Fizycy teoretyczni i kwantowi polują na odkrycie matematycznego wzoru, który wyraża prawdę, którą większość rdzennych mieszkańców świata już wiedzieć: istnieje wspólne „pole”, które łączy wszystkich i wszystko razem, od gwiazd na nocnym niebie po robaka drążącego swoją drogę pod ziemia.
Siuksowie mówią „Mitakuye oyasin”, co oznacza „wszystko jest spokrewnione” lub „wszyscy jesteśmy spokrewnieni”, w zależności od tłumaczenia. Od Aborygenów w Australii, przez plemiona Dogonów w Afryce, po plemiona Maorysów z Nowej Zelandii, wszyscy ci rdzenni mieszkańcy wierzą, że wszystko, co możemy i czego nie możemy zobaczyć, ma wspólne połączenie. Naukowcy są na dobrej drodze, aby to udowodnić w teorii wszystkiego.
TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)
Fizycy polują na wielką ujednoliconą teorię pola, która opisuje ramy wszechświat, z którego powstają cztery siły: grawitacja, elektromagnetyzm oraz silna i słaba jądrowa siły. Mają nadzieję odkryć jedno równanie, które opisuje, jak działa wszechświat, łącząc wszystko w jedną teorię wszystkiego.
Teorie względności Einsteina i zunifikowana teoria pola
Einstein zmarł, zanim zakończył pracę nad swoją ostateczną koncepcją – Zunifikowaną Teorią Pola – która dostarczyłaby odpowiedzi i powiązania między wszystkim we wszechświecie. Napisał na ten temat ponad 40 artykułów, częściowo wyrażonych w jego Ogólnej teorii względności, gdzie omawia fale grawitacyjne, które poruszają się we wszechświecie z taką samą szybkością jak światło podróże.
Jak możesz wiedzieć lub nie, ten aspekt jego teorii okazał się słuszny we wrześniu 2015 roku, kiedy naukowcy wykryli i zmierzyli fale grawitacyjne z falami świetlnymi, które uderzają w Ziemię z dwóch czarnych dziur zderzających się, aby połączyć się w jeden, miliony Lata temu. Rozumienie Einsteina przekonało go, że wszystko we wszechświecie istnieje dzięki wspólnej, wspólnej i prostej podstawie geometrycznej.
Rola matematyki w ToE
Podobnie jak prostota Szczególnej Teorii Względności Einsteina wyrażona w formie matematycznej, E = mc2fizycy mają nadzieję znaleźć inne wymowne równanie, które łączy wszystko we wszechświecie z jednym, uniwersalnym polem. Odkąd Einstein na dziesięciolecia przed śmiercią w 1955 roku umieścił swoje idee w zunifikowanej dziedzinie, fizycy, podążając jego śladami, wciąż szukają prostego równanie łączące cztery znane siły – grawitację, elektromagnetyzm oraz silne i słabe siły jądrowe – z tym uniwersalnym polem, znanym również jako kwant pole. To, co Einstein nazwał Zunifikowaną Teorią Pola, fizycy nazywają dziś „Teorią wszystkiego”, w skrócie ToE.
Od początku Wszechświata, ponad 1,4 miliarda lat temu, naukowcy i fizycy zidentyfikowali cztery siły, które w połączeniu służą jako jedyne źródło energii we Wszechświecie. Te cztery siły obejmują siłę grawitacji, siłę, która przyciąga obiekty do Ziemi; siła elektromagnetyczna, która obejmuje światło i wyraża się w wielu pasmach częstotliwości, jak poszczególne pasma kolorów tęczy; oraz silne i słabe siły jądrowe, odpowiedzialne za atomy, które tworzą wszystkie znane pierwiastki w kosmosie.
Pogoń za ToE przez Einsteina, a teraz innych fizyków teoretycznych i kwantowych od jego śmierci 1955, jest znalezienie jednej matematycznej formuły i zasady, która łączy wszystko razem w fundamentalny sposób poziom. Główną myślą Einsteina było udowodnienie, że siły elektromagnetyczne i grawitacyjne są niczym więcej niż dwoma różnymi wyrażeniami jednego zunifikowanego pola. Matematycy wiedzą, że formuły matematyczne istnieją w naturze, muzyce i sztuce i że matematyka stanowi podstawę wszystkiego w tej fizycznej rzeczywistości, której doświadczają ludzie na Ziemi. Trwa polowanie na odkrycie jednej matematycznej formuły, która łączy wszystko razem.
Obecny postęp w ToE
Aby połączyć te cztery siły, aby wyjaśnić ToE, naukowcy w latach 70. po raz pierwszy powiązali matematycznie siłę elektromagnetyczną, która kieruje zachowaniem światła i strukturą atomową na słabe siły jądrowe, które stanowią podstawę metody rozpadu cząstek. Następnie chcieli znaleźć sposób na powiązanie ich z silnym oddziaływaniem jądrowym, które łączy mniejsze cząstki, takie jak kwarki, z protonami i neutronami w strukturach atomowych. Siła grawitacyjna, którą zostawili w spokoju, ponieważ nie jeszcze mają na to wzór – ale są coraz bliżej, biorąc pod uwagę obserwacje z września 2015 r.
Problem w tym, że każda siła wyraża się inaczej, a połączenie ich w jedną teorię jest trudne. Pomyśl o tym jak o starożytnej bajce z Indii o trzech ślepcach i słoniu. Każda osoba niewidoma dotykała innej części ciała słonia, myśląc, że jest to osobny przedmiot. Człowiek, który dotknął ogona, opisał linę, człowiek, który dotknął nogi, opisał filar i tak dalej. Ponieważ nie mogli widzieć, nie wiedzieli, że słoń jest pojedynczym, a nie oddzielnymi obiektami. Fizycy zakładają, że wszystko powstaje z jednolitego pola, ale po prostu nie znaleźli matematycznego wzoru, który konsekwentnie reprezentuje wszystko, łącznie z indywidualnymi wyrażeniami siły, bez załamywania się na cząstce poziom.
Dzięki pomiarom fal grawitacyjnych w 2015 roku naukowcy mogą wkrótce odkryć matematyczny odpowiednik wyrażania aktywność siły grawitacyjnej, co stawia je na dobrej drodze do połączenia czterech sił razem w Teorii Wszystko.
Co fizycy mają nadzieję udowodnić?
Wraz z otwarciem nowego okna w kosmos przez pomiar zarówno światła, jak i fal grawitacyjnych, które podróżować z dokładnie taką samą prędkością, fizycy teoretyczni mogą wkrótce otrzymać wzór grawitacyjny, który ma sens w Palec u nogi. Ale problemem nie jest siła grawitacji; wadą jest słaba siła jądrowa, czyli rozpad protonów. Teoretycy z powodzeniem połączyli siły słabe i elektromagnetyczne w teorii elektrosłabej, co sugeruje, że obaj istnieją jako pojedyncza współpraca, ale tylko na wysokich poziomach energii, jak na początku wszechświata. Jednak związek niestety zanika, gdy energia spada poniżej określonej granicy ustalonej przez teorię elektrosłabości.
Fizycy wciąż próbują znaleźć sposoby na obserwację tych nieskończenie małych cząstek i ich wpływu na rozpad protonów. Weźmy na przykład odkrycie cząstki bozonu Higgsa; naukowcy przewidzieli, że istniał na długo przed jego odkryciem, ale nie mieli możliwości zmierzenia go do 2012 roku w zderzaczu hadronów CERN w Szwajcarii. Od tego czasu naukowcy zaobserwowali i zweryfikowali również istnienie w 2015 r. nowej cząstki, pentakwarku, również w ośrodku CERN.
Gdy naukowcy będą mogli obserwować i mierzyć te i mniejsze interakcje cząstek lub znaleźć nowe cząstki, które definiują i określają ilościowo rozpad protonu, mogą po prostu odkryć wzór, który wyjaśnia wszystko o tym, jak działa wszechświat, raczej wcześniej niż później.