นักฟิสิกส์ทฤษฎีผู้ได้รับรางวัลโนเบลปี 2004 จากการค้นพบอิสรภาพเชิงเส้นกำกับกล่าวว่า โอกาสที่มนุษยชาติจะมีชีวิตอยู่ต่อไปอีก 50 ปีนั้นมีน้อยมาก เมื่อเร็วๆ นี้ David Gross ได้รับรางวัลพิเศษ Breakthrough Prize มูลค่า 3 ล้านเหรียญสหรัฐในสาขาฟิสิกส์พื้นฐาน เขาทุ่มเทเวลาหลายทศวรรษในการพัฒนาทฤษฎีสตริงที่พยายามรวมแรงโน้มถ่วงเข้ากับแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค
คำกล่าวดังกล่าวเกิดขึ้นในระหว่างการสัมภาษณ์เกี่ยวกับความพยายามในการสร้างทฤษฎีที่เป็นหนึ่งเดียวของพลังแห่งธรรมชาติทั้งหมด กรอสส์เน้นย้ำว่าอุปสรรคสำคัญในปัจจุบันไม่ใช่ตัววิทยาศาสตร์เอง เวลาที่มีอยู่สำหรับเผ่าพันธุ์มนุษย์อาจหมดลงก่อนที่จะมีการทดสอบเชิงทดลองที่เป็นข้อสรุป
เส้นทางสู่รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์
กรอสเริ่มสนใจวิชาฟิสิกส์ตั้งแต่ยังเป็นวัยรุ่น เขาได้รับหนังสือที่ลงนามโดย Albert Einstein ซึ่งเกี่ยวกับวิวัฒนาการของฟิสิกส์ ของขวัญดังกล่าวมาจากสมาชิกในครอบครัวของลีโอโปลด์ อินเฟลด์ ผู้ร่วมงานกับไอน์สไตน์ การอ่านทำให้เขาเชื่อว่าคณิตศาสตร์ที่ประยุกต์ใช้กับโลกแห่งความเป็นจริงนั้นน่าหลงใหลมากกว่าปริศนาเชิงนามธรรม
หลายปีต่อมา ในฐานะเพื่อนนักศึกษาหลังปริญญาเอก เขามีส่วนร่วมในการทดลองที่ยิงอิเล็กตรอนปะทะโปรตอนที่มีพลังงานสูง ผลการวิจัยพบว่าอนุภาคจุดภายในโปรตอนมีพฤติกรรมในลักษณะที่ไม่คาดคิด พวกมันปรากฏอย่างอิสระในระยะทางสั้นๆ ซึ่งขัดแย้งกับแนวคิดที่ว่าควาร์กจะถูกจำกัด
Gross and his collaborators Frank Wilczek and H. David Politzer then developed the concept of asymptotic freedom. The strong force between quarks weakens as they approach each other and strengthens as they move apart. This property allowed us to build quantum chromodynamics. งานนี้อธิบายรายละเอียดของกำลังแรงได้ครบถ้วนและช่วยรวมแบบจำลองมาตรฐานซึ่งรวมปฏิสัมพันธ์ระหว่างกำลังแรง อ่อน และแม่เหล็กไฟฟ้าเข้าไว้ด้วยกัน
ทั้งสามคนได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี พ.ศ. 2547 การคำนวณในขณะนั้นยังคงได้รับการปรับปรุงให้มีความแม่นยำมากขึ้นในระยะทางสั้นๆ
ความท้าทายในการรวมแรงโน้มถ่วงไว้ในสมการ
แบบจำลองมาตรฐานอธิบายแรงพื้นฐานสามในสี่แรงได้ดี แรงโน้มถ่วง ซึ่งอธิบายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ยังคงแยกจากกัน เมื่อพยายามรวมทฤษฎีในระดับที่เล็กมากหรือพลังงานที่สูงมาก แรงโน้มถ่วงจะรบกวนในลักษณะที่ไม่เข้ากันกับสมการควอนตัม
Gross ใช้เวลาสองสามทศวรรษที่ผ่านมามุ่งเน้นไปที่ทฤษฎีสตริง วิธีการเหล่านี้ถือว่าอนุภาคเป็นการสั่นของเส้นเอ็นมิติเดียวในอวกาศที่มีมิติพิเศษ วัตถุประสงค์คือการอธิบายแรงโน้มถ่วงว่าเป็นไดนามิกของอวกาศ-เวลาในระดับควอนตัม คำถามเหล่านี้นอกเหนือไปจากการรวมกันเป็นหนึ่งเดียว โดยกล่าวถึงธรรมชาติของกาลอวกาศในระยะทางอันจำกัดและวิวัฒนาการในยุคแรกเริ่มของจักรวาล
- สตริงจะแทนที่จุดอนุภาคด้วยวัตถุแบบขยาย
- มิติพิเศษที่กระชับจะอธิบายว่าทำไมเราไม่สังเกตเห็นมัน
- ทฤษฎีทำนายแรงโน้มถ่วงควอนตัมตามธรรมชาติ
- การคาดการณ์ที่ทดสอบได้โดยตรงเกี่ยวกับพลังงานราคาไม่แพงยังขาดอยู่
- การทดลองในอนาคตกับเครื่องเร่งความเร็วหรือการสังเกตทางจักรวาลวิทยาอาจเป็นเบาะแสได้
นักวิจัยเผชิญกับปัญหาทางเทคนิคในการควบคุมการคำนวณเมื่อมีแรงเพิ่มขึ้น คำถามเกี่ยวกับการกักขังควาร์กยังคงเปิดอยู่แม้จะผ่านการศึกษามาครึ่งศตวรรษแล้วก็ตาม
ความเสี่ยงที่มีอยู่ซึ่งจำกัดขอบเขตของวิทยาศาสตร์
กรอสระบุในการให้สัมภาษณ์ว่าปัจจุบันเขาอุทิศเวลาส่วนหนึ่งเพื่อเตือนเกี่ยวกับความน่าจะเป็นที่ต่ำของการอยู่รอดโดยรวมในทศวรรษข้างหน้า เขาอ้างถึงการประมาณการในยุคสงครามเย็นว่ามีโอกาสเกิดสงครามนิวเคลียร์ 1% ต่อปี แต่ถือว่าความเสี่ยงที่แท้จริงในปัจจุบันนั้นใกล้เคียงกับ 2% ต่อปี ด้วยดัชนีนี้ อายุขัยเฉลี่ยจะอยู่ที่ประมาณ 35 ปี
นักฟิสิกส์วัย 83 ปีรายนี้มองไม่เห็นอุปสรรคทางวิทยาศาสตร์ที่ผ่านไม่ได้ต่อทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัม ปัญหาที่ใหญ่ที่สุดคือความต่อเนื่องของอารยธรรมมนุษย์ หากไม่มีเสถียรภาพทางภูมิรัฐศาสตร์และการควบคุมคลังแสงนิวเคลียร์ กำหนดเวลาสำหรับการทดลองที่ตรวจสอบความถูกต้องของการรวมกันโดยสมบูรณ์ก็อาจไม่มีวันมาถึง
การสนทนาเกิดขึ้นไม่นานหลังจากที่เขาได้รับรางวัล Breakthrough Gross ยังคงกระตือรือร้นในการอภิปรายเกี่ยวกับรากฐานของฟิสิกส์ในขณะเดียวกันก็สะท้อนบริบทที่กว้างขึ้นของกิจกรรมทางวิทยาศาสตร์
ทฤษฎีแบบครบวงจรจะเป็นตัวแทนอะไร
คำอธิบายที่สมบูรณ์ของแรงทั้งสี่จะทำให้เราสามารถคำนวณปรากฏการณ์ในระดับบิ๊กแบงหรือภายในหลุมดำได้ มันจะตอบคำถามว่าจักรวาลเกิดขึ้นได้อย่างไรและกาลอวกาศมีพฤติกรรมอย่างไรในระบอบการปกครองที่รุนแรง ในปัจจุบัน การคาดการณ์แบบจำลองมาตรฐานจะจับคู่ข้อมูลการทดลองด้วยความแม่นยำที่น่าประทับใจในหลายกรณี การรวมแรงโน้มถ่วงจะเปลี่ยนสิ่งนี้ไปอีกระดับหนึ่ง
อย่างไรก็ตาม Gross จำได้ว่าความก้าวหน้าขึ้นอยู่กับสภาพการปฏิบัติจริง เครื่องเร่งอนุภาคต้องใช้ทรัพยากรขนาดยักษ์และใช้เวลาก่อสร้างนานนับทศวรรษ หอดูดาวอวกาศและเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงให้ข้อมูลใหม่แล้ว แต่ก็ยังไม่ถึงพลังงานที่จำเป็นสำหรับการทดสอบทฤษฎีสตริงขั้นสุดท้าย
งานของกรอสส์มีอิทธิพลต่อนักฟิสิกส์รุ่นต่อรุ่น การมีส่วนร่วมครั้งแรกของเขาทำให้สามารถคำนวณกระบวนการนิวเคลียร์ด้วยเครื่องมือควอนตัมที่เชื่อถือได้ ระยะปัจจุบันพยายามที่จะขยายความเข้าใจนี้ไปสู่โครงสร้างของจักรวาล
ขั้นตอนต่อไปในการวิจัยกองกำลังพื้นฐาน
ห้องปฏิบัติการทั่วโลกวางแผนที่จะอัพเกรดเครื่องชนอนุภาค ข้อเสนอรวมถึงเครื่องจักรที่ทำงานด้วยพลังงานที่สูงกว่าเพื่อตรวจสอบเครื่องชั่งขนาดเล็ก ในเวลาเดียวกัน นักจักรวาลวิทยาจะวิเคราะห์รังสีไมโครเวฟพื้นหลังคอสมิกและโครงสร้างขนาดใหญ่เพื่อหาสัญญาณทางอ้อม
กรอสยังคงมองโลกในแง่ดีเกี่ยวกับศักยภาพทางปัญญาของฟิสิกส์เชิงทฤษฎี เขามองว่าสาขานี้สามารถก้าวข้ามขอบเขตความรู้ในปัจจุบันได้ ตามความเห็นของเขา ปัจจัยจำกัดยังคงเป็นปัจจัยภายนอกทางวิทยาศาสตร์