Pendek:
- mengapa fisika modern menemui jalan buntu.
- bahwa Einstein dan Hawking tidak punya waktu untuk menjelajah.
- bagaimana menggabungkan mekanika kuantum dan relativitas umum.
Dengan bantuan Internet, Anda dapat mempelajari segalanya - mulai dari desain mesin pembakaran internal hingga kecepatan perluasan Semesta. Tetapi ada pertanyaan, jawabannya tidak hanya diketahui oleh Google, tetapi bahkan ilmuwan terhebat di zaman kita.
Jika Anda tiba-tiba cukup beruntung untuk berbicara dengan pemenang Hadiah Nobel terbaru di bidang fisika, jangan tanya mereka tentang exoplanet dan materi gelap, mereka telah mengatakannya ratusan kali.
Lebih baik tanyakan mengapa objek yang berbeda di dunia kita mematuhi hukum fisika yang berbeda. Misalnya, mengapa planet, bintang, dan benda besar lainnya berinteraksi satu sama lain, mengikuti hukum tertentu, dan partikel pada tingkat terkecil, seperti atom, hanya mematuhi diri mereka sendiri.
Pertanyaan seperti itu akan membingungkan orang awam, dan orang yang berpendidikan, menjawabnya, akan memberi tahu Anda mengapa sains modern telah mencapai jalan buntu, apa perbedaan antara Model Standar fisika dan relativitas umum (selanjutnya - GR), dan juga mengapa makna boson Higgs dan teori string sebenarnya kasusnya berlebihan.
Video promosi:
Terlepas dari penjelasan ini, tidak seorang pun, termasuk Albert Einstein yang dibangkitkan, akan dapat menjelaskan kepada Anda sifat berbeda dari fenomena fisik pada tingkat mikro dan makro. Jika Anda sendiri dapat memecahkan masalah ini - selamat, Anda adalah penulis pertama teori segalanya, otak terbesar dalam sejarah umat manusia, penerima semua penghargaan yang mungkin dan ayah (atau ibu) fisika baru.
Tetapi, sebelum menyajikan kepada dunia sebuah penemuan revolusioner, lebih baik memahami apa arti teori segala sesuatu, pertanyaan apa yang harus dijawab, dan siapa yang paling mendekati penemuannya.
Teori segalanya adalah kombinasi dari dua konsep fisika modern yang paling terkenal - relativitas umum Albert Einstein dan mekanika kuantum. Teori pertama menjelaskan segala sesuatu yang mengelilingi kita dalam bentuk ruang-waktu, serta interaksi semua benda di alam semesta hanya dengan menggunakan gravitasi. Mekanika kuantum, pada gilirannya, mendeskripsikan interaksi partikel elementer menggunakan tiga indikator sekaligus - elektromagnetik, dan interaksi nuklir kuat / lemah.
Jadi, ini berbicara tentang gravitasi dan objek besar seperti planet dan bintang, dan mekanika kuantum berbicara tentang partikel elementer dan interaksi elektromagnetik dan nuklir lemah / kuatnya. Kami akan kembali ke ini nanti.
Pewaris Newton
Untuk pertama kalinya, relativitas umum disuarakan oleh Albert Einstein. Pada saat itu, seorang karyawan muda dari Kantor Paten Austria melengkapi teori gravitasi klasik Newton dan menjelaskan semua hal yang tidak diketahui di dalamnya. Secara khusus, berkat penemuan ini, orang-orang mempelajari apa sebenarnya gravitasi itu, dan bagaimana gravitasi menentukan interaksi tidak hanya antara apel dan Bumi, tetapi juga antara Matahari dan semua planet di tata surya.
Einstein mengemukakan bahwa ruang dan waktu saling berhubungan dan membentuk satu kesatuan ruang-waktu - dasar munculnya gaya gravitasi semua benda. Tidak seperti teori Newton, kontinum (atau ruang-waktu) ini fleksibel dan dapat berubah bentuk tergantung pada massa benda dan, karenanya, energinya.
Dugaan Einstein baru dikonfirmasi dalam praktik beberapa tahun yang lalu ketika mereka memperhatikan bagaimana cahaya - dan dengan demikian ruangwaktu - membelok saat melintas di dekat objek masif - Matahari - karena efek gravitasi. Bahkan tanpa bukti ini, relativitas umum telah lama menjadi dasar fisika modern, dan sejauh ini belum ada yang dapat memberikan penjelasan yang lebih kuat tentang gravitasi benda dan medan di ruang angkasa.
Meskipun demikian, ruang-waktu itu sendiri masih kurang dipahami, dan para ilmuwan tidak tahu bagaimana ia terbentuk dan terdiri dari apa. Jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini baru saja mulai dicari dalam mekanika kuantum - cabang teori fisika yang menjelaskan sifat fenomena fisik pada tingkat molekul, atom, elektron, foton, dan partikel kecil lainnya.
Mekanika kuantum
Menurut teori Einstein, secara mutlak semua benda di alam semesta harus tunduk pada gravitasi. Tetapi, bersamaan dengan penemuan relativitas umum, ilmuwan lain menyelidiki bagaimana objek berinteraksi di tingkat subatom.
Ternyata gravitasi pada skala seperti itu sama sekali tidak berguna. Sebaliknya, interaksi inti elektromagnetik dan lemah / kuat menjadi penentu. Dengan bantuan gaya-gaya ini, partikel terkecil berinteraksi satu sama lain - foton, gluon, dan boson.
Tetapi, para ilmuwan masih belum mengetahui prinsip apa yang berinteraksi dengan partikel-partikel ini, karena mereka dapat memiliki kepadatan energi yang sangat tinggi, dan masih tidak dapat dipengaruhi oleh gravitasi. Oleh karena itu - fenomena yang tidak dapat dijelaskan seperti dualisme gelombang-partikel (manifestasi sifat gelombang oleh partikel), serta efek pengamat dengan hasil berupa kucing Schrödinger yang hidup dan mati.
Karena itu, dua dunia fisika bertabrakan dengan dahi mereka - Einstein, di mana semua objek memiliki sifat tertentu, cocok untuk gravitasi, dapat dijelaskan dan diprediksi, dan kuantum, di mana kehidupan yang sama sekali berbeda dan tidak dapat diprediksi sedang berkecamuk, di mana segala sesuatu terus berubah dan menyamakan konsep ruang. waktu seperti itu.
Apa yang perlu dilakukan untuk menyatukan dua dunia ini? Kami berbicara tentang gravitasi dalam relativitas umum dan tentang interaksi inti elektromagnetik, kuat / lemah dalam Model Standar fisika. Jadi, gravitasi hampir sempurna, ini memungkinkan kita untuk memahami hampir semua yang mengelilingi kita, tetapi tidak memperhitungkan perilaku partikel yang sangat tak dapat dijelaskan pada tingkat terkecil. Interaksi elektromagnetik dan nuklir kuat / lemah adalah bagian alternatif dari fisika yang menyembunyikan penemuan baru dan merupakan reservoir besar untuk penelitian, tetapi tidak memperhitungkan hukum gravitasi relativitas umum.
Tahap terakhir dalam penelitian dan kehidupan Albert Einstein adalah penciptaan teori gravitasi kuantum, yang akan memungkinkan penyatuan semua kemungkinan interaksi objek pada tingkat makro dan mikro, dan juga menjelaskan mengapa mereka berperilaku berbeda. Einstein tidak pernah dapat menemukan jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini, dan setelah dia kemungkinan penyatuan relativitas umum dan mekanika kuantum mulai disebut teori segalanya.
Teori segalanya
Dalam pencarian mereka untuk teori segalanya, para ilmuwan telah menyelidiki beberapa objek paling tidak biasa di alam semesta - lubang hitam. Mereka begitu berat sehingga mereka bergantung pada gravitasi, dan begitu terkompresi sehingga efek kuantum secara teoritis dapat diamati saat jatuh ke dalam lubang hitam. Namun, sayangnya, sejauh ini, terlepas dari radiasi Hawking, yang bertentangan dengan mekanika kuantum, dan foto terbaru dari cakrawala peristiwa, lubang hitam tidak banyak membantu sains modern. Bahkan jika mereka memang ada, menjangkau mereka adalah tugas yang hampir mustahil bagi manusia.
Mereka mulai mencari teori tentang segala sesuatu di Bumi menggunakan berbagai eksperimen pemikiran dan sifat mekanika kuantum dan relativitas umum, yang berpotensi dapat saling melengkapi.
Saat ini, mungkin yang paling populer dan paling dekat dengan versi kebenaran dari teori segalanya adalah teori string. Dikatakan bahwa partikel apa pun adalah string satu dimensi yang bergetar dalam realitas 11 dimensi, dan, bergantung pada getaran ini, massa dan muatannya ditentukan.
Antara lain, sifat utama dari sebuah string adalah ia dapat mentransfer gravitasi pada level kuantum. Jika teori seperti itu dikonfirmasi dalam praktik, string bisa menjadi langkah pertama menuju penyatuan mekanika kuantum dengan relativitas umum. Namun sayangnya, hingga saat ini belum ada yang mampu membuktikan dan menyatakan bahwa string adalah pembawa gaya gravitasi di level subatom. Sama seperti Higgs boson yang baru ditemukan tidak menjadi graviton yang diinginkan.
Ya, kita masih belum tahu dari mana massa banyak partikel elementer berasal dan dengan prinsip apa mereka berinteraksi satu sama lain, tetapi ini tidak menghalangi fisikawan modern untuk mengajukan "teori segala sesuatu" yang lebih dan lebih baru.
Baru-baru ini, misalnya, fisikawan dari Cina, Jerman, dan Kanada menguji teori Darwinisme kuantum Wojciech Zurek, yang konon menjelaskan bagaimana partikel kuantum meninggalkan jejaknya di makrokosmos yang tersedia bagi kita. Tetapi bahkan dalam kasus konfirmasi bahwa partikel berada dalam dua keadaan pada saat yang sama, ini hanyalah konfirmasi dari interaksi mekanika kuantum relativitas umum, dan sama sekali bukan penjelasan tentang ini.
Fisikawan teoretis Amerika lainnya dari Universitas Maryland, Brian Swingle, berusaha menjelaskan sifat kemunculan ruang-waktu dan memutuskan bahwa belitan kuantum dapat membentuk kontinum Einstein. Swingle menyarankan bahwa struktur empat dimensi ruangwaktu (panjang, lebar, kedalaman, dan waktu) dapat dikodekan dalam fisika kuantum tiga dimensi (dengan dimensi yang sama, hanya tanpa waktu). Menurut fisikawan tersebut, gravitasi dan relativitas umum harus dijelaskan melalui sifat-sifat mekanika kuantum, bukan sebaliknya, yang membuat eksperimen ini agak kontradiktif.
Ada lusinan teori serupa yang kompleks dan bahkan beralasan baik, tetapi belum ada satupun yang bisa disebut teori segalanya. Mungkin ini bagus, karena manusia telah mencoba memahami bagaimana atom dan bintang berinteraksi hanya selama satu abad terakhir, dan alam semesta telah ada selama hampir 14 miliar tahun.
Peneliti modern paling terkenal dari teori segalanya - Stephen Hawking - di akhir hidupnya sampai pada kesimpulan bahwa tidak mungkin menemukannya. Tetapi, ini tidak menjadi kekecewaan baginya, tetapi, seperti yang kemudian dia katakan, sebaliknya, mengarah pada pemahaman bahwa seseorang akan berkembang terus-menerus: “Sekarang saya senang bahwa pencarian pemahaman kita tidak akan pernah berakhir, dan bahwa kita akan selalu mengalami penemuan-penemuan baru … Tanpa ini, kami akan berdiri diam."
