1925 gick Einstein på promenad med en ung student vid namn Esther Salaman. När de vandrade delade han sin grundläggande vägledande intellektuella princip: "Jag vill veta hur Gud skapade den här världen. Jag är inte intresserad av detta eller det fenomenet, i spektrumet för det eller det här elementet. Jag vill veta hans tankar; resten är bara detaljer. "
Uttrycket "Guds tankar" är en härligt lämplig metafor för det slutliga målet för modern fysik, som är att utveckla en perfekt förståelse av naturlagarna - vad fysiker kallar "en teori om allt" eller TOE. Helst skulle en TOE besvara alla frågor och lämna ingenting obesvarat. Varför är himlen blå? Täckt. Varför finns tyngdkraften? Det är också täckt. På ett mer vetenskapligt sätt skulle en TOE idealiskt förklara alla fenomen med en enda teori, en enda byggsten och en enda kraft. Enligt min mening kan det ta hundratals eller tusentals år att hitta en TOE. För att förstå varför, låt oss göra lager.
Vi känner till två teorier som, när de sammanförs, ger en bra beskrivning av världen runt oss, men båda är ljusår från att vara en TOE.
Den andra teorin kallas standardmodellen, som beskriver den subatomära världen. Det är inom detta område som forskare har gjort de mest uppenbara framstegen mot en teori om allt.
Om vi tittar på världen runt oss - världen av stjärnor och galaxer, pudlar och pizza, kan vi fråga varför saker och ting har de egenskaper de gör. Vi vet att allt består av atomer, och atomerna består av protoner, neutroner och elektroner.
Och på 1960-talet upptäckte forskare att protonerna och neutronerna var gjorda av ännu mindre partiklar som kallades kvarkar och elektronen var medlem i klassen av partiklar som kallas leptoner.
Att hitta de minsta byggstenarna är bara det första steget i att ta fram en teori om allt. Nästa steg är att förstå krafterna som styr hur byggstenarna samverkar. Forskare känner till fyra grundläggande krafter, varav tre - elektromagnetism och de starka och svaga kärnkrafterna - förstås på den subatomära nivån. Elektromagnetism håller samman atomer och ansvarar för kemi. Den starka kraften håller samman atomens kärna och håller kvarter i protoner och neutroner. Den svaga styrkan är ansvarig för vissa typer av kärnkraftsförfall.
Var och en av de kända subatomära krafterna har en tillhörande partikel eller partiklar som bär den kraften: Gluonen bär den starka kraften, fotonen styr elektromagnetism, och W- och Z-bosonerna styr den svaga kraften. Det finns också ett spöklikt energifält, kallad Higgs-fältet, som genomsyrar universum och ger massor till kvarkar, leptoner och några av de kraftbärande partiklarna. Sammantaget utgör dessa byggstenar och krafter standardmodellen.
Med hjälp av kvarkar och leptoner och de kända kraftbärande partiklarna kan man bygga atomer, molekyler, människor, planeter och faktiskt all den kända materien i universum. Detta är utan tvekan en enorm prestation och en god tillnärmning av en teori om allt.
Och ändå är det verkligen inte. Målet är att hitta en enda byggsten och en enda kraft som kan förklara universums materia och rörelse. Standardmodellen har 12 partiklar (sex kvarkar och sex leptoner) och fyra krafter (elektromagnetism, tyngdkraft och de starka och svaga kärnkrafterna). Dessutom finns det ingen känd kvantteori om tyngdkraften (vilket innebär att vår nuvarande definition täcker bara tyngdkraften som involverar saker som är större än till exempel vanligt damm), så tyngdkraften är inte ens en del av standardmodellen alls. Så fysiker fortsätter att leta efter en ännu mer grundläggande och underliggande teori. För att göra det måste de minska antalet både byggstenar och krafter.
Att hitta ett mindre byggnadsblock kommer att vara svårt, eftersom det kräver en kraftfullare partikelaccelerator än vad människor någonsin har byggt. Tidshorisonten för en ny acceleratoranläggning som kommer på nätet är flera decennier och den anläggningen kommer endast att ge en relativt blygsam gradvis förbättring jämfört med befintliga kapaciteter. Så forskare måste istället spekulera i hur en mindre byggsten kan se ut. En populär idé kallas superstringsteori, som postulerar att den minsta byggstenen inte är en partikel utan snarare en liten och vibrerande "sträng". På samma sätt som en cellsträng kan spela mer än en ton är de olika vibrationsmönstren de olika kvarkarna och leptonerna. På detta sätt kan en enda typ av sträng vara den ultimata byggstenen.
Problemet är att det inte finns några empiriska bevis för att superstringar faktiskt finns. Vidare kallas den förväntade energin som krävs för att se dem Planck-energin, som är en kvadrillion (10 höjt till den 15: e kraften) gånger högre än vi för närvarande kan generera. Den mycket stora Planck-energin är intimt kopplad till det som kallas Planck-längden, en otydligt liten längd utöver vilken kvanteffekter blir så stora att det bokstavligen är omöjligt att mäta något mindre. Under tiden, gå mindre än Planck-längden (eller större än Planck-energin), och kvanteffekterna av tyngdkraften mellan fotoner eller ljuspartiklar blir viktiga och relativiteten fungerar inte längre. Det gör det troligt att detta är den skala vid vilken kvanttyngd kommer att förstås. Detta är naturligtvis allt mycket spekulativt, men det återspeglar vår nuvarande bästa förutsägelse. Och om det är sant, kommer superstringar att förbli spekulativa under överskådlig framtid.
Överflödet av styrkor är också ett problem. Forskare hoppas kunna "förena" krafterna och visa att de bara är olika manifestationer av en enda styrka. (Sir Isaac Newton gjorde just det när han visade kraften som fick saker att falla på jorden och kraften som styrde himmelens rörelse var en och samma; James Clerk Maxwell visade att elektricitet och magnetism var verkligen olika beteenden hos en enhetlig kraft kallas elektromagnetism.)
På 1960-talet kunde forskare visa att den svaga kärnkraften och elektromagnetismen faktiskt var två olika aspekter av en kombinerad styrka, kallad elektrockkraften. Nu hoppas forskare att elkraftkraften och den starka kraften kan förenas till det som kallas en storslagen enhet. Då hoppas de att den storslagna förenade kraften kan förenas med allvar för att göra en teori om allt.
Emellertid misstänker fysiker att den slutliga föreningen också skulle äga rum vid Planck-energin, återigen eftersom detta är energin och storleken vid vilken kvanteffekter inte längre kan ignoreras i relativitetsteorin. Och som vi har sett är detta en mycket högre energi än vi hoppas kunna uppnå i en partikelaccelerator när som helst snart. Att ge en känsla av klyftan mellan aktuella teorier och en teori om allt, om vi representerade energin hos partiklar vi kan detektera som en cellmembrans bredd, Planck-energin är jordens storlek. Även om det kan tänkas att någon med en grundlig förståelse av cellmembran kan förutsäga andra strukturer i en cell - saker som DNA och mitokondrier - kan det inte tänkas att de exakt kan förutsäga jorden. Hur troligt är det att de kan förutsäga vulkaner, hav eller jordens magnetfält?
Det enkla faktumet är att med ett så stort gap mellan för närvarande uppnåelig energi i partikelacceleratorer och Planck-energin verkar det att osäkra att utforma en teori om allt.
Det betyder inte att fysiker alla bör gå i pension och ta landskapsmålning - det finns fortfarande meningsfullt arbete att göra. Vi måste fortfarande förstå oförklarade fenomen som mörk materia och mörk energi, som utgör 95% av det kända universum, och använder denna förståelse för att skapa en nyare, mer omfattande teori om fysik. Denna nyare teori kommer inte att vara ett TOE, men kommer att vara stegvis bättre än det nuvarande teoretiska ramverket. Vi måste upprepa den processen om och om igen.
Besviken? Så är jag. När allt kommer omkring har jag ägnat mitt liv åt att försöka avslöja några av kosmos hemligheter, men kanske ett visst perspektiv är i ordning. Den första styrkan förenades genom 1670-talet med Newtons teori om universalvikt. Den andra var på 1870-talet med Maxwells teori om elektromagnetism. Föreningen mellan electroweak var relativt nyligen, bara för ett halvt sekel sedan.
Med tanke på att 350 år har gått sedan vårt första stora framgångsrika steg på denna resa är det kanske mindre förvånande att vägen framför oss är längre fortfarande. Uppfattningen att ett geni kommer att ha en inblick som resulterar i en fullt utvecklad teori om allt under de närmaste åren är en myt. Vi är inne på en lång slog - och till och med barnbarn till dagens forskare ser inte slutet på det.
Men vilken resa det blir.
Don Lincoln är en fysikforskare på Fermilab. Han är författaren till "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind"(Johns Hopkins University Press, 2014), och han producerar en serie vetenskaplig utbildning videoklipp. Följ honom på Facebook. De åsikter som uttrycks i denna kommentar är hans.
Don Lincoln bidrog med denna artikel till Live Science Expertröster: Op-Ed & Insights. Ursprungligen publicerad på Live Science.
