ในปีพ. ศ. 2468 ไอน์สไตน์เดินเล่นกับนักเรียนหนุ่มชื่อเอสเธอร์ซาลามัน เขาแบ่งปันหลักธรรมทางปัญญาที่เป็นแกนนำของเขา:“ ฉันต้องการรู้ว่าพระเจ้าสร้างโลกนี้อย่างไรฉันไม่สนใจสิ่งนี้หรือปรากฏการณ์นั้นในสเปกตรัมของสิ่งนี้หรือองค์ประกอบนั้นฉันต้องการทราบความคิดของเขา; ส่วนที่เหลือเป็นเพียงรายละเอียด "
วลี "ความคิดของพระเจ้า" เป็นคำอุปมาที่เหมาะสำหรับเป้าหมายสูงสุดของฟิสิกส์ยุคใหม่ซึ่งเป็นการพัฒนาความเข้าใจที่สมบูรณ์แบบของกฎแห่งธรรมชาติ - สิ่งที่นักฟิสิกส์เรียกว่า "ทฤษฎีของทุกสิ่ง" หรือ TOE โดยหลักการแล้ว TOE จะตอบคำถามทุกข้อโดยไม่ทิ้งคำตอบไว้ ทำไมท้องฟ้าถึงเป็นสีฟ้า ที่อยู่ในขอบข่าย ทำไมแรงโน้มถ่วงจึงมีอยู่? ที่ครอบคลุมเกินไป ด้วยวิธีการทางวิทยาศาสตร์ที่มากขึ้น TOE จะอธิบายปรากฏการณ์ทั้งหมดด้วยทฤษฎีเดียวบล็อกอาคารเดียวและแรงเดียว ในความคิดของฉันการค้นหา TOE อาจใช้เวลาหลายร้อยหรือหลายพันปี เพื่อทำความเข้าใจว่าทำไมเราจะมาสต็อก
เรารู้ทฤษฎีสองอย่างที่เมื่อรวมเข้าด้วยกันให้คำอธิบายที่ดีเกี่ยวกับโลกรอบตัวเรา แต่ทั้งคู่ก็เป็นปีแสงจากการเป็น TOE
ทฤษฎีที่สองเรียกว่าแบบจำลองมาตรฐานซึ่งอธิบายโลกของอะตอมย่อย มันอยู่ในโดเมนนี้ที่นักวิทยาศาสตร์ได้ทำให้ความคืบหน้าชัดเจนที่สุดต่อทฤษฎีของทุกสิ่ง
หากเรามองโลกรอบตัวเรา - โลกแห่งดวงดาวและกาแลกซี่พุดเดิ้ลและพิซซ่าเราสามารถถามได้ว่าทำไมสิ่งต่าง ๆ ถึงมีคุณสมบัติที่พวกเขาทำ เรารู้ว่าทุกอย่างประกอบด้วยอะตอมและอะตอมเหล่านั้นประกอบด้วยโปรตอนนิวตรอนและอิเล็กตรอน
และในปี 1960 นักวิจัยค้นพบว่าโปรตอนและนิวตรอนทำจากอนุภาคขนาดเล็กที่เรียกว่าควาร์กและอิเล็กตรอนเป็นสมาชิกของกลุ่มของอนุภาคที่เรียกว่าเลปตัน
การค้นหาสิ่งปลูกสร้างที่เล็กที่สุดเป็นเพียงขั้นตอนแรกในการคิดทฤษฎีของทุกสิ่ง ขั้นตอนต่อไปคือการทำความเข้าใจกับกองกำลังที่ควบคุมวิธีการสร้างบล็อคโต้ตอบ นักวิทยาศาสตร์รู้ว่ากำลังสี่พื้นฐานซึ่งสามอย่างคือแม่เหล็กไฟฟ้าและพลังนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งและอ่อนแอนั้นถูกเข้าใจในระดับอะตอม แม่เหล็กไฟฟ้าถืออะตอมไว้ด้วยกันและรับผิดชอบทางเคมี แรงที่แข็งแกร่งนั้นจะรวมนิวเคลียสของอะตอมไว้ด้วยกันและทำให้เกิดควาร์กภายในโปรตอนและนิวตรอน พลังที่อ่อนแอนั้นรับผิดชอบการสลายตัวของนิวเคลียร์บางชนิด
กองกำลังย่อยของอะตอมที่รู้จักแต่ละคนมีอนุภาคหรืออนุภาคที่เกี่ยวข้องซึ่งมีแรงนั้น: กลูออนมีกำลังแรง, โฟตอนควบคุมแรงแม่เหล็กไฟฟ้า, และ W และ Z bosons ควบคุมกำลังอ่อน นอกจากนี้ยังมีสนามพลังงานผีที่เรียกว่าเขตฮิกส์ซึ่งแทรกซึมจักรวาลและให้มวลกับควาร์ก leptons และอนุภาคที่มีแรงกระทำบางส่วน เมื่อรวมเข้าด้วยกันหน่วยการสร้างและกองกำลังเหล่านี้ประกอบกันเป็นโมเดลมาตรฐาน
การใช้ควาร์กและเลปตันและอนุภาคที่มีแรงกระทำเป็นที่รู้จักสามารถสร้างอะตอมโมเลกุลผู้คนดาวเคราะห์และแน่นอนเรื่องทั้งหมดที่รู้จักของจักรวาล นี่คือความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่อย่างไม่ต้องสงสัยและเป็นการประมาณที่ดีของทฤษฎีของทุกสิ่ง
แต่ถึงกระนั้นก็ไม่ได้ เป้าหมายคือการหาสิ่งก่อสร้างและแรงที่สามารถอธิบายเรื่องและการเคลื่อนที่ของจักรวาล แบบจำลองมาตรฐานมี 12 อนุภาค (หกควาร์กและหกเลพตัน) และสี่แรง (แม่เหล็กไฟฟ้า, แรงโน้มถ่วง, และพลังนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งและอ่อนแอ) นอกจากนี้ยังไม่มีทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัมที่รู้จัก (หมายถึงนิยามปัจจุบันของเราครอบคลุมเพียงแรงโน้มถ่วงที่เกี่ยวข้องกับสิ่งที่ใหญ่กว่าเช่นฝุ่นทั่วไป) ดังนั้นแรงโน้มถ่วงจึงไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของแบบจำลองมาตรฐานเลย ดังนั้นนักฟิสิกส์ยังคงมองหาทฤษฎีพื้นฐานและพื้นฐานยิ่งขึ้นไปอีก เมื่อต้องการทำเช่นนั้นพวกเขาจำเป็นต้องลดจำนวนของทั้งหน่วยการสร้างและกองกำลัง
การค้นหาบล็อกอาคารขนาดเล็กนั้นจะยากเนื่องจากต้องใช้เครื่องเร่งอนุภาคที่ทรงพลังกว่ามนุษย์เคยสร้างมา ระยะเวลาสำหรับสิ่งอำนวยความสะดวกคันเร่งใหม่ที่เข้ามาเป็นเวลาหลายสิบปีและสิ่งอำนวยความสะดวกนั้นจะให้การปรับปรุงที่เพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อยในความสามารถที่มีอยู่ ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จะต้องคาดเดาสิ่งที่อาจจะดูเหมือนว่าเป็นอาคารขนาดเล็ก แนวคิดยอดนิยมที่เรียกว่าทฤษฎีการยึดเหนี่ยว (superstring theory) ซึ่งอ้างว่าอาคารที่เล็กที่สุดนั้นไม่ใช่อนุภาค แต่เป็น "สตริง" ที่มีขนาดเล็กและสั่นสะเทือน ในทำนองเดียวกันสตริงเชลโล่สามารถเล่นโน้ตมากกว่าหนึ่งโน้ตรูปแบบการสั่นสะเทือนที่แตกต่างกันคือควาร์กและเลปตันที่แตกต่างกัน ด้วยวิธีนี้สตริงประเภทเดียวอาจเป็นแบบเอกสารสำเร็จรูปขั้นสุดท้าย
ปัญหาคือไม่มีหลักฐานเชิงประจักษ์ว่ามีความเชื่อโชคลางมีอยู่จริง นอกจากนี้พลังงานที่คาดหวังที่จะเห็นพวกเขาเรียกว่าพลังงานพลังค์ซึ่งเป็นหนึ่งในสี่พันล้าน (10 ยกเป็นพลังงานที่ 15) สูงกว่าที่เราสามารถสร้างได้ในปัจจุบัน พลังค์พลังค์ที่มีขนาดใหญ่มากนั้นเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับสิ่งที่รู้จักกันในชื่อความยาวพลังค์ซึ่งมีความยาวน้อยมากเกินกว่าที่เอฟเฟกต์ควอนตัมจะมีขนาดใหญ่มากจนเป็นไปไม่ได้ ในขณะเดียวกันให้เล็กกว่าความยาวพลังค์ (หรือใหญ่กว่าพลังงานพลังค์) และผลควอนตัมของแรงโน้มถ่วงระหว่างโฟตอนหรืออนุภาคแสงกลายเป็นสิ่งสำคัญและสัมพัทธภาพไม่ทำงานอีกต่อไป นั่นทำให้เป็นไปได้ว่านี่คือมาตราส่วนที่จะเข้าใจแรงโน้มถ่วงควอนตัม แน่นอนว่าทั้งหมดนี้เป็นการเก็งกำไรมาก แต่ก็สะท้อนถึงการคาดการณ์ที่ดีที่สุดในปัจจุบันของเรา และหากเป็นจริงการเชื่อโชคลางจะต้องยังคงเป็นการเก็งกำไรในอนาคตอันใกล้
กองกำลังมากมายก็เป็นปัญหาเช่นกัน นักวิทยาศาสตร์หวังที่จะ "รวมพลัง" เข้าด้วยกันโดยแสดงให้เห็นว่าพวกมันเป็นเพียงการแสดงออกที่แตกต่างกันของกำลังเดี่ยว (เซอร์ไอแซกนิวตันทำเช่นนั้นเมื่อเขาแสดงให้เห็นแรงที่ทำให้สิ่งต่าง ๆ หล่นลงมาบนโลกและแรงที่ควบคุมการเคลื่อนที่ของสวรรค์นั้นเป็นหนึ่งเดียวเหมือนกัน James Clerk Maxwell แสดงให้เห็นว่าไฟฟ้าและแม่เหล็กเป็นพฤติกรรมที่แตกต่างกัน เรียกว่าแม่เหล็กไฟฟ้า)
ในปี 1960 นักวิทยาศาสตร์สามารถแสดงให้เห็นว่าพลังนิวเคลียร์ที่อ่อนแอและแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นจริงสองด้านที่แตกต่างกันของแรงรวมที่เรียกว่าแรงไฟฟ้า ตอนนี้นักวิจัยหวังว่าแรงดูดไฟฟ้าและแรงอันแข็งแกร่งสามารถรวมเป็นหนึ่งเดียวกับสิ่งที่เรียกว่าแรงรวมอันยิ่งใหญ่ จากนั้นพวกเขาหวังว่ากำลังรวมพลังอันยิ่งใหญ่สามารถรวมเป็นหนึ่งเดียวกับแรงโน้มถ่วงเพื่อสร้างทฤษฎีของทุกสิ่ง
อย่างไรก็ตามนักฟิสิกส์สงสัยว่าการรวมครั้งสุดท้ายนี้จะเกิดขึ้นที่พลังพลังค์อีกครั้งเพราะนี่คือพลังงานและขนาดที่ผลกระทบควอนตัมไม่สามารถละเลยได้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพอีกต่อไป และอย่างที่เราได้เห็นนี่เป็นพลังงานที่สูงกว่าที่เราคาดหวังว่าจะได้รับภายในเครื่องเร่งอนุภาคในไม่ช้า เพื่อให้ความรู้สึกของช่องว่างระหว่างทฤษฎีปัจจุบันและทฤษฎีของทุกสิ่งถ้าเราเป็นตัวแทนของพลังงานของอนุภาคที่เรา สามารถ ตรวจจับเป็นความกว้างของเยื่อหุ้มเซลล์พลังงานพลังค์มีขนาดเท่ากับโลก ในขณะที่เป็นไปได้ว่าคนที่มีความเข้าใจอย่างถี่ถ้วนเกี่ยวกับเยื่อหุ้มเซลล์อาจทำนายโครงสร้างอื่น ๆ ภายในเซลล์ - สิ่งต่าง ๆ เช่น DNA และไมโทคอนเดรีย - เป็นไปไม่ได้ที่พวกเขาจะทำนายโลกได้อย่างแม่นยำ มีโอกาสเป็นไปได้มากเพียงใดที่พวกเขาสามารถทำนายภูเขาไฟมหาสมุทรหรือสนามแม่เหล็กของโลก
ความจริงง่ายๆคือด้วยช่องว่างขนาดใหญ่ระหว่างพลังงานที่ทำได้ในปัจจุบันในเครื่องเร่งอนุภาคและพลังงานพลังค์ที่คิดค้นทฤษฎีของทุกสิ่งที่ดูเหมือนจะเป็นไปไม่ได้
นั่นไม่ได้หมายความว่านักฟิสิกส์ทุกคนควรจะเกษียณและรับภาพทิวทัศน์ - ยังมีงานที่มีความหมายที่จะต้องทำ เรายังจำเป็นต้องเข้าใจปรากฏการณ์ที่ไม่สามารถอธิบายได้เช่นสสารมืดและพลังงานมืดซึ่งสร้างขึ้น 95% ของจักรวาลที่รู้จักและใช้ความเข้าใจนั้นเพื่อสร้างทฤษฎีฟิสิกส์ที่ครอบคลุมและใหม่กว่า ทฤษฎีที่ใหม่กว่านี้จะไม่ได้เป็น TOE แต่จะดีขึ้นกว่ากรอบทฤษฎีในปัจจุบัน เราจะต้องทำซ้ำขั้นตอนนั้นซ้ำแล้วซ้ำอีก
ผิดหวัง? ดังนั้นฉันฉันหลังจากทั้งหมดฉันทุ่มเทชีวิตของฉันเพื่อพยายามเปิดเผยความลับบางอย่างของจักรวาล แต่บางทีมุมมองบางอย่างอยู่ในลำดับ การรวมพลังครั้งแรกสำเร็จในยุค 1670 ด้วยทฤษฎีแรงโน้มถ่วงสากลของนิวตัน อย่างที่สองก็คือในยุค 1870 กับทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ การรวมกันของ electroweak นั้นค่อนข้างเร็วเพียงครึ่งศตวรรษที่ผ่านมา
เมื่อ 350 ปีที่ผ่านมานับตั้งแต่ก้าวแรกที่ประสบความสำเร็จครั้งใหญ่ของเราในการเดินทางครั้งนี้บางทีมันก็น่าแปลกใจที่เส้นทางข้างหน้าของเรายังคงยาวกว่านี้ ความคิดที่ว่าอัจฉริยะจะมีความเข้าใจอย่างลึกซึ้งซึ่งส่งผลให้เกิดทฤษฎีที่พัฒนาขึ้นอย่างสมบูรณ์ของทุกสิ่งในอีกไม่กี่ปีข้างหน้านี้คือตำนาน เราอยู่ในช่วงเวลาอันยาวนาน - และแม้แต่ลูกหลานของนักวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันก็ยังไม่เห็นจุดจบของมัน
แต่มันจะเป็นการเดินทางอะไร
Don Lincoln เป็นนักวิจัยฟิสิกส์ที่ Fermilab. เขาเป็นผู้ประพันธ์ "Large Hadron Collider: เรื่องราวพิเศษของ Higgs Boson และสิ่งอื่น ๆ ที่จะทำให้คุณทึ่ง"(Johns Hopkins University Press, 2014) และเขาผลิตชุดของการศึกษาวิทยาศาสตร์ วิดีโอ. ติดตามเขา บนเฟซบุ๊ค. ความคิดเห็นที่แสดงในคำอธิบายนี้เป็นของเขา
Don Lincoln บริจาคบทความนี้ให้กับ Live Science's Expert Voices: Op-Ed & Insights. เผยแพร่ครั้งแรก วิทยาศาสตร์สด.
