في عام 1925 ، ذهب أينشتاين في نزهة مع طالبة شابة تدعى إستر سلمان. بينما كانوا يتجولون ، شارك مبدأه الفكري الأساسي الموجه: "أريد أن أعرف كيف خلق الله هذا العالم. أنا لست مهتمًا بهذه الظاهرة أو تلك ، في طيف هذا العنصر أو ذاك. أريد أن أعرف أفكاره ؛ والباقي مجرد تفاصيل ".
عبارة "أفكار الله" هي استعارة ملائمة للغاية للهدف النهائي للفيزياء الحديثة ، وهو تطوير فهم كامل لقوانين الطبيعة - ما يسميه الفيزيائيون "نظرية كل شيء" أو TOE. من الناحية المثالية ، ستجيب TOE على جميع الأسئلة ، ولا تترك شيئًا دون إجابة. لم السماء زرقاء؟ مغطى. لماذا توجد الجاذبية؟ هذا مغطى أيضًا. وبتعبير أكثر علمية ، تشرح TOE بشكل مثالي جميع الظواهر بنظرية واحدة ، وكتلة بناء واحدة وقوة واحدة. في رأيي ، قد يستغرق العثور على TOE مئات أو حتى آلاف السنين. لفهم السبب ، دعونا نقيم.
نحن نعلم بنظريتين ، عندما تؤخذان معًا ، تقدمان وصفًا جيدًا للعالم من حولنا ، لكن كلاهما سنوات ضوئية من كونهما TOE.
النظرية الثانية تسمى النموذج القياسي ، الذي يصف العالم دون الذري. في هذا المجال ، حقق العلماء أوضح تقدم نحو نظرية كل شيء.
إذا نظرنا إلى العالم من حولنا - عالم النجوم والمجرات ، القلطي والبيتزا ، يمكننا أن نسأل لماذا تمتلك الأشياء الخصائص التي تمتلكها. نحن نعلم أن كل شيء يتكون من ذرات ، وهذه الذرات تتكون من بروتونات ونيوترونات وإلكترونات.
وفي الستينيات ، اكتشف الباحثون أن البروتونات والنيوترونات كانت مصنوعة من جزيئات أصغر تدعى الكواركات ، وكان الإلكترون عضوًا في فئة الجسيمات التي تسمى اللبتونات.
إن العثور على أصغر كتل بناء ليست سوى الخطوة الأولى في ابتكار نظرية لكل شيء. الخطوة التالية هي فهم القوى التي تحكم كيفية تفاعل الكتل البنائية. يعرف العلماء عن أربع قوى أساسية ، ثلاثة منها - الكهرومغناطيسية ، والقوى النووية القوية والضعيفة - تُفهم على المستوى دون الذري. الكهرومغناطيسية تجمع الذرات معًا وهي مسؤولة عن الكيمياء. القوة القوية تجمع نواة الذرات وتحتفظ بالكواركات داخل البروتونات والنيوترونات. القوة الضعيفة مسؤولة عن بعض أنواع الانحلال النووي.
لكل من القوى دون الذرية المعروفة جسيم أو جزيئات مرتبطة بها تحمل هذه القوة: يحمل الغلوون القوة القوية ، ويحكم الفوتون الكهرومغناطيسية ، بينما يتحكم بوزون W و Z في القوة الضعيفة. هناك أيضًا مجال طاقة شبحي ، يسمى حقل هيجز ، يتخلل الكون ويعطي كتلة إلى الكواركات واللبتونات وبعض الجسيمات الحاملة للقوة. مجتمعة ، تشكل هذه اللبنات والقوى النموذج القياسي.
باستخدام الكواركات واللبتونات والجسيمات المعروفة التي تحمل القوة ، يمكن للمرء أن يبني الذرات والجزيئات والأشخاص والكواكب ، بل وكل المواد المعروفة للكون. وهذا بلا شك إنجاز هائل وتقريب جيد لنظرية كل شيء.
ومع ذلك فهو ليس كذلك حقًا. الهدف هو إيجاد كتلة بناء واحدة وقوة واحدة يمكن أن تفسر مسألة وحركة الكون. يحتوي النموذج القياسي على 12 جسيمًا (ستة كواركات وستة لبتونات) وأربع قوى (الكهرومغناطيسية والجاذبية والقوى النووية القوية والضعيفة). علاوة على ذلك ، لا توجد نظرية كمية معروفة عن الجاذبية (بمعنى أن تعريفنا الحالي يغطي فقط الجاذبية التي تنطوي على أشياء أكبر من ، على سبيل المثال ، الغبار المشترك) ، لذا فإن الجاذبية ليست حتى جزءًا من النموذج القياسي على الإطلاق. لذا ، يواصل الفيزيائيون البحث عن نظرية أكثر جوهرية وأساسية. للقيام بذلك ، يحتاجون إلى تقليل عدد كتل البناء والقوى.
سيكون العثور على كتلة بناء أصغر أمرًا صعبًا ، لأن ذلك يتطلب مسرع جسيمات أكثر قوة من البشر. إن الأفق الزمني لمنشأة تسريع جديدة قادمة على الخط هو عدة عقود وسيوفر هذا المرفق فقط تحسينًا متواضعًا نسبيًا مقارنة بالقدرات الحالية. لذا ، يجب على العلماء بدلاً من ذلك التكهن بما قد تبدو عليه كتلة البناء الأصغر. تسمى الفكرة الشائعة نظرية الأوتار الفائقة ، والتي تفترض أن أصغر كتلة بناء ليست جسيمًا ، بل هي "سلسلة" صغيرة واهتزازية. بنفس الطريقة التي يمكن أن تلعب بها سلسلة التشيلو أكثر من نوتة واحدة ، فإن الأنماط المختلفة للاهتزازات هي الكواركات واللبتونات المختلفة. بهذه الطريقة ، يمكن أن يكون نوع واحد من السلاسل هو اللبنة الأساسية.
تكمن المشكلة في أنه لا يوجد دليل تجريبي على وجود أوتار فائقة. علاوة على ذلك ، فإن الطاقة المتوقعة المطلوبة لرؤيتها تسمى طاقة بلانك ، وهي كوادريليون (10 مرفوعة إلى القوة الخامسة عشرة) أعلى مما يمكننا توليده حاليًا. ترتبط طاقة Planck الكبيرة جدًا ارتباطًا وثيقًا بما يُعرف بطول Planck ، وهو طول صغير جدًا لا يمكن فهمه بعد ذلك تصبح التأثيرات الكمية كبيرة جدًا لدرجة أنه من المستحيل حرفياً قياس أي شيء أصغر. في هذه الأثناء ، اصغر من طول بلانك (أو أكبر من طاقة بلانك) ، وأصبحت التأثيرات الكمية للجاذبية بين الفوتونات ، أو جزيئات الضوء ، مهمة ولم تعد النسبية تعمل. وهذا يجعل من المحتمل أن يكون هذا هو المقياس الذي سيتم عنده فهم الجاذبية الكمية. هذا ، بالطبع ، كله تخميني للغاية ، لكنه يعكس أفضل توقعاتنا الحالية. وإذا كان ذلك صحيحًا ، فيجب أن تظل الخيوط الفائقة مضاربة في المستقبل المنظور.
وفرة القوات مشكلة أيضا. يأمل العلماء في "توحيد" القوى ، مبينين أنها مجرد مظاهر مختلفة لقوة واحدة. (فعل السير إسحاق نيوتن ذلك بالضبط عندما أظهر القوة التي جعلت الأشياء تسقط على الأرض والقوة التي تحكم حركة السماوات كانت واحدة ومتشابهة ؛ أظهر جيمس كلارك ماكسويل أن الكهرباء والمغناطيسية كانت بالفعل سلوكيات مختلفة لقوة موحدة تسمى الكهرومغناطيسية.)
في الستينيات ، تمكن العلماء من إظهار أن القوة النووية الضعيفة والكهرومغناطيسية كانتا في الواقع وجهين مختلفين لقوة مجتمعة تسمى القوة الكهربية. الآن ، يأمل الباحثون أن يتم توحيد القوة الكهربائية الضعيفة والقوة القوية في ما يسمى بالقوة الموحدة الكبرى. ثم يأملون أن تتحد القوة الموحَّدة الكبرى مع الجاذبية لتكوين نظرية لكل شيء.
ومع ذلك ، يشتبه الفيزيائيون في أن هذا التوحيد النهائي سيحدث أيضًا في طاقة بلانك ، مرة أخرى لأن هذه هي الطاقة والحجم الذي لا يمكن فيه تجاهل الآثار الكمية في نظرية النسبية. وكما رأينا ، هذه طاقة أعلى بكثير مما نأمل في تحقيقه داخل مسرع الجسيمات في أي وقت قريب. لإعطاء الإحساس بالفجوة بين النظريات الحالية ونظرية كل شيء ، إذا مثلنا طاقات الجسيمات فإننا يستطيع الكشف عن عرض غشاء الخلية ، وطاقة بلانك هي حجم الأرض. في حين أنه من المتصور أن شخصًا لديه فهم كامل لأغشية الخلايا قد يتنبأ ببنى أخرى داخل الخلية - أشياء مثل DNA و mitochondria - فمن غير المعقول أن يتمكن من التنبؤ بالأرض بدقة. ما مدى احتمالية توقعهم للبراكين أو المحيطات أو المجال المغناطيسي للأرض؟
الحقيقة البسيطة هي أنه مع وجود مثل هذه الفجوة الكبيرة بين الطاقة القابلة للتحقيق حاليًا في مسرعات الجسيمات وطاقة بلانك ، فإن وضع نظرية لكل شيء بشكل صحيح يبدو غير محتمل.
هذا لا يعني أن على الفيزيائيين أن يتقاعدوا وأن يأخذوا رسم المناظر الطبيعية - لا يزال هناك عمل هادف يجب القيام به. ما زلنا بحاجة إلى فهم الظواهر غير المبررة مثل المادة المظلمة والطاقة المظلمة ، والتي تشكل 95 ٪ من الكون المعروف ، واستخدام هذا الفهم لخلق نظرية أحدث وأكثر شمولًا للفيزياء. لن تكون هذه النظرية الأحدث TOE ، ولكنها ستكون أفضل بشكل تدريجي من الإطار النظري الحالي. سيتعين علينا تكرار هذه العملية مرارا وتكرارا.
خائب الامل؟ أنا كذلك. بعد كل شيء ، لقد كرست حياتي لمحاولة الكشف عن بعض أسرار الكون ، ولكن ربما يكون هناك بعض المنظور في النظام. تم تحقيق أول توحيد للقوى في سبعينيات القرن التاسع عشر مع نظرية الجاذبية العالمية لنيوتن. والثاني في 1870s مع نظرية ماكسويل الكهرومغناطيسية. كان التوحيد الكهربي حديثًا نسبيًا ، قبل نصف قرن فقط.
بالنظر إلى مرور 350 عامًا منذ أول خطوة كبيرة ناجحة لنا في هذه الرحلة ، ربما يكون من غير المفاجئ أن الطريق أمامنا لا يزال أطول. فكرة أن العبقري سيكون له نظرة ثاقبة ينتج عنها نظرية متطورة بالكامل لكل شيء في السنوات القليلة القادمة هي خرافة. نحن في فترة طويلة من الضرب - وحتى أحفاد علماء اليوم لن يروا نهاية لها.
ولكن يا لها من رحلة ستكون.
دون لينكولن باحث في الفيزياء في فيرميلاب. هو مؤلف "مصادم هادرون الكبير: القصة الاستثنائية لبوز هيجز وغيره من الأشياء التي ستفجر عقلك"(مطبعة جامعة جونز هوبكنز ، 2014) ، وهو ينتج سلسلة من تعليم العلوم أشرطة فيديو. اتبعه في الفيس بوك. الآراء الواردة في هذا التعليق هي آراءه.
ساهم دون لينكولن في هذا المقال في Live Science's أصوات الخبراء: Op-Ed & Insights. نشر في الأصل في العلوم الحية.
