https://madrid.hostmaster.org/articles/physics_beyond_the_standard_model/th.html
จนถึงปี 2012 แบบจำลองมาตรฐาน (Standard Model: SM) ได้รับการพัฒนาครบถ้วนในทางทฤษฎีด้วยการยืนยันการมีอยู่ของโบซอนฮิกส์ (Higgs Boson) ในเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ (Large Hadron Collider: LHC) ที่ CERN อนุภาคทุกตัวที่ถูกทำนายไว้ถูกค้นพบ สมการของมันผ่านการทดสอบทุกครั้งด้วยความแม่นยำที่น่าทึ่ง
ถึงกระนั้น บรรยากาศในวงการฟิสิกส์ไม่ได้รู้สึกถึงความสมบูรณ์ แต่เป็นความรู้สึกว่ายังขาดอะไรบางอย่าง เช่นเดียวกับกฎของนิวตันก่อนหน้าไอน์สไตน์ หรือฟิสิกส์คลาสสิกก่อนหน้าควอนตัมเมคานิกส์ แบบจำลองมาตรฐานนั้นประสบความสำเร็จเกินไปในระดับที่เราสามารถทดสอบได้ แต่ไม่สามารถตอบคำถามที่ลึกซึ้งกว่าได้ มันเหมือนแผนที่ที่เกือบสมบูรณ์แบบ — แต่ครอบคลุมเพียงส่วนเล็ก ๆ ของภูมิทัศน์เท่านั้น
ข้อบกพร่องที่ชัดเจนที่สุดคือแรงโน้มถ่วง
นี่ไม่ใช่แค่การมองข้ามเล็กน้อย ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมองว่าแรงโน้มถ่วงคือการโค้งของกาลอวกาศ ซึ่งเป็นสนามเรขาคณิตที่ราบรื่น ในขณะที่แบบจำลองมาตรฐานมองว่าแรงเป็นสนามควอนตัมที่ถูกถ่ายทอดโดยอนุภาค ความพยายามในการทำให้แรงโน้มถ่วงเป็นควอนตัมในลักษณะเดียวกันต้องเผชิญกับความไม่มีที่สิ้นสุดที่ไม่สามารถทำให้เป็นปกติได้
แบบจำลองมาตรฐานและ GR เหมือนระบบปฏิบัติการสองระบบที่แตกต่างกัน — ยอดเยี่ยมในขอบเขตของตัวเอง แต่เข้ากันไม่ได้โดยพื้นฐาน การประสานทั้งสองนี้อาจเป็นความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของฟิสิกส์ในปัจจุบัน
แบบจำลองมาตรฐานทำนายว่านิวตริโนไม่มีมวล แต่การทดลอง เริ่มจากเครื่องตรวจจับ Super-Kamiokande ในญี่ปุ่น (1998) และได้รับการยืนยันทั่วโลก แสดงว่านิวตริโนมีการสั่น (oscillation) ระหว่างรสชาติ (flavors) ต่าง ๆ (อิเล็กตรอน, มิวออน, เทา) การสั่นนี้ต้องใช้มวล
นี่คือหลักฐานแรกที่ได้รับการยืนยันสำหรับฟิสิกส์นอกเหนือจากแบบจำลองมาตรฐาน การค้นพบนี้ทำให้คาจิตะและแมคโดนัลด์ได้รับรางวัลโนเบลในปี 2015
นิวตริโนมีน้ำหนักเบามาก อย่างน้อยหนึ่งล้านเท่าเบากว่าelectron มวลของมันไม่ได้ถูกอธิบายโดยแบบจำลองมาตรฐาน — แต่อาจบ่งชี้ถึงฟิสิกส์ใหม่ เช่น กลไก seesaw, นิวตริโนที่เป็นหมัน (sterile neutrinos), หรือความเชื่อมโยงกับจักรวาลยุคแรก ในบางสถานการณ์ นิวตริโน seesaw ที่หนักทำให้ leptogenesis เป็นไปได้ ซึ่งเกิดความไม่สมดุลของเลปตอนในจักรวาลยุคแรก และต่อมาแปลงเป็น ความไม่สมดุลของสสารและปฏิสสาร ที่สังเกตเห็น
สสารที่มองเห็นได้ ซึ่งอธิบายโดยแบบจำลองมาตรฐาน ประกอบด้วยน้อยกว่า 5% ของจักรวาล ส่วนที่เหลือมองไม่เห็น
ทฤษฎีเสนออนุภาคใหม่: WIMPs (อนุภาคที่มีมวลมากและมีปฏิกิริยาอ่อน), แอกซิออน (axions), นิวตริโนที่เป็นหมัน, หรือสิ่งที่แปลกประหลาดกว่านั้น แต่ถึงแม้จะค้นหากันมาหลายทศวรรษ — เครื่องตรวจจับใต้ดิน, การทดลองในเครื่องเร่งอนุภาค, การสังเกตทางดาราศาสตร์ — สสารมืดยังคงเข้าใจยาก
ยิ่งลึกลับกว่าคือ พลังงานมืด, แรงที่ขับเคลื่อนการขยายตัวอย่างเร่งของจักรวาล
ปัญหานี้ ปัญหาค่าคงที่จักรวาล อาจเป็นการปะทะที่รุนแรงที่สุดระหว่างทฤษฎีสนามควอนตัมและแรงโน้มถ่วง แบบจำลองมาตรฐานไม่ได้กล่าวอะไรเกี่ยวกับพลังงานมืด นี่คือช่องว่างมหาศาลในความเข้าใจของเราเกี่ยวกับจักรวาล
ปริศนาลึกซึ้งอีกประการหนึ่งอยู่ในโบซอนฮิกส์เอง
มวลของฮิกส์ที่วัดได้คือ 125 GeV แต่การแก้ไขควอนตัมควรผลักดันให้มันไปถึงระดับของแพลนก์ (\(10^{19}\) GeV) เว้นแต่จะมีการยกเลิกอย่างมหัศจรรย์ ทำไมมันถึงเบาขนาดนี้เมื่อเทียบกับระดับพลังงานธรรมชาติของแรงโน้มถ่วง?
นี่คือ ปัญหาโครงสร้างชั้น: ฮิกส์ดูเหมือนถูกปรับแต่งอย่างไม่เป็นธรรมชาติ นักฟิสิกส์สงสัยว่ามีฟิสิกส์ใหม่ เช่น ซูเปอร์ซิมเมทรี (SUSY), ที่อาจทำให้มวลของฮิกส์มีเสถียรภาพโดยการแนะนำอนุภาคคู่หูที่ยกเลิกการแก้ไขที่เป็นอันตราย (การสนทนาเกี่ยวกับ ความเป็นธรรมชาติ รวมถึงแนวคิดจากวิธีแก้ปัญหาแบบไดนามิกไปจนถึงการให้เหตุผลแบบ มนุษยนิยม ใน “ภูมิทัศน์” ที่เป็นไปได้ของสุญญากาศ)
แบบจำลองมาตรฐานมีการละเมิด CP บางส่วน แต่ไม่เพียงพอที่จะอธิบายว่าทำไมจักรวาลในปัจจุบันจึงเต็มไปด้วยสสารมากกว่าสสารและปฏิสสารในปริมาณที่เท่ากัน ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น กลไกเช่น leptogenesis (มักเกี่ยวข้องกับต้นกำเนิดของมวลนิวตริโนผ่าน seesaw) เสนอวิธีที่น่าสนใจที่ฟิสิกส์นอกเหนือจากแบบจำลองมาตรฐานรบกวนความสมดุล
แบบจำลองมาตรฐานบางครั้งถูกเรียกว่า “ทฤษฎีที่ประสบความสำเร็จที่สุดในฟิสิกส์” การทำนายของมันสอดคล้องกับการทดลองด้วยความแม่นยำถึง 10-12 ทศนิยม มันอธิบายเกือบทุกอย่างที่เราเห็นในเครื่องเร่งอนุภาคและห้องปฏิบัติการ
แต่มันไม่สมบูรณ์:
นักฟิสิกส์กำลังเผชิญกับช่วงเวลาที่คุ้นเคยในประวัติศาสตร์ เช่นเดียวกับที่กลศาสตร์นิวตันต้องหลีกทางให้กับสัมพัทธภาพ และฟิสิกส์คลาสสิกต้องหลีกทางให้กับควอนตัมเมคานิกส์ แบบจำลองมาตรฐานในที่สุดต้องหลีกทางให้กับสิ่งที่ลึกซึ้งกว่า
เป้าหมายสูงสุดคือ ทฤษฎีรวมใหญ่ (Grand Unified Theory: GUT) หรือแม้แต่ ทฤษฎีของทุกสิ่ง (Theory of Everything: ToE): กรอบที่รวมทั้งสี่แรง, อธิบายทุกอนุภาค, และทำงานอย่างสอดคล้องจากระดับที่เล็กที่สุด (ควอนตัมกราวิที) ไปจนถึงระดับที่ใหญ่ที่สุด (จักรวาลวิทยา)
นี่คือจอกศักดิ์สิทธิ์ของฟิสิกส์สมัยใหม่ นี่คือเหตุผลที่นักวิจัยผลักดันเครื่องเร่งอนุภาคไปสู่พลังงานที่สูงขึ้น, สร้างเครื่องตรวจจับนิวตริโนขนาดใหญ่, ทำแผนที่จักรวาลด้วยกล้องโทรทรรศน์, และประดิษฐ์คณิตศาสตร์ใหม่ที่กล้าหาญ
บทต่อไปจะสำรวจผู้สมัครชั้นนำ:
แต่ละแนวคิดเหล่านี้เกิดขึ้นไม่ใช่ในฐานะหลักความเชื่อ แต่เป็นวิทยาศาสตร์ในรูปแบบที่ดีที่สุด: การสังเกตข้อบกพร่อง, สร้างทฤษฎีใหม่, และทดสอบมันกับความเป็นจริง
ฟิสิกส์ก้าวหน้าผ่านการรวมกันโดยความสมมาตร สมการของแมกซ์เวลรวมไฟฟ้าและแม่เหล็ก ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษรวมอวกาศและเวลา ทฤษฎีอิเล็กโตรวีครวมสองในสี่แรงพื้นฐาน แต่ละก้าวกระโดดเกิดจากการค้นพบความสมมาตรที่ซ่อนอยู่ในธรรมชาติ
ซูเปอร์ซิมเมทรี — หรือ SUSY, ตามที่นักฟิสิกส์เรียกอย่างรักใคร่ — เป็นข้อเสนอที่กล้าหาญว่าความสมมาตรใหญ่ต่อไปเชื่อมโยงสองประเภทที่ดูเหมือนแตกต่างกัน: สสาร และ แรง
ในแบบจำลองมาตรฐาน อนุภาคแบ่งออกเป็นสองตระกูลใหญ่:
เฟอร์มิออน (สปิน 1/2): รวมถึงควาร์กและเลปตอน ซึ่งเป็นหน่วยพื้นฐานของสสาร สปินครึ่งจำนวนเต็มของมันหมายความว่ามันปฏิบัติตามหลักการกีดกันของพอลี: เฟอร์มิออนที่เหมือนกันสองตัวไม่สามารถอยู่ในสถานะเดียวกันได้ นี่คือเหตุผลที่อะตอมมีเปลือกที่มีโครงสร้างและสสารมีความเสถียร
โบซอน (สปินจำนวนเต็ม): รวมถึงโฟตอน, กาวออน, W และ Z โบซอน, และฮิกส์ โบซอนถ่ายทอดแรง ต่างจากเฟอร์มิออน พวกมันสามารถรวมตัวกันในสถานะเดียวกันได้ จึงมีเลเซอร์ (โฟตอน) และคอนเดนเสทของโบส-ไอน์สไตน์
โดยสรุป: เฟอร์มิออนสร้างสสาร, โบซอนถ่ายทอดแรง
ซูเปอร์ซิมเมทรีเสนอความสมมาตรที่เชื่อมโยงเฟอร์มิออนและโบซอน สำหรับทุกเฟอร์มิออนที่รู้จัก จะมีโบซอนคู่หู สำหรับทุกโบซอนที่รู้จัก จะมีเฟอร์มิออนคู่หู
(“โฟติโน” และ “ซิโน” เป็นชื่อเล่นเก่าสำหรับสถานะเกจบางอย่าง; การทดลองจริง ๆ ค้นหา สถานะมวล ที่กล่าวถึงข้างต้น)
ทำไมถึงเสนอการเพิ่มจำนวนอนุภาคเป็นสองเท่าอย่างสุดโต่ง? เพราะ SUSY นำเสนอวิธีแก้ปัญหาที่สง่างามสำหรับปัญหาที่ลึกซึ้งที่สุดที่แบบจำลองมาตรฐานทิ้งไว้
หนึ่งในจุดดึงดูดที่ใหญ่ที่สุดของ SUSY คือความสามารถในการแก้ ปัญหาโครงสร้างชั้น: ทำไมโบซอนฮิกส์ถึงเบาขนาดนี้เมื่อเทียบกับระดับแพลนก์?
ในแบบจำลองมาตรฐาน การแก้ไขควอนตัมจากอนุภาคเสมือนควรผลักดันมวลของฮิกส์ไปสู่ค่ามหาศาล ซูเปอร์ซิมเมทรีแนะนำอนุภาคคู่หูที่ยกเลิกการเบี่ยงเบนเหล่านี้ ผลลัพธ์: มวลของฮิกส์มีเสถียรภาพตามธรรมชาติ โดยไม่ต้องมีการปรับแต่งอย่างละเอียด (อย่างน้อยในสเปกตรัม SUSY ที่ “เป็นธรรมชาติ”)
แรงจูงใจอีกประการสำหรับ SUSY มาจากการรวมแรง
นี่บ่งชี้ว่าในพลังงานที่สูงมาก สามแรงนี้อาจรวมกันเป็น ทฤษฎีรวมใหญ่ (GUT)
ซูเปอร์ซิมเมทรียังเสนอผู้สมัครตามธรรมชาติสำหรับ สสารมืด
หาก SUSY ถูกต้อง หนึ่งในอนุภาคคู่หูต้องมีเสถียรภาพและเป็นกลางทางไฟฟ้า ผู้สมัครชั้นนำคือ นิวทราลิโนที่เบาที่สุด, ส่วนผสมของบิโน, วีโน, และฮิกซิโน
นิวทราลิโนมีปฏิกิริยาอ่อนเท่านั้น ซึ่งสอดคล้องกับโปรไฟล์ของ WIMPs (อนุภาคที่มีมวลมากและมีปฏิกิริยาอ่อน) หากพบ พวกมันอาจอธิบาย 27% ของมวลที่ขาดหายไปของจักรวาล
เป็นเวลาหลายทศวรรษ นักฟิสิกส์หวังว่าอนุภาคซูเปอร์ซิมเมทรีจะปรากฏขึ้นเหนือระดับพลังงานที่ได้รับการสำรวจแล้ว
การไม่พบ SUSY ที่ LHC เป็นความผิดหวัง รูปแบบที่ง่ายที่สุดของ SUSY เช่น “แบบจำลองซูเปอร์ซิมเมทรีขั้นต่ำ” (MSSM) ถูกจำกัดอย่างมาก สเปกตรัมที่ “เป็นธรรมชาติ” หนักขึ้น บ่งชี้ถึงการปรับแต่งที่มากขึ้นหาก SUSY อยู่ใกล้ระดับ TeV
ถึงกระนั้น SUSY ยังไม่ถูกตัดออก รูปแบบที่ซับซ้อนกว่าทำนายอนุภาคคู่หูที่หนักกว่าหรือละเอียดกว่า อาจอยู่นอกเหนือการเข้าถึงของ LHC หรือมีปฏิกิริยาที่อ่อนเกินไปที่จะตรวจจับได้ง่าย
นอกเหนือจากแรงจูงใจเชิงปรากฏการณ์ SUSY มีความงามทางคณิตศาสตร์ที่ลึกซึ้ง
แม้ว่าธรรมชาติจะไม่นำ SUSY มาใช้ในระดับพลังงานที่เข้าถึงได้ คณิตศาสตร์ของมันก็ได้เสริมสร้างฟิสิกส์แล้ว
ในปัจจุบัน SUSY อยู่ในสถานะที่แปลกประหลาด
หาก LHC และผู้สืบทอดของมันไม่พบอะไร SUSY อาจเกิดขึ้นในระดับที่อยู่นอกเหนือการเข้าถึงของเรา — หรือบางทีธรรมชาติอาจเลือกเส้นทางที่แตกต่างไปโดยสิ้นเชิง
ซูเปอร์ซิมเมทรีแสดงให้เห็นถึงวิธีการทางวิทยาศาสตร์ในที่ทำงาน
นักฟิสิกส์ระบุปัญหา: ปัญหาโครงสร้างชั้น, การรวม, สสารมืด พวกเขาเสนอความสมมาตรใหม่ที่กล้าหาญที่แก้ปัญหาทั้งหมด พวกเขาออกแบบการทดลองเพื่อทดสอบมัน จนถึงตอนนี้ผลลัพธ์เป็นลบ — แต่ไม่ได้หมายความว่าแนวคิดนั้นสูญเปล่า SUSY ได้ปรับปรุงเครื่องมือของเรา, ทำให้ชัดเจนว่าเรากำลังมองหาอะไร, และสร้างแรงบันดาลใจให้กับการวิจัยหลายรุ่น
เช่นเดียวกับอีเธอร์หรือวงโคจรวนก่อนหน้า SUSY อาจเป็นก้าวไปสู่ความจริงที่ลึกซึ้งกว่า ไม่ว่ามันจะเป็นคำสุดท้ายหรือไม่
ฟิสิกส์นอกเหนือจากแบบจำลองมาตรฐานมักถูกขับเคลื่อนด้วยการแก้ไข: การแก้ปัญหาโครงสร้างชั้น, การอธิบายสสารมืด, การรวมค่าคงที่เกจ ทฤษฎีสตริงแตกต่างออกไป มันไม่ได้เริ่มต้นจากปริศนาเฉพาะ แต่เริ่มจากคณิตศาสตร์ — และจบลงด้วยการเขียนแนวคิดทั้งหมดของเราเกี่ยวกับอวกาศ, เวลา, และสสารใหม่
ที่น่าประหลาดใจ ทฤษฎีสตริงไม่ได้เริ่มต้นเป็นทฤษฎีของทุกสิ่ง แต่เป็นความพยายามที่ล้มเหลวในการเข้าใจแรงนิวเคลียร์เข้ม
ในช่วงปลายทศวรรษ 1960 ก่อนที่ QCD จะพัฒนาครบถ้วน นักฟิสิกส์พยายามอธิบายสวนสัตว์ของแฮดรอน พวกเขาสังเกตเห็นรูปแบบในข้อมูลการกระเจิงที่บ่งชี้ว่ารีโซแนนซ์สามารถจำลองได้ด้วยสตริงที่สั่นสะเทือน
“โมเดลรีโซแนนซ์คู่” ที่นำเสนอโดย Veneziano ในปี 1968 อธิบายปฏิกิริยาเข้มราวกับว่าแฮดรอนเป็นการกระตุ้นของสตริงเล็ก ๆ มันสง่างาม แต่ถูกทิ้งอย่างรวดเร็วเมื่อ QCD กลายเป็นทฤษฎีที่แท้จริงของแรงเข้ม
ถึงกระนั้น ทฤษฎีสตริงปฏิเสธที่จะตาย ในสมการของมันซ่อนคุณสมบัติที่น่าทึ่งที่บ่งบอกเกินกว่าฟิสิกส์นิวเคลียร์
เมื่อนักทฤษฎีควอนไทซ์การสั่นของสตริง พวกเขาค้นพบว่าสเปกตรัมต้องมี อนุภาคที่ไม่มีมวลและมีสปิน 2
นี่น่าตกใจ ทฤษฎีสนามควอนตัมแสดงให้เห็นว่าอนุภาคที่ไม่มีมวลและมีสปิน 2 นั้นไม่เหมือนใคร: มันต้องเป็นควอนตัมของแรงโน้มถ่วง, กราวิทอน
ดังที่จอห์น ชวาร์ซกล่าวในภายหลัง: “แต่ข้อเท็จจริงที่น่าประหลาดใจปรากฏขึ้น: คณิตศาสตร์ของทฤษฎีสตริงต้องมีอนุภาคที่ไม่มีมวลและมีสปิน 2 — กราวิทอน”
สิ่งที่เริ่มต้นเป็นทฤษฎีของแฮดรอนได้สร้างหน่วยพื้นฐานของควอนตัมกราวิทีโดยบังเอิญ
ในหัวใจของทฤษฎีสตริง อนุภาคจุดถูกแทนที่ด้วยวัตถุหนึ่งมิติขนาดเล็ก: สตริง
สตริงสามารถเป็น เปิด (มีสองปลาย) หรือ ปิด (เป็นวง)
สถานะการสั่นที่แตกต่างกันของสตริงสอดคล้องกับอนุภาคที่แตกต่างกัน
การเปลี่ยนแปลงง่าย ๆ นี้ — จากจุดเป็นสตริง — แก้ปัญหาความไม่มีที่สิ้นสุดหลายอย่างที่รบกวนควอนตัมกราวิที ขนาดที่จำกัดของสตริงกระจายปฏิกิริยาที่มิฉะนั้นจะระเบิดในระยะห่างศูนย์
รุ่นแรกของทฤษฎีสตริงมีปัญหา: มีทาคิออน (ความไม่เสถียร) และต้องการคุณสมบัติที่ไม่สมจริง ความก้าวหน้าคือการแนะนำ ซูเปอร์ซิมเมทรี, ซึ่งในทศวรรษ 1970 และ 1980 นำไปสู่ ทฤษฎีซูเปอร์สตริง
ซูเปอร์สตริงกำจัดทาคิออน, รวมถึงเฟอร์มิออน, และนำมาซึ่งความสอดคล้องทางคณิตศาสตร์ใหม่
แต่มีข้อจำกัด: ทฤษฎีสตริงทำงานได้เฉพาะในมิติที่สูงขึ้น โดยเฉพาะ 10 มิติกาลอวกาศ
แนวคิดนี้ แม้จะดูสุดโต่ง แต่ไม่ใช่เรื่องใหม่ทั้งหมด ในทศวรรษ 1920 ทฤษฎี Kaluza-Klein ได้แนะนำว่ามิติเพิ่มเติมอาจรวมแรงโน้มถ่วงและแม่เหล็กไฟฟ้า ทฤษฎีสตริงฟื้นแนวคิดนี้และขยายมันอย่างมหาศาล
ในช่วงกลางทศวรรษ 1980 นักฟิสิกส์พบว่าทฤษฎีสตริงไม่ใช่เอกลักษณ์ แต่มี ห้าประเภทที่แตกต่างกัน:
แต่ละประเภทดูเหมือนสอดคล้องทางคณิตศาสตร์ แต่ทำไมธรรมชาติถึงเลือกหนึ่ง?
ในปี 1984 ไมเคิล กรีนและจอห์น ชวาร์ซแสดงให้เห็นว่าทฤษฎีสตริงสามารถยกเลิกความผิดปกติควอนตัมโดยอัตโนมัติ — สิ่งที่ทฤษฎีสนามควอนตัมต้องออกแบบอย่างระมัดระวัง การค้นพบนี้จุดประกาย การปฏิวัติซูเปอร์สตริงครั้งแรก, ซึ่งนักฟิสิกส์หลายพันคนหันไปสู่ทฤษฎีสตริงในฐานะผู้สมัครสำหรับทฤษฎีรวมของทุกแรง
มันเป็นกรอบแรกที่ควอนตัมกราวิทีไม่เพียงแต่สอดคล้อง แต่ยังหลีกเลี่ยงไม่ได้
ในช่วงกลางทศวรรษ 1990 การปฏิวัติครั้งที่สองเกิดขึ้น เอ็ดเวิร์ด วิทเทนและคนอื่น ๆ พบว่าทฤษฎีสตริงทั้งห้าไม่ใช่คู่แข่ง แต่เป็นขอบเขตที่แตกต่างกันของทฤษฎีที่ลึกซึ้งกว่าหนึ่งเดียว: M-ทฤษฎี
เชื่อว่า M-ทฤษฎีมีอยู่ใน 11 มิติ และรวมถึงไม่เพียงแต่สตริง แต่ยังรวมถึงวัตถุในมิติที่สูงกว่าเรียกว่า เบรน (ย่อมาจากเมมเบรน)
เบรนเหล่านี้เปิดโอกาสใหม่และหลากหลาย: จักรวาลทั้งใบอาจมีอยู่เป็นเบรนสามมิติ ลอยอยู่ในปริมาตรที่มีมิติสูงกว่า ซึ่งแรงโน้มถ่วงรั่วไหลออกไปในปริมาตรในขณะที่แรงอื่น ๆ ยังคงถูกผูกไว้ ภาพนี้เป็นแรงบันดาลใจให้กับโมเดลมิติเพิ่มเติมสมัยใหม่ เช่น Randall-Sundrum
Kaluza-Klein (1920s): เสนอมิติที่ห้าเพื่อรวมแรงโน้มถ่วงและแม่เหล็กไฟฟ้า แนวคิดนี้ถูกทิ้งมานานหลายทศวรรษ แต่ทฤษฎีสตริงฟื้นมันในระดับที่ใหญ่กว่ามาก มิติเพิ่มเติมที่ถูกบีบอัดยังคงเป็นคุณสมบัติหลักของโมเดลสตริง
Randall-Sundrum (1999): เสนอ “มิติเพิ่มเติมที่บิดเบี้ยว” ซึ่งจักรวาลของเราเป็นเบรนสามมิติที่ฝังอยู่ในมิติที่สูงกว่า แรงโน้มถ่วงกระจายไปในปริมาตร ซึ่งอธิบายว่าทำไมมันถึงอ่อนกว่าแรงอื่น ๆ โมเดลดังกล่าวทำนายสัญญาณที่เป็นไปได้ในเครื่องเร่งอนุภาคหรือการเบี่ยงเบนจากกฎของนิวตันในระยะทางสั้นมาก
ทฤษฎีสตริงทำการอ้างที่กล้าหาญ แต่การทดสอบมันนั้นยากอย่างไม่น่าเชื่อ
ถึงแม้จะมีความท้าทาย ทฤษฎีสตริงได้ให้พื้นฐานที่อุดมสมบูรณ์สำหรับคณิตศาสตร์ และสร้างแรงบันดาลใจให้กับความก้าวหน้าในเรขาคณิต, โทโพโลจี, และความเป็นคู่ เช่น AdS/CFT (ซึ่งเชื่อมโยงแรงโน้มถ่วงในมิติที่สูงกว่ากับทฤษฎีสนามควอนตัมที่ไม่มีแรงโน้มถ่วง)
ผู้สนับสนุนอ้างว่าทฤษฎีสตริงเป็นเส้นทางที่มีแนวโน้มมากที่สุดสู่ทฤษฎีรวม: มันรวมควอนตัมกราวิที, รวมทุกแรง, และอธิบายว่าทำไมกราวิทอนต้องมีอยู่
นักวิจารณ์โต้แย้งว่าโดยปราศจากการยืนยันจากการทดลอง ทฤษฎีสตริงมีความเสี่ยงที่จะหลุดจากวิทยาศาสตร์เชิงประจักษ์ “ภูมิทัศน์” ขนาดใหญ่ของโซลูชันที่เป็นไปได้ (ถึง \(10^{500}\)) ทำให้ยากต่อการให้การทำนายที่ไม่เหมือนใคร
ทั้งสองฝ่ายเห็นด้วยในสิ่งหนึ่ง: ทฤษฎีสตริงได้เปลี่ยนวิธีที่เราคิดเกี่ยวกับฟิสิกส์และให้ภาษาใหม่สำหรับการรวม
หากซูเปอร์ซิมเมทรีเป็นก้าวต่อไปนอกเหนือจากแบบจำลองมาตรฐาน ทฤษฎีสตริงคือก้าวถัดไป: ผู้สมัครสำหรับ ทฤษฎีของทุกสิ่ง ที่รอคอยมานาน
การอ้างที่กล้าหาญที่สุดของมันไม่ใช่ว่ามันรวมเฉพาะแบบจำลองมาตรฐานและแรงโน้มถ่วง แต่ทั้งสองนี้เป็นผลลัพธ์ที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ของสตริงที่สั่นสะเทือนในมิติที่สูงกว่า กราวิทอนไม่ใช่ส่วนเสริม — มันถูกฝังอยู่ในนั้น
ว่าธรรมชาติเลือกเส้นทางนี้หรือไม่ ยังคงต้องรอการค้นพบ
ทฤษฎีคือสายเลือดของฟิสิกส์ แต่การทดลองคือหัวใจที่เต้น ซูเปอร์ซิมเมทรี, ทฤษฎีสตริง, และมิติเพิ่มเติมเป็นโครงสร้างทางคณิตศาสตร์ที่สวยงาม แต่พวกมันจะอยู่หรือตายด้วยหลักฐาน หากต้องการเป็นมากกว่าการคาดเดา พวกมันต้องทิ้งร่องรอยในข้อมูล
นักฟิสิกส์ได้พัฒนาวิธีที่ชาญฉลาดในการค้นหาร่องรอยเหล่านี้ — ในเครื่องเร่งอนุภาค, ในจักรวาล, และในโครงสร้างของกาลอวกาศเอง
เครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ (LHC) ที่ CERN เป็นเครื่องเร่งอนุภาคที่มีพลังมากที่สุดในโลก ซึ่งชนโปรตอนด้วยพลังงานถึง 13.6 TeV (ออกแบบ: 14 TeV) มันเป็นเครื่องมือหลักของมนุษยชาติในการสำรวจฟิสิกส์นอกเหนือจากแบบจำลองมาตรฐาน
บางทฤษฎีบ่งชี้ว่าหากแรงโน้มถ่วงแข็งแกร่งในระดับ TeV หลุมดำขนาดเล็กอาจก่อตัวในการชนกันของ LHC และระเหยเป็นการระเบิดของอนุภาค เหตุการณ์ดังกล่าวยังไม่ถูกพบ
หากมีมิติเพิ่มเติม กฎแรงโน้มถ่วงของนิวตันอาจพังทลายในระยะทางสั้น
การทดลองบนโต๊ะเหล่านี้มีความไวอย่างน่าทึ่งและสำรวจระดับที่เครื่องเร่งอนุภาคไม่สามารถเข้าถึงได้
การค้นพบคลื่นโน้มถ่วงโดย LIGO ในปี 2015 เปิดพรมแดนใหม่
จนถึงตอนนี้ การสังเกตสอดคล้องกับ GR ภายในความไม่แน่นอนปัจจุบัน แต่ความแม่นยำที่สูงขึ้นอาจนำมาซึ่งความประหลาดใจ
จักรวาลเองคือเครื่องเร่งอนุภาคขั้นสุดยอด
จนถึงตอนนี้ ท้องฟ้ายังเงียบ สสารมืดยังคงไม่ถูกตรวจจับ และข้อมูลจักรวาลวิทยาสอดคล้องกับโมเดล ΛCDM โดยไม่มีรอยนิ้วมือของสตริงที่ชัดเจน
การค้นหาหลายทศวรรษไม่ยืนยัน SUSY, มิติเพิ่มเติม, หรือสัญญาณสตริง แต่การขาดหลักฐานไม่ใช่หลักฐานของการขาด:
ความผิดปกติที่แม่นยำบางอย่าง (เช่น การวัด (g-2) ของมิวออนและความตึงเครียดบางอย่างในฟิสิกส์รสชาติ) ยังคง น่าสนใจแต่ยังไม่ได้รับการแก้ไข; พวกมันยังคงกระตุ้นการวิจัยโดยไม่ล้มล้างแบบจำลองมาตรฐานในตอนนี้
สิ่งที่การทดลองทำคือ จำกัดพื้นที่พารามิเตอร์ พวกมันบอกเราว่า SUSY อยู่ที่ไหน, มิติเพิ่มเติมต้องเล็กแค่ไหน, และสสารมืดสามารถมีปฏิกิริยาได้มากหรือน้อยเพียงใด
การทดลองในอนาคตสัญญาว่าจะสำรวจลึกยิ่งขึ้น:
เรื่องราวการทดลองของฟิสิกส์นอกเหนือจากแบบจำลองมาตรฐานไม่ใช่เรื่องของความล้มเหลว แต่เป็นเรื่องของกระบวนการ
เช่นเดียวกับการทดลองฟอยล์ทองคำของราเธอร์ฟอร์ดที่ทำลายโมเดลพุดดิ้งลูกพลัม หรือ LIGO ที่กำจัดความสงสัยเกี่ยวกับคลื่นโน้มถ่วง การค้นพบครั้งใหญ่ต่อไปอาจมาถึงอย่างกะทันหัน — และเปลี่ยนทุกอย่าง
ตลอดหลายศตวรรษ ฟิสิกส์ก้าวหน้าผ่านการรวม นิวตันรวมท้องฟ้าและโลกภายใต้กฎแรงโน้มถ่วงเดียว แมกซ์เวลรวมไฟฟ้าและแม่เหล็ก ไอน์สไตน์รวมอวกาศและเวลา ทฤษฎีอิเล็กโตรวีคแสดงให้เห็นว่าสองแรงที่แตกต่างกันมากเป็นด้านของแรงเดียว
ก้าวต่อไปที่เป็นธรรมชาติคือความกล้าหาญที่สุด: การรวมทั้งสี่ปฏิกิริยาพื้นฐาน — เข้ม, อ่อน, แม่เหล็กไฟฟ้า, และแรงโน้มถ่วง — ในกรอบที่สอดคล้อง นี่คือจอกศักดิ์สิทธิ์ของฟิสิกส์: ทฤษฎีของทุกสิ่ง (ToE)
การรวมที่สมบูรณ์ไม่ใช่แค่ความงามทางปรัชญา; มันจัดการกับปัญหาที่ลึกซึ้งทั้งในทางปฏิบัติและแนวคิด:
ToE ไม่เพียงแต่รวมแรง — มันรวมระดับ, จากสตริงที่เล็กที่สุดของทฤษฎีควอนตัมถึงโครงสร้างจักรวาลที่ใหญ่ที่สุด
ซูเปอร์ซิมเมทรี (SUSY), หากเกิดขึ้นในธรรมชาติ, เสนอก้าวไปสู่ ToE
GUT ที่ได้รับแรงบันดาลใจจาก SUSY (เช่น SU(5), SO(10), หรือ E₆) จินตนาการว่าในพลังงานที่สูงมาก ควาร์กและเลปตอนรวมกันเป็นมัลติเพล็ตที่ใหญ่ขึ้น และแรงรวมกันเป็นกลุ่มเกจเดียว
แต่ SUSY ยังไม่ปรากฏในการทดลอง หากมันมีอยู่ในระดับที่อยู่นอกเหนือการเข้าถึงของเรา พลังการรวมของมันอาจยังคงเย้ายวนแต่ถูกซ่อนไว้
ทฤษฎีสตริงไปไกลกว่า แทนที่จะซ่อมแบบจำลองมาตรฐาน มันเขียนพื้นฐานใหม่:
ในมุมมองนี้ การรวมไม่ใช่เรื่องบังเอิญ — มันเป็นเรขาคณิต แรงแตกต่างกันเพราะสตริงสั่นในรูปแบบที่แตกต่างกัน ซึ่งถูกกำหนดโดยโทโพโลจีของมิติเพิ่มเติม
การค้นพบว่าทฤษฎีสตริงทั้งห้าเชื่อมโยงกันด้วยความเป็นคู่ได้นำไปสู่ M-ทฤษฎี, กรอบที่ใหญ่กว่า:
M-ทฤษฎียังไม่สมบูรณ์ แต่เป็นก้าวที่กล้าหาญที่สุดสู่ ToE ที่เคยพยายาม
ทฤษฎีสตริงและ M-ทฤษฎีไม่ใช่เส้นทางเดียว นักฟิสิกส์สำรวจกรอบหลายอย่าง, แต่ละอย่างมีจุดแข็งที่แตกต่างกัน:
ถึงแม้ว่าจะไม่มีกรอบใดแข่งขันกับขอบเขตการรวมของทฤษฎีสตริง แต่พวกมันแสดงให้เห็นถึงความหลากหลายของการค้นหา
ToE ในที่สุดต้องสามารถทดสอบได้ แม้ว่าระดับแพลนก์จะอยู่นอกเหนือการเข้าถึงของการทดลองปัจจุบัน นักฟิสิกส์ค้นหาหลักฐานทางอ้อม:
จนถึงตอนนี้ ToE ยังอยู่นอกเหนือการเข้าถึง แต่ทุกผลลัพธ์เชิงลบจำกัดความเป็นไปได้
ToE ที่แท้จริงไม่เพียงแต่รวมฟิสิกส์ — มันรวม ความรู้ของมนุษย์ มันเชื่อมโยงควอนตัมเมคานิกส์และสัมพัทธภาพ, ระดับเล็กและใหญ่, อนุภาคและจักรวาล
แต่มันเผชิญกับความขัดแย้ง: ระดับที่การรวมเกิดขึ้นอาจอยู่นอกเหนือการเข้าถึงของการทดลองตลอดไป เครื่องเร่งอนุภาค 100 TeV สำรวจเพียงส่วนหนึ่งของทางสู่ระดับแพลนก์ เราอาจต้องพึ่งพาจักรวาลวิทยา, ความสอดคล้องทางคณิตศาสตร์, หรือสัญญาณทางอ้อม
ความฝันยังคงอยู่ด้วยความงามอันลึกซึ้งของกรอบเหล่านี้ ดังที่วิทเทนกล่าวไว้ว่า ทฤษฎีสตริงไม่ใช่แค่ “ชุดสมการ” แต่เป็น “กรอบใหม่สำหรับฟิสิกส์”
การค้นหา ToE ไม่ใช่การประกาศว่าทฤษฎีสตริง, SUSY, หรือแนวคิดใด ๆ เป็น “ความจริง” มันเกี่ยวกับ วิธีการทางวิทยาศาสตร์:
เรื่องราวยังไม่จบ แต่ความเปิดกว้างนี้ — การปฏิเสธที่จะถือว่าทฤษฎีใดเป็นสิ่งศักดิ์สิทธิ์ — ทำให้ฟิสิกส์เป็นวิทยาศาสตร์ที่มีชีวิต ไม่ใช่ความเชื่อ
ศตวรรษหน้าของฟิสิกส์อาจเผยให้เห็น:
หรือบางที ToE ที่แท้จริงคือสิ่งที่ยังไม่มีใครจินตนาการ
แต่การค้นหาเอง — ความปรารถนาที่จะรวม, อธิบาย, และเห็นธรรมชาติเป็นหนึ่งเดียว — เป็นส่วนหนึ่งของมนุษยชาติเช่นเดียวกับสมการเอง