I 1925 gikk Einstein på tur med en ung student ved navn Esther Salaman. Mens de vandret, delte han sitt kjerneledende intellektuelle prinsipp: "Jeg vil vite hvordan Gud skapte denne verden. Jeg er ikke interessert i dette eller det fenomenet, i spekteret til dette eller det elementet. Jeg vil vite tankene hans; resten er bare detaljer. "
Uttrykket "Guds tanker" er en herlig treffende metafor for det endelige målet med moderne fysikk, som er å utvikle en perfekt forståelse av naturlovene - det fysikere kaller "en teori om alt," eller TOE. Ideelt sett vil en TOE svare på alle spørsmål, og ikke la noe være ubesvart. Hvorfor er himmelen blå? Dekket. Hvorfor eksisterer tyngdekraften? Det er også dekket. Oppgitt på en mer vitenskapelig måte, ville en TOE ideelt forklare alle fenomener med en enkelt teori, en enkelt byggestein og en enkelt kraft. Etter min mening kan det ta hundrevis eller tusenvis av år å finne en TOE. For å forstå hvorfor, la oss ta en oversikt.
Vi kjenner til to teorier som, når de tas sammen, gir en god beskrivelse av verden rundt oss, men begge er lysår fra de er TOE.
Den andre teorien heter Standard Model, som beskriver den subatomiske verdenen. Det er i dette domenet forskere har gjort den mest åpenbare fremgangen mot en teori om alt.
Hvis vi ser på verden rundt oss - verdenen av stjerner og galakser, pudler og pizza, kan vi spørre hvorfor ting har egenskapene de gjør. Vi vet at alt består av atomer, og atatomene består av protoner, nøytroner og elektroner.
Og på 1960-tallet oppdaget forskere at protonene og nøytronene var laget av enda mindre partikler kalt kvarker, og elektronet var medlem av klassen partikler som ble kalt lepton.
Å finne de minste byggesteinene er bare det første trinnet i å utvikle en teori om alt. Neste trinn er å forstå kreftene som styrer hvordan byggesteinene samvirker. Forskere kjenner til fire grunnleggende krefter, hvorav tre - elektromagnetisme og de sterke og svake atomkrefter - er forstått på det subatomære nivået. Elektromagnetisme holder atomer sammen og er ansvarlig for kjemi. Den sterke kraften holder atomkjernen sammen og holder kvarker inne i protoner og nøytroner. Den svake styrken er ansvarlig for noen typer atomforfall.
Hver av de kjente subatomiske kreftene har en tilknyttet partikkel eller partikler som bærer den kraften: Gluonen bærer den sterke kraften, fotonet styrer elektromagnetisme, og W- og Z-bosonene kontrollerer den svake kraften. Det er også et spøkelsesaktig energifelt, kalt Higgs-feltet, som gjennomsyrer universet og gir masse til kvarker, leptoner og noen av de kraftbærende partiklene. Samlet utgjør disse byggesteinene og kreftene standardmodellen.
Ved å bruke kvarker og leptoner og de kjente kraftbærende partiklene, kan man bygge atomer, molekyler, mennesker, planeter og faktisk all den kjente saken i universet. Dette er utvilsomt en enorm prestasjon og en god tilnærming av en teori om alt.
Og likevel er det ikke det. Målet er å finne en enkelt byggestein og en enkelt kraft som kan forklare universets materie og bevegelse. Standardmodellen har 12 partikler (seks kvarker og seks leptoner) og fire krefter (elektromagnetisme, tyngdekraft og de sterke og svake atomkrefter). Videre er det ingen kjent kvanteteori om tyngdekraft (som betyr at vår nåværende definisjon dekker bare tyngdekraften som involverer ting som er større enn for eksempel vanlig støv), så tyngdekraften er ikke en gang en del av standardmodellen. Så fysikere fortsetter å se etter en enda mer grunnleggende og underliggende teori. For å gjøre det trenger de å redusere antall både byggesteiner og krefter.
Det vil være vanskelig å finne en mindre byggestein, fordi det krever en kraftigere partikkelakselerator enn mennesker noen gang har bygget. Tidshorisonten for et nytt akselerasjonsanlegg som kommer på nettet er flere tiår, og det anlegget vil bare gi en relativt beskjeden trinnvis forbedring i forhold til eksisterende evner. Så forskere må i stedet spekulere i hvordan en mindre byggestein kan se ut. En populær idé kalles superstring theory, som postulerer at den minste byggesteinen ikke er en partikkel, men snarere en liten og vibrerende "streng". På samme måte som en cellostreng kan spille mer enn en tone, er de forskjellige vibrasjonsmønstrene de forskjellige kvarkene og leptonene. På denne måten kan en enkelt type streng være den ultimate byggesteinen.
Problemet er at det ikke er noen empiriske bevis for at superstringer faktisk eksisterer. Videre kalles den forventede energien som kreves for å se dem Planck-energien, som er en firemiljon (10 hevet til den 15. kraften) ganger høyere enn vi nå kan generere. Den veldig store Planck-energien er intimt koblet til det som er kjent som Planck-lengden, en usynlig liten lengde som kvanteeffektene blir så store at det bokstavelig talt er umulig å måle noe mindre. I mellomtiden, gå mindre enn Planck-lengden (eller større enn Planck-energien), og kvanteeffektene av tyngdekraften mellom fotoner, eller lette partikler, blir viktige og relativitet fungerer ikke lenger. Det gjør det sannsynlig at dette er skalaen som kvantetyngdekraften vil forstå. Dette er selvfølgelig alt veldig spekulativt, men det gjenspeiler vår nåværende beste prediksjon. Og hvis sant, vil pålegg måtte forbli spekulativt i overskuelig fremtid.
Overfloden av krefter er også et problem. Forskere håper å "forene" kreftene, og viser at de bare er forskjellige manifestasjoner av en enkelt styrke. (Sir Isaac Newton gjorde nettopp det da han viste styrken som fikk ting til å falle på jorden og styrken som styrte himmelens bevegelse var den samme; James Clerk Maxwell viste at elektrisitet og magnetisme var virkelig ulik oppførsel av en enhetlig styrke kalt elektromagnetisme.)
På 1960-tallet klarte forskere å vise at den svake kjernekraften og elektromagnetismen faktisk var to forskjellige fasetter av en kombinert styrke som ble kalt elektroweak-styrken. Nå håper forskere at den elektriske strømstyrken og den sterke styrken kan forenes til det som kalles en storslagen enhet. Deretter håper de at den store enhetlige styrken kan forenes med tyngdekraften for å lage en teori om alt.
Imidlertid mistenker fysikere at denne endelige foreningen også vil finne sted ved Planck-energien, igjen fordi dette er energien og størrelsen som kvanteeffekter ikke lenger kan ignoreres i relativitetsteorien. Og som vi har sett, er dette en mye høyere energi enn vi kan håpe å oppnå i en partikkelakselerator når som helst snart. Å gi en følelse av kløften mellom aktuelle teorier og en teori om alt, hvis vi representerte energiene til partikler vi kan oppdage som bredden på en cellemembran, Planck-energien er på jordens størrelse. Selv om det kan tenkes at noen med en grundig forståelse av cellemembraner kan forutsi andre strukturer i en celle - ting som DNA og mitokondrier - er det ikke utenkelig at de kunne forutsi jorden nøyaktig. Hvor sannsynlig er det at de kan forutsi vulkaner, hav eller jordas magnetfelt?
Det enkle faktum er at med et så stort gap mellom øyeblikkelig oppnåelig energi i partikkelakseleratorer og Planck-energien, virker det å utarbeide en teori om alt som lite sannsynlig.
Det betyr ikke at fysikere alle bør trekke seg og ta landskapsmaling - det er fortsatt meningsfullt arbeid som må gjøres. Vi må fortsatt forstå uforklarlige fenomener som mørk materie og mørk energi, som utgjør 95% av det kjente universet, og bruker den forståelsen for å skape en nyere, mer omfattende teori om fysikk. Denne nyere teorien vil ikke være et TOE, men vil være trinnvis bedre enn dagens teoretiske rammeverk. Vi må gjenta prosessen om og om igjen.
Skuffet? Det er jeg også. Tross alt, jeg har viet mitt liv til å prøve å avdekke noen av hemmelighetene i kosmos, men kanskje er et visst perspektiv i orden. Den første kreftforeningen ble oppnådd på 1670-tallet med Newtons teori om universell tyngdekraft. Det andre var på 1870-tallet med Maxwells teori om elektromagnetisme. Elektrovik-foreningen var relativt nylig, bare for et halvt århundre siden.
Gitt at det har gått 350 år siden vårt første store vellykkede steg på denne reisen, er det kanskje mindre overraskende at banen foran oss er lengre. Forestillingen om at et geni vil ha en innsikt som resulterer i en ferdig utviklet teori om alt de neste årene, er en myte. Vi er inne på en lang slagord - og til og med barnebarna til dagens forskere vil ikke se slutten på det.
Men hvilken reise det blir.
Don Lincoln er fysikkforsker på Fermilab. Han er forfatteren av "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind"(Johns Hopkins University Press, 2014), og han produserer en serie naturfagundervisning videoer. Følg etter ham på Facebook. Meningene som kommer til uttrykk i denne kommentaren er hans.
Don Lincoln bidro med denne artikkelen til Live Science Ekspertstemmer: Op-Ed & Insights. Opprinnelig utgitt på Live Science.
