1925 ging Einstein mit einer jungen Studentin namens Esther Salaman spazieren. Während sie wanderten, teilte er sein intellektuelles Leitprinzip: "Ich möchte wissen, wie Gott diese Welt geschaffen hat. Ich interessiere mich nicht für dieses oder jenes Phänomen, für das Spektrum dieses oder jenes Elements. Ich möchte seine Gedanken kennen; der Rest sind nur Details. "
Der Ausdruck "Gottes Gedanken" ist eine wunderbar passende Metapher für das ultimative Ziel der modernen Physik, ein perfektes Verständnis der Naturgesetze zu entwickeln - was Physiker "eine Theorie von allem" oder EVG nennen. Im Idealfall würde ein EVG alle Fragen beantworten und nichts unbeantwortet lassen. Warum ist der Himmel blau? Bedeckt. Warum existiert die Schwerkraft? Das ist auch abgedeckt. Wissenschaftlicher ausgedrückt würde ein EVG idealerweise alle Phänomene mit einer einzigen Theorie, einem einzigen Baustein und einer einzigen Kraft erklären. Meiner Meinung nach kann das Finden eines EVG Hunderte oder sogar Tausende von Jahren dauern. Um zu verstehen, warum, ziehen wir Bilanz.
Wir kennen zwei Theorien, die zusammengenommen eine gute Beschreibung der Welt um uns herum geben, aber beide sind Lichtjahre davon entfernt, ein EVG zu sein.
Die zweite Theorie heißt Standardmodell und beschreibt die subatomare Welt. Auf diesem Gebiet haben Wissenschaftler die offensichtlichsten Fortschritte in Richtung einer Theorie von allem gemacht.
Wenn wir die Welt um uns herum betrachten - die Welt der Sterne und Galaxien, Pudel und Pizza, können wir fragen, warum die Dinge die Eigenschaften haben, die sie haben. Wir wissen, dass alles aus Atomen besteht, und diese Atome bestehen aus Protonen, Neutronen und Elektronen.
In den 1960er Jahren entdeckten die Forscher, dass die Protonen und Neutronen aus noch kleineren Teilchen bestehen, die als Quarks bezeichnet werden, und dass das Elektron zur Klasse der Teilchen gehört, die als Leptonen bezeichnet werden.
Das Finden der kleinsten Bausteine ist nur der erste Schritt, um eine Theorie von allem zu entwickeln. Der nächste Schritt besteht darin, die Kräfte zu verstehen, die das Zusammenspiel der Bausteine bestimmen. Wissenschaftler kennen vier fundamentale Kräfte, von denen drei - Elektromagnetismus und die starken und schwachen Kernkräfte - auf subatomarer Ebene verstanden werden. Elektromagnetismus hält Atome zusammen und ist für die Chemie verantwortlich. Die starke Kraft hält den Atomkern zusammen und hält Quarks in Protonen und Neutronen. Die schwache Kraft ist für einige Arten des nuklearen Zerfalls verantwortlich.
Jeder der bekannten subatomaren Kräfte sind ein oder mehrere Teilchen zugeordnet, die diese Kraft tragen: Das Gluon trägt die starke Kraft, das Photon regelt den Elektromagnetismus und die W- und Z-Bosonen steuern die schwache Kraft. Es gibt auch ein gespenstisches Energiefeld, das Higgs-Feld, das das Universum durchdringt und Quarks, Leptonen und einigen der krafttragenden Teilchen Masse verleiht. Zusammen bilden diese Bausteine und Kräfte das Standardmodell.
Mit Quarks und Leptonen und den bekannten krafttragenden Teilchen kann man Atome, Moleküle, Menschen, Planeten und in der Tat die gesamte bekannte Materie des Universums aufbauen. Dies ist zweifellos eine enorme Leistung und eine gute Annäherung an eine Theorie von allem.
Und doch ist es wirklich nicht. Das Ziel ist es, einen einzigen Baustein und eine einzige Kraft zu finden, die die Materie und Bewegung des Universums erklären können. Das Standardmodell hat 12 Teilchen (sechs Quarks und sechs Leptonen) und vier Kräfte (Elektromagnetismus, Schwerkraft sowie die starken und schwachen Kernkräfte). Darüber hinaus ist keine Quantentheorie der Schwerkraft bekannt (was bedeutet, dass unsere derzeitige Definition nur die Schwerkraft abdeckt, die Dinge betrifft, die größer sind als beispielsweise gewöhnlicher Staub), sodass die Schwerkraft überhaupt nicht Teil des Standardmodells ist. Die Physiker suchen daher weiterhin nach einer noch grundlegenderen und zugrunde liegenden Theorie. Dazu müssen sie die Anzahl der Bausteine und Kräfte reduzieren.
Es wird schwierig sein, einen kleineren Baustein zu finden, da dies einen stärkeren Teilchenbeschleuniger erfordert, als Menschen jemals gebaut haben. Der Zeithorizont für die Inbetriebnahme einer neuen Beschleunigeranlage beträgt mehrere Jahrzehnte, und diese Anlage wird nur eine relativ bescheidene schrittweise Verbesserung gegenüber den vorhandenen Fähigkeiten bieten. Wissenschaftler müssen also stattdessen darüber spekulieren, wie ein kleinerer Baustein aussehen könnte. Eine beliebte Idee heißt Superstring-Theorie, die postuliert, dass der kleinste Baustein kein Partikel ist, sondern eine kleine und vibrierende "Saite". Ebenso wie eine Cellosaite mehr als eine Note spielen kann, sind die verschiedenen Schwingungsmuster die verschiedenen Quarks und Leptonen. Auf diese Weise könnte ein einzelner String-Typ der ultimative Baustein sein.
Das Problem ist, dass es keine empirischen Beweise dafür gibt, dass Superstrings tatsächlich existieren. Darüber hinaus wird die erwartete Energie, die erforderlich ist, um sie zu sehen, als Planck-Energie bezeichnet, die eine Billiarde (10 auf die 15. Potenz angehoben) Mal höher ist, als wir derzeit erzeugen können. Die sehr große Planck-Energie ist eng mit der sogenannten Planck-Länge verbunden, einer unergründlich kleinen Länge, ab der Quanteneffekte so groß werden, dass es buchstäblich unmöglich ist, etwas Kleineres zu messen. Wenn Sie kleiner als die Planck-Länge (oder größer als die Planck-Energie) werden, werden die Quanteneffekte der Schwerkraft zwischen Photonen oder Lichtteilchen wichtig und die Relativitätstheorie funktioniert nicht mehr. Das macht es wahrscheinlich, dass dies die Skala ist, auf der die Quantengravitation verstanden wird. Dies ist natürlich alles sehr spekulativ, aber es spiegelt unsere derzeit beste Vorhersage wider. Und wenn das stimmt, müssen Superstrings auf absehbare Zeit spekulativ bleiben.
Die Fülle an Kräften ist ebenfalls ein Problem. Wissenschaftler hoffen, die Kräfte zu "vereinen" und zu zeigen, dass sie nur verschiedene Manifestationen einer einzigen Kraft sind. (Sir Isaac Newton tat genau das, als er die Kraft zeigte, die die Dinge auf die Erde fallen ließ, und die Kraft, die die Bewegung des Himmels beherrschte, war ein und dieselbe; James Clerk Maxwell zeigte, dass Elektrizität und Magnetismus wirklich unterschiedliche Verhaltensweisen einer einheitlichen Kraft waren genannt Elektromagnetismus.)
In den 1960er Jahren konnten Wissenschaftler zeigen, dass die schwache Kernkraft und der Elektromagnetismus tatsächlich zwei verschiedene Facetten einer kombinierten Kraft sind, die als elektroschwache Kraft bezeichnet wird. Jetzt hoffen die Forscher, dass die elektroschwache Kraft und die starke Kraft zu einer sogenannten großen vereinten Kraft vereinigt werden können. Dann hoffen sie, dass die große vereinte Kraft mit der Schwerkraft vereinigt werden kann, um aus allem eine Theorie zu machen.
Physiker vermuten jedoch, dass diese endgültige Vereinigung auch bei der Planck-Energie stattfinden würde, da dies die Energie und Größe ist, bei der Quanteneffekte in der Relativitätstheorie nicht länger ignoriert werden können. Und wie wir gesehen haben, ist dies eine viel höhere Energie, als wir hoffen können, bald in einem Teilchenbeschleuniger zu erreichen. Um ein Gefühl für die Kluft zwischen aktuellen Theorien und einer Theorie von allem zu geben, wenn wir die Energien der Teilchen repräsentieren, die wir haben kann Als die Breite einer Zellmembran erkennen, ist die Planck-Energie die Größe der Erde. Während es denkbar ist, dass jemand mit einem gründlichen Verständnis der Zellmembranen andere Strukturen innerhalb einer Zelle vorhersagt - Dinge wie DNA und Mitochondrien -, ist es unvorstellbar, dass er die Erde genau vorhersagen kann. Wie wahrscheinlich ist es, dass sie Vulkane, Ozeane oder das Erdmagnetfeld vorhersagen können?
Die einfache Tatsache ist, dass es angesichts einer so großen Lücke zwischen der derzeit erreichbaren Energie in Teilchenbeschleunigern und der Planck-Energie unwahrscheinlich erscheint, eine Theorie von allem richtig zu entwickeln.
Das bedeutet nicht, dass sich alle Physiker zurückziehen und sich mit Landschaftsmalerei beschäftigen sollten - es gibt noch viel zu tun. Wir müssen noch ungeklärte Phänomene wie dunkle Materie und dunkle Energie verstehen, die 95% des bekannten Universums ausmachen, und dieses Verständnis nutzen, um eine neuere, umfassendere Theorie der Physik zu erstellen. Diese neuere Theorie wird kein EVG sein, sondern schrittweise besser als der derzeitige theoretische Rahmen. Wir müssen diesen Prozess immer wieder wiederholen.
Enttäuscht? Ich auch. Schließlich habe ich mein Leben dem Versuch gewidmet, einige der Geheimnisse des Kosmos aufzudecken, aber vielleicht ist eine Perspektive angebracht. Die erste Vereinigung der Kräfte wurde in den 1670er Jahren mit Newtons Theorie der universellen Schwerkraft erreicht. Die zweite war in den 1870er Jahren mit Maxwells Theorie des Elektromagnetismus. Die elektroschwache Vereinigung war erst vor einem halben Jahrhundert relativ neu.
Angesichts der Tatsache, dass seit unserem ersten großen erfolgreichen Schritt auf diesem Weg 350 Jahre vergangen sind, ist es vielleicht weniger überraschend, dass der vor uns liegende Weg noch länger ist. Die Vorstellung, dass ein Genie eine Einsicht haben wird, die in den nächsten Jahren zu einer voll entwickelten Theorie von allem führt, ist ein Mythos. Wir stehen vor einem langen Problem - und selbst die Enkel der heutigen Wissenschaftler werden das Ende nicht sehen.
Aber was für eine Reise wird es sein.
Don Lincoln ist Physikforscher bei Fermilab. Er ist der Autor von "The Large Hadron Collider: Die außergewöhnliche Geschichte des Higgs-Bosons und anderer Dinge, die Sie umhauen werden"(Johns Hopkins University Press, 2014), und er produziert eine Reihe von naturwissenschaftlichen Bildung Videos. Folge ihm auf Facebook. Die in diesem Kommentar geäußerten Meinungen sind seine.
Don Lincoln hat diesen Artikel zu Live Science beigetragen Expertenstimmen: Op-Ed & Insights. Ursprünglich veröffentlicht auf Live Science.
