Nel 1925, Einstein fece una passeggiata con un giovane studente di nome Esther Salaman. Mentre vagavano, condivideva il suo principio intellettuale guida fondamentale: "Voglio sapere come Dio ha creato questo mondo. Non mi interessa questo o quel fenomeno, nello spettro di questo o quell'elemento. Voglio conoscere i Suoi pensieri; il resto sono solo dettagli ".
La frase "pensieri di Dio" è una metafora deliziosamente adatta allo scopo ultimo della fisica moderna, che è quello di sviluppare una perfetta comprensione delle leggi della natura - ciò che i fisici chiamano "una teoria di tutto", o TOE. Idealmente, un TOE risponderebbe a tutte le domande, senza lasciare nulla senza risposta. Perchè il cielo è blu? Coperto. Perché esiste la gravità? Anche questo è coperto. Dichiarato in modo più scientifico, un TOE spiegherebbe idealmente tutti i fenomeni con una singola teoria, un singolo blocco e una sola forza. Secondo me, trovare un TOE potrebbe richiedere centinaia, o addirittura migliaia, di anni. Per capire perché, facciamo un bilancio.
Conosciamo due teorie che, una volta messe insieme, danno una buona descrizione del mondo che ci circonda, ma entrambe sono anni luce dall'essere un TOE.
La seconda teoria si chiama Standard Model, che descrive il mondo subatomico. È in questo settore che gli scienziati hanno compiuto i progressi più ovvi verso una teoria di tutto.
Se guardiamo il mondo che ci circonda - il mondo di stelle e galassie, barboncini e pizza, possiamo chiederci perché le cose abbiano le loro proprietà. Sappiamo che tutto è composto da atomi e quegli atomi sono costituiti da protoni, neutroni ed elettroni.
E, negli anni '60, i ricercatori hanno scoperto che i protoni e i neutroni erano fatti di particelle ancora più piccole chiamate quark e che l'elettrone era un membro della classe di particelle chiamate leptoni.
Trovare i blocchi più piccoli è solo il primo passo per escogitare una teoria di tutto. Il prossimo passo è capire le forze che governano il modo in cui interagiscono i mattoni. Gli scienziati conoscono quattro forze fondamentali, tre delle quali - l'elettromagnetismo e le forze nucleari forti e deboli - sono comprese a livello subatomico. L'elettromagnetismo tiene insieme gli atomi ed è responsabile della chimica. La forza forte tiene insieme il nucleo degli atomi e mantiene i quark all'interno di protoni e neutroni. La forza debole è responsabile di alcuni tipi di decadimento nucleare.
Ciascuna delle forze subatomiche note ha una particella o particelle associate che portano quella forza: il gluone trasporta la forza forte, il fotone governa l'elettromagnetismo e i bosoni W e Z controllano la forza debole. C'è anche un campo di energia spettrale, chiamato campo di Higgs, che permea l'universo e dà massa a quark, leptoni e alcune delle particelle che trasportano forza. Nel loro insieme, questi elementi costitutivi e forze costituiscono il Modello standard.
Usando quark e leptoni e le particelle note che trasportano forza, si possono costruire atomi, molecole, persone, pianeti e, in effetti, tutta la materia nota dell'universo. Questo è senza dubbio un risultato eccezionale e una buona approssimazione di una teoria di tutto.
Eppure non lo è. L'obiettivo è quello di trovare un singolo blocco di costruzione e una sola forza che possa spiegare la materia e il movimento dell'universo. Il modello standard ha 12 particelle (sei quark e sei leptoni) e quattro forze (elettromagnetismo, gravità e forze nucleari forti e deboli). Inoltre, non esiste una teoria quantistica della gravità nota (il che significa che la nostra attuale definizione copre solo la gravità che coinvolge cose più grandi, ad esempio, della polvere comune), quindi la gravità non fa nemmeno parte del Modello Standard. Quindi, i fisici continuano a cercare una teoria ancora più fondamentale e fondamentale. Per fare ciò devono ridurre il numero di elementi costitutivi e di forze.
Trovare un blocco più piccolo sarà difficile, perché richiede un acceleratore di particelle più potente di quanto gli umani non abbiano mai costruito. L'orizzonte temporale di una nuova struttura di acceleratori in linea è di diversi decenni e tale struttura fornirà solo un miglioramento incrementale relativamente modesto rispetto alle capacità esistenti. Pertanto, gli scienziati devono invece speculare su come potrebbe essere un blocco di costruzione più piccolo. Un'idea popolare si chiama teoria delle superstringhe, che postula che il più piccolo blocco di costruzione non è una particella, ma piuttosto una "stringa" piccola e vibrante. Allo stesso modo in cui una corda di violoncello può suonare più di una nota, i diversi schemi di vibrazioni sono i diversi quark e leptoni. In questo modo, un singolo tipo di stringa potrebbe essere l'ultimo blocco predefinito.
Il problema è che non esistono prove empiriche che effettivamente esistano le superstringhe. Inoltre, l'energia prevista necessaria per vederli è chiamata energia di Planck, che è un quadrilione (10 aumentati alla 15a potenza) volte più alto di quanto possiamo attualmente generare. La grandissima energia di Planck è intimamente connessa a quella che è conosciuta come la lunghezza di Planck, una lunghezza insondabilmente minuscola oltre la quale gli effetti quantistici diventano così grandi che è letteralmente impossibile misurare qualcosa di più piccolo. Nel frattempo, vai più piccolo della lunghezza di Planck (o più grande dell'energia di Planck) e gli effetti quantistici della gravità tra fotoni o particelle di luce diventano importanti e la relatività non funziona più. Ciò rende probabile che questa sia la scala alla quale verrà compresa la gravità quantistica. Questo è, ovviamente, tutto molto speculativo, ma riflette la nostra migliore previsione attuale. E, se fosse vero, le superstringhe dovranno rimanere speculative per il prossimo futuro.
La pletora di forze è anche un problema. Gli scienziati sperano di "unificare" le forze, dimostrando che sono solo manifestazioni diverse di una singola forza. (Sir Isaac Newton fece proprio questo quando mostrò la forza che fece cadere le cose sulla Terra e la forza che governava il movimento dei cieli era la stessa cosa; James Clerk Maxwell mostrò che l'elettricità e il magnetismo erano comportamenti davvero diversi di una forza unificata chiamato elettromagnetismo.)
Negli anni '60, gli scienziati furono in grado di dimostrare che la debole forza nucleare e l'elettromagnetismo erano in realtà due diversi aspetti di una forza combinata chiamata forza elettrodebole. Ora, i ricercatori sperano che la forza elettrodebole e la forza forte possano essere unificate in quella che viene chiamata una grande forza unificata. Quindi, sperano che la grande forza unificata possa essere unificata con la gravità per fare una teoria di tutto.
Tuttavia, i fisici sospettano che questa unificazione finale avrebbe luogo anche sull'energia di Planck, sempre perché questa è l'energia e le dimensioni a cui gli effetti quantistici non possono più essere ignorati nella teoria della relatività. E, come abbiamo visto, questa è un'energia molto più elevata di quanto possiamo sperare di ottenere presto all'interno di un acceleratore di particelle. Per dare un senso all'abisso tra le attuali teorie e una teoria di tutto, se rappresentassimo le energie delle particelle che noi può rilevare come la larghezza di una membrana cellulare, l'energia di Planck è la dimensione della Terra. Mentre è concepibile che qualcuno con una conoscenza approfondita delle membrane cellulari possa predire altre strutture all'interno di una cellula - cose come il DNA e i mitocondri - è inconcepibile che possano prevedere con precisione la Terra. Quanto è probabile che possano prevedere vulcani, oceani o campo magnetico terrestre?
Il semplice fatto è che con un divario così ampio tra l'energia attualmente raggiungibile negli acceleratori di particelle e l'energia di Planck, elaborare correttamente una teoria di tutto sembra improbabile.
Ciò non significa che i fisici dovrebbero ritirarsi e dedicarsi alla pittura di paesaggio - c'è ancora un lavoro significativo da fare. Dobbiamo ancora comprendere fenomeni inspiegabili come la materia oscura e l'energia oscura, che costituiscono il 95% dell'universo noto, e usare questa comprensione per creare una teoria della fisica più nuova e più completa. Questa nuova teoria non sarà un TOE, ma sarà progressivamente migliore dell'attuale quadro teorico. Dovremo ripetere questo processo ancora e ancora.
Deluso? Anch'io. Dopo tutto, ho dedicato la mia vita a cercare di scoprire alcuni dei segreti del cosmo, ma forse una prospettiva è in ordine. La prima unificazione delle forze fu compiuta nel 1670 con la teoria della gravità universale di Newton. Il secondo risale al 1870 con la teoria dell'elettromagnetismo di Maxwell. L'unificazione elettrodebole era relativamente recente, solo mezzo secolo fa.
Dato che sono trascorsi 350 anni dal nostro primo grande passo di successo in questo viaggio, forse è meno sorprendente che il percorso davanti a noi sia ancora più lungo. L'idea che un genio avrà un'intuizione che si tradurrà in una teoria completamente sviluppata di tutto nei prossimi anni è un mito. Ci aspetta un lungo sorso - e anche i nipoti degli scienziati di oggi non vedranno la fine.
Ma che viaggio sarà.
Don Lincoln è un ricercatore di fisica presso Fermilab. È autore di "The Large Hadron Collider: la straordinaria storia del bosone di Higgs e altre cose che ti lasceranno a bocca aperta"(Johns Hopkins University Press, 2014), e produce una serie di educazione scientifica video. Seguilo su Facebook. Le opinioni espresse in questo commento sono le sue.
Don Lincoln ha contribuito con questo articolo a Live Science Voci di esperti: Op-Ed e approfondimenti. Originariamente pubblicato su scienze dal vivo.
