1925. aastal läks Einstein jalutama noore õpilasega, kelle nimi oli Esther Salaman. Nende kõndides jagas ta oma põhilist intellektuaalset põhimõtet: "Ma tahan teada, kuidas Jumal selle maailma lõi. Mind ei huvita see ega teine nähtus, selle või selle elemendi spekter. Ma tahan teada Tema mõtteid; ülejäänud on vaid detailid. "
Fraas "Jumala mõtted" on vaimustavalt sobiv metafoor moodsa füüsika lõppeesmärgiks, milleks on täiusliku arusaama kujundamine loodusseadustest - mida füüsikud nimetavad "kõige teooriaks" või TOE. Ideaalis vastaks TOE kõigile küsimustele, jätmata midagi vastuseta. Miks on taevas sinine? Kaetud. Miks gravitatsioon eksisteerib? Ka see on kaetud. Teaduslikumalt öeldes selgitaks TOE ideaaljuhul kõiki nähtusi ühe teooria, ühe ehitusploki ja ühe jõuga. Minu arvates võib TOE leidmine võtta sadu või isegi tuhandeid aastaid. Et mõista, miks, võtame ülevaate.
Me teame kahte teooriat, mis kokkuvõtvalt kirjeldavad hästi ümbritsevat maailma, kuid mõlemad on TOE-st olemise algusaastad.
Teist teooriat nimetatakse standardmudeliks, mis kirjeldab subatomaatset maailma. Just selles valdkonnas on teadlased teinud kõige ilmsemaid edusamme kõige teooria loomisel.
Kui vaatame ümbritsevat maailma - tähtede ja galaktikate, puudlite ja pitsa maailma, siis võime küsida, miks on asjadel sellised omadused, nagu nad teevad. Me teame, et kõik koosneb aatomitest ja need aatomid koosnevad prootonitest, neutronitest ja elektronidest.
Ja 1960. aastatel avastasid teadlased, et prootonid ja neutronid olid valmistatud veelgi väiksematest osakestest, mida nimetatakse kvarkideks ja elektron kuulus osakeste klassi, mida nimetatakse leptoniteks.
Kõige väiksemate ehitusplokkide leidmine on alles esimene samm kõige teooria väljatöötamisel. Järgmine samm on nende jõudude mõistmine, mis reguleerivad ehitusplokkide koostoimimist. Teadlased teavad nelja põhijõudu, millest kolm - elektromagnetism ning tugevad ja nõrgad tuumajõud - mõistetakse alaatomilisel tasemel. Elektromagnetism hoiab aatomeid koos ja vastutab keemia eest. Tugev jõud hoiab koos aatomite tuuma ja hoiab kvarke prootonite ja neutronite sees. Nõrk jõud põhjustab teatud tüüpi tuuma lagunemist.
Kõigil teadaolevatel subatomaatilistel jõudutel on seotud osake või osakesi, mis seda jõudu kannavad: Gluon kannab tugevat jõudu, footon reguleerib elektromagnetilisust ning W ja Z bosonid kontrollivad nõrka jõudu. Samuti on olemas kummituslik energiaväli, mida nimetatakse Higgsi väljaks, mis tungib universumisse ja annab massi kvarkidele, leptonitele ja mõnele jõudu kandvatele osakestele. Need ehitusplokid ja jõud moodustavad kokku standardmudeli.
Kvarke ja leptoneid ning teadaolevaid jõudu kandvaid osakesi kasutades saab ehitada aatomeid, molekule, inimesi, planeete ja tõepoolest kõiki universumi teadaolevaid aineid. See on kahtlemata tohutu saavutus ja hea lähenemisviis teooriale kõige kohta.
Ja veel pole seda tegelikult. Eesmärk on leida üks ehitusplokk ja üks jõud, mis selgitaks universumi ainet ja liikumist. Standardmudelil on 12 osakest (kuus kvarki ja kuus leptoni) ja neli jõudu (elektromagnetism, gravitatsioon ning tugev ja nõrk tuumajõud). Lisaks pole teada gravitatsiooni kvantteooriat (see tähendab, et meie praegune määratlus hõlmab ainult gravitatsiooni, mis hõlmab asju, mis on suuremad kui näiteks tavaline tolm), nii et gravitatsioon ei kuulu üldse standardmudeli hulka. Nii otsivad füüsikud veelgi põhjalikumat ja aluseks olevat teooriat. Selleks peavad nad vähendama nii ehitusplokkide kui ka jõudude arvu.
Väiksema ehitusploki leidmine on keeruline, sest selleks on vaja võimsamat osakeste kiirendit, kui inimesed on kunagi ehitanud. Uue kiirendusseadme kasutuselevõtu aeg on mitu aastakümmet ja see pakub olemasolevate võimaluste osas vaid suhteliselt tagasihoidlikku täiendust. Seega peavad teadlased selle asemel spekuleerima, milline võiks välja näha väiksem ehitusplokk. Populaarset ideed nimetatakse superstringi teooriaks, mis postuleerib, et väikseim ehitusplokk ei ole osake, vaid pigem väike ja vibreeriv "nöör". Tšello keelpill võib mängida samal viisil rohkem kui ühte nooti. Erinevad vibratsioonimustrid on erinevad kvargid ja leptonid. Sel moel võiks ühtne tüüpi string olla ülim ehitis.
Probleem on selles, et puuduvad empiirilised tõendid selle kohta, et pealised on tegelikult olemas. Lisaks nimetatakse nende nägemiseks vajalikku eeldatavat energiat Plancki energiaks, mis on kvadriljonit (10 tõstetud 15. võimsuseni) korda kõrgemaks, kui me praegu suudame genereerida. Väga suur Plancki energia on tihedalt seotud nn Plancki pikkusega, see on mõõtmatult pisike pikkus, mille ületamisel kvantmõjud muutuvad nii suureks, et sõna otseses mõttes on võimatu mõõta midagi väiksemat. Vahepeal minge väiksemaks kui Plancki pikkus (või suurem kui Plancki energia) ja footonite ehk valgusosakeste vahelise gravitatsiooni kvantmõjud muutuvad oluliseks ja relatiivsus enam ei toimi. Seetõttu on tõenäoline, et kvantgravitatsiooni mõistetakse selles skaalal. See on muidugi kõik väga spekulatiivne, kuid kajastab meie praegust parimat ennustust. Ja kui see on tõsi, peavad ülivõrded lähitulevikus jääma spekulatiivseteks.
Probleemiks on ka jõudude paljusus. Teadlased loodavad jõud "ühendada", näidates, et need on lihtsalt ühe jõu erinevad ilmingud. (Sir Isaac Newton tegi just seda, kui ta näitas jõudu, mis pani asjad Maale langema, ja jõud, mis juhtis taeva liikumist, oli üks ja sama; James Clerk Maxwell näitas, et elekter ja magnetism on tõesti ühendatud jõu erinevad käitumised) nimetatakse elektromagnetismiks.)
1960. aastatel suutsid teadlased näidata, et nõrk tuumajõud ja elektromagnetism olid tegelikult kombineeritud jõu kaks erinevat tahku, mida nimetatakse elektrilöögijõuks. Nüüd loodavad teadlased, et elektrilöögi jõud ja tugev jõud võivad olla ühendatud suureks ühendatud jõuks. Seejärel loodavad nad, et suurejoonelist jõudu saab gravitatsiooni abil ühendada, et saada teooria kõigest.
Kuid füüsikud kahtlustavad, et see lõplik ühinemine toimub ka Plancki energia juures, sest see on energia ja suurus, mille korral kvantmõjusid ei saa relatiivsusteoorias enam tähelepanuta jätta. Ja nagu nägime, on see palju suurem energia, kui võime loota osakestekiirendi sisemusse igal ajal varsti jõudes. Anda aimu praeguste teooriate ja kõige teooria vahelisest lõhest, kui esindaksime osakeste energiaid, mida me saab kui rakumembraani laiusena tuvastada, on Plancki energia Maa suurus. Ehkki on mõeldav, et keegi, kellel on rakumembraanide põhjalik mõistmine, võib ennustada rakus muid struktuure - näiteks DNA ja mitokondrid -, pole mõeldav, et nad oskaksid Maa täpset ennustamist. Kui tõenäoline on, et nad oskasid ennustada vulkaane, ookeane või Maa magnetvälja?
Fakt on see, et osakestekiirendites praegu saavutatava energia ja Plancki energia vahelise nii suure tühimiku korral tundub kõige teooria õige koostamine ebatõenäoline.
See ei tähenda, et füüsikud peaksid kõik pensionile jääma ja maastiku maalima asuma - ikka on veel sisukas töö ära teha. Peame ikkagi mõistma seletamatuid nähtusi nagu tumeaine ja tume energia, mis moodustavad teadaolevast universumist 95%, ja kasutama seda arusaama uuema, põhjalikuma füüsikateooria loomiseks. See uuem teooria ei ole TOE, vaid on järk-järgult parem kui praegune teoreetiline raamistik. Peame seda protsessi ikka ja jälle korrama.
Pettunud? Olen ka mina. Lõppude lõpuks olen ma oma elu pühendanud mõnele kosmose saladuse paljastamisele, kuid võib-olla on mõni vaatenurk korras. Esimene jõudude ühendamine viidi läbi Newtoni universaalse gravitatsiooni teooriaga 1670. aastatel. Teine oli 1870ndatel Maxwelli elektromagnetilisuse teooriaga. Elektriheki ühendamine toimus suhteliselt hiljuti, alles pool sajandit tagasi.
Arvestades, et meie esimesest suurest õnnestunud sammust sellel teekonnal on möödunud 350 aastat, on ehk vähem üllatav, et meie ees kulgev tee on ikka veel pikem. Arvamus, et geeniusel on ülevaade, mille tulemuseks on järgmise paari aasta jooksul täielikult välja töötatud teooria kõige kohta, on müüt. Oleme pikka aega räämas - ja isegi tänapäeva teadlaste lapselapsed ei näe selle lõppu.
Aga mis teekond see saab olema.
Don Lincoln on füüsika teadur Fermilab. Ta on raamatu "Suur hadronite põrkaja: Higgsi Bosoni erakorraline lugu ja muud asjad, mis meelt löövad"(Johns Hopkins University Press, 2014) ja ta toodab rea teadusalast haridust videod. Järgne talle Facebookis. Selles kommentaaris avaldatud arvamused on tema.
Don Lincoln esitas selle artikli Live Science's Eksperthääled: Op-Ed ja teadmised. Algselt avaldatud teemal Live Science.
