בשנת 1925 יצא איינשטיין לטייל עם סטודנטית צעירה בשם אסתר סלמאן. בזמן שנדדו, הוא חלק את העקרון האינטלקטואלי המנחה את ליבו: "אני רוצה לדעת איך אלוהים ברא את העולם הזה. אני לא מתעניין בתופעה כזו או אחרת, בספקטרום של אלמנט זה או אחר. אני רוצה לדעת את מחשבותיו; השאר הם רק פרטים. "
הביטוי "מחשבות אלוהים" הוא מטאפורה ראויה להפליא למטרת העל של הפיזיקה המודרנית, והיא לפתח הבנה מושלמת של חוקי הטבע - מה שהפיזיקאים מכנים "תיאוריה של הכל", או TOE. באופן אידיאלי, TOE היה עונה על כל השאלות ולא משאיר שום דבר ללא מענה. למה השמיים כחולים? סמוי. מדוע כוח הכבידה קיים? גם זה מכוסה. אם נאמר בצורה מדעית יותר, TOE יסביר באופן אידיאלי את כל התופעות בעזרת תיאוריה אחת, אבן בניין יחידה וכוח יחיד. לדעתי, מציאת TOE יכולה לקחת מאות ואף אלפי שנים. כדי להבין מדוע, בואו נעשה מלאי.
ידוע לנו על שתי תיאוריות, שכאשר הן נלקחות יחד, נותנות תיאור טוב של העולם סביבנו, אך שתיהן שנות אור מאז היותן TOE.
התיאוריה השנייה נקראת המודל הסטנדרטי, המתאר את העולם התת-אטומי. בתחום זה מדענים עשו את ההתקדמות הברורה ביותר לעבר תיאוריה של הכל.
אם אנו מסתכלים על העולם סביבנו - עולם הכוכבים והגלקסיות, הפודל והפיצה, נוכל לשאול מדוע לדברים יש את המאפיינים שהם עושים. אנו יודעים שהכל מורכב מאטומים, והאטומים הללו מורכבים מפרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים.
ובשנות השישים גילו החוקרים כי הפרוטונים והנויטרונים היו עשויים מחלקיקים קטנים עוד יותר המכונים קווארקים והאלקטרון היה חבר בכיתה של החלקיקים המכונים לפטונים.
מציאת אבני הבניין הקטנות ביותר היא רק הצעד הראשון במציאת תיאוריה על הכל. השלב הבא הוא הבנת הכוחות השולטים באופן בו אינטראקציה בין אבני הבניין. מדענים יודעים על ארבעה כוחות יסודיים, שלושה מהם - אלקטרומגנטיות, וכוחות גרעיניים חזקים וחלשים - מובנים ברמה התת אטומית. אלקטרומגנטיות מחזיקה אטומים יחד ואחראית לכימיה. הכוח החזק מאגד את גרעין האטומים ושומר על קווארקים בתוך פרוטונים ונויטרונים. הכוח החלש אחראי לסוגים מסוימים של ריקבון גרעיני.
לכל אחד מהכוחות התת-אטומיים הידועים יש חלקיק או חלקיקים קשורים הנושאים את הכוח הזה: הגלון נושא את הכוח החזק, הפוטון שולט באלקטרומגנטיות, ובוסוני ה- W ו- Z שולטים בכוח החלש. יש גם שדה אנרגטי רפואי, הנקרא שדה היגס, המחלחל ליקום ומעניק מסה לקווארקים, לפטונים וחלק מהחלקיקים הנושאים בכוח. ביחד, אבני בניין וכוחות אלה מהווים את המודל הסטנדרטי.
באמצעות קווארקים ולפטונים והחלקיקים הידועים הנושאים בכוח ניתן לבנות אטומים, מולקולות, אנשים, כוכבי לכת, ואכן, את כל החומר הידוע של היקום. ללא ספק זהו הישג אדיר וקירוב טוב של תיאוריה של הכל.
ובכל זאת זה ממש לא. המטרה היא למצוא אבן בניין יחידה וכוח יחיד שיכול להסביר את העניין ותנועת היקום. המודל הסטנדרטי כולל 12 חלקיקים (שישה קווארקים ושש לפטונים) וארבעה כוחות (אלקטרומגנטיות, כוח משיכה וכוחות הגרעין החזקים והחלשים). יתר על כן, אין תיאוריה קוונטית ידועה על כוח הכבידה (כלומר ההגדרה הנוכחית שלנו מכסה רק כוח משיכה המערב דברים גדולים יותר מאשר למשל אבק נפוץ), כך שכוח הכבידה כלל אינו חלק מהמודל הסטנדרטי. לפיכך, פיזיקאים ממשיכים לחפש תיאוריה בסיסית ואף יותר בסיסית. לשם כך הם צריכים להפחית את מספר אבני הבניין והכוחות כאחד.
מציאת אבן בניין קטנה יותר תהיה קשה, מכיוון שזה דורש מאיץ חלקיקים חזק יותר ממה שבני אדם בנו מעולם. אופק הזמן של מתקן מאיץ חדש שיגיע לתור הוא מספר עשורים, ומתקן זה יספק רק שיפור מצטבר יחסית יחסית ביכולות הקיימות. אז על המדענים לשער כיצד נראה אבן בניין קטנה יותר. רעיון פופולרי נקרא תיאוריית העל, המנחה כי אבן הבניין הקטנה ביותר אינה חלקיק, אלא "מיתר" קטן ורוטט. באותה צורה שמיתר צ'לו יכול לנגן יותר מתו אחד, דפוסי הרטט השונים הם הקווארקים והלפטונים השונים. בדרך זו, סוג מחרוזת יחיד יכול להיות אבן הבניין האולטימטיבית.
הבעיה היא שאין שום עדות אמפירית לכך שאכן קיימים העליונות. יתרה מזאת, האנרגיה הצפויה הנדרשת כדי לראות אותם נקראת אנרגיית פלאנק, שהיא ריבוע (10 שהועלה לכוח ה -15) גבוה יותר מכפי שאנו יכולים כיום לייצר. האנרגיה הגדולה מאוד של פלאנק קשורה באופן אינטימי למה שמכונה אורך פלאנק, אורך זעיר שלא ניתן להבחין בו, שמעבר לכך ההשפעות הקוונטיות גדלות כל כך, עד שבאמת פשוט אי אפשר למדוד שום דבר קטן יותר. בינתיים, גשו קטנים מאורך הפלאנק (או גדולים יותר מאנרגיית פלאנק), וההשפעות הקוונטיות של כוח הכובד בין פוטונים, או חלקיקי אור, הופכות לחשובות ותורת היחסות כבר לא עובדת. זה גורם לכך שסביר להניח שזו הסולם בו יובנו כוח הכבידה הקוונטי. זה, כמובן, כל ספקולטיבי מאוד, אבל זה משקף את התחזית הטובה ביותר שלנו כיום. ואם נכון, העליונות ייאלצו להישאר ספקולטיביים לעתיד הנראה לעין.
שפע הכוחות הוא גם בעיה. מדענים מקווים "לאחד" את הכוחות, ומראים שהם רק ביטויים שונים של כוח אחד. (סר אייזק ניוטון עשה בדיוק את זה כשהוא הראה את הכוח שגרם לדברים ליפול על כדור הארץ והכוח ששלט על תנועת השמיים היה זהה; ג'יימס קלרק מקסוול הראה שחשמל ומגנטיות היו התנהגויות שונות של כוח מאוחד נקרא אלקטרומגנטיות.)
בשנות השישים הצליחו המדענים להראות שהכוח הגרעיני החלש והאלקטרומגנטיות היו למעשה שני היבטים שונים של כוח משולב שנקרא כוח האלקטרוויק. כעת, החוקרים מקווים כי ניתן לאחד את כוח מסלול האלקטרוני והכוח החזק במה שמכונה כוח מאוחד גדול. ואז הם מקווים שאפשר לאחד את הכוח המאוחד הגדול בכוח המשיכה כדי ליצור תיאוריה של הכל.
עם זאת, פיזיקאים חושדים כי איחוד אחרון זה יתקיים גם באנרגיית פלאנק, שוב מכיוון שזו האנרגיה והגודל שבהם כבר לא ניתן להתעלם מהשפעות קוונטיות בתורת היחסות. וכפי שראינו, מדובר באנרגיה גבוהה בהרבה מכפי שאנו יכולים לקוות להשיג בתוך מאיץ החלקיקים בכל עת בקרוב. לתת תחושה של התהום בין תיאוריות עכשוויות ותאוריה של הכל, אם היינו מייצגים את האנרגיות של החלקיקים שאנחנו פחית לזהות כרוחב קרום התא, האנרגיה של פלאנק היא בגודל כדור הארץ. אמנם ניתן להעלות על הדעת שמישהו עם הבנה מעמיקה של ממברנות התא עשוי לחזות מבנים אחרים בתוך תא - דברים כמו DNA ומיטוכונדריה - אך לא יתכן שהוא יכול לחזות במדויק את כדור הארץ. עד כמה סביר שהם יכולים לחזות הרי געש, אוקיינוסים או השדה המגנטי של כדור הארץ?
העובדה הפשוטה היא שעם פער כה גדול בין אנרגיה בר השגה כיום במאיצי החלקיקים לבין אנרגיית פלאנק, תכנון נכון של תיאוריה על הכל נראה בלתי אפשרי.
זה לא אומר שפיזיקאים צריכים כולם לפרוש ולעשות ציור נוף - עדיין יש לעשות עבודה משמעותית. אנו עדיין צריכים להבין תופעות לא מוסברות כמו חומר אפל ואנרגיה אפלה, המהווים 95% מהיקום הידוע, ולהשתמש באותה הבנה כדי ליצור תיאוריה חדשה יותר, מקיפה יותר של הפיזיקה. תיאוריה חדשה זו לא תהיה TOE, אלא תהיה טובה יותר באופן מצטבר מהמסגרת התיאורטית הנוכחית. נצטרך לחזור על התהליך שוב ושוב.
מאוכזב? כך גם אני. הקדשתי את חיי לנסות לחשוף כמה מסודות הקוסמוס, אבל אולי נקודת מבט מסוימת היא בסדר. האיחוד הראשון של הכוחות הושג בשנות ה- 1670 עם התיאוריה של ניוטון על כוח הכבידה האוניברסאלי. השנייה הייתה בשנות ה -70 של המאה העשרים עם התיאוריה של מקסוול על האלקטרומגנטיות. איחוד מסלול האלקטרוני היה עדכני יחסית, רק לפני חצי מאה.
בהתחשב בעובדה שחלפו 350 שנה מאז הצעד הגדול והמצליח הראשון שלנו במסע זה, אולי זה פחות מפתיע שהדרך לפנינו ארוכה יותר. התפיסה שלגאון תהיה תובנה שמביאה לתיאוריה מפותחת של הכל בשנים הקרובות היא מיתוס. אנו עומדים על סיסמה ארוכה - ואפילו נכדיהם של המדענים של ימינו לא יראו את סופה.
אבל איזה מסע זה יהיה.
דון לינקולן הוא חוקר פיזיקה ב פרמילאב. הוא המחבר של "קדרדר הדרון הגדול: הסיפור יוצא הדופן של היגס בוסון ודברים אחרים שיעיפו את דעתך"(הוצאת אוניברסיטת ג'ונס הופקינס, 2014), והוא מייצר סדרה של חינוך מדעי קטעי וידאו. תעקוב אחריו בפייסבוק. הדעות המובאות בפרשנות זו הן שלו.
דון לינקולן תרם מאמר זה ל- Live Science קולות מומחים: Op-Ed & Insights. פורסם במקור על מדע חי.
