Masalah “Alam Semesta Indah” dalam Fisika

Mengapa kami belum menyelesaikan gravitasi kuantum

Menerima ide seperti teori string berarti kita harus mau menerima dimensi ekstra dan dunia yang semakin aneh. Seni oleh SGP

Jika kita mendefinisikan keindahan sebagai kesederhanaan, maka alam semesta jauh dari indah. Ini paradoksal dan membingungkan, mengejutkan kami dengan pengamatan yang tidak selalu kami harapkan untuk melihat atau kadang-kadang mengukuhkan harapan itu tetapi mengarah pada misteri yang lebih besar di luarnya. Ada 26 konstanta canggung yang mendefinisikan dunia kita, kurangnya simetri nyata (kita hanya memiliki perkiraan simetri), dan dua teori yang keduanya tampaknya berhasil menggambarkan sifat realitas itu sendiri. Berantakan, dan terkadang tidak masuk akal. Ini adalah dunia kusut dari model matematika dan eksperimen yang sering kali menentang pemahaman kita tentang fisika. Tetapi tujuan utamanya adalah menuju keindahan - itu adalah untuk mencapai seperangkat hukum yang sederhana untuk menggambarkan alam semesta tempat kita hidup. Ini tidak berbeda dengan persamaan Maxwell yang bersama-sama merupakan bukti elegan untuk cahaya itu sendiri: penyatuan listrik dan magnetisme dalam beberapa garis matematika sederhana.

Elektromagnetisme, seperti gravitasi, adalah salah satu dari empat kekuatan alam semesta. Setelah kesuksesannya dengan relativitas, Einstein menghabiskan beberapa tahun terakhir dalam hidupnya mencoba menyatukan elektromagnetisme dan gravitasi, meskipun ia tidak berhasil. Dua kekuatan yang tersisa adalah nuklir kuat dan lemah nuklir. Kekuatan nuklir yang kuat bertanggung jawab atas pelepasan energi yang sangat besar selama peledakan bom atom; kekuatan nuklir yang lemah dialami sebagai radiasi setelahnya. Dari empat kekuatan, tiga dapat dijelaskan oleh mekanika kuantum dan yang terakhir - gravitasi - dijelaskan oleh relativitas umum.

Kedua teori ini telah teruji oleh waktu. Prediksi mereka akurat, dapat diamati, dan sangat berhasil dalam memahami sifat realitas. Tetapi kesamaan tidak berlangsung lama. Di mana relativitas umum mudah dan dapat diprediksi, mekanika kuantum kacau dan aneh. Mereka saling bertentangan satu sama lain dengan cara-cara mendasar sehingga menyatukan mereka memberi Anda hasil yang tidak masuk akal; peristiwa, misalnya, mulai memiliki jumlah probabilitas yang tak terbatas. Keduanya begitu tidak kompatibel sehingga gravitasi bahkan tidak disebutkan dalam model standar fisika partikel. Tampaknya pantas bahwa pemenang Hadiah Nobel Niels Bohr, kontributor teori kuantum dan struktur atom, ingin memisahkan idenya dari ide-ide Einstein. Einstein, pada gilirannya, memiliki hubungan yang kacau dengan mekanika kuantum.

Tetapi perbedaan melampaui hanya dua teori yang saling bertentangan.

Dalam relativitas umum — dan pada 1980-an, pengamatan sistem pulsar biner seperti yang ada di atas - gravitasi dan cahaya berbagi kecepatan yang sama. Bisakah ini menyiratkan koneksi antara keduanya? Gambar oleh ESO / L. Calçada.

Gravitasi adalah yang terlemah dari semua gaya. Antara dua partikel, gaya gravitasi akan 10³⁹ kali lebih lemah dari gaya elektromagnetik antara dua partikel yang sama. Dibutuhkan benda pada skala planet dan bintang agar gravitasi memiliki efek substansial. Itu juga tidak memiliki partikel terkait. Bos W dan Z bertanggung jawab atas gaya nuklir lemah, gluon untuk gaya nuklir kuat, dan foton untuk elektromagnetisme. Di mana partikel yang bertanggung jawab atas gravitasi? Di mana gravitasi yang sulit dipahami?

Penemuan graviton akan mengkonfirmasi gravitasi kuantum. Akan membantu untuk menjawab pertanyaan yang paling menantang dalam semua fisika - teori segalanya.

Sama seperti foton yang diprediksi oleh elektromagnetisme, graviton adalah partikel yang diusulkan ada oleh gravitasi kuantum. Ini akan menjadi tak bermassa, netral secara listrik, dan memiliki putaran mekanis 2. Faktanya, itu adalah satu-satunya partikel yang dapat memiliki sifat yang tepat ini. Graviton diteorikan ada pada awal 1900-an oleh para pionir gravitasi kuantum seperti Matvei Bronstein. Tetapi mendeteksi graviton tidak semudah menyiapkan percobaan di atas meja. Di dunia kuantum gravitasi sangat lemah sehingga bahkan dengan kemajuan teknologi 100 tahun lagi, sangat kecil peluang untuk mengamati efek gravitasi dalam eksperimen fisika partikel. Untuk memiliki peluang yang masuk akal dalam mendeteksi graviton, kita perlu membangun sebuah alat yang sangat besar sehingga akan runtuh ke dalam lubang hitam.

Ada kemungkinan, betapapun kecilnya, bahwa kita mungkin dapat mendeteksi partikel-partikel ini dengan teknologi saat ini. Ini akan tergantung pada dimensi ekstra yang kecil dan sulit dideteksi. Para ilmuwan telah menggunakan Large Hadron Collider dan akselerator partikel serupa untuk mencari dimensi baru ini, tetapi sejauh ini telah muncul dengan tangan kosong. Premis ini juga akan menjelaskan mengapa gravitasi sangat lemah. Jika gaya dicairkan di beberapa bidang yang berbeda - tidak hanya yang kita gunakan sebelumnya - yang akan memberikan kekuatan yang jauh lebih kecil di tiga dimensi fisik kita.

Relativitas dalam partikel subatomik berarti bahwa elektron pada akhirnya akan berputar ke arah protonnya karena kehilangan energi melalui gelombang gravitasi. Kita tahu, bagaimanapun, bahwa ini bukanlah bagaimana elektron berperilaku.

Percobaan lain akan mencoba untuk melihat apakah sepasang berlian mikro dapat menjadi terjerat menggunakan gaya tarik gravitasi mereka. Keterjeratan adalah kejadian yang terjadi pada tingkat kuantum. Ini adalah koneksi antara dua partikel yang melampaui jarak, memungkinkan mereka untuk berkomunikasi lebih cepat dari kecepatan cahaya. Jika berlian mikro dapat mencapai keadaan keterikatan ini melalui gaya tarik gravitasinya, maka itu akan menjadi indikasi kuat bahwa gravitasi memiliki efek kuantum melalui graviton. Tetapi para ilmuwan lain tidak setuju dengan klaim ini, mengatakan bahwa meskipun hasilnya akan menarik untuk dilihat, itu tidak bisa menceritakan kisah penuh gravitasi kuantum. Belum lagi bahwa perlu waktu bertahun-tahun untuk membuat percobaan yang begitu rumit dan mahal.

Namun terlepas dari bagaimana graviton dapat menghindar dari kita, gravitasi harus memiliki penjelasan kuantum. Tanpa itu, deskripsi kita tentang dunia subatom tidak lengkap. Teori medan kuantum dapat mempertimbangkan relativitas khusus dan ruangwaktu tetapi belum memasukkan manipulasi ruang seperti yang dijelaskan oleh relativitas umum.

Di sinilah konsep seperti teori superstring ikut berperan. Teori ini khususnya lebih menyerupai alam semesta kita daripada teori lain yang mengandung gravitasi. Dikatakan bahwa semua partikel dan kekuatan di alam semesta kita berasal dari getaran string. Senar adalah blok bangunan dasar dari semua kehidupan dan sangat kecil, tetapi masalah utama dengan teori string adalah bahwa hal itu tidak memberi kita prediksi yang dapat diuji. Jika teorinya tidak dapat diuji dan diamati, maka teori itu tidak akan pernah diterima di komunitas ilmiah. Tetapi teori ini telah terbukti membantu dalam menguji konsistensi ide-ide dalam konteks matematika mengingat bahwa, bagaimanapun, adalah struktur matematika.

Mirip dengan teori string dan graviton, loop quantum gravity memunculkan dimensi yang terlalu kecil untuk dideteksi dalam eksperimen fisika partikel. Teori ini didasarkan pada matematika diskrit dan menempatkan batasan pada ruang dan waktu setelah itu mereka tidak lagi dapat dibagi (batas ini adalah 10⁷⁰ meter² di daerah dan 10-⁴³ detik untuk waktu). Area-area ini masih dapat terdistorsi oleh massa dan energi tetapi ukuran pamungkasnya tetap sama. Yang paling menarik dari semuanya adalah bahwa kita mungkin dapat mengamati efek tertentu dari gravitasi loop kuantum pada objek astronomi. Penguapan lubang hitam, radiasi latar belakang kosmik, dan semburan sinar gamma mungkin merupakan kunci untuk menguji teori ini.

Sebagai konsekuensi dari teori loop kuantum, cahaya warna yang berbeda akan bergerak pada kecepatan yang berbeda melalui ruang dengan cahaya dengan panjang gelombang lebih panjang (merah, oranye, kuning) bergerak lebih lambat daripada rekan-rekan mereka yang memiliki panjang gelombang lebih pendek (hijau, biru, ungu). Tetapi studi tentang ledakan gamma yang cerah sejauh ini menunjukkan semua warna cahaya bergerak dengan kecepatan yang sama.

Aspek yang paling misterius dari alam semesta kita - singularitas mengerikan dan momen sebelum Big Bang - terselubung tidak hanya oleh jarak yang jauh dan waktu yang lama, tetapi juga oleh penolakan mereka terhadap teori fisika terbaik kita. Mereka mengambil ide-ide ini dan mencabik-cabiknya, meninggalkan kita dengan pemahaman tentang dunia ini tetapi yang kita tahu akan terfragmentasi. Namun itu juga sebuah perjalanan. Selama bertahun-tahun, temuan dan pemahaman kami semuanya bertumpu pada satu titik, memberi sinyal kepada kami bahwa teori yang mengatur ini harus ada.

Bukan?

Beberapa ilmuwan, seperti fisikawan teoretis Freeman Dyson, tidak percaya teori tentang segala sesuatu diperlukan. Dunia klasik dan dunia mekanika kuantum sangat berbeda seperti dulu dan sekarang. Dimana seseorang dapat menunjukkan kepada kita munculnya kosmos dan pembentukan Bumi, yang lain memberi kita probabilitas statistik masa depan. Ya, mereka sangat berbeda dan tidak apa-apa. Kebutuhan untuk mendamaikan keduanya mungkin adalah ketertarikan kita pada kecantikan yang dikenakan pada dua teori yang berfungsi baik ini. Kesederhanaan dan keanggunan adalah tujuannya; tetapi kedua kata itu mungkin tidak berlaku untuk alam semesta. Apakah itu benar-benar membuatnya kurang indah?