En byst av Max Planck får en snabb dammning. Planck är känd som en av grundfäderna för kvantteorin. Michael Gottschalk/AFP/Getty Images Oftare än sällan, de frågor som dyker upp under dagen är sådana vi alla kan svara ganska tryggt på. Har du ätit lunch? Hörde du Taylor Swifts nya låt? Är det en bekännelse om en pojke som hon träffade en gång?
Men när vi börjar fundera över de stora frågorna-den vi tar itu med idag frågar om kvantmekanik och allmän relativitet någonsin kan förenas-sjunker vår självförtroende. Har inte kvantmekanik något att göra med planeter? Är den allmänna relativiteten den med energi som motsvarar massan gånger ljusets hastighet i kvadrat? Vänta, var det massa eller rörelse? Eller minuter. Det är minuter, är det inte?
Ingen rädsla. Även om denna fråga är extremt svår att svara på, själva frågan är så enkel som att dechiffrera en popstjärnas text. Innan vi börjar lösa det olösliga universum, låt oss bryta ner komponenterna.
Låt oss först ta itu med kvantmekaniken. Och det är ett bra ställe att börja, eftersom det är studiet av något extremt litet - materia och strålning på atom- och subatomära nivåer. Det var egentligen först när forskare började förstå atomer som vanlig gammal fysik behövde lite ändringar. För som forskare tittade på atomer, de betedde sig inte som resten av universum. Till exempel, elektroner kretsade inte om kärnan som en planet som kretsade runt solen - i så fall de skulle ha gett sig in i kärnan [källa:Stedl].
Det blev klart att den klassiska fysiken inte skar den i atomskala. Så kvantmekaniken uppstod av en nödvändighet för att förstå hur mycket små fenomen agerade annorlunda än de stora sakerna inom vetenskapen. Vad vi upptäckte var att något som en foton kan fungera som en partikel (som bär massa och energi) och en våg (som bara bär energi). Det här är en stor sak - det kan vara två saker samtidigt. Och det betyder att de minsta delarna av universum fluktuerar dramatiskt, och utan något sätt att veta den specifika platsen när som helst.
Så nu förstår vi att kvantmekaniken i huvudsak öppnade upp hur vi tänker om universum (när det gäller de minsta skalorna). Partiklar kan vara vågor, till exempel. Bara för att lägga till det roliga, osäkerhetsprincipen för kvantmekanik säger oss att vi inte riktigt kan veta var en partikel är eller hur snabbt den rör sig samtidigt.
Einstein hade inte det. Tanken att vi inte riktigt kunde veta var en partikel var eller vad den gjorde måste ha varit djupt oroande för en fysiker som ägnade sig åt att definiera hur universum fungerade - vilket Einstein gjorde, med teorin om allmän relativitet.
Var inte rädd nu. Allmän relativitet har två stora idéer:en om rum och tid, en annan om gravitation. Som du och jag ser det, utrymme och tid är i bakgrunden. De är fixade. De existerar kronologiskt (och typ av monolitiskt.) I allmän relativitet, rum och tid är en enhetlig dimension (kallad rymdtid, bekvämt). Men här är saken:Space-time kan vara stor och enhetlig, men det hänger inte i bakgrunden. Teorin om allmän relativitet säger att rymdtid kan påverkas av materia. Det betyder att du - i sak, befintliga - förändrar rum och tid.
OK, inte exakt. Det är faktiskt riktigt stora saker som gör varv i tid-tid. Solen, till exempel, böjer rum-tid mot det. Och vad skulle det innebära? Ah, det stämmer:Mindre planeter skulle falla i en bana runt den.
Vilket leder oss till gravitationen. Verkligen, allmän relativitet var inte bara Einstein som klappade Newton på ryggen och sa:"Ja, herr, gravitation är en sak! "Istället, Einstein gav oss en orsak till tyngdkraften-att rymdtidens krökning gjorde att gravitationen existerade, och fick universum att agera som det gjorde.
Så vad är problemet? Einstein visade oss ett häpnadsväckande sätt universum fungerar, och kvantmekanik visar oss ett fascinerande sätt som partiklar på atomär och subatomär nivå fungerar. Tyvärr, det ena förklarar inte det andra. Vilket betyder att det måste finnas någon större teori som omfattar dem ... eller inte?
Ett svart hål kan vara en av de bästa satsningarna för att ta reda på hur kvantmekanik och relativitet förhåller sig till varandra. På bilden här är ett stort svart hål som tar gas från en följeslagare. Bild med tillstånd av NASA E/PO, Sonoma State University, Aurore Simonnet Vi kan inte förstå hur kvantmekanik och den allmänna relativitetsteorin kan förena sig utan att först förstå hur de - just nu - inte gör det. För det visar sig att ingen av dem verkligen fungerar om det andra är sant.
Einstein sa att rymdtid är en jämn konstant, och att bara stora saker kan förvränga det. Kvantmekaniken sa att de minsta delarna av universum ständigt är, dramatiskt fluktuerande och förändrande.
Om kvantmekaniken är korrekt och allt är i oklar rörelse hela tiden, då skulle tyngdkraften inte fungera som Einstein förutspådde. Rymdtid måste också ständigt stå i strid med allt omkring det, och skulle agera därefter. Dessutom, kvantmekanik sa att du inte med säkerhet kan deklarera en bestämd ordning. Istället, du fick nöja dig med att förutsäga sannolikheter.
Å andra sidan, om den allmänna relativiteten är korrekt, då kunde inte materien svänga så vilt. Du skulle, vid något tillfälle, kunna veta var allt är och exakt vart det tar vägen. Som, på nytt, strider mot kvantmekanik.
Men var säker på att forskare, både fysiker och fåtöljexperter försöker alla desperat hitta ett sätt att förena de två. En föregångare är strängteori, som säger istället för att en partikel fungerar som en prick, det fungerar som en sträng. Det betyder att det skulle kunna vinka och flytta och loopa och i allmänhet göra alla möjliga saker som en punkt inte kunde. Det kan också överföra tyngdkraften på en kvantnivå, och spridningen av partiklarna på en sträng skulle teoretiskt sett göra det mindre hoppigt, mindre galen stämning. Vilket öppnar teorin, självklart, att hålla med allmän relativitet. Men kom ihåg att strängteori aldrig har bekräftats med något experiment - och det finns mycket debatt om det alls kan bevisas.
Om ett sådant monumentalt experiment skulle ske, det skulle sannolikt hända vid en partikelaccelerator. Det är där vi kan hitta superpartners. (Nej, inte Batman och Robin). Superpartners är en del av strängteorin som säger att varje partikel har en supersymmetrisk partnerpartikel som är instabil och som snurrar annorlunda (t.ex. elektronen och selektronen eller graviton och gravitino). Tur för oss, 2010 hittade vi bevis på vårt första Higgs -boson när partiklar kraschade ihop i Large Hadron Collider, så vi kanske är på väg att experimentellt bevisa strängteori.
Spin kan också hjälpa oss att experimentera med kvantsammanflätning , där elektroner fastnar i varandras snurr. Det är lätt att se i små utrymmen, men forskare arbetar med att skicka foton till rymden och tillbaka för att mäta hur det fungerar över ett stort avstånd - och krökning - av rum och tid.
Men vi kan också titta på svarta hål för att få en teori om allt (en TOE!). I ett svart hål, du har en riktigt tung sak (en stjärna, vilken allmänna relativitet gäller) och en riktigt liten sak (den lilla fläcken den krossas i, som kvantmekaniken förklarar). Så om vi kan avgöra vad som händer - eller vad som förändras - när det stora blir litet, vi kan bara förena kvantmekanik och den allmänna relativitetsteorin.
Ibland, Jag önskar att en artikels rubrik bara var en ansvarsfriskrivning:"Var inte rädd för detta ämne." Det är synd att dessa stora idéer - Einsteins teorier, kvantmekanik - har rykte om sig att vara bortom allmänhetens förståelse. Säker, matematiken bakom den är bortom de flesta av oss, men man kan förstå idéerna utan det. Det finns inga drakar i fysiken; var inte rädd för att sussa ut det du inte vet.
