Wat is een grote verenigde theorie?
De Grand Unified Theory (GUT) is de zoektocht naar een beknopte, eenvoudige theorie in de fysica vanaf 2011 die de interactie tussen de vier fundamentele natuurkrachten zou beschrijven - elektromagnetisme, de zwakke en sterke nucleaire krachten en zwaartekracht. Omdat elke grote verenigde theorie probeert het huidige begrip van fysieke krachten samen te brengen, wordt het vaak aangeduid als onderzoek in klassieke verenigde veldtheorieën. Er bestaan veel verschillende uniforme veldtheorieën om het gedrag van materie en energie te verklaren, maar de snaartheorie wordt vanaf 2011 als het beste vooruitzicht gezien om de kans te krijgen om de effecten van zwaartekracht aan de andere drie fundamentele krachten te binden.
Deeltjesfysica gebruikt momenteel een theorie die bekend staat als het standaardmodel om de interactie van fysieke krachten in de natuur te beschrijven. De huidige vorm van het standaardmodel vanaf 2011 werd in de jaren zeventig vastgesteld en verklaart de interactie van drie van de vier fundamentele krachten - elektromagnetisme en de zwakke en sterke nucleaire krachten. Naarmate het standaardmodel zich ontwikkelde, werd onthuld dat elektromagnetisme en de zwakke nucleaire kracht echt aspecten van dezelfde kracht waren bij hoge energieniveaus. Dit bouwde voort op eerdere ontdekkingen in de late 19e eeuw door de Britse fysicus James Maxwell, waarbij de krachten van magnetisme en elektriciteit werden verenigd als twee aspecten van dezelfde kracht - elektromagnetisme. De Grand Unified Theory kan daarom worden beschouwd als een poging om het standaardmodel te verenigen met de effecten van zwaartekracht.
Omdat de ontwikkeling van een eenvoudige grote verenigde theorie misschien niet alle interacties van materie en energie in de ruimte verklaart, wordt de uiteindelijke theorie die alle krachten verenigt vaak de Theory of Everything (TOE) genoemd. Drie belangrijke arena's van studie in de natuurkunde zouden moeten worden verenigd in één om een levensvatbare theorie van alles te produceren, en deze omvatten het standaardmodel, algemene relativiteitstheorie en kwantummechanica. Een belangrijk voorstel hiervoor is onderzoek naar de snaartheorie, die een fundamentele materietoestand beschrijft waarin alles in het fysieke universum uiteindelijk bestaat uit vibrerende lussen van energie, elk de grootte van een Planck-lengte, of 10 -33 centimeter. De theorie is dat deze strings de directe oorzaak zijn van de effecten van alle vier fundamentele krachten in de natuur, het bestaan van materie en energie, en ook van ruimte en tijd. Een van de zwakke punten van de snaartheorie is echter dat het buitengewoon complex is en interacties in tien dimensies van de ruimte vereist, terwijl een ultieme grote verenigde theorie wordt beschouwd als een eenvoudige vergelijking van niet meer dan ongeveer 1 inch (2,5 centimeter) in lengte indien uitgeschreven op de gebruikelijke grootte van handschrift.
Misschien is de grootste uitdaging om vanaf 2011 met een elegante vorm van een grote verenigde theorie te komen, die van het verwerken van de fysieke kosmologie van de zwaartekracht in de vergelijkingen. Zwaartekracht is het minst begrepen van alle fysieke krachten en is mogelijk helemaal geen kracht. Sommige onderzoeken suggereren dat zwaartekracht gewoon een effect is van het kromtrekken van ruimte door materie, zoals Einsteins ontdekkingen suggereren, omdat nooit een oorsprong voor de bron van zwaartekracht is gevonden. Aan alle andere krachten in de natuur zijn fundamentele deeltjes gebonden, dus de fysica is ervan uitgegaan dat er een gravitondeeltje zou bestaan om de zwaartekracht te verklaren. Totdat er bewijs is verkregen om uit te leggen hoe zwaartekracht werkt op zowel macroscopisch als microscopisch niveau, zal een Grand Unified Theory die alle fysieke krachten in de natuur verenigt, ongrijpbaar blijven.