Năm 1925, Einstein đi dạo với một sinh viên trẻ tên Esther Salaman. Khi họ đi lang thang, anh chia sẻ nguyên tắc trí tuệ hướng dẫn cốt lõi của mình: "Tôi muốn biết Chúa đã tạo ra thế giới này như thế nào. Tôi không quan tâm đến hiện tượng này hay hiện tượng đó, trong phổ của yếu tố này hay yếu tố đó. Tôi muốn biết suy nghĩ của anh ấy; phần còn lại chỉ là chi tiết. "
Cụm từ "Suy nghĩ của Chúa" là một phép ẩn dụ thích thú cho mục tiêu cuối cùng của vật lý hiện đại, đó là phát triển một sự hiểu biết hoàn hảo về quy luật tự nhiên - điều mà các nhà vật lý gọi là "lý thuyết về mọi thứ" hay TOE. Lý tưởng nhất, một TOE sẽ trả lời tất cả các câu hỏi, không có gì chưa được trả lời. Tại sao bầu trời màu xanh? Đề cập. Tại sao trọng lực tồn tại? Điều đó cũng được bảo hiểm. Nói một cách khoa học hơn, TOE sẽ giải thích lý tưởng tất cả các hiện tượng với một lý thuyết duy nhất, một khối xây dựng duy nhất và một lực duy nhất. Theo tôi, việc tìm kiếm một TOE có thể mất hàng trăm, thậm chí hàng ngàn năm. Để hiểu lý do tại sao, hãy lấy cổ phiếu.
Chúng ta biết về hai lý thuyết, khi được kết hợp với nhau, đưa ra một mô tả hay về thế giới xung quanh chúng ta, nhưng cả hai đều là những năm ánh sáng từ khi trở thành một TOE.
Lý thuyết thứ hai được gọi là Mô hình chuẩn, mô tả thế giới hạ nguyên tử. Chính trong lĩnh vực này, các nhà khoa học đã đạt được tiến bộ rõ ràng nhất đối với một lý thuyết về mọi thứ.
Nếu chúng ta nhìn vào thế giới xung quanh chúng ta - thế giới của các ngôi sao và thiên hà, poodle và pizza, chúng ta có thể hỏi tại sao mọi thứ có các tính chất mà chúng làm. Chúng ta biết mọi thứ được tạo thành từ các nguyên tử và những nguyên tử đó được tạo thành từ các proton, neutron và electron.
Và, vào những năm 1960, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng các proton và neutron được tạo thành từ các hạt nhỏ hơn gọi là quark và electron là thành viên của lớp các hạt gọi là lepton.
Tìm các khối xây dựng nhỏ nhất chỉ là bước đầu tiên để đưa ra một lý thuyết về mọi thứ. Bước tiếp theo là tìm hiểu các lực chi phối cách các khối xây dựng tương tác. Các nhà khoa học biết về bốn lực cơ bản, ba trong số đó - lực điện từ và lực hạt nhân mạnh và yếu - được hiểu ở cấp độ hạ nguyên tử. Điện từ giữ các nguyên tử lại với nhau và chịu trách nhiệm về hóa học. Lực mạnh giữ chặt hạt nhân của các nguyên tử và giữ các quark bên trong các proton và neutron. Lực lượng yếu chịu trách nhiệm cho một số loại phân rã hạt nhân.
Mỗi lực hạ nguyên tử đã biết có một hạt hoặc hạt liên kết mang lực đó: Gluon mang lực mạnh, photon chi phối điện từ và các boson W và Z điều khiển lực yếu. Ngoài ra còn có một trường năng lượng ma quái, được gọi là trường Higgs, thấm vào vũ trụ và tạo ra khối lượng cho quark, lepton và một số hạt mang lực. Được kết hợp với nhau, các khối xây dựng và lực lượng này tạo thành Mô hình Chuẩn.
Sử dụng quark và lepton và các hạt mang lực đã biết, người ta có thể chế tạo các nguyên tử, phân tử, con người, hành tinh và, thực sự, tất cả các vật chất đã biết của vũ trụ. Đây chắc chắn là một thành tựu to lớn và xấp xỉ tốt về một lý thuyết về mọi thứ.
Nhưng nó thực sự không. Mục tiêu là tìm ra một khối xây dựng duy nhất và một lực duy nhất có thể giải thích vật chất và chuyển động của vũ trụ. Mô hình Chuẩn có 12 hạt (sáu quark và sáu lepton) và bốn lực (lực điện từ, trọng lực và lực hạt nhân mạnh và yếu). Hơn nữa, không có lý thuyết lượng tử đã biết (nghĩa là định nghĩa hiện tại của chúng ta chỉ bao gồm lực hấp dẫn liên quan đến những thứ lớn hơn, ví dụ, bụi thông thường), do đó, trọng lực thậm chí không phải là một phần của Mô hình Chuẩn. Vì vậy, các nhà vật lý tiếp tục tìm kiếm một lý thuyết cơ bản và cơ bản hơn. Để làm điều đó họ cần giảm số lượng cả khối xây dựng và lực lượng.
Tìm một khối xây dựng nhỏ hơn sẽ khó khăn, bởi vì điều đó đòi hỏi một máy gia tốc hạt mạnh hơn so với con người đã từng chế tạo. Khoảng thời gian cho một cơ sở máy gia tốc mới sắp ra mắt là vài thập kỷ và cơ sở đó sẽ chỉ cung cấp một cải tiến gia tăng tương đối khiêm tốn so với các khả năng hiện có. Vì vậy, các nhà khoa học thay vào đó phải suy đoán về một khối xây dựng nhỏ hơn trông như thế nào. Một ý tưởng phổ biến được gọi là lý thuyết siêu dây, quy định rằng khối xây dựng nhỏ nhất không phải là một hạt, mà là một "chuỗi" nhỏ và rung động. Theo cùng một cách, một chuỗi cello có thể phát nhiều hơn một nốt, các kiểu rung động khác nhau là các quark và lepton khác nhau. Theo cách này, một loại chuỗi có thể là khối xây dựng cuối cùng.
Vấn đề là không có bằng chứng thực nghiệm nào cho thấy siêu thực sự tồn tại. Hơn nữa, năng lượng dự kiến cần thiết để nhìn thấy chúng được gọi là năng lượng Planck, tức là gấp bốn triệu (tăng 10 lần so với năng lượng thứ 15) so với mức chúng ta có thể tạo ra. Năng lượng Planck rất lớn có mối liên hệ mật thiết với chiều dài được gọi là chiều dài Planck, một chiều dài cực kỳ nhỏ không thể vượt qua mà hiệu ứng lượng tử trở nên lớn đến mức không thể đo được bất cứ thứ gì nhỏ hơn theo nghĩa đen. Trong khi đó, đi nhỏ hơn chiều dài Planck (hoặc lớn hơn năng lượng Planck) và hiệu ứng lượng tử của trọng lực giữa các photon, hoặc các hạt ánh sáng, trở nên quan trọng và thuyết tương đối không còn hoạt động. Điều đó làm cho nó có khả năng đây là thang đo mà lực hấp dẫn lượng tử sẽ được hiểu. Tất nhiên, đây là tất cả rất suy đoán, nhưng nó phản ánh dự đoán tốt nhất hiện tại của chúng tôi. Và, nếu đúng, các siêu phẩm sẽ phải duy trì tính đầu cơ trong tương lai gần.
Rất nhiều lực lượng cũng là một vấn đề. Các nhà khoa học hy vọng sẽ "hợp nhất" các lực lượng, cho thấy chúng chỉ là những biểu hiện khác nhau của một lực lượng duy nhất. (Ngài Isaac Newton đã làm như vậy khi ông chỉ ra lực làm cho mọi thứ rơi xuống Trái đất và lực chi phối chuyển động của thiên đàng là một và giống nhau; James Clerk Maxwell cho thấy điện và từ tính là những hành vi thực sự khác nhau của một lực thống nhất gọi là điện từ.)
Vào những năm 1960, các nhà khoa học đã có thể chỉ ra rằng lực hạt nhân yếu và lực điện từ thực sự là hai khía cạnh khác nhau của một lực kết hợp gọi là lực điện yếu. Bây giờ, các nhà nghiên cứu hy vọng rằng lực điện yếu và lực mạnh có thể được hợp nhất thành thứ được gọi là lực thống nhất lớn. Sau đó, họ hy vọng rằng lực lượng thống nhất lớn có thể được thống nhất với lực hấp dẫn để đưa ra một lý thuyết về mọi thứ.
Tuy nhiên, các nhà vật lý nghi ngờ sự thống nhất cuối cùng này cũng sẽ diễn ra ở năng lượng Planck, một lần nữa bởi vì đây là năng lượng và kích thước mà tại đó các hiệu ứng lượng tử không còn có thể bị bỏ qua trong lý thuyết tương đối. Và, như chúng ta đã thấy, đây là một năng lượng cao hơn nhiều so với chúng ta có thể hy vọng sẽ đạt được bên trong máy gia tốc hạt bất cứ lúc nào. Để cho một cảm giác về sự chênh lệch giữa các lý thuyết hiện tại và một lý thuyết về mọi thứ, nếu chúng ta đại diện cho năng lượng của các hạt chúng ta có thể phát hiện là chiều rộng của màng tế bào, năng lượng Planck là kích thước của Trái đất. Mặc dù có thể hình dung rằng ai đó có hiểu biết thấu đáo về màng tế bào có thể dự đoán các cấu trúc khác trong tế bào - những thứ như DNA và ty thể - không thể tin được rằng họ có thể dự đoán chính xác Trái đất. Làm thế nào có khả năng họ có thể dự đoán núi lửa, đại dương hoặc từ trường của Trái đất?
Một thực tế đơn giản là với khoảng cách lớn như vậy giữa năng lượng hiện có thể đạt được trong máy gia tốc hạt và năng lượng Planck, việc đưa ra một lý thuyết chính xác về mọi thứ dường như không thể thực hiện được.
Điều đó không có nghĩa là các nhà vật lý nên nghỉ hưu và vẽ tranh phong cảnh - vẫn còn nhiều việc phải làm. Chúng ta vẫn cần hiểu các hiện tượng không giải thích được như vật chất tối và năng lượng tối, chiếm tới 95% vũ trụ đã biết và sử dụng sự hiểu biết đó để tạo ra một lý thuyết vật lý mới hơn, toàn diện hơn. Lý thuyết mới hơn này sẽ không phải là TOE, nhưng sẽ tốt hơn so với khung lý thuyết hiện tại. Chúng tôi sẽ phải lặp lại quá trình đó nhiều lần.
Thất vọng? Tôi cũng vậy, sau tất cả, tôi đã dành cả cuộc đời mình để cố gắng khám phá một số bí mật của vũ trụ, nhưng có lẽ một số quan điểm là theo thứ tự. Sự thống nhất lực lượng đầu tiên đã được thực hiện vào những năm 1670 với thuyết hấp dẫn phổ quát của Newton. Lần thứ hai là vào những năm 1870 với lý thuyết điện từ của Maxwell. Sự thống nhất điện yếu là tương đối gần đây, chỉ nửa thế kỷ trước.
Cho rằng 350 năm đã trôi qua kể từ bước thành công lớn đầu tiên của chúng tôi trong hành trình này, có lẽ ít ngạc nhiên hơn khi con đường phía trước của chúng tôi vẫn còn dài hơn. Quan niệm rằng một thiên tài sẽ có một cái nhìn sâu sắc dẫn đến một lý thuyết phát triển đầy đủ về mọi thứ trong vài năm tới là một huyền thoại. Chúng ta đang ở trong một thời gian dài - và thậm chí là cháu của các nhà khoa học ngày nay sẽ không thấy sự kết thúc của nó.
Nhưng thật là một hành trình.
Don Lincoln là một nhà nghiên cứu vật lý tại Fermilab. Ông là tác giả của "Máy va chạm Hadron lớn: Câu chuyện phi thường của Higgs Boson và những thứ khác sẽ thổi bay tâm trí của bạn"(Johns Hopkins University Press, 2014), và ông tạo ra một loạt giáo dục khoa học video. Theo dõi anh ấy trên Facebook. Các ý kiến thể hiện trong bình luận này là của mình.
Don Lincoln đã đóng góp bài viết này cho Live Science's Tiếng nói chuyên gia: Op-Ed & Insights. Xuất bản lần đầu trên Khoa học trực tiếp.
