1925 yılında Einstein Esther Salaman adında genç bir öğrenci ile yürüyüşe çıktı. Gezindiklerinde temel yol gösterici entelektüel ilkesini paylaştı: "Tanrı'nın bu dünyayı nasıl yarattığını bilmek istiyorum. Bu ya da bu fenomenle, bu ya da o elementin spektrumuyla ilgilenmiyorum. gerisi sadece detaylar. "
"Tanrı'nın düşünceleri" ifadesi, fizikçilerin "her şeyin teorisi" veya TOE olarak adlandırdığı doğa yasalarının mükemmel bir anlayışını geliştirmek olan modern fiziğin nihai hedefi için nefis bir şekilde uygun bir metafordur. İdeal olarak, bir TOE tüm soruları cevaplar ve cevapsız hiçbir şey bırakmaz. Gökyüzü neden mavi? Kapalı. Yerçekimi neden var? Bu da kaplıdır. Daha bilimsel bir şekilde ifade edilen bir TOE, ideal olarak tüm fenomenleri tek bir teori, tek bir yapı taşı ve tek bir kuvvetle açıklayacaktır. Bence bir TOE bulmak yüzlerce hatta binlerce yıl sürebilir. Nedenini anlamak için stok alalım.
Birlikte ele alındığında çevremizdeki dünyanın iyi bir tanımını veren iki teoriyi biliyoruz, ancak her ikisi de bir TOE olmanın ışık yılları.
İkinci teori, atomaltı dünyasını tanımlayan Standart Model olarak adlandırılır. Bu alanda bilim adamları her şeyin teorisine doğru en belirgin ilerlemeyi yapmışlardır.
Etrafımızdaki dünyaya bakarsak - yıldızlar ve galaksiler, kanişler ve pizza dünyası, şeylerin neden yaptıkları özelliklere sahip olduğunu sorabiliriz. Her şeyin atomlardan oluştuğunu ve bu atomların protonlardan, nötronlardan ve elektronlardan oluştuğunu biliyoruz.
Ve 1960'larda araştırmacılar, protonların ve nötronların kuark adı verilen daha küçük parçacıklardan oluştuğunu ve elektronun lepton adı verilen parçacık sınıfının bir üyesi olduğunu keşfettiler.
En küçük yapı taşlarını bulmak, her şeyin teorisini tasarlamanın sadece ilk adımıdır. Bir sonraki adım, yapı taşlarının nasıl etkileşime girdiğini yöneten güçleri anlamaktır. Bilim adamları, üç tanesi - elektromanyetizma ve güçlü ve zayıf nükleer kuvvetler - atomaltı düzeyde anlaşılan dört temel gücü biliyorlar. Elektromanyetizma atomları bir arada tutar ve kimyadan sorumludur. Güçlü kuvvet atomların çekirdeğini bir arada tutar ve kuarkları protonların ve nötronların içinde tutar. Zayıf kuvvet bazı nükleer bozulma türlerinden sorumludur.
Bilinen atom altı kuvvetlerin her biri, bu kuvveti taşıyan ilişkili bir parçacığa veya parçacıklara sahiptir: Glikon güçlü kuvveti taşır, foton elektromanyetizmayı yönetir ve W ve Z bozonları zayıf kuvveti kontrol eder. Higgs alanı olarak adlandırılan, evrene nüfuz eden ve kuarklara, leptonlara ve bazı kuvvet taşıyan parçacıklara kütle veren hayalet bir enerji alanı da vardır. Birlikte ele alındığında, bu yapı taşları ve kuvvetler Standart Modeli oluşturur.
Kuarkları ve leptonları ve bilinen kuvvet taşıyan parçacıkları kullanarak, atomlar, moleküller, insanlar, gezegenler ve gerçekten de evrenin bilinen tüm maddeleri inşa edilebilir. Kuşkusuz bu muazzam bir başarı ve her şeyin teorisinin iyi bir yaklaşımıdır.
Ve yine de öyle değil. Amaç, evrenin konusunu ve hareketini açıklayabilecek tek bir yapı taşı ve tek bir güç bulmaktır. Standart Modelde 12 parçacık (altı kuark ve altı lepton) ve dört kuvvet (elektromanyetizma, yerçekimi ve güçlü ve zayıf nükleer kuvvetler) vardır. Dahası, bilinen bir kuantum yerçekimi teorisi yoktur (yani, mevcut tanımımız sadece örneğin ortak tozdan daha büyük şeyleri içeren yerçekimini kapsar), bu nedenle yerçekimi hiç Standart Modelin bir parçası değildir. Böylece fizikçiler daha da temel ve temel bir teori aramaya devam ediyorlar. Bunu yapmak için hem yapı taşlarının hem de kuvvetlerin sayısını azaltmaları gerekir.
Daha küçük bir yapı taşı bulmak zor olacaktır, çünkü bu, insanların inşa ettiğinden daha güçlü bir parçacık hızlandırıcı gerektirir. Yeni bir hızlandırıcı tesisinin zaman ufku on yıllardır ve bu tesis mevcut yetenekler üzerinde sadece nispeten mütevazı bir artış sağlayacaktır. Bu nedenle, bilim adamları daha küçük bir yapı taşının nasıl görünebileceği konusunda spekülasyon yapmak zorundadır. Popüler bir fikre, en küçük yapı taşının bir parçacık değil, daha ziyade küçük ve titreşimli bir “ip” olduğunu varsayan süper sicim teorisi denir. Aynı şekilde bir çello dizisi birden fazla notayı çalabilir, farklı titreşim modelleri farklı kuarklar ve leptonlardır. Bu şekilde, tek bir dize türü nihai yapı taşı olabilir.
Sorun şu ki, süper sicimlerin gerçekte var olduğuna dair ampirik bir kanıt yok. Ayrıca, onları görmek için beklenen enerjiye, şu anda üretebileceğimizden dört kat (on beşinci güce yükseltilmiş) kat daha yüksek olan Planck enerjisi denir. Çok büyük Planck enerjisi, Planck uzunluğu olarak bilinen şeye yakından bağlıdır, kuantum etkilerinin o kadar büyük hale geldiği, daha küçük bir şeyi ölçmek gerçekten imkansızdır. Bu arada, Planck uzunluğundan daha küçük (veya Planck enerjisinden daha büyük) gidin ve fotonlar veya hafif parçacıklar arasındaki yerçekiminin kuantum etkileri önem kazanır ve görelilik artık işe yaramaz. Bu, kuantum yerçekiminin anlaşılacağı ölçeğin muhtemel olmasını sağlar. Bu elbette hepsi çok spekülatif, ama mevcut en iyi tahminimizi yansıtıyor. Ve eğer doğruysa, süper sicimlerin öngörülebilir gelecek için spekülatif kalması gerekecek.
Kuvvetlerin bolluğu da bir sorundur. Bilim adamları, güçleri "birleştirmeyi" umuyorlar, tek bir gücün farklı tezahürleri olduklarını gösteriyorlar. (Sir Isaac Newton, şeylerin Dünya'ya düşmesini sağlayan gücü gösterdiğinde ve göklerin hareketini yöneten gücün bir ve aynı olduğunu gösterdi; James Clerk Maxwell, elektrik ve manyetizmanın birleşik bir gücün gerçekten farklı davranışları olduğunu gösterdi. elektromanyetizma denir.)
1960'larda bilim adamları zayıf nükleer kuvvetin ve elektromanyetizmanın aslında elektrokeaktif kuvvet olarak adlandırılan birleşik gücün iki farklı yönü olduğunu gösterebildiler. Şimdi, araştırmacılar elektrokeaktör kuvvetinin ve güçlü kuvvetin büyük birleşik kuvvet olarak birleştirilebileceğini umuyor. Daha sonra, büyük birleşik gücün, her şeyin teorisini yapmak için yerçekimi ile birleştirilebileceğini umuyorlar.
Bununla birlikte, fizikçiler bu son birleşmenin Planck enerjisinde de gerçekleşeceğinden şüpheleniyorlar, çünkü bu görelilik teorisinde kuantum etkilerinin artık göz ardı edilemeyeceği enerji ve boyuttur. Gördüğümüz gibi, bu, yakın zamanda bir parçacık hızlandırıcısının içinde elde etmeyi umabileceğimizden çok daha yüksek bir enerjidir. Mevcut teoriler ile her şeyin teorisi arasındaki uçurumu anlamak için, eğer parçacıkların enerjilerini temsil edersek Yapabilmek bir hücre zarının genişliği olarak algılanırsa, Planck enerjisi Dünya'nın büyüklüğüdür. Hücre zarlarını tam olarak anlayan birinin, hücre içindeki diğer yapıları - DNA ve mitokondri gibi şeyler - tahmin edebileceği düşünülse de, Dünya'yı doğru bir şekilde tahmin edebilmeleri düşünülemez. Volkanları, okyanusları veya Dünya'nın manyetik alanını tahmin etmeleri ne kadar olası?
Basit gerçek şu ki, parçacık hızlandırıcılarında şu anda elde edilebilir enerji ile Planck enerjisi arasında, her şeyin bir teorisini doğru bir şekilde tasarlamak imkansız görünüyor.
Bu, fizikçilerin hepsinin emekli olması ve manzara resmini alması gerektiği anlamına gelmez - yapılması gereken anlamlı işler var. Bilinen evrenin% 95'ini oluşturan karanlık madde ve karanlık enerji gibi açıklanamayan olayları hala anlamamız ve bu anlayışı daha yeni, daha kapsamlı bir fizik teorisi oluşturmak için kullanmamız gerekiyor. Bu yeni teori bir TOE olmayacak, fakat mevcut teorik çerçeveden aşamalı olarak daha iyi olacaktır. Bu işlemi tekrar tekrar tekrarlamak zorundayız.
Hüsrana uğramış? Sonuçta ben. Sonuçta, hayatımı kozmosun bazı sırlarını açığa çıkarmaya adadım, ama belki de bir bakış açısı düzenli. Kuvvetlerin ilk birleşmesi, 1670'lerde Newton'un evrensel yerçekimi teorisi ile gerçekleştirildi. İkincisi, 1870'lerde Maxwell'in elektromanyetizma teorisi vardı. Elektrokeak birliği, sadece yarım yüzyıl önce nispeten yeniydi.
Bu yolculuktaki ilk büyük başarılı adımımızdan bu yana 350 yılın geçtiği göz önüne alındığında, belki de önümüzdeki yolun daha uzun olması daha az şaşırtıcıdır. Bir dahinin önümüzdeki birkaç yıl içinde her şeyin tamamen gelişmiş bir teorisiyle sonuçlanan bir kavrayışa sahip olacağı düşüncesi bir efsanedir. Uzun süredir devam edeceğiz - ve bugünün bilim adamlarının torunları bile bunun sonunu görmeyecek.
Ama ne bir yolculuk olacak.
Don Lincoln bir fizik araştırmacısıdır. Fermilab'ın. O "Büyük Hadron Çarpıştırıcısı: Higgs Bozonunun Olağanüstü Hikayesi ve Aklınızı Uçuracak Diğer Şeyler"(Johns Hopkins University Press, 2014) ve bir dizi fen eğitimi üretiyor videolar. Onu takip et Facebook'ta. Bu yorumda ifade edilen görüşler ona aittir.
Don Lincoln bu yazıyı Live Science'ın Uzman Sesleri: Op-Ed ve Analizler. Başlangıçta yayınlandı Canlı Bilim Üzerine.
