Gravitasi sangat lemah. Coba pikirkan: Anda bisa mengangkat kaki Anda dari tanah, terlepas dari seluruh massa Bumi yang menangkapnya. Kenapa dia sangat lemah? Tidak diketahui. Dan mungkin diperlukan eksperimen ilmiah yang sangat besar untuk mengetahuinya. James Beecham adalah fisikawan Universitas Duke yang bekerja dengan detektor ATLAS di Large Hadron Collider yang terkenal di Swiss. Dia baru-baru ini mendeskripsikan eksperimen fisika untuk Gizmodo: akselerator atom yang sangat besar - Ultra-Hadron Collider - yang terletak di tepi luar tata surya.
Eksperimen semacam itu bisa memecahkan sebagian besar misteri fisika sekaligus, misalnya mengungkap sifat sebenarnya dari materi gelap atau membuktikan kemungkinan adanya perjalanan waktu.
Eksperimen pikiran: penumbuk seukuran tata surya
Fisikawan yakin mereka mengetahui prinsip dasar alam semesta. Partikel berinteraksi melalui gaya, empat di antaranya dikenal: elektromagnetisme; Kekuatan "lemah"; Kekuatan "kuat"; gravitasi. Setiap gaya memiliki aturan yang kami temukan melalui eksperimen selama ratusan tahun. Beberapa interaksi fundamental lebih kuat, beberapa lebih lemah.
Dibandingkan dengan tiga lainnya, "gravitasi tidak hanya lemah, tapi juga tidak signifikan," kata Beecham. Lebih jauh - dari orang pertama.
Di Large Hadron Collider, tempat saya bekerja, kami mempelajari aturan dasar alam dengan mendorong proton bersama-sama pada energi tinggi. Aturan yang kami selidiki dijelaskan dalam terminologi partikel dan gaya, dan gravitasi adalah satu-satunya dari empat gaya yang diketahui yang bahkan tidak kami perhatikan saat menghitung tumbukan proton berenergi tertinggi. Jika kita memberikan interaksi yang kuat dengan gaya 1, gravitasi akan memiliki gaya 10-39. 39 angka nol setelah koma desimal. Artinya, tidak ada sama sekali.
Video promosi:
Misteri sains ini adalah salah satu yang paling tidak bisa kita pahami. Mengapa kekuatan interaksi berbaris seperti ini? Mengapa gravitasi begitu lemah?
Alam adalah apa adanya, tidak peduli bagaimana orang membayangkannya. Tetapi eksperimen telah menunjukkan bahwa pada energi yang cukup tinggi, elektromagnetisme dan gaya lemah bergabung menjadi satu gaya. Pada energi yang lebih tinggi, para ilmuwan yakin, interaksi yang kuat juga akan bergabung dengan mereka. Tapi gravitasi berbeda. Para ilmuwan tidak tahu apakah gravitasi akan bergabung dengan gaya lainnya pada energi yang cukup tinggi.
"Gravitasi adalah gaya alam, tetapi aturannya - matematika yang mendasari, deskripsi paling akurat - entah bagaimana sangat berbeda dari yang lain," kata Beecham. Dan dia melanjutkan:
Gravitasi paling baik dijelaskan oleh teori relativitas umum Einstein, dan tiga gaya lainnya yang dijelaskan oleh Model Standar fisika partikel didasarkan pada teori medan kuantum. Dan meski ada kesamaan, mereka berbeda. Artinya, ketika kita secara naif mencoba menjahitnya menjadi satu, kita mendapatkan jawaban yang tidak berarti.
Di alam semesta kita sekarang, dengan menggunakan teknologi kita saat ini, “hampir tidak mungkin menemukan jawaban empiris untuk pertanyaan ini,” kata Beecham. Mengapa? "Kita tidak bisa mencapai energi tabrakan setinggi itu, terutama karena kita tidak bisa membangun penumbukan yang cukup besar untuk melakukan ini." Dia mengatakan bahwa beberapa ahli teori percaya ada sesuatu yang lain (seperti partikel lain atau dimensi spasial ekstra, seperti yang disarankan oleh teori string dan model yang diperluas) yang mungkin muncul dalam percobaan yang menggabungkan gravitasi dengan gaya lain.
Namun untuk itu diperlukan penumbuk berukuran tata surya.
Bahkan Large Hadron Collider melingkar 27 kilometer, yang menggunakan magnet superkonduktor untuk mempercepat dan menabrak sinar proton pada 99,999999% kecepatan cahaya, tidak cukup cepat untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan ini. Dia hanya bisa mengetahui seperti apa alam semesta jika seukuran apel. Ilmuwan mungkin membutuhkan lebih banyak energi dan oleh karena itu penumbuk yang lebih besar untuk membuat alam semesta lebih kecil dari apel.
Berapa banyak lagi? Mungkin kekuatan nuklir yang kuat dan lemah dapat dikombinasikan dengan penumbuk yang dibangun di sekitar Mars. Tapi untuk menambahkan gravitasi ke persamaan ini, “menurut beberapa perkiraan kasar, sebuah collider akan dibutuhkan untuk mengelilingi orbit Neptunus. Selain itu, beberapa ilmuwan berpendapat bahwa perkiraan ini sangat kasar dan kami harus membangun cincin yang lebih besar. Manfaatnya akan sangat besar - penumbuk seperti itu akan dapat menguji skala Planck, skala terkecil yang dapat kita lihat yang dimungkinkan oleh mekanika kuantum. “Kami akan memahami segala sesuatu tentang gravitasi, tentang mekanika kuantum dan, sementara itu, juga akan mendapatkan gabungan gaya elektro-lemah dan elektro-kuat begitu saja, diikuti oleh perjalanan waktu, teori string, materi gelap, energi gelap, masalah pengukuran, teori banyak alam semesta. dll.
Apa? Perjalanan waktu? Menurut Beecham, kita akan mendapatkan pemahaman mendetail tentang alam semesta dan bagaimana ruang-waktu bekerja sehingga kita dapat menempatkan pengetahuan kita menjadi dasar teknologi masa depan untuk memanipulasi waktu.
"Ada kemungkinan bahwa gaya gravitasi dan gaya alam lainnya bergabung pada beberapa energi yang sangat tinggi, tetapi untuk menyelidiki masalah ini kita perlu membuat penumbuk seperti LHC, mengelilingi bagian luar tata surya atau bahkan lebih."
Sayangnya, eksperimen pemikiran Beecham tidak dapat dilakukan saat ini:
“Teknologi, kekuatan manusia dan sumber daya untuk membuat penumbuk partikel yang mengelilingi bagian luar tata surya sama sekali tidak ada. Bahkan jika kita mengambil teknologi akselerator dan detektor yang ada di LHC, skalanya akan menjadi masalah dalam arti paling praktis: tidak jelas apakah ada cukup bahan untuk menciptakan raksasa ini di tata surya, di semua sumber - Bumi, Bulan, planet, asteroid, dll. …
Dan untuk mempercepat proton menjadi energi tinggi, bahkan di LHC, kami menggunakan magnet superkonduktor. Magnet menjadi superkonduktor hanya jika Anda membuatnya sangat dingin. Orang akan berpikir bahwa ini akan berguna untuk menciptakan akselerator partikel di luar angkasa. Kosmos sangat dingin. Tapi untuk superkonduktivitas, tidak terlalu dingin. Luar angkasa memiliki suhu 2,7 Kelvin, tetapi magnet membutuhkan 1,9 Kelvin. Dekat, tapi tetap tidak. Di LHC, suhu ini dicapai dengan menggunakan helium cair. Tidak jelas apakah ada cukup cairan helium di sekitar untuk mendinginkan akselerator melingkar seukuran tata surya.
Pada energi ini, detektor pasti sangat besar. Anda harus melatih fisikawan dan memperoleh jumlah daya komputasi yang tidak dapat dipahami. Anda akan membutuhkan robotika canggih, perlindungan dari asteroid, komet, dan puing-puing lainnya. Dan semua ini masih perlu digerakkan. Anda tidak dapat menggunakan energi Matahari, karena mesin mengelilingi Matahari pada jarak Neptunus. Perangkat sebesar ini akan membutuhkan terobosan energi yang tidak mungkin dilakukan dalam waktu dekat.
Eksperimen seperti itu akan mengubah fisika. Bagaimanapun, eksperimen semacam itu membantu fisikawan memahami cara kerja sesuatu, dan akselerator semacam itu akan memberikan jawaban yang meyakinkan atas banyak pertanyaan. Ini akan mengubah cara berpikir orang. Akan mengubah apa yang kita maksud dengan "pemahaman."
Jika kita sedang membangun collider di sekitar batas luar tata surya, pengetahuan yang akan kita peroleh adalah tentang sifat gravitasi, tentang cara menggabungkan mekanika kuantum dan relativitas umum menjadi satu, tentang perjalanan waktu, tentang apa yang terjadi pada saat Big Bang., tentang apakah Alam Semesta kita bisa menjadi salah satu dari banyak alam semesta yang jumlahnya tak terbatas - begitu banyak yang akan mengubah gagasan kita tentang realitas, sikap kita terhadap alam, bahasanya, pemahaman tentang dunia, kemanusiaan secara umum, tempat kita di alam semesta, yang harus kita lakukan akan menciptakan konsep pemahaman baru untuk menggambarkannya.
Jelas, tidak ada yang mengerjakan eksperimen semacam itu, meskipun CERN sudah mengembangkan di atas kertas Future Circular Collider, terowongan yang panjangnya akan mencapai 80-100 kilometer. Namun, mungkin di suatu tempat di Semesta sedang mengerjakan proyek semacam itu.
Akan luar biasa jika beberapa peradaban jauh di tempat lain di alam semesta sudah mengerjakan ini, dan kami setidaknya memiliki kesempatan untuk menemukan dan menghubunginya untuk bertanya tentang hasil eksperimen fisik biasa sekalipun. Apakah mereka memiliki massa yang sama dengan Higgs boson? Apakah mereka menemukan boson X dan Y yang menunjukkan penyatuan gaya elektro dan lemah? Apakah mereka mencapai skala Planck? Apakah materi gelap itu? Bisakah kita mundur ke masa lalu?
Alam semesta akan terus beroperasi menurut hukum yang sama. Pertanyaan sebenarnya adalah apakah manusia akan pernah dapat memahami hukum-hukum ini.
Ilya Khel
