In 1925 ging Einstein wandelen met een jonge student genaamd Esther Salaman. Terwijl ze rondliepen, deelde hij zijn belangrijkste leidende intellectuele principe: 'Ik wil weten hoe God deze wereld heeft geschapen. Ik ben niet geïnteresseerd in dit of dat fenomeen, in het spectrum van dit of dat element. Ik wil Zijn gedachten kennen; de rest zijn slechts details. '
De uitdrukking 'Gods gedachten' is een heerlijk passende metafoor voor het uiteindelijke doel van de moderne fysica, namelijk het ontwikkelen van een perfect begrip van de natuurwetten - wat natuurkundigen 'een theorie van alles' of TOE noemen. Idealiter beantwoordt een TOE alle vragen en laat niets onbeantwoord. Waarom is de lucht blauw? Overdekt. Waarom bestaat er zwaartekracht? Dat is ook gedekt. Op een meer wetenschappelijke manier gesteld, zou een TOE idealiter alle verschijnselen verklaren met een enkele theorie, een enkele bouwsteen en een enkele kracht. Naar mijn mening kan het vinden van een TOE honderden of zelfs duizenden jaren duren. Om te begrijpen waarom, laten we de balans opmaken.
We kennen twee theorieën die, bij elkaar genomen, een goede beschrijving geven van de wereld om ons heen, maar beide zijn lichtjaren verwijderd van een TOE.
De tweede theorie heet het standaardmodel, dat de subatomaire wereld beschrijft. Het is in dit domein dat wetenschappers de meest voor de hand liggende vooruitgang hebben geboekt in de richting van een theorie van alles.
Als we kijken naar de wereld om ons heen - de wereld van sterren en sterrenstelsels, poedels en pizza's, kunnen we ons afvragen waarom dingen de eigenschappen hebben die ze hebben. We weten dat alles uit atomen bestaat, en die atomen bestaan uit protonen, neutronen en elektronen.
En in de jaren zestig ontdekten onderzoekers dat de protonen en neutronen waren gemaakt van nog kleinere deeltjes, quarks genaamd, en dat het elektron lid was van de klasse van deeltjes die leptonen worden genoemd.
Het vinden van de kleinste bouwstenen is slechts de eerste stap in het bedenken van een theorie van alles. De volgende stap is het begrijpen van de krachten die bepalen hoe de bouwstenen op elkaar inwerken. Wetenschappers kennen vier fundamentele krachten, waarvan er drie - elektromagnetisme en de sterke en zwakke nucleaire krachten - op subatomair niveau worden begrepen. Elektromagnetisme houdt atomen bij elkaar en is verantwoordelijk voor de chemie. De sterke kracht houdt de atoomkern bijeen en houdt quarks binnen protonen en neutronen. De zwakke kracht is verantwoordelijk voor sommige soorten nucleair verval.
Elk van de bekende subatomaire krachten heeft een bijbehorend deeltje of deeltjes die die kracht dragen: het gluon draagt de sterke kracht, het foton regelt het elektromagnetisme en de W- en Z-bosonen beheersen de zwakke kracht. Er is ook een spookachtig energieveld, het Higgs-veld genaamd, dat het universum doordringt en massa geeft aan quarks, leptonen en enkele van de krachtdragende deeltjes. Samen vormen deze bouwstenen en krachten het standaardmodel.
Met behulp van quarks en leptonen en de bekende krachtdragende deeltjes, kan men atomen, moleculen, mensen, planeten en, inderdaad, alle bekende materie van het universum bouwen. Dit is ongetwijfeld een geweldige prestatie en een goede benadering van een theorie van alles.
En toch is het dat echt niet. Het doel is om een enkele bouwsteen en een enkele kracht te vinden die de materie en beweging van het universum kunnen verklaren. Het standaardmodel heeft 12 deeltjes (zes quarks en zes leptonen) en vier krachten (elektromagnetisme, zwaartekracht en de sterke en zwakke nucleaire krachten). Bovendien is er geen kwantumtheorie van zwaartekracht bekend (wat betekent dat onze huidige definitie alleen betrekking heeft op zwaartekracht met dingen die groter zijn dan bijvoorbeeld gewoon stof), dus zwaartekracht maakt helemaal geen deel uit van het standaardmodel. Natuurkundigen blijven dus zoeken naar een nog fundamentelere en onderliggende theorie. Om dat te doen, moeten ze het aantal bouwstenen en krachten verminderen.
Het vinden van een kleinere bouwsteen zal moeilijk zijn, omdat daarvoor een krachtigere deeltjesversneller nodig is dan mensen ooit hebben gebouwd. De tijdshorizon voor een nieuwe acceleratorfaciliteit die online komt, is enkele decennia en die faciliteit zal slechts een relatief bescheiden incrementele verbetering opleveren ten opzichte van bestaande capaciteiten. Dus wetenschappers moeten in plaats daarvan speculeren over hoe een kleinere bouwsteen eruit zou kunnen zien. Een populair idee wordt de superstring-theorie genoemd, die veronderstelt dat de kleinste bouwsteen geen deeltje is, maar eerder een kleine en vibrerende 'snaar'. Net zoals een cellosnaar meer dan één noot kan spelen, zijn de verschillende trillingspatronen de verschillende quarks en leptonen. Op deze manier zou een enkel type snaar de ultieme bouwsteen kunnen zijn.
Het probleem is dat er geen empirisch bewijs is dat er werkelijk superstrings bestaan. Verder wordt de verwachte energie die nodig is om ze te zien de Planck-energie genoemd, wat een quadriljoen (10 verhoogd tot de 15e macht) keer hoger is dan we momenteel kunnen genereren. De zeer grote Planck-energie is nauw verbonden met wat bekend staat als de Planck-lengte, een onpeilbaar kleine lengte waarboven quantumeffecten zo groot worden dat het letterlijk onmogelijk is om iets kleins te meten. Ondertussen, ga kleiner dan de Planck-lengte (of groter dan de Planck-energie), en de kwantumeffecten van zwaartekracht tussen fotonen, of lichtdeeltjes, worden belangrijk en relativiteit werkt niet langer. Dat maakt het waarschijnlijk dat dit de schaal is waarop kwantumzwaartekracht zal worden begrepen. Dit is natuurlijk allemaal erg speculatief, maar het weerspiegelt onze huidige beste voorspelling. En als dat waar is, zullen superstrings in de nabije toekomst speculatief moeten blijven.
De overvloed aan krachten is ook een probleem. Wetenschappers hopen de krachten te "verenigen" en laten zien dat het slechts verschillende manifestaties van één enkele kracht zijn. (Sir Isaac Newton deed precies dat toen hij de kracht liet zien waardoor dingen op aarde vielen en de kracht die de beweging van de hemel regeerde, één en dezelfde was; James Clerk Maxwell toonde aan dat elektriciteit en magnetisme echt verschillende gedragingen waren van een verenigde kracht) genaamd elektromagnetisme.)
In de jaren zestig konden wetenschappers aantonen dat de zwakke kernkracht en het elektromagnetisme eigenlijk twee verschillende facetten waren van een gecombineerde kracht, de elektrozwakke kracht. Nu hopen onderzoekers dat de elektrozwakke kracht en de sterke kracht kunnen worden verenigd in wat een grote verenigde kracht wordt genoemd. Vervolgens hopen ze dat de grote verenigde kracht met de zwaartekracht kan worden verenigd om van alles een theorie te maken.
Natuurkundigen vermoeden echter dat deze laatste eenwording ook bij de Planck-energie zou plaatsvinden, ook al omdat dit de energie en grootte is waarmee kwantumeffecten niet meer kunnen worden genegeerd in de relativiteitstheorie. En, zoals we hebben gezien, is dit een veel hogere energie dan we binnenkort kunnen hopen in een deeltjesversneller. Om een idee te geven van de kloof tussen huidige theorieën en een theorie van alles, als we de energieën van deeltjes vertegenwoordigden, hebben we dat gedaan kan detecteren als de breedte van een celmembraan, is de Planck-energie de grootte van de aarde. Hoewel het denkbaar is dat iemand met een grondig begrip van celmembranen andere structuren binnen een cel zou kunnen voorspellen - zaken als DNA en mitochondriën - is het ondenkbaar dat ze de aarde nauwkeurig zouden kunnen voorspellen. Hoe waarschijnlijk is het dat ze vulkanen, oceanen of het magnetische veld van de aarde konden voorspellen?
Het simpele feit is dat met zo'n grote kloof tussen de momenteel haalbare energie in deeltjesversnellers en de Planck-energie, het correct ondenken van een theorie van alles onwaarschijnlijk lijkt.
Dat betekent niet dat natuurkundigen zich allemaal moeten terugtrekken en landschapsschilderkunst moeten gaan maken - er is nog steeds zinvol werk te doen. We moeten nog steeds onverklaarbare fenomenen begrijpen, zoals donkere materie en donkere energie, die 95% van het bekende universum uitmaken, en dat begrip gebruiken om een nieuwere, uitgebreidere natuurkundetheorie te creëren. Deze nieuwere theorie zal geen TOE zijn, maar zal stapsgewijs beter zijn dan het huidige theoretische kader. We zullen dat proces keer op keer moeten herhalen.
Teleurgesteld? Ik ook. Ik heb tenslotte mijn leven gewijd aan het proberen te achterhalen van enkele geheimen van de kosmos, maar misschien is een bepaald perspectief op zijn plaats. De eerste eenwording van krachten werd bereikt in de jaren 1670 met Newton's theorie van universele zwaartekracht. De tweede was in de jaren 1870 met Maxwell's theorie van elektromagnetisme. De elektrozwakke eenwording was relatief recent, slechts een halve eeuw geleden.
Aangezien 350 jaar zijn verstreken sinds onze eerste grote succesvolle stap in deze reis, is het misschien minder verrassend dat het pad dat voor ons ligt nog langer is. Het idee dat een genie een inzicht heeft dat de komende jaren leidt tot een volledig ontwikkelde theorie van alles is een mythe. We staan voor een lange slag - en zelfs de kleinkinderen van de hedendaagse wetenschappers zullen het einde niet zien.
Maar wat zal het een reis zijn.
Don Lincoln is natuurkundig onderzoeker bij Fermilab. Hij is de auteur van "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Blow Mind"(Johns Hopkins University Press, 2014), en hij produceert een reeks wetenschappelijk onderwijs videos. Volg hem op Facebook. De meningen in dit commentaar zijn van hem.
Don Lincoln heeft dit artikel bijgedragen aan WordsSideKick.com Expert Voices: Op-Ed & Insights. Oorspronkelijk gepubliceerd op WordsSideKick.com.
