1925年、アインシュタインはエスターサラマンという若い学生と散歩をしました。彼らがさまよっている間、彼は彼のコアとなる知的原則を共有しました：「私は神がこの世界をどのように作成したかを知りたいのです。残りは単なる詳細です。」
「神の思想」というフレーズは、現代の物理学の究極の目標を満足させる適切な比喩です。これは、自然の法則、つまり物理学者が「すべての理論」またはTOEと呼ぶものを完全に理解することです。理想的には、TOEはすべての質問に答え、何も答えられないままにしておきます。空が青いのはなぜですか？覆われています。なぜ重力が存在するのですか？それもカバーされています。より科学的に述べると、TOEは理想的にはすべての現象を単一の理論、単一の構成要素、および単一の力で説明します。私の意見では、TOEを見つけるには数百年、場合によっては数千年かかる可能性があります。その理由を理解するために、在庫を見てみましょう。
私たちは2つの理論を知っています。これらの理論を組み合わせると、私たちの周りの世界を適切に説明できますが、どちらもTOEから数年経っています。
2番目の理論は標準モデルと呼ばれ、亜原子世界を説明します。科学者がすべての理論に向けて最も明白な進歩を遂げたのは、この領域です。
星や銀河、プードル、ピザの世界など、私たちの周りの世界を見ると、物事にその性質がある理由を尋ねることができます。私たちはすべてが原子で構成されていることを知っています。これらの原子は陽子、中性子、電子で構成されています。
そして1960年代に、研究者たちは陽子と中性子がクォークと呼ばれるさらに小さな粒子でできており、電子がレプトンと呼ばれる粒子のクラスのメンバーであることを発見しました。
最小の構成要素を見つけることは、すべての理論を考案するための最初のステップにすぎません。次のステップは、ビルディングブロックの相互作用を制御する力を理解することです。科学者は4つの基本的な力を知っています。そのうちの3つ-電磁気学、および強い核力と弱い核力-は、原子レベルで理解されています。電磁気学は原子をまとめて保持し、化学を担当します。強い力が原子の核を結びつけ、陽子と中性子の内部にクォークを保ちます。弱い力はある種の核崩壊の原因です。
既知の原子以下の力のそれぞれには、その力を運ぶ1つまたは複数の粒子が関連付けられています。グルオンは強い力を運び、光子は電磁気を支配し、WおよびZボソンは弱い力を制御します。宇宙に浸透し、クォーク、レプトン、および力を運ぶ粒子の一部に質量を与える、ヒッグス場と呼ばれる幽霊のようなエネルギー場もあります。まとめると、これらの構成要素と力が標準モデルを構成します。
クォークとレプトンおよび既知の力を運ぶ粒子を使用して、原子、分子、人、惑星、そして実際、宇宙のすべての既知の問題を構築できます。これは間違いなく途方もない業績であり、すべての理論の良い近似です。
しかし、実際にはそうではありません。目標は、宇宙の問題と運動を説明できる単一の構成要素と単一の力を見つけることです。標準モデルには、12個の粒子（6つのクォークと6つのレプトン）と4つの力（電磁気、重力、および強い核力と弱い核力）があります。さらに、既知の重力の量子論は存在しないため（現在の定義では、一般的な塵などよりも大きいものを含む重力のみを対象としているため）、重力は標準モデルにさえ含まれていません。したがって、物理学者はさらに根本的で根本的な理論を探し続けています。そのためには、ビルディングブロックと部隊の両方の数を減らす必要があります。
人間がこれまでに構築したよりも強力な粒子加速器を必要とするため、より小さいビルディングブロックを見つけることは困難です。新しい加速器施設が稼働するまでの時間は数十年であり、その施設は既存の機能に対して比較的穏やかな段階的な改善しか提供しません。したがって、科学者は代わりに、より小さなビルディングブロックがどのように見えるかを推測する必要があります。人気のあるアイデアはスーパーストリング理論と呼ばれ、最小の構成要素は粒子ではなく、小さく振動する「ストリング」であると仮定しています。チェロの弦が複数のノートを演奏できるのと同じように、振動の異なるパターンは異なるクォークとレプトンです。このように、単一のタイプの文字列は、究極のビルディングブロックになる可能性があります。
問題は、スーパーストリングが実際に存在するという実証的な証拠がないことです。さらに、それらを見るのに必要な予想エネルギーはプランクエネルギーと呼ばれ、現在生成できるエネルギーの1倍（10の15乗）です。非常に大きなプランクエネルギーは、いわゆるプランク長と密接に関連しています。これを超えると、量子効果が非常に大きくなり、それより小さなものを測定することは文字通り不可能になります。その間、プランクの長さよりも小さく（またはプランクエネルギーよりも大きく）、光子または光粒子間の重力の量子効果が重要になり、相対論は機能しなくなります。これにより、量子重力が理解されるスケールになる可能性が高くなります。もちろん、これはすべて非常に投機的ですが、現在の最良の予測を反映しています。そして、もし真実であれば、スーパーストリングは予見可能な将来に向けて投機的であり続ける必要があります。
力の過剰も問題です。科学者たちは、部隊を「統合」して、それらが単一の部隊の単なる異なる症状であることを示したいと考えています。 （アイザックニュートン卿は、物事を地球に落とす力と天の動きを支配する力が同じであることを示したとき、ジェームズクラークマックスウェルは、電気と磁気が統一された力の実際に異なる行動であることを示しました電磁気学と呼ばれます。）
1960年代に、科学者たちは弱い核力と電磁気が実際には電弱力と呼ばれる結合力の2つの異なる側面であることを示すことができました。現在、研究者たちは、電弱力と強い力が、いわゆる大統一力に統一されることを望んでいます。そして、彼らは、大統一された力が重力と統一されてすべての理論を作ることができることを望んでいます。
しかし、物理学者たちは、この最終的な統一がプランクエネルギーでも起こるのではないかと疑っています。これも、これが相対論では量子効果を無視できなくなるエネルギーとサイズだからです。そして、これまで見てきたように、これは、粒子加速器の内部ですぐに達成することを期待できるよりもはるかに高いエネルギーです。現在の理論とすべての理論の間の裂け目の感覚を与えるために、もしも粒子のエネルギーを表すなら できる 細胞膜の幅として検出すると、プランクのエネルギーは地球のサイズになります。細胞膜を完全に理解している人が細胞内の他の構造（DNAやミトコンドリアなど）を予測することは考えられますが、地球を正確に予測できるとは考えられません。彼らが火山、海洋、地球の磁場を予測できる可能性はどのくらいありますか？
単純な事実は、粒子加速器で現在達成可能なエネルギーとプランクのエネルギーの間にこのような大きなギャップがあるため、すべての理論を正しく考案することはありそうにないようです。
だからといって、物理学者全員が引退して風景画を取り上げるべきだという意味ではありません。既知の宇宙の95％を構成するダークマターやダークエネルギーなどの説明されていない現象を理解し、その理解を利用して、より包括的で新しい物理理論を作成する必要があります。この新しい理論はTOEではありませんが、現在の理論的なフレームワークより段階的に優れています。そのプロセスを何度も繰り返す必要があります。
がっかり？私もそうです。結局のところ、私は宇宙の秘密のいくつかを明らかにしようとすることに私の人生を捧げてきましたが、おそらくいくつかの視点が整いました。力の最初の統一は、1670年代にニュートンの宇宙重力理論によって達成されました。 2番目は1870年代で、マックスウェルの電磁気学の理論がありました。電弱的な統一は比較的最近のことで、わずか半世紀前のことです。
この旅で最初の大きな成功を収めたステップから350年が経過したことを考えると、おそらく私たちの前の道がまだ長いことはそれほど驚くことではありません。天才が今後数年間ですべての完全に発達した理論をもたらす洞察を得るという考えは神話です。私たちは長い間スローガンを続けてきました-そして今日の科学者の孫でさえそれの終わりを見ることができません。
しかし、それはどのような旅になるでしょう。
ドンリンカーンは、 フェルミラボ。彼は「大型ハドロン衝突型加速器：ヒッグスボソンと心を揺さぶるその他のものの並外れた物語（Johns Hopkins University Press、2014年）、彼は一連の科学教育を生み出しています ビデオ。彼に従います Facebookで。この解説で表明された意見は彼のものです。
Don Lincolnがこの記事をLive Scienceの エキスパートの声：Op-Ed＆Insights。最初に公開された ライブサイエンス.
