Theoretische en kwantumfysici zijn op jacht naar de wiskundige formule die een waarheid uitdrukt die de meeste inheemse volkeren van de wereld al weet: er bestaat een gedeeld "veld" dat alles en iedereen met elkaar verbindt, van de sterren aan de nachtelijke hemel tot de worm die zich een weg baant onder de grond.
De Sioux zeggen "Mitakuye oyasin", wat betekent "alles is verwant", of "we zijn allemaal verwant", afhankelijk van de vertaling. Van de Aboriginals in Australië tot de Dogon-stammen in Afrika tot de Maori-stammen van Nieuw-Zeeland, deze inheemse mensen geloven allemaal dat alles wat we wel en niet kunnen zien een verband heeft. Wetenschappers zijn op weg om dit te bewijzen in de Theory of Everything.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
Natuurkundigen zijn op zoek naar een grootse verenigde veldentheorie die het raamwerk van de universum waaruit de vier krachten ontstaan: zwaartekracht, elektromagnetisme en de sterke en zwakke kern krachten. Ze hopen een enkele vergelijking te ontdekken die schetst hoe het universum werkt door alles met elkaar te verbinden in een enkele Theory of Everything.
Einsteins relativiteitstheorieën en de verenigde veldentheorie
Einstein stierf voordat hij klaar was met zijn laatste concept - de Unified Field Theory - dat een antwoord en een verbinding zou bieden tussen alles in het universum. Hij schreef meer dan 40 artikelen over het onderwerp, deels uitgedrukt in zijn Algemene Relativiteitstheorie, waarin: hij bespreekt zwaartekrachtsgolven die met dezelfde snelheid als het licht door het universum razen reizen.
Zoals je misschien wel of niet weet, bleek dat aspect van zijn theorie juist te zijn in september 2015, toen wetenschappers ontdekten en... gemeten zwaartekrachtsgolven met lichtgolven die de aarde raken vanuit twee zwarte gaten die botsen om samen te komen als één, miljoenen jaren geleden. Einsteins inzicht overtuigde hem ervan dat alles in het universum bestond vanwege een gedeelde, gemeenschappelijke en eenvoudige geometrische basis.
De rol van wiskunde in ToE
Zoals de eenvoud van Einsteins speciale relativiteitstheorie uitgedrukt in wiskundige vorm, E = mc2, hopen natuurkundigen nog een welsprekende vergelijking te vinden die alles in het universum terugkoppelt naar een enkel, universeel veld. Sinds Einstein zijn ideeën op het verenigde veld poneerde in de decennia voordat hij in 1955 stierf, zoeken natuurkundigen, in zijn voetsporen, nog steeds naar een rechttoe rechtaan vergelijking die de vier bekende krachten - zwaartekracht, elektromagnetisme en de sterke en zwakke kernkrachten - verbindt met dat universele veld, ook bekend als het kwantum veld. Wat Einstein de Unified Field Theory noemde, noemen natuurkundigen tegenwoordig de 'The Theory of Everything', afgekort als ToE.
Sinds het begin van het universum, meer dan 1,4 miljard jaar geleden, hebben wetenschappers en natuurkundigen vier krachten geïdentificeerd die, wanneer ze worden gecombineerd, dienen als de enige energiebron van het universum. Deze vier krachten omvatten de zwaartekracht, de kracht die objecten naar de aarde trekt; de elektromagnetische kracht, die licht omvat en zich uitdrukt in meerdere frequentiebanden, zoals de individuele kleurenbanden van de regenboog; en de sterke en zwakke kernkrachten, verantwoordelijk voor de atomen die alle bekende elementen in de kosmos vormen.
Het nastreven van ToE door Einstein, en nu andere theoretische en kwantumfysici sinds zijn overlijden 1955, is om één wiskundige formule en principe te vinden die alles op een fundamentele manier met elkaar verbindt niveau. Einsteins belangrijkste gedachte was om te bewijzen dat de elektromagnetische en zwaartekracht niets meer zijn dan twee verschillende uitdrukkingen van één enkel verenigd veld. Wiskundigen weten dat wiskundige formules bestaan in de natuur, muziek en kunst, en dat wiskunde ten grondslag ligt aan alles in deze fysieke realiteit die mensen op aarde ervaren. De jacht is begonnen om één wiskundige formule te ontdekken die alles met elkaar verbindt.
Huidige voortgang op de ToE
Om de vier krachten met elkaar te verbinden om ToE te verklaren, koppelden wetenschappers in de jaren 70 eerst wiskundig de elektromagnetische kracht, die lichtgedrag en atomaire structuur stuurt naar de zwakke kernkracht die ten grondslag ligt aan de methode waarmee deeltjes vervallen. Daarna wilden ze een manier vinden om ze te koppelen aan de sterke kernkracht, die kleinere deeltjes zoals quarks combineert met protonen en neutronen in atomaire structuren. Zwaartekracht die ze met rust hebben gelaten omdat ze dat niet doen nog hebben er een formule voor - maar ze komen in de buurt gezien de waarnemingen in september 2015.
Het probleem is dat elke kracht zich anders uitdrukt, en het combineren ervan in een enkele theorie is moeilijk. Zie het als de oude fabel uit India van de drie blinde mannen en de olifant. Elke blinde raakte een ander deel van het lichaam van een olifant aan en dacht dat het een apart object was. De man die de staart aanraakte beschreef een touw, de man die het been aanraakte beschreef een pilaar, enzovoort. Omdat ze niet konden zien, wisten ze niet dat de olifant enkelvoud was, geen afzonderlijke objecten. Natuurkundigen stellen dat alles voortkomt uit het verenigde veld, maar ze hebben gewoon niet de wiskundige formule gevonden die vertegenwoordigt consequent alles, inclusief de individuele uitingen van kracht, zonder af te breken bij het deeltje niveau.
Met de meting van zwaartekrachtsgolven in 2015 kunnen wetenschappers binnenkort een wiskundig equivalent ontdekken om de activiteit van de zwaartekracht, waardoor ze goed op weg zijn om de vier krachten in de Theory of Alles.
Wat natuurkundigen hopen te bewijzen
Met de opening van een nieuw venster in de kosmos door het meten van zowel licht als zwaartekrachtsgolven, die met exact dezelfde snelheid reizen, hebben theoretische fysici binnenkort misschien een zwaartekrachtformule die logisch is in Teen. Maar het probleem is niet de zwaartekracht; het nadeel bestaat in de zwakke kernkracht, in hoe protonen vervallen. Theoretici combineerden met succes de zwakke en elektromagnetische krachten in de elektrozwakke theorie, wat suggereert dat: ze bestaan allebei als een enkele samenwerking, maar alleen op hoge energieniveaus zoals aan het begin van het universum. De unie verdwijnt echter helaas wanneer de energie onder een specifieke grens zakt die is vastgesteld door de elektrozwakke theorie.
Natuurkundigen proberen nog steeds manieren te vinden om deze oneindig kleine deeltjes waar te nemen en hoe ze het verval van protonen beïnvloeden. Neem bijvoorbeeld de ontdekking van het Higgs-Boson-deeltje; wetenschappers voorspelden dat het al bestond lang voordat ze het ontdekten, maar ze konden het pas in 2012 meten bij CERN's hadronversneller in Zwitserland. Sinds die tijd hebben wetenschappers ook in 2015 in de CERN-faciliteit het bestaan van een nieuw deeltje, de pentaquark, waargenomen en geverifieerd.
Zodra wetenschappers deze en kleinere deeltjesinteracties kunnen observeren en meten, of nieuwe deeltjes kunnen vinden die definiëren en kwantificeren protonverval, ontdekken ze misschien eerder de formule die alles verklaart over hoe het universum werkt, eerder dan... later.