1925 년에 아인슈타인은 에스더 살라 만이라는 어린 학생과 함께 걸었습니다. 그들이 방황하면서, 그는 그의 핵심 지도적 지적 원칙을 공유했다 : "나는 하나님이이 세상을 어떻게 창조했는지 알고 싶다. 나는이 현상이나 그 현상에 관심이 없다. 나는 그 또는 그 요소의 스펙트럼에 관심이 없다. 나는 그의 생각을 알고 싶다; 나머지는 세부 사항 일뿐입니다. "
"하나님의 생각"이라는 문구는 현대 물리학의 궁극적 인 목표에 대한 유쾌한 적절한 은유입니다. 물리학 자들은 물리학 자들이 "모든 것의 이론"또는 TOE라고 부르는 자연의 법칙을 완전히 이해하는 것입니다. 이상적으로, TOE는 모든 질문에 대답하고 답은 남기지 않습니다. 하늘색은 왜? 덮었다. 왜 중력이 존재합니까? 그것도 역시 포함되어 있습니다. 좀 더 과학적인 방법으로 말하면, TOE는 모든 이론을 단일 이론, 단일 빌딩 블록 및 단일 힘으로 이상적으로 설명 할 것입니다. 제 생각에는 TOE를 찾는 데 수백 년, 심지어 수천 년이 걸릴 수 있습니다. 이유를 이해하기 위해 재고를 보자.
우리는한데 모아서 우리 주변 세계에 대해 잘 설명하지만 두 가지 이론은 모두 TOE가되기까지 광년이라는 이론을 알고 있습니다.
두 번째 이론을 표준 모델이라고하며, 이것은 아 원자 세계를 설명합니다. 이 영역에서 과학자들은 모든 이론에 대해 가장 명백한 발전을 이루었습니다.
별과 은하, 푸들, 피자의 세계를 둘러싼 세계를 살펴보면 왜 그 물건이 그 특성을 가지고 있는지 물어볼 수 있습니다. 우리는 모든 것이 원자로 구성되어 있고, 그 원자는 양성자, 중성자 및 전자로 구성되어 있습니다.
그리고 1960 년대에, 연구자들은 양자와 중성자가 쿼크 (quarks)라고 불리는 더 작은 입자로 만들어졌으며 전자는 렙톤 (lippton)이라고 불리는 입자 클래스의 구성원이라는 것을 발견했습니다.
가장 작은 빌딩 블록을 찾는 것은 모든 이론을 고안하는 첫 단계 일뿐입니다. 다음 단계는 빌딩 블록의 상호 작용 방식을 제어하는 힘을 이해하는 것입니다. 과학자들은 원자력 수준에서 전자기력과 강한 핵력과 약한 핵력을 이해하는 네 가지 기본 힘을 알고 있습니다. 전자파는 원자를 함께 보유하며 화학을 담당합니다. 강한 힘은 원자의 핵을 함께 유지하고 양자와 중성자 안에 쿼크를 유지합니다. 약한 힘은 일부 유형의 핵 붕괴를 담당합니다.
알려진 각 아 원자력에는 그 힘을 전달하는 관련 입자가 있습니다. 글루온은 강한 힘을 전달하고, 광자는 전자석을 지배하며, W 및 Z 보손은 약한 힘을 제어합니다. 우주에 스며 들어 쿼크, 렙톤 및 힘을 전달하는 입자들에 질량을주는 field 스 필드라는 유령 에너지 장도 있습니다. 이 빌딩 블록과 힘은 표준 모델을 구성합니다.
쿼크와 렙톤 및 알려진 힘 전달 입자를 사용하여 원자, 분자, 사람, 행성 및 실제로 알려진 우주의 모든 물질을 만들 수 있습니다. 이것은 의심 할 여지없이 놀라운 업적이며 모든 이론에 대한 훌륭한 근사치입니다.
그러나 아직 그렇지 않습니다. 목표는 우주의 문제와 운동을 설명 할 수있는 단일 빌딩 블록과 단일 힘을 찾는 것입니다. 표준 모델에는 12 개의 입자 (6 개의 쿼크 및 6 개의 렙톤)와 4 개의 힘 (전자기, 중력, 강하고 약한 핵력)이 있습니다. 또한, 중력에 대한 양자 이론이 알려져 있지 않기 때문에 (현재 정의는 일반적인 먼지보다 큰 물체를 포함하는 중력 만 포함 함) 중력은 표준 모델의 일부가 아닙니다. 그래서 물리학 자들은 훨씬 더 근본적이고 근본적인 이론을 계속 찾고 있습니다. 그러기 위해서는 빌딩 블록과 힘의 수를 줄여야합니다.
더 작은 빌딩 블록을 찾는 것은 어려울 것입니다. 인간이 만든 것보다 더 강력한 입자 가속기가 필요하기 때문입니다. 새로운 액셀러레이터 설비가 가동되는 시간은 수십 년이며이 설비는 기존 기능에 비해 상대적으로 완만하게 개선 될 것입니다. 따라서 과학자들은 작은 빌딩 블록이 어떻게 보일지 추측해야합니다. 가장 일반적인 아이디어는 수퍼 스트링 이론 (superstring theory)이라고하며, 가장 작은 빌딩 블록은 입자가 아니라 작고 진동하는 "스트링"이라고 가정합니다. 첼로 현이 하나 이상의 음을 연주 할 수있는 것과 같이 진동의 다른 패턴은 다른 쿼크와 렙톤입니다. 이러한 방식으로 단일 유형의 문자열이 궁극적 인 빌딩 블록이 될 수 있습니다.
문제는 수퍼 스트링이 실제로 존재한다는 경험적 증거가 없다는 것입니다. 또한, 그것들을 보는 데 필요한 예상 에너지를 플랑크 에너지라고합니다. 이는 플랑크 에너지로, 현재 생성 할 수있는 것보다 10 배가 넘는 10 배입니다. 매우 큰 플랑크 에너지는 플랑크 길이 (Planck length)와 밀접하게 연결되어 있으며, 양자 효과가 너무 커져서 더 작은 것을 측정하는 것은 불가능합니다. 한편, 플랑크 길이보다 작거나 플랑크 에너지보다 크면 광자 또는 광 입자 사이의 중력의 양자 효과가 중요 해지고 상대성이 더 이상 작동하지 않습니다. 그것은 이것이 양자 중력이 이해 될 수있는 규모 일 것입니다. 물론 이것은 매우 투기 적이지만 현재의 최선의 예측을 반영합니다. 그리고 사실이라면, 수퍼 스트링은 가까운 미래를 위해 계속 투기해야 할 것입니다.
과도한 힘도 문제입니다. 과학자들은 힘을 "통합"하여 단일 힘의 다른 표현임을 보여주기를 희망합니다. 아이작 뉴턴 경은 지구에 물건을 떨어 뜨리는 힘을 보여 주었을 때 하늘의 움직임을 지배하는 힘은 같고 동일했습니다. 제임스 클러 크 맥스웰은 전기와 자기가 실제로 통일 된 힘의 다른 행동임을 보여주었습니다 전자기라고합니다.)
1960 년대에 과학자들은 약한 핵력과 전자기력이 실제로 전기 약력이라고 불리는 결합력의 두 가지 측면이라는 것을 보여줄 수있었습니다. 이제 연구자들은 전기 약한 힘과 강한 힘이 웅대 한 통일 된 힘으로 통합 될 수 있기를 희망합니다. 그런 다음 그들은 위대한 통일 세력이 모든 이론을 만들기 위해 중력과 통합 될 수 있기를 희망합니다.
그러나 물리학 자들은이 최종 통일이 플랑크 에너지에서도 일어날 것이라고 생각한다. 이것은 다시 상대성 이론에서 양자 효과를 더 이상 무시할 수없는 에너지와 크기이기 때문이다. 보시다시피, 이것은 입자 가속기 내부에서 언제든지 달성 할 수있는 것보다 훨씬 높은 에너지입니다. 현재 이론과 모든 이론 사이의 틈새를 느끼기 위해 입자의 에너지를 나타내면 할 수있다 세포막의 너비를 감지하면 플랑크 에너지는 지구의 크기입니다. 세포막을 철저히 이해하는 사람은 DNA와 미토콘드리아와 같은 세포 내의 다른 구조를 예측할 수 있지만 지구를 정확하게 예측할 수는 없습니다. 그들이 화산, 대양 또는 지구의 자기장을 예측할 가능성은 얼마나됩니까?
간단한 사실은 현재 입자 가속기에서 달성 할 수있는 에너지와 플랑크 에너지 사이에 큰 차이가 있기 때문에 모든 이론을 올바르게 고안하는 것은 불가능 해 보입니다.
그렇다고 물리학 자들이 모두 은퇴하고 풍경화를해야한다는 의미는 아닙니다. 아직 의미있는 일이 남아 있습니다. 우리는 여전히 알려진 우주의 95 %를 구성하는 암흑 물질과 암흑 에너지와 같은 설명 할 수없는 현상을 이해해야하며,이 이해를 사용하여보다 포괄적 인 물리학 이론을 새로 만들어야합니다. 이 새로운 이론은 TOE가 아니지만 현재 이론 프레임 워크보다 점진적으로 향상됩니다. 우리는 그 과정을 반복해서 반복해야 할 것입니다.
실망한? 결국, 나는 우주의 비밀을 밝히려고 노력하는 데 인생을 바쳤다. 그러나 아마도 어떤 관점은 순서가 맞을 것이다. 최초의 힘 통일은 1670 년대 뉴턴의 보편적 중력 이론으로 이루어졌다. 두 번째는 맥스웰의 전자기 이론과 함께 1870 년대에있었습니다. 일렉트로 웨크 통합은 불과 반세기 전에 비교적 최근에 이루어졌다.
이 여정에서 첫 번째로 큰 성공을 거둔 이후 350 년이 걸렸다면, 우리보다 앞서가는 길이 더 길다는 것은 그리 놀라운 일이 아닙니다. 천재가 앞으로 몇 년 안에 모든 것에 대해 완전히 발전된 이론을 가져 오는 통찰력을 가질 것이라는 생각은 신화입니다. 우리는 긴 수렁에 빠져 있으며 오늘날 과학자들의 손자조차도 그 끝을 보지 못할 것입니다.
그러나 그것은 얼마나 여정일까요.
Don Lincoln은 물리 연구원입니다 페르미 랍. 그는 "의 저자입니다대형 하드론 충돌기 : iggs 스 보손 (Higgs Boson)의 놀라운 이야기와 다른 것들을 떠올리게 할 다른 것들"(Johns Hopkins University Press, 2014), 그는 일련의 과학 교육을 비디오. 그를 따라 페이스 북에서. 이 논평에 표현 된 의견은 그의 것입니다.
Don Lincoln이이 기사를 Live Science의 전문가의 목소리 : Op-Ed & Insights. 원래 출판 라이브 과학에.
