מהי התיאוריה של כל מה שמדברים מדענים?

פיסיקאים תיאורטיים וקוונטיים צדים לגלות את הנוסחה המתמטית המבטאת אמת שרוב העמים הילידים כבר מכילים דע: יש "שדה" משותף המחבר את כולם והכל ביחד, מהכוכבים בשמי הלילה ועד התולעת המנהרת את דרכה מתחת קרקע, אדמה.

הסיו אומרים "Mitakuye oyasin", שפירושו "הכל קשור", או "כולנו קשורים", תלוי בתרגום. מהאבוריג'ינים באוסטרליה ועד שבטי דוגון באפריקה ועד שבטי המאורים של ניו זילנד, האנשים הילידים האלה מאמינים לכל מה שאנחנו יכולים ולא יכולים לראות חולק קשר. מדענים בדרך להוכיח זאת בתורת הכל.

TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)

פיסיקאים מחפשים תאוריית שדה מאוחדת מפוארת המתארת ​​את המסגרת של יקום שממנו צצים ארבעת הכוחות: כוח המשיכה, האלקטרומגנטיות והגרעין החזק והחלש כוחות. הם מקווים לחשוף משוואה אחת המתארת ​​כיצד פועל היקום על ידי קישור הכל ביחד בתאוריה אחת של הכל.

איינשטיין נפטר לפני שסיים לעבוד על הרעיון הסופי שלו - תורת השדה המאוחד - שייתן מענה וקשר בין כל מה שקיים ביקום. הוא כתב יותר מ -40 מאמרים בנושא, שהתבטאו בחלקם בתורת היחסות הכללית שלו היכן הוא דן בגלי כבידה המהירים על פני היקום באותה מהירות שאור נוסע.

כפי שאולי ידוע לך או לא, היבט זה של התיאוריה שלו התגלה כנכון בספטמבר 2015, כאשר מדענים גילו ו מדדו גלי כבידה עם גלי אור שפגעו בכדור הארץ משני חורים שחורים שהתנגשו כדי להצטרף לאחד, מיליוני לפני שנים. ההבנה של איינשטיין שכנעה אותו שהכל ביקום קיים בגלל בסיס גיאומטרי משותף, משותף ופשוט.

כמו הפשטות של תורת היחסות המיוחדת של איינשטיין המתבטאת בצורה מתמטית, E = mc², מקווים הפיזיקאים למצוא משוואה רהוטית אחרת המקשרת בין כל דבר ביקום לשדה אוניברסלי יחיד. מכיוון שאיינשטיין הציג את רעיונותיו בתחום המאוחד בעשורים שלפני מותו בשנת 1955, פיזיקאים, בעקבותיו, עדיין מחפשים ישר משוואה המקשרת בין ארבעת הכוחות הידועים - כוח הכבידה, האלקטרומגנטיות והכוחות הגרעיניים החזקים והחלשים - לאותו שדה אוניברסלי, הידוע גם בשם הקוונטי שדה. את מה שאיינשטיין כינה תורת השדה המאוחדת מכנים היום פיזיקאים "התיאוריה של הכל", בקיצור ToE.

מאז תחילת היקום לפני למעלה מ -1.4 מיליארד שנה, מדענים ופיזיקאים זיהו ארבעה כוחות המשמשים במקביל כמקור אנרגיה יחיד ביקום. ארבעת הכוחות הללו כוללים את כוח הכבידה, הכוח שמושך עצמים לכדור הארץ; הכוח האלקטרומגנטי, הכולל אור ומבטא ברצועות תדרים מרובות כמו רצועות הצבעים הבודדות של הקשת; וכוחות הגרעין החזקים והחלשים, האחראים לאטומים המרכיבים את כל היסודות הידועים בקוסמוס.

המרדף אחרי ToE על ידי איינשטיין, וכעת פיזיקאים תיאורטיים וקוונטים אחרים מאז שנכנס 1955, הוא למצוא נוסחה ועקרון מתמטי אחד המקשר את הכל ביסוד רָמָה. מחשבתו העיקרית של איינשטיין הייתה להוכיח כי הכוחות האלקטרומגנטיים והכבידה הם לא יותר משני ביטויים שונים של שדה אחד אחד. מתמטיקאים יודעים כי נוסחאות מתמטיקה קיימות בטבע, במוזיקה ובאמנות, וכי המתמטיקה עומדת בבסיס כל מה שבמציאות הפיזית הזו בני אדם חווים על כדור הארץ. הציד נמשך לגלות נוסחה מתמטית אחת שקושרת הכל ביחד.

כדי לקשר את ארבעת הכוחות יחד כדי להסביר את ה- ToE, מדענים בשנות השבעים קישרו מתמטיקה לראשונה את הכוח האלקטרומגנטי, המכוון את התנהגות האור ומבנה האטום, אל הכוח הגרעיני החלש העומד בבסיס השיטה בה חלקיקים מתפרקים. ואז הם רצו למצוא דרך לקשר אותם לכוח הגרעיני החזק, המשלב חלקיקים קטנים יותר כמו קווארקים לפרוטונים ונייטרונים במבנים אטומיים. כוח הכבידה הם עזבו לבד כי הם לא עדיין יש נוסחה לכך - אבל הם מתקרבים לאור התצפיות בספטמבר 2015.

הבעיה היא שכל כוח מבטא את עצמו בצורה שונה, ושילובם בתיאוריה אחת הוא קשה. תחשוב על זה כמו האגדה העתיקה מהודו של שלושת האנשים העיוורים והפיל. כל אדם עיוור נגע בחלק אחר בגופו של הפיל וחשב שהוא אובייקט נפרד. האיש שנגע בזנב תיאר חבל, האיש שנגע ברגל תיאר עמוד וכו '. מכיוון שהם לא יכלו לראות, הם לא ידעו שהפיל הוא יחיד, ולא חפצים נפרדים. פיסיקאים טוענים שהכל נובע מהשדה המאוחד, אך הם פשוט לא מצאו את הנוסחה המתמטית מייצג בעקביות הכל, כולל ביטויי הכוח האישיים, מבלי להתפרק בחלקיק רָמָה.

עם מדידת גלי הכבידה בשנת 2015, מדענים עשויים לגלות בקרוב מקבילה מתמטית לביטוי ה- פעילותו של כוח הכבידה, מה שמציב אותם היטב בדרך לחיבור ארבעת הכוחות יחד בתורת הכל.

עם פתיחתו של חלון חדש לקוסמוס על ידי מדידת גלי אור וכבידה, אשר לנסוע בדיוק באותה המהירות, לפיזיקאים תיאורטיים בקרוב תהיה נוסחת כוח משיכה הגיונית אֶצבַּע. אך הבעיה אינה כוח הכבידה; החיסרון קיים בכוח הגרעיני החלש, איך פרוטונים מתפוררים. תיאורטיקנים שילבו בהצלחה את הכוחות החלשים והאלקטרומגנטיים בתיאוריה החשמלית, מה שמרמז על כך שניהם קיימים כשיתוף פעולה יחיד, אך רק ברמות אנרגיה גבוהות כמו בראשית היקום. עם זאת, האיחוד מתפוגג למרבה הצער כאשר האנרגיה יורדת מתחת לגבול ספציפי שנקבע על ידי תורת החשמל.

פיזיקאים עדיין מנסים למצוא דרכים להתבונן בחלקיקים קטנים לאין ערוך ובאופן שבו הם משפיעים על ריקבון הפרוטונים. לדוגמא, קחו את גילוי החלקיק של היגס-בוסון; מדענים ניבאו שהוא קיים הרבה לפני שגילו אותו, אבל לא הייתה להם שום דרך למדוד את זה עד שנת 2012 בקולייר ההדרונים של CERN בשוויץ. מאז אותה תקופה, מדענים צפו ואישרו את קיומו של חלקיק חדש, הפנטקווארק, בשנת 2015 גם במתקן CERN.

ברגע שמדענים יכולים לצפות ולמדוד אינטראקציות חלקיקים וקטנות יותר, או למצוא חלקיקים חדשים המגדירים וכמתים לאחר ריקבון פרוטונים, הם עשויים רק לחשוף את הנוסחה המסבירה הכל על אופן פעולתו של היקום, מוקדם יותר מאשר יותר מאוחר.