Lalu, mengapa waktu tampaknya hanya bergerak ke satu arah?
Salah satu jawaban yang mungkin juga dapat mengungkap rahasia massa yang hilang. Beberapa fakta dari pengalaman kami sama jelasnya dan tersebar luas seperti perbedaan antara masa lalu dan masa depan. Kami mengingat satu hal, tetapi kami mengharapkan hal lain. Jika Anda menjalankan film dengan arah berlawanan, itu tidak akan realistis. Kami mengatakan "panah waktu", yang berarti jalan dari masa lalu ke masa depan.
Orang mungkin berasumsi bahwa keberadaan panah waktu dibangun ke dalam hukum dasar fisika. Tapi yang sebaliknya juga benar. Jika Anda membuat film tentang peristiwa subatomik, Anda akan menemukan bahwa versi pembalik waktunya terlihat cukup masuk akal. Lebih tepatnya, hukum dasar fisika - dengan pengecualian pengecualian eksotis kecil, yang akan kita bahas kembali - akan berfungsi terlepas dari apakah kita memutar tuas waktu ke depan atau ke belakang. Berlawanan dengan latar belakang hukum fundamental fisika, panah waktu dapat dibalik.
Logikanya, transformasi yang membalik arah waktu juga harus mengubah hukum fundamental. Akal sehat menentukan apa yang seharusnya. Tapi itu tidak berubah. Fisikawan menggunakan akronim yang tepat untuk menggambarkan fakta ini. Mereka menyebut transformasi yang membalikkan panah waktu, hanya T, dari pembalikan waktu. Dan fakta bahwa T tidak mengubah hukum fundamental disebut sebagai "T-invariance" atau "T-simetri".
Pengalaman sehari-hari melanggar T-invariance, sementara hukum fundamental menghormatinya. Perbedaan yang mencolok ini menimbulkan pertanyaan yang sulit. Bagaimana dunia nyata, yang hukum dasarnya menghormati simetri-T, bisa terlihat begitu asimetris? Mungkinkah suatu hari kita akan menemukan makhluk yang hidup dalam ritme waktu yang berlawanan - yang semakin muda seiring bertambahnya usia? Dapatkah kita, melalui beberapa proses fisik, membalikkan panah waktu kita sendiri?
Ini adalah pertanyaan yang menarik, dan kami akan kembali lagi nanti. Dalam artikel ini, Frank Wilczek, fisikawan teoritis di Massachusetts Institute of Technology dan penerima Hadiah Nobel, memutuskan untuk membahas masalah lain. Itu muncul ketika Anda mulai dari ujung yang lain, dalam kerangka pengalaman bersama. Teka-teki apakah ini?
Mengapa hukum fundamental memiliki properti bermasalah dan aneh ini, T-invariance?
Jawaban yang dapat ditawarkan hari ini jauh lebih dalam dan lebih kompleks daripada yang dapat kami tawarkan 50 tahun yang lalu. Pemahaman hari ini telah muncul dari interaksi yang brilian antara penemuan eksperimental dan analisis teoritis, yang telah memenangkan beberapa Hadiah Nobel. Tetapi jawaban kami kehilangan beberapa elemen. Menelusuri mereka mungkin membawa kita pada hadiah yang tak terduga: definisi kosmologis "materi gelap".
Video promosi:
Sejarah modern T-invariance dimulai pada tahun 1956. Tahun itu, T. D. Lee dan C. N. Young mempertanyakan fitur lain tetapi terkait dari hukum fisik yang sebelumnya dianggap biasa. Lee dan Young tidak terganggu oleh T itu sendiri, tetapi oleh rekan spasialnya, transformasi paritas P. Sementara T melibatkan menonton film yang kembali ke masa lalu, P mencakup menonton film yang dipantulkan di cermin. P-invariance adalah hipotesis bahwa peristiwa yang Anda lihat di film pantulan mematuhi hukum yang sama seperti di film aslinya. Lee dan Young mengidentifikasi inkonsistensi tidak langsung dalam hipotesis ini dan mengusulkan eksperimen penting untuk mengujinya. Percobaan selama beberapa bulan telah menunjukkan bahwa invarian P dilanggar dalam banyak kasus. (P-invarians dikonservasi untuk interaksi gravitasi, elektromagnetik dan kuat,tetapi umumnya dilanggar karena interaksi yang lemah).
Peristiwa dramatis di sekitar P- (non) invarian telah membuat fisikawan berpikir tentang T-invarian, asumsi terkait yang juga pernah diterima begitu saja. Namun, hipotesis T-invariance telah menjalani pengujian yang ketat selama beberapa tahun. Barulah pada tahun 1964 sebuah kelompok yang dipimpin oleh James Cronin dan Valentina Fitch menemukan efek yang aneh dan halus dalam peluruhan K-meson, yang melanggar invarian T.
Kebijaksanaan pemahaman John Mitchell - bahwa "Anda tidak tahu apa yang Anda miliki sampai hilang" - telah dibuktikan sesudahnya.
Jika kita, seperti anak kecil, terus bertanya “mengapa?” Kita akan mendapatkan jawaban yang lebih dalam untuk sementara waktu, tetapi pada akhirnya kita akan mencapai titik terendah ketika kita sampai pada suatu kebenaran yang tidak dapat kita jelaskan dengan lebih sederhana. Pada saat ini kami menyatakan kemenangan: "Segalanya seperti apa adanya." Tetapi jika kemudian kita menemukan pengecualian atas dugaan kebenaran kita, jawaban ini tidak akan lagi memuaskan kita. Kita harus pindah.
Selama invarian-T adalah kebenaran universal, tidak jelas seberapa berguna pertanyaan kita di awal nanti. Mengapa alam semesta T-invariant? Hanya karena. Tapi setelah Cronin dan Fitch, teka-teki invarian T tidak bisa diabaikan begitu saja.
Banyak fisikawan teoretis telah menghadapi masalah menjengkelkan dalam memahami bagaimana invarian T bisa sangat akurat, tetapi tidak sepenuhnya akurat. Dan di sini karya Makoto Kobayashi dan Toshihide Maskawa sangat berguna. Pada tahun 1973, mereka menyarankan bahwa perkiraan T-invariance adalah konsekuensi kebetulan dari prinsip lain yang lebih dalam.
Waktu telah berlalu. Tidak lama sebelum itu, kontur Model Standar modern dari fisika partikel elementer telah digambar, dan dengannya tingkat transparansi baru dari interaksi fundamental. Pada tahun 1973, ada kerangka teoritis yang kuat - dan berhasil secara empiris - yang didasarkan pada beberapa "prinsip sakral". Ini adalah relativitas, mekanika kuantum, dan aturan keseragaman matematika yang disebut simetri gauge.
Namun, menyatukan semua ide ini terbukti sulit. Bersama-sama mereka secara signifikan membatasi kemungkinan interaksi dasar.
Kobayashi dan Maskawa, dalam dua paragraf pendek, melakukan dua hal. Pertama, mereka menunjukkan bahwa jika kita membatasi fisika pada partikel yang kemudian diketahui (misalnya, jika hanya ada dua keluarga quark dan lepton), maka semua interaksi yang diizinkan oleh prinsip sakral juga mengikuti invarian T. Jika Cronin dan Fitch tidak pernah menemukan mereka, ini tidak akan menjadi masalahnya. Tapi mereka berhasil, dan Kobayashi dan Maskawa melangkah lebih jauh. Mereka menunjukkan bahwa jika kita memasukkan satu set khusus partikel baru (keluarga ketiga), partikel ini akan mengarah pada interaksi baru, yang mengarah pada pelanggaran invarian T. Sekilas, persis seperti yang diperintahkan dokter.
Pada tahun-tahun berikutnya, teladan brilian mereka dalam pekerjaan detektif terbukti benar. Partikel-partikel baru yang diakui keberadaan Kobayashi dan Maskawa ditemukan, dan interaksi mereka ternyata persis seperti yang seharusnya.
Perhatian, pertanyaan. Apakah asas sakral ini benar-benar sakral? Tentu saja tidak. Jika eksperimen mengarahkan para ilmuwan untuk melengkapi prinsip-prinsip ini, mereka pasti akan saling melengkapi. Saat ini, prinsip-prinsip sakral terlihat sangat bagus. Dan mereka cukup berbuah untuk menganggapnya serius.
Sejauh ini, itu adalah kisah kemenangan. Pertanyaan yang kami ajukan di awal, salah satu teka-teki tersulit tentang cara kerja dunia, menerima sebagian jawaban: dalam, indah, berbuah.
Beberapa tahun setelah karya Kobayashi dan Maskawa, Gerard t'Hooft menemukan celah dalam penjelasan mereka tentang T-invariance. Prinsip-prinsip sakral memungkinkan jenis interaksi tambahan. Interaksi baru yang mungkin terjadi cukup halus, dan penemuan t'Hooft mengejutkan sebagian besar fisikawan teoretis.
Interaksi baru, jika hadir dengan kekuatan yang signifikan, akan melanggar T-invariance ke tingkat yang jauh lebih jelas daripada efek yang ditemukan oleh Cronin, Fitch dan rekan mereka. Secara khusus, ini akan memungkinkan rotasi neutron untuk menghasilkan medan listrik, selain medan magnet yang dapat diinduksi. (Medan magnet dari sebuah neutron yang berputar sama dengan apa yang dihasilkan Bumi kita yang berputar, meskipun pada skala yang sama sekali berbeda.) Para peneliti telah mencari dengan keras medan listrik seperti itu, tetapi pencarian mereka tidak membuahkan hasil.
Seolah-olah alam tidak ingin menggunakan celah t'Hooft. Tentu saja, ini adalah haknya, tetapi hak ini kembali menimbulkan pertanyaan kita: mengapa alam mengikuti T-invarian dengan sangat hati-hati?
Beberapa penjelasan telah ditawarkan, tetapi hanya satu yang bertahan dalam ujian waktu. Ide utamanya adalah milik Roberto Pezzie dan Helen Quinn. Proposal mereka, seperti Kobayashi dan Maskawa, melibatkan perluasan Model Standar dengan cara khusus. Misalnya, melalui bidang penetral, perilaku yang sangat sensitif terhadap interaksi baru t'Hooft. Jika ada interaksi baru, bidang penetral menyesuaikan besarnya sendiri untuk mengimbangi pengaruh interaksi ini. (Proses penyetelan ini umumnya mirip dengan bagaimana elektron bermuatan negatif dalam padatan berkumpul di sekitar pengotor bermuatan positif dan melindungi pengaruhnya.) Bidang penetral seperti itu ternyata menutup celah kita.
Pezzie dan Quinn telah melupakan implikasi penting yang dapat diuji dari ide mereka. Partikel yang dihasilkan oleh medan penetralnya - kuanta - pasti memiliki sifat yang luar biasa. Karena mereka lupa tentang partikelnya, mereka juga tidak menamainya. Ini memungkinkan saya untuk memenuhi impian masa kecil saya.
Beberapa tahun sebelumnya, saya pernah melihat kotak berwarna cerah di supermarket bernama Axion. Tampak bagi saya bahwa "axion" terdengar seperti partikel dan, tampaknya, memang demikian. Jadi ketika saya menemukan partikel baru yang "membersihkan" masalah dengan aliran "aksial", saya merasa seperti saya punya kesempatan. (Saya segera mengetahui bahwa Steven Weinberg juga menemukan partikel ini, secara independen. Dia menyebutnya Higglet. Untungnya, dia setuju untuk menghilangkan nama itu.) Maka dimulailah epik, yang kesimpulannya hanya tersisa untuk ditulis.
Di Chronicles of the Particle Data Group, Anda akan menemukan beberapa halaman yang mencakup lusinan eksperimen yang menjelaskan pencarian axion yang tidak berhasil. Tapi masih ada alasan untuk optimis.
Teori sumbu memprediksi, secara umum, bahwa sumbu harus sangat ringan, partikel berumur sangat panjang yang berinteraksi lemah dengan materi biasa. Tetapi untuk membandingkan teori dan eksperimen, Anda perlu mengandalkan angka. Dan di sini kita dihadapkan pada ambiguitas, karena teori yang ada tidak menetapkan nilai massa sumbu. Jika kita mengetahui massa sumbu, kita akan memprediksi sifat-sifat lainnya. Tapi massa itu sendiri bisa dalam berbagai nilai. (Masalah yang sama terjadi pada quark terpesona, partikel Higgs, quark atas, dan beberapa lainnya. Sebelum penemuan masing-masing partikel ini, teori memprediksikan semua sifatnya, kecuali nilai massanya). Ternyata gaya interaksi sumbu sebanding dengan massanya. Oleh karena itu, ketika nilai massa sumbu menurun, itu menjadi semakin sulit dipahami.
Di masa lalu, fisikawan telah memusatkan perhatian pada model di mana sumbu terkait erat dengan partikel Higgs. Diasumsikan bahwa massa sumbu harus berada pada orde 10 keV - satu-lima puluh massa elektron. Sebagian besar eksperimen yang kita bicarakan sebelumnya mencari sumbu dari rencana seperti itu. Saat ini, kami dapat memastikan bahwa sumbu seperti itu tidak ada.
Materi gelap
Dan oleh karena itu, perhatian ditarik ke nilai yang jauh lebih kecil dari massa sumbu, yang tidak dikecualikan secara eksperimental. Sumbu semacam ini muncul secara alami dalam model yang menggabungkan interaksi dalam Model Standar. Mereka juga muncul dalam teori string.
Kami menghitung bahwa axion seharusnya diproduksi secara melimpah selama momen-momen awal Big Bang. Jika sumbu benar-benar ada, maka fluida sumbu akan memenuhi Semesta. Asal mula fluida sumbu secara kasar menyerupai asal usul gelombang mikro kosmik yang terkenal, tetapi ada tiga perbedaan utama di antara keduanya. Pertama, latar belakang gelombang mikro diamati, dan fluida sumbu tetap murni hipotetis. Kedua, karena sumbu memiliki massa, fluida mereka memengaruhi kepadatan massa alam semesta secara keseluruhan. Pada dasarnya, kami menghitung bahwa massa mereka kira-kira harus sesuai dengan massa yang telah ditentukan para astronom di balik materi gelap! Ketiga, karena sumbu berinteraksi sangat lemah, mereka seharusnya lebih sulit diamati daripada foton CMB.
Pencarian eksperimental untuk sumbu berlanjut di beberapa bidang. Dua dari eksperimen yang paling menjanjikan ditujukan untuk menemukan fluida aksion. Salah satunya, ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), menggunakan antena super sensitif khusus untuk mengubah sumbu latar belakang menjadi pulsa elektromagnetik. Yang lain, CASPEr (Eksperimen Percobaan Spin Axion Kosmik), mencari fluktuasi kecil dalam gerakan spin nuklir yang dapat disebabkan oleh fluida axion. Selain itu, eksperimen canggih ini menjanjikan untuk mencakup hampir seluruh rentang massa sumbu yang mungkin.
Apakah ada sumbu? Kami belum tahu. Keberadaan mereka akan membawa kesimpulan yang dramatis dan memuaskan bagi sejarah panah waktu yang dapat dibalik, dan mungkin juga memecahkan misteri materi gelap dalam tawar-menawar. Pertandingan dimulai.
Frank Wilczek, berdasarkan Majalah Quanta
