de ani. Pentru a înțelege de ce, să facem bilanț.
Știm două teorii care, luate împreună, dau o bună descriere a lumii din jurul nostru, dar ambele sunt la ani-lumină de la a fi un TOE.
A doua teorie se numește Modelul Standard, care descrie lumea subatomică. În acest domeniu oamenii de știință au făcut cele mai evidente progrese către o teorie a tuturor.
Dacă ne uităm la lumea din jurul nostru - lumea stelelor și a galaxiilor, a pudelelor și a pizza, ne putem întreba de ce lucrurile au proprietățile pe care le fac. Știm că totul este format din atomi, iar acei atomi sunt alcătuiți din protoni, neutroni și electroni.
Și, în anii '60, cercetătorii au descoperit că protonii și neutronii erau făcuți din particule chiar mai mici numite quark și electronul era un membru al clasei de particule numite leptone.
Găsirea celor mai mici blocuri de construcții este doar primul pas în conceperea unei teorii despre tot. Următorul pas este înțelegerea forțelor care guvernează modul în care interacționează blocurile de construcții. Oamenii de știință știu de patru forțe fundamentale, dintre care trei - electromagnetismul, și forțele nucleare puternice și slabe - sunt înțelese la nivel subatomic. Electromagnetismul ține împreună atomii și este responsabil pentru chimie. Forța puternică ține împreună nucleul de atomi și menține quark-uri în protoni și neutroni. Forța slabă este responsabilă pentru unele tipuri de descompunere nucleară.
Fiecare dintre forțele subatomice cunoscute are o particulă sau particule asociate care poartă această forță: gluonul poartă forța puternică, fotonul guvernează electromagnetismul și bosonii W și Z controlează forța slabă. Există, de asemenea, un câmp fantomatic de energie, numit câmpul Higgs, care pătrunde în univers și dă masă quark-urilor, leptonilor și unele particule purtătoare de forță. Luate împreună, aceste blocuri și forțe alcătuiesc modelul standard.
Folosind quark-uri și leptone și particule cunoscute care transportă forța, se pot construi atomi, molecule, oameni, planete și, într-adevăr, toată materia cunoscută a universului. Aceasta este, fără îndoială, o realizare extraordinară și o bună aproximare a unei teorii despre tot.
Și totuși, nu este așa. Scopul este de a găsi un singur bloc de construcție și o singură forță care să explice materia și mișcarea universului. Modelul standard are 12 particule (șase quark și șase leptoni) și patru forțe (electromagnetism, gravitație și forțe nucleare puternice și slabe). În plus, nu există o teorie cuantică a gravitației cunoscută (ceea ce înseamnă că definiția noastră actuală acoperă doar gravitatea care implică lucruri mai mari decât, de exemplu, praful obișnuit), așa că gravitația nu este chiar parte a modelului standard. Deci, fizicienii continuă să caute o teorie și mai fundamentală. Pentru a face acest lucru, ei trebuie să reducă atât blocurile de forță cât și forțele.
Găsirea unui bloc de construcții mai mic va fi dificilă, deoarece acest lucru necesită un accelerator de particule mai puternic decât oamenii au construit vreodată. Orizontul de timp pentru o nouă instalație de accelerare care vine online este de câteva decenii și această facilitate va oferi doar o îmbunătățire incrementală relativ modestă în raport cu capacitățile existente. Așadar, oamenii de știință trebuie să speculeze cum ar putea arăta un bloc de construcții mai mic. O idee populară se numește teoria superstringului, care postulează că cel mai mic bloc de construcție nu este o particulă, ci mai degrabă o „șir” mică și vibrantă. În același mod, un șir de violoncel poate juca mai mult de o notă, diferitele modele de vibrații sunt diferite quark-uri și leptone. În acest fel, un singur tip de șir ar putea fi blocul final.
Problema este că nu există dovezi empirice că superstrings există de fapt. Mai mult, energia așteptată necesară pentru a le vedea se numește energia Planck, care este un cvadrilion (10 ridicat la puterea a 15-a) de ori mai mare decât putem genera în prezent. Energia Planck foarte mare este strâns legată de ceea ce este cunoscut sub numele de lungime Planck, o lungime nefondabil de mică, dincolo de care efectele cuantice devin atât de mari încât este literalmente imposibil de măsurat ceva mai mic. Între timp, mergeți mai mici decât lungimea Planck (sau mai mare decât energia Planck), iar efectele cuantice ale gravitației dintre fotoni sau particule ușoare devin importante, iar relativitatea nu mai funcționează. Acest lucru face probabil că aceasta este scara la care va fi înțeleasă gravitația cuantică. Desigur, aceasta este foarte speculativă, dar reflectă cea mai bună predicție actuală. Și, dacă este adevărat, superstrings vor trebui să rămână speculative pentru viitorul previzibil.
Multitudinea de forțe este, de asemenea, o problemă. Oamenii de știință speră să „unifice” forțele, arătând că acestea sunt doar manifestări diferite ale unei singure forțe. (Sir Isaac Newton a făcut exact asta atunci când a arătat forța care a făcut ca lucrurile să cadă pe Pământ și forța care a guvernat mișcarea cerurilor erau una și aceeași; James Clerk Maxwell a arătat că energia electrică și magnetismul erau comportamente cu adevărat diferite ale unei forțe unificate numit electromagnetism.)
În anii '60, oamenii de știință au putut să arate că forța nucleară slabă și electromagnetismul erau de fapt două fațete diferite ale unei forțe combinate numită forța electroweak. Acum, cercetătorii speră că forța electroweak și forța puternică pot fi unificate în ceea ce se numește o forță unificată. Apoi, ei speră că marea forță unificată poate fi unificată cu gravitația pentru a face o teorie a tuturor.
Cu toate acestea, fizicienii suspectează că această unificare finală ar avea loc și la energia Planck, din nou, deoarece aceasta este energia și mărimea la care efectele cuantice nu mai pot fi ignorate în teoria relativității. Și, așa cum am văzut, aceasta este o energie mult mai mare decât putem spera să obținem în curând un accelerator de particule. Pentru a da un sentiment de prăpastie între teoriile actuale și o teorie a tuturor, dacă am reprezenta energiile particulelor noi poate sa detectați ca lățimea unei membrane celulare, energia Planck este de dimensiunea Pământului. Deși este de conceput că cineva cu o înțelegere aprofundată a membranelor celulare ar putea prezice alte structuri dintr-o celulă - lucruri precum ADN-ul și mitocondriile - este de neconceput că ar putea prezice cu exactitate Pământul. Cât de probabil este că ar putea prezice vulcani, oceane sau câmpul magnetic al Pământului?
Simplitatea este că, cu o diferență atât de mare între energia realizabilă în prezent în acceleratoarele de particule și energia Planck, conceperea corectă a unei teorii a tuturor lucrurilor pare imposibilă.
Asta nu înseamnă că fizicienii ar trebui să se retragă și să reia pictura peisagistică - mai sunt de făcut lucrări semnificative. Încă trebuie să înțelegem fenomene inexplicabile, cum ar fi materia întunecată și energia întunecată, care constituie 95% din universul cunoscut și să folosim această înțelegere pentru a crea o teorie a fizicii mai nouă și mai cuprinzătoare. Această teorie mai nouă nu va fi un TOE, dar va fi incremental mai bună decât actualul cadru teoretic. Va trebui să repetăm acel proces încă o dată.
Dezamăgit? Așa că sunt eu. La urma urmei, mi-am dedicat viața încercării de a descoperi unele dintre secretele cosmosului, dar poate că o anumită perspectivă este în ordine. Prima unificare a forțelor a fost realizată în anii 1670 cu teoria lui Newton a gravitației universale. Al doilea a fost în anii 1870 cu teoria lui Maxwell despre electromagnetism. Unificarea electroweak a fost relativ recentă, cu doar o jumătate de secol în urmă.
Având în vedere că au trecut 350 de ani de la primul nostru mare pas de succes în această călătorie, poate este mai puțin surprinzător faptul că drumul care ne-a urmat este mai lung. Noțiunea că un geniu va avea o perspectivă care are ca rezultat o teorie complet dezvoltată a tuturor lucrurilor în următorii ani este un mit. Suntem în căutarea unui slogan lung și chiar și nepoții oamenilor de știință de astăzi nu vor vedea finalul acestuia.
Dar ce călătorie va fi.
Don Lincoln este cercetător în fizică la Fermilab. El este autorul „Colizorul de Hadroni Mari: Povestea extraordinară a bosonului Higgs și alte lucruri care îți vor suflă mintea"(Johns Hopkins University Press, 2014), și produce o serie de educație științifică Videoclipuri. Urmareste-l pe Facebook. Opiniile exprimate în acest comentariu sunt ale sale.
Don Lincoln a contribuit cu acest articol la Live Science's Expert Voices: Op-Ed & Insights. Publicat inițial pe Știința în direct.
