1925. gadā Einšteins devās pastaigā ar jauno studentu, vārdā Esther Salaman. Viņiem klīstot, viņš dalījās ar savu galveno intelektuālo principu: "Es gribu zināt, kā Dievs radīja šo pasauli. Mani neinteresē šī vai tā parādība, šī vai tā elementa spektrs. Es gribu zināt Viņa domas; pārējās ir tikai detaļas ".
Frāze “Dieva domas” ir apburoši piemērota metafora mūsdienu fizikas galvenajam mērķim, proti, pilnveidot dabas likumu izpratni - to, ko fiziķi sauc par “visa teoriju” vai TOE. Ideālā gadījumā TOE atbildētu uz visiem jautājumiem, neatstājot neko neatbildētu. Kāpēc debesis ir zilas? Pārklāts. Kāpēc pastāv gravitācija? Arī tas ir pārklāts. Izteikts zinātniskākā veidā, TOE ideāli izskaidrotu visas parādības ar vienu teoriju, vienu sastāvdaļu un vienu spēku. Manuprāt, TOE atrašana varētu aizņemt simtiem vai pat tūkstošiem gadu. Lai saprastu, kāpēc, apskatīsim situāciju.
Mēs zinām divas teorijas, kuras, kopā ņemot, sniedz labu apkārtējās pasaules aprakstu, taču abas ir gaismas gadu attālumā no tā, ka esam TOE.
Otro teoriju sauc par standarta modeli, kas apraksta subatomisko pasauli. Tieši šajā jomā zinātnieki ir sasnieguši visredzamāko virzību uz visa teoriju.
Ja mēs skatāmies uz apkārtējo pasauli - zvaigžņu un galaktiku, pūdeļu un picu pasauli, mēs varam jautāt, kāpēc lietām ir tādas īpašības, kādas tās ir. Mēs zinām, ka visu veido atomi, un šos atomus veido protoni, neitroni un elektroni.
Un 1960. gados pētnieki atklāja, ka protoni un neitroni ir izgatavoti no vēl mazākām daļiņām, kuras sauc par kvarkiem, un elektrons bija daļiņu klases, ko sauc par leptoniem, loceklis.
Vismazāko celtniecības elementu atrašana ir tikai pirmais solis, lai izstrādātu teoriju par visu. Nākamais solis ir saprast spēkus, kas nosaka, kā mijiedarbība notiek. Zinātnieki zina par četriem pamata spēkiem, no kuriem trīs - elektromagnētisms un spēcīgie un vājie kodolieroču spēki - ir saprotami subatomiskajā līmenī. Elektromagnētisms satur atomus kopā un ir atbildīgs par ķīmiju. Spēcīgais spēks satur kopā atomu kodolu un uztur kvarkus protonu un neitronu iekšpusē. Vājš spēks ir atbildīgs par dažu veidu kodola sabrukšanu.
Katram no zināmajiem subatomiskajiem spēkiem ir saistīta daļiņa vai daļiņas, kas šo spēku pārnēsā: Gluons nes spēcīgu spēku, fotons regulē elektromagnētismu, un W un Z bozoni kontrolē vājo spēku. Ir arī spokains enerģijas lauks, saukts par Higsa lauku, kas caurstrāvo Visumu un piešķir masu kvarkiem, leptoniem un dažām spēku nesošām daļiņām. Visi šie elementi un spēki kopā veido standarta modeli.
Izmantojot kvarkus un leptonus un zināmās spēku nesošās daļiņas, var veidot atomus, molekulas, cilvēkus, planētas un patiesībā visu zināmo Visuma lietu. Tas, bez šaubām, ir milzīgs sasniegums un laba teorijas tuvināšana visam.
Un tomēr tas tā nav. Mērķis ir atrast vienu celtniecības bloku un vienu spēku, kas varētu izskaidrot Visuma lietu un kustību. Standarta modelim ir 12 daļiņas (seši kvarki un seši leptoni) un četri spēki (elektromagnētisms, smagums un spēcīgie un vājie kodolieroči). Turklāt nav zināma gravitācijas kvantu teorija (tas nozīmē, ka mūsu pašreizējā definīcija attiecas tikai uz gravitāciju, kas saistīta ar lietām, kas ir lielākas nekā, piemēram, parastie putekļi), tāpēc gravitācija vispār pat nav standarta modeļa sastāvdaļa. Tātad, fiziķi turpina meklēt vēl fundamentālāku un pamatā esošo teoriju. Lai to izdarītu, viņiem jāsamazina gan celtniecības bloku, gan spēku skaits.
Būs grūti atrast mazāku celtniecības bloku, jo tas prasa jaudīgāku daļiņu paātrinātāju nekā cilvēki jebkad ir uzbūvējuši. Laika horizonts jaunam paātrinātāja objekta ienākšanai tiešsaistē ir vairākas desmitgades, un šis mehānisms nodrošinās tikai salīdzinoši nelielus papildu uzlabojumus salīdzinājumā ar esošajām iespējām. Tātad zinātniekiem tā vietā ir jādomā, kā varētu izskatīties mazāks celtniecības bloks. Populāru ideju sauc par virslīgas teoriju, kas postulē, ka mazākais celtniecības bloks nav daļiņa, bet gan maza un vibrējoša “virkne”. Tādā pašā veidā čellu stīgas var atskaņot vairāk nekā vienu noti, atšķirīgie vibrāciju modeļi ir dažādi kvarki un leptoni. Tādā veidā viena veida virkne varētu būt galvenā sastāvdaļa.
Problēma ir tā, ka nav empīrisku pierādījumu tam, ka virsotnes patiesībā pastāv. Turklāt gaidāmo enerģiju, kas nepieciešama, lai tos redzētu, sauc par Planck enerģiju, kas ir kvadriljonu (10 palielināti līdz 15. jaudai) reizes lielāka nekā mēs šobrīd varam radīt. Ļoti lielā Planka enerģija ir cieši saistīta ar tā dēvēto Planka garumu, nepamatoti niecīgu garumu, aiz kura kvantu efekti kļūst tik lieli, ka burtiski nav iespējams izmērīt kaut ko mazāku. Tikmēr dodieties mazāku par Planka garumu (vai lielāku par Planka enerģiju), un gravitācijas kvantu efekti starp fotoniem vai gaismas daļiņām kļūst nozīmīgi un relativitāte vairs nedarbojas. Tas nozīmē, ka tas ir mērogs, kurā tiks saprasts kvantu smagums. Tas, protams, ir ļoti spekulatīvs, bet tas atspoguļo mūsu pašreizējo labāko prognozi. Un, ja tā ir taisnība, tad virsstundām būs jāatstāj spekulatīvs pārskatāmā nākotnē.
Arī spēku pārpilnība ir problēma. Zinātnieki cer "vienādot" spēkus, parādot, ka tās ir tikai dažādas viena spēka izpausmes. (Sers Īzaks Ņūtons to izdarīja tikai tad, kad viņš parādīja spēku, kas lika lietām krist uz Zemes, un spēks, kas pārvaldīja debesu kustību. Tas bija viens un tas pats; Džeimss Klerks Maksvels parādīja, ka elektrība un magnētisms patiešām ir atšķirīga vienota spēka izturēšanās. ko sauc par elektromagnētismu.)
Sešdesmitajos gados zinātnieki spēja parādīt, ka vājš kodolspēks un elektromagnētisms faktiski ir divi dažādi kombinētā spēka aspekti, ko sauc par elektriskās strāvas spēku. Tagad pētnieki cer, ka elektrisko vājinājumu un spēcīgo spēku var apvienot tā sauktajā grandiozajā vienotajā spēkā. Tad viņi cer, ka grandiozo vienoto spēku var apvienot ar smagumu, lai izveidotu teoriju par visu.
Tomēr fiziķiem ir aizdomas, ka šī galīgā apvienošana notiks arī Planka enerģijā, jo šī ir enerģija un lielums, kurā kvantu efektus relativitātes teorijā vairs nevar ignorēt. Un, kā mēs redzējām, šī ir daudz lielāka enerģija, nekā mēs varam cerēt, ka tuvākajā laikā to sasniegsim daļiņu paātrinātājā. Lai parādītu šķelšanos starp pašreizējām teorijām un teoriju par visu, ja mēs pārstāvētu to daļiņu enerģiju, kuras mēs esam var noteikt kā šūnu membrānas platumu, Planka enerģija ir Zemes izmēra. Lai gan ir iedomājams, ka kāds, kurš labi pārzina šūnu membrānas, varētu paredzēt citas struktūras šūnā - tādas lietas kā DNS un mitohondrijas -, nav iedomājams, ka viņi varētu precīzi paredzēt Zemi. Cik iespējams, ka viņi varētu paredzēt vulkānus, okeānus vai Zemes magnētisko lauku?
Fakts ir tāds, ka ar tik lielu atstarpi starp pašlaik sasniedzamo enerģiju daļiņu paātrinātājos un Planka enerģiju pareizi izdomāt teoriju par visu šķiet neiespējami.
Tas nenozīmē, ka visiem fiziķiem vajadzētu aiziet pensijā un apgūt ainavu gleznošanu - joprojām ir paveicams nozīmīgs darbs. Mums joprojām ir jāsaprot neizskaidrojamas parādības, piemēram, tumšā matērija un tumšā enerģija, kas veido 95% no zināmā Visuma, un šī izpratne jāizmanto, lai izveidotu jaunāku, visaptverošāku fizikas teoriju. Šī jaunākā teorija nebūs TOE, bet būs pakāpeniski labāka par pašreizējo teorētisko ietvaru. Mums šis process būs jāatkārto atkal un atkal.
Vilties? Tā esmu es. Galu galā es savu dzīvi esmu veltījis tam, lai mēģinātu atklāt dažus kosmosa noslēpumus, bet varbūt kāda perspektīva ir kārtībā. Pirmā spēku apvienošana tika panākta 1670. gados ar Ņūtona universālā gravitācijas teoriju. Otrais bija 1870. gados ar Maksvela elektromagnētisma teoriju. Elektrisko signālu apvienošana notika salīdzinoši nesen, tikai pirms pusgadsimta.
Ņemot vērā, ka ir pagājuši 350 gadi kopš mūsu pirmā lielā veiksmīgā soļa šajā ceļojumā, varbūt nav tik pārsteidzoši, ka ceļš mums priekšā vēl ir garāks. Priekšstats, ka ģēnijs saņems ieskatu, kura rezultātā tuvāko gadu laikā tiks pilnībā izstrādāta teorija par visu, ir mīts. Mēs atrodamies ilgā laika posmā, un pat mūsdienu zinātnieku mazbērni neredzēs tā beigas.
Bet kāds ceļojums tas būs.
Dons Linkolns ir fizikas pētnieks Fermilab. Viņš ir grāmatas "Lielais hadronu sadursme: neparasts stāsts par Higsa Bosonu un citas lietas, kas ienesīs tavu prātu"(Johns Hopkins University Press, 2014), un viņš veido zinātnes izglītības sēriju video. Seko viņam vietnē Facebook. Šajā komentārā paustie viedokļi ir viņa.
Dons Linkolns pievienoja šo rakstu Live Science's Ekspertu balsis: op-ed un atziņas. Sākotnēji publicēts vietnē Live Science.
