I 1925 gik Einstein på tur med en ung studerende ved navn Esther Salaman. Mens de vandrede, delte han sit centrale vejledende intellektuelle princip: "Jeg vil vide, hvordan Gud skabte denne verden. Jeg er ikke interesseret i dette eller det andet fænomen i spektret af dette eller det pågældende element. Jeg vil vide hans tanker; resten er bare detaljer. "
Udtrykket "Guds tanker" er en dejlig passende metafor til det ultimative mål for moderne fysik, som er at udvikle en perfekt forståelse af naturlovene - hvad fysikere kalder "en teori om alting" eller TOE. Ideelt set ville en TOE besvare alle spørgsmål og efterlade intet ubesvaret. Hvorfor er himlen blå? Overdækket. Hvorfor findes tyngdekraften? Det er også dækket. Udtrykt på en mere videnskabelig måde, ville en TOE ideelt forklare alle fænomener med en enkelt teori, en enkelt byggesten og en enkelt kraft. Efter min mening kan det finde hundreder eller endda tusinder af år at finde en TOE. For at forstå hvorfor, lad os tage status.
Vi kender to teorier, der, når de er samlet, giver en god beskrivelse af verden omkring os, men begge er lysår fra at være TOE.
Den anden teori kaldes standardmodellen, der beskriver den subatomære verden. Det er inden for dette domæne, at forskere har gjort de mest tydelige fremskridt hen imod en teori om alt.
Hvis vi ser på verden omkring os - verdenen af stjerner og galakser, pudler og pizza, kan vi spørge, hvorfor tingene har de egenskaber, de gør. Vi ved, at alt består af atomer, og atomer består af protoner, neutroner og elektroner.
Og i 1960'erne opdagede forskere, at protonerne og neutronerne var lavet af endnu mindre partikler kaldet kvarker, og elektronet var et medlem af klassen af partikler kaldet leptoner.
At finde de mindste byggesten er kun det første skridt i at udtænke en teori om alt. Det næste trin er at forstå de kræfter, der styrer, hvordan byggestenene interagerer. Forskere kender fire grundlæggende kræfter, hvoraf tre - elektromagnetisme og de stærke og svage kernekræfter - forstås på det subatomære niveau. Elektromagnetisme holder atomer sammen og er ansvarlig for kemi. Den stærke kraft holder atomernes kerne sammen og holder kvarker inde i protoner og neutroner. Den svage styrke er ansvarlig for nogle typer atomnedbrydning.
Hver af de kendte subatomiske kræfter har en tilknyttet partikel eller partikler, der bærer den kraft: Gluonen bærer den stærke kraft, fotonen styrer elektromagnetisme, og W- og Z-bosonerne kontrollerer den svage kraft. Der er også et spøgelsesligt energifelt, kaldet Higgs-feltet, der gennemsyrer universet og giver masse til kvarker, leptoner og nogle af de kraftbærende partikler. Samlet udgør disse byggesten og kræfter standardmodellen.
Ved hjælp af kvarker og leptoner og de kendte kraftbærende partikler kan man bygge atomer, molekyler, mennesker, planeter og faktisk alt det kendte stof i universet. Dette er uden tvivl en enorm præstation og en god tilnærmelse af en teori om alt.
Og alligevel er det ikke det. Målet er at finde en enkelt byggesten og en enkelt kraft, der kan forklare universets materie og bevægelse. Standardmodellen har 12 partikler (seks kvarker og seks leptoner) og fire kræfter (elektromagnetisme, tyngdekraft og de stærke og svage kernekræfter). Der er desuden ingen kendt kvanteteori om tyngdekraft (hvilket betyder, at vores nuværende definition kun dækker tyngdekraften, der involverer ting, der er større end for eksempel almindeligt støv), så tyngdekraften overhovedet ikke er en del af standardmodellen. Så fysikere fortsætter med at kigge efter en endnu mere grundlæggende og underliggende teori. For at gøre det skal de reducere antallet af både byggesten og kræfter.
Det vil være vanskeligt at finde en mindre byggesten, fordi det kræver en mere kraftfuld partikelaccelerator, end mennesker nogensinde har bygget. Tidshorisonten for en ny acceleratorfacilitet, der kommer på linje, er flere årtier, og den facilitet vil kun give en relativt beskeden trinvis forbedring i forhold til eksisterende kapaciteter. Så forskere må i stedet spekulere i, hvordan en mindre byggesten kan se ud. En populær idé kaldes superstring teori, som postulerer, at den mindste byggesten ikke er en partikel, men snarere en lille og vibrerende "streng". På samme måde som en cellostreng kan spille mere end en note, er de forskellige vibrationsmønstre de forskellige kvarker og leptoner. På denne måde kan en enkelt type streng være den ultimative byggesten.
Problemet er, at der ikke er noget empirisk bevis for, at der faktisk findes superstringer. Yderligere kaldes den forventede energi, der kræves for at se dem, Planck-energien, som er en kvadrillion (10 hævet til 15. kraft) gange højere end vi i øjeblikket kan generere. Den meget store Planck-energi er tæt forbundet med det, der er kendt som Planck-længden, en usigeligt lille længde, ud over hvilken kvanteeffekter bliver så store, at det bogstaveligt talt er umuligt at måle noget mindre. Gå i mellemtiden mindre end Planck-længden (eller større end Planck-energien), og kvanteeffekten af tyngdekraften mellem fotoner eller lyspartikler bliver vigtig, og relativitet fungerer ikke længere. Det gør det sandsynligt, at dette er den skala, hvormed kvantetyngdekraften forstås. Dette er naturligvis alt meget spekulativt, men det afspejler vores nuværende bedste forudsigelse. Og hvis det er sandt, skal superstringer forblive spekulative i en overskuelig fremtid.
Mængden af kræfter er også et problem. Forskere håber at "forene" kræfterne og viser, at de bare er forskellige manifestationer af en enkelt styrke. (Sir Isaac Newton gjorde netop det, da han viste den styrke, der fik tingene til at falde på Jorden, og den styrke, der styrede himlenes bevægelse, var den samme; James Clerk Maxwell viste, at elektricitet og magnetisme var virkelig anderledes opførsel af en samlet styrke kaldet elektromagnetisme.)
I 1960'erne var videnskabsmænd i stand til at vise, at den svage atomkraft og elektromagnetisme faktisk var to forskellige facetter af en kombineret styrke, der kaldes elektroweak-styrken. Nu håber forskere, at elektro-strømstyrken og den stærke styrke kan forenes til det, der kaldes en storslået samlet styrke. Derefter håber de, at den storslåede styrke kan forenes med tyngdekraft for at skabe en teori om alt.
Imidlertid mistænker fysikere, at denne endelige forening også ville finde sted ved Planck-energien, igen fordi dette er energien og størrelsen, hvormed kvanteeffekter ikke længere kan ignoreres i relativitetsteorien. Og som vi har set, er dette en meget højere energi, end vi kan håbe at opnå inden i en partikelaccelerator når som helst snart. At give en fornemmelse af kløften mellem aktuelle teorier og en teori om alt, hvis vi repræsenterede energien fra partikler vi kan detekterer som bredden af en cellemembran, Planck-energien er Jordens størrelse. Selvom det kan tænkes, at en person med en grundig forståelse af cellemembraner kan forudsige andre strukturer i en celle - ting som DNA og mitokondrier - er det ikke tænkeligt, at de nøjagtigt kunne forudsige Jorden. Hvor sandsynligt er det, at de kunne forudsige vulkaner, oceaner eller Jordens magnetfelt?
Den enkle kendsgerning er, at med en så stor kløft mellem aktuelt opnåelig energi i partikelacceleratorer og Planck-energien, synes korrekt at udtænke en teori om alting usandsynligt.
Det betyder ikke, at fysikere alle skal gå på pension og tage landskabsmaleri - der er stadig et meningsfuldt arbejde, der skal gøres. Vi er stadig nødt til at forstå uforklarlige fænomener som mørk stof og mørk energi, der udgør 95% af det kendte univers, og bruge denne forståelse til at skabe en nyere, mere omfattende teori om fysik. Denne nyere teori vil ikke være en TOE, men vil være trinvis bedre end den nuværende teoretiske ramme. Vi bliver nødt til at gentage denne proces igen og igen.
Skuffet? Det er jeg også. Når alt kommer til alt har jeg viet mit liv til at forsøge at afdække nogle af kosmos hemmeligheder, men måske er et vist perspektiv i orden. Den første kræftforening blev opnået i 1670'erne med Newtons teori om universal tyngdekraft. Den anden var i 1870'erne med Maxwells teori om elektromagnetisme. Foreningen mellem elektrograver var relativt nylig, kun for et halvt århundrede siden.
I betragtning af at der er gået 350 år siden vores første store succesrige skridt på denne rejse, er det måske mindre overraskende, at stien foran os er længere. Forestillingen om, at et geni vil have en indsigt, der resulterer i en fuldt udviklet teori om alt i de næste par år, er en myte. Vi er inde på en lang slog - og endda barnebørnene til nutidens videnskabsfolk ser ikke slutningen på det.
Men hvilken rejse det vil være.
Don Lincoln er fysikforsker hos Fermilab. Han er forfatteren af "Den store Hadron Collider: Den ekstraordinære historie om Higgs Boson og andre ting, der vil sprænge dit sind"(Johns Hopkins University Press, 2014), og han producerer en række videnskabsuddannelser videoer. Følg ham på Facebook. Synspunkterne i denne kommentar er hans.
Don Lincoln bidrog med denne artikel til Live Science Ekspertstemmer: Op-Ed & indsigt. Oprindeligt udgivet på Live Science.
