V roce 1925 Einstein šel na procházku s mladým studentem jménem Esther Salaman. Když putovali, sdílel svůj hlavní řídící intelektuální princip: „Chci vědět, jak Bůh stvořil tento svět. Nemám zájem o tento nebo ten jev, o spektrum tohoto nebo toho prvku. Chci znát jeho myšlenky; ostatní jsou jen detaily. “
Fráze „Boží myšlenky“ je nádherně vhodnou metaforou pro konečný cíl moderní fyziky, kterým je rozvíjet dokonalé porozumění přírodním zákonům - to, co fyzikové nazývají „teorií všeho“ nebo TOE. V ideálním případě by TOE odpověděl na všechny otázky a nenechal nic nezodpovězeného. Proč je obloha modrá? Kryté. Proč existuje gravitace? To je také zakryté. Vědecky řečeno, TOE by ideálně vysvětlil všechny jevy pomocí jediné teorie, jediného stavebního bloku a jediné síly. Podle mého názoru by nalezení TOE mohlo trvat stovky nebo dokonce tisíce let. Abychom pochopili proč, podívejme se na přehled.
Víme o dvou teoriích, které, když jsou vzaty dohromady, dávají dobrý popis světa kolem nás, ale obě jsou světelnými roky od bytí TOE.
Druhá teorie se nazývá standardní model, který popisuje subatomický svět. V této oblasti vědci učinili nejviditelnější pokrok směrem k teorii všeho.
Když se podíváme na svět kolem nás - svět hvězd a galaxií, pudlíků a pizzy, můžeme se zeptat, proč věci mají vlastnosti, které dělají. Víme, že všechno je tvořeno atomy a tyto atomy jsou tvořeny protony, neutrony a elektrony.
V šedesátých letech vědci objevili, že protony a neutrony byly vyrobeny z ještě menších částic zvaných kvarky a elektron byl členem třídy částic zvané leptony.
Nalezení nejmenších stavebních bloků je pouze prvním krokem při navrhování teorie všeho. Dalším krokem je pochopení sil, které řídí, jak stavební bloky interagují. Vědci vědí o čtyřech základních silách, z nichž tři - elektromagnetismus a silné a slabé jaderné síly - jsou chápány na subatomické úrovni. Elektromagnetismus drží atomy pohromadě a je zodpovědný za chemii. Silná síla drží pohromadě jádro atomů a udržuje kvarky uvnitř protonů a neutronů. Slabá síla je zodpovědná za některé typy jaderného úpadku.
Každá ze známých subatomických sil má přidruženou částici nebo částice, které nesou tuto sílu: Gluon nese silnou sílu, foton řídí elektromagnetismus a W a Z bosony řídí slabou sílu. Existuje také strašidelné energetické pole zvané Higgsovo pole, které prostupuje vesmírem a dává hmotu kvarkům, leptonům a některým částicím přenášejícím sílu. Dohromady tyto stavební bloky a síly tvoří standardní model.
Pomocí kvarků a leptonů a známých částic nesoucích sílu lze vytvořit atomy, molekuly, lidi, planety a skutečně všechny známé záležitosti vesmíru. To je nepochybně obrovský úspěch a dobré přiblížení teorie všeho.
A přesto to opravdu není. Cílem je najít jediný stavební blok a jedinou sílu, která by mohla vysvětlit hmotu a pohyb vesmíru. Standardní model má 12 částic (šest kvarků a šest leptonů) a čtyři síly (elektromagnetismus, gravitace a silné a slabé jaderné síly). Navíc není známa kvantová teorie gravitace (což znamená, že naše současná definice zahrnuje pouze gravitaci zahrnující věci větší než například běžný prach), takže gravitace není vůbec součástí standardního modelu. Fyzici tedy stále hledají ještě fundamentálnější a základní teorii. K tomu potřebují snížit počet stavebních bloků a sil.
Najít menší stavební blok bude obtížné, protože to vyžaduje silnější urychlovač částic, než jaký kdy lidé postavili. Časový horizont pro nové zařízení urychlovače přicházející do provozu je několik desetiletí a toto zařízení poskytne pouze relativně skromné přírůstkové zlepšení oproti stávajícím schopnostem. Vědci tedy musí spekulovat o tom, jak by menší stavební blok mohl vypadat. Populární myšlenka se nazývá superstringová teorie, která předpokládá, že nejmenší stavební blok není částice, ale spíše malý a vibrační „řetězec“. Stejně tak může violoncellový řetězec hrát více než jednu notu, různé vzory vibrací jsou různé kvarky a leptony. Tímto způsobem by jediný typ řetězce mohl být konečným stavebním kamenem.
Problém je v tom, že neexistuje žádný empirický důkaz, že by superstringy skutečně existovaly. Očekávaná energie potřebná k jejich zobrazení se dále nazývá Planckova energie, což je čtyřnásobek (10 zvýšených na 15. sílu) krát vyšší, než můžeme v současné době vyrábět. Velmi velká Planckova energie je úzce spjata s tím, co se nazývá Planckova délka, což je nepochopitelně malá délka, za kterou jsou kvantové efekty tak velké, že je doslova nemožné změřit cokoli menšího. Mezitím jděte menší než Planckova délka (nebo větší než Planckova energie) a kvantové účinky gravitace mezi fotony nebo světelnými částicemi se stávají důležitými a relativita již nefunguje. Proto je pravděpodobné, že se jedná o měřítko, ve kterém bude kvantová gravitace pochopena. To je samozřejmě velmi spekulativní, ale odráží to naši současnou nejlepší předpověď. A pokud je to pravda, superstringy budou muset v dohledné budoucnosti zůstat spekulativní.
Problémem je také nepřeberné množství sil. Vědci doufají, že „sjednotí“ síly a ukážou, že jsou to jen odlišné projevy jediné síly. (Sir Isaac Newton právě udělal, že když ukázal sílu, která způsobila pád věcí na Zemi, a sílu, která ovládala pohyb nebes, byla jedna a stejná; James Clerk Maxwell ukázal, že elektřina a magnetismus jsou skutečně odlišné chování sjednocené síly tzv. elektromagnetismus.)
V 60. letech 20. století vědci dokázali, že slabá jaderná síla a elektromagnetismus jsou vlastně dvě různé stránky kombinované síly zvané elektroslabá síla. Nyní vědci doufají, že elektroslabá síla a silná síla mohou být sjednoceny do toho, co se nazývá velká unifikovaná síla. Potom doufají, že velká sjednocená síla může být s gravitací sjednocena, aby vytvořila teorii všeho.
Fyzici se však domnívají, že toto konečné sjednocení by také proběhlo u Planckovy energie, opět proto, že toto je energie a velikost, u které kvantové efekty již nelze v teorii relativity ignorovat. A jak jsme viděli, jedná se o mnohem vyšší energii, než můžeme v nadčasový urychlovač dosáhnout. Dávat smysl pro propast mezi současnými teoriemi a teorií všeho, pokud jsme reprezentovali energie částic, které my umět detekovat jako šířku buněčné membrány, Planck energie je velikost Země. I když je představitelné, že někdo s důkladným porozuměním buněčných membrán může předpovídat jiné struktury v buňce - věci jako DNA a mitochondrie - je nepředstavitelné, že by mohli přesně předpovídat Zemi. Jak je pravděpodobné, že mohli předpovídat sopky, oceány nebo zemské magnetické pole?
Jednoduchý fakt je, že s tak velkou mezerou mezi v současnosti dosažitelnou energií v urychlovačích částic a Planckovou energií se zdá, že správné vymezení teorie všeho je nepravděpodobné.
To neznamená, že by fyzici měli všichni odejít do důchodu a nastoupit do krajinomalby - stále je třeba vykonat smysluplnou práci. Stále musíme porozumět nevysvětlitelným jevům, jako je temná hmota a temná energie, které tvoří 95% známého vesmíru, a toto porozumění použít k vytvoření novější, komplexnější teorie fyziky. Tato novější teorie nebude TOE, ale bude postupně lepší než současný teoretický rámec. Budeme muset tento proces znovu a znovu opakovat.
Zklamaný? Tak jsem já. Nakonec jsem svůj život věnoval snaze odhalit některá tajemství vesmíru, ale možná je nějaká perspektiva v pořádku. První sjednocení sil bylo dosaženo v 1670s s Newtonovou teorií univerzální gravitace. Druhý byl v 70. letech 20. století s Maxwellovou teorií elektromagnetismu. Sjednocení electroweak bylo relativně nedávné, teprve před půlstoletím.
Vzhledem k tomu, že od našeho prvního velkého úspěšného kroku na této cestě uplynulo 350 let, je možná méně překvapivé, že cesta před námi je delší. Představa, že génius bude mít vhled, který vyústí v plně rozvinutou teorii všeho v příštích několika letech, je mýtus. Jsme připraveni na dlouhý slog - a dokonce ani vnoučata dnešních vědců neuvidí konec.
Ale jaká to bude cesta.
Don Lincoln je vědecký pracovník ve fyzice Fermilab. Je autorem knihy „Velký Hadron Collider: Mimořádný příběh Higgsova bosona a dalších věcí, které vám vyfouknou mysl„(Johns Hopkins University Press, 2014) a produkuje řadu přírodovědného vzdělávání videa. Následuj ho na Facebooku. Názory vyjádřené v tomto komentáři jsou jeho.
Don Lincoln přispěl tento článek do Live Science's Expert Voices: Op-Ed & Insights. Původně publikováno na Live Science.
