Kata "fisika" didasarkan pada bahasa Yunani kuno, yang berarti "alam". Studi tentang alam, penjelasan tentang fenomena yang diamati di dalamnya dan prediksi peristiwa yang belum diketahui adalah tujuan fisika. Kembali pada abad IV SM, Aristoteles meletakkan dasar-dasar fisika sebagai ilmu dalam risalahnya "Fisika". Sejak itu, banyak rahasia alam telah terungkap kepada kita. Tetapi semakin banyak kita belajar, semakin banyak pertanyaan yang muncul. Dan, mungkin, yang utama: bagaimana menemukan penjelasan umum untuk semua fenomena? Untuk menjawabnya, Anda perlu membuat Theory of Everything.
Model Standar dan Kakak Tirinya
Membuat jalan mereka jauh ke dalam materi dan mencoba menemukan partikel paling mendasar dan tak terpisahkan yang mendasari materi, para ilmuwan akhirnya menemukan quark dan lepton. Quark digunakan untuk membangun hadron (itulah sebabnya Large Hadron Collider disebut demikian), yang mencakup, khususnya, proton dan neutron yang membentuk inti atom, yang sebelumnya dianggap tidak dapat dibagi. Perwakilan lepton yang paling terkenal adalah elektron yang bergerak dalam awan elektron di sekitar nukleus ini.
Hari ini kita tahu bahwa semua partikel ini berinteraksi karena empat jenis gaya, empat interaksi mendasar: gravitasi, elektromagnetik, nuklir kuat, dan nuklir lemah. Meskipun mungkin ada lebih banyak dari mereka, yang lain belum kita ketahui.
Gravitasi adalah gaya tarik menarik antara benda yang bermassa. Elektromagnetisme bertanggung jawab atas interaksi antara benda-benda yang memiliki muatan listrik. Gaya nuklir kuat menahan proton dan neutron dalam inti atom, serta quark dalam proton dan neutron itu sendiri, sedangkan gaya lemah mengatur proses seperti peluruhan radioaktif.
Aksi masing-masing gaya ini dapat direpresentasikan sebagai pertukaran partikel-kuanta dari interaksi ini. Interaksi kuat dilakukan oleh gluon. Mereka dapat dikatakan "merekatkan" quark, menciptakan proton dan neutron dari mereka. Mereka mendapatkan nama mereka karena suatu alasan: dalam bahasa Inggris, glue berarti "lem".
Pembawa interaksi lemah adalah boson W dan Z. Untuk interaksi elektromagnetik yang terkenal bagi kita, foton yang tidak kalah terkenal bertanggung jawab. Selain itu, semua interaksi memiliki teorinya sendiri yang menjelaskan interaksi ini.
Pada titik ini, apa yang disebut Model Standar - konstruksi teoretis dalam fisika partikel - terputus. Bagaimana dengan gravitasi? Apakah ia memiliki partikel kuantum sendiri?
Jika partikel elementer digunakan untuk memodelkan interaksi dasar, maka dengan analogi dapat diasumsikan bahwa beberapa partikel elementer harus bertanggung jawab atas interaksi gravitasi.
Partikel ini belum ditemukan, terdaftar sebagai hipotetis, tetapi namanya telah diusulkan - graviton. Sebuah teori kuantum gravitasi belum dibangun. Kami menggunakan Teori Relativitas Umum Einstein untuk menggambarkan gravitasi hari ini. Tapi itu sangat berbeda dari semua teori lain yang berdiri terpisah. Untuk menyatukan keempat interaksi dalam satu model teoretis, yaitu, untuk menciptakan teori terpadu tentang segalanya, adalah impian lama fisikawan.
Dari Newton ke Einstein, dari apel ke lubang hitam
Pohon apel di taman rumah tempat Isaac Newton tinggal adalah pameran museum selama lebih dari satu abad, kunjungan diarahkan ke sana. Tapi, kemungkinan besar, kisah tentang bagaimana Newton menemukan Hukum Gravitasi Universal yang terkenal setelah sebuah apel jatuh di kepalanya adalah gagasan yang tidak berbahaya. Ilmuwan hebat menyusun kisah apel yang jatuh untuk keponakan tercintanya untuk menjelaskan esensi hukum dengan cara yang mudah diakses. Namun demikian, kita dapat mengatakan bahwa dengan postulasi hukum inilah upaya-upaya mulai menjelaskan dunia di sekitar kita secara sistematis dalam bahasa fisika.
Gagasan tentang gaya gravitasi universal berulang kali diungkapkan sebelum Newton. Tapi sebelumnya, tidak ada yang bisa secara jelas dan matematis secara meyakinkan menghubungkan Hukum gravitasi dan Hukum gerak benda langit. Penemuan Newton memungkinkan untuk menyatukan bola langit dan bumi, dan bagaimanapun, mereka sebelumnya dianggap tidak sesuai.
Untuk waktu yang lama, teori gravitasi Newton sepenuhnya dikonfirmasi oleh pengamatan. Hukum gravitasi cocok untuk menggambarkan lintasan jatuhnya apel, serta untuk memprediksi orbit gerak planet-planet mengelilingi Matahari. Tapi, ternyata, kecuali satu.
Perpindahan anomali perihelion Merkurius yang ditemukan pada tahun 1859 menempatkan fisikawan di depan fakta bahwa planet yang paling dekat dengan Matahari tidak mau mematuhi Hukum gravitasi universal. Dan bahkan jika itu hanya penyimpangan yang hampir tidak terlihat dalam gerakan Merkurius, dia perlu menemukan penjelasan. Tapi ini membutuhkan pemahaman baru tentang gravitasi.
Itu hanya mungkin untuk merevisi pemahaman tentang gravitasi pada tahun 1915, ketika Albert Einstein mempresentasikan Teori Relativitas Umum kepada dunia. Matahari, yang memiliki massa raksasa, membengkokkan ruang dan waktu di sekitarnya, yang, khususnya, memengaruhi orbit planet yang paling dekat dengannya.
Dari sudut pandang praktis, relativitas umum sangat baik. Ini telah berulang kali dikonfirmasi oleh pengamatan dan digunakan secara luas dalam praktik. Tanpa Teori Relativitas, tidak akan ada sistem navigasi satelit, misalnya.
Namun demikian, ia memiliki satu kelemahan signifikan - ketidakmungkinan membangun model medan kuantum untuknya dengan cara klasik. Ini benar-benar berbeda dari mekanika kuantum. Seperti yang dikatakan fisikawan, ini adalah kerajaan yang berbeda dengan hukum dan penghuninya sendiri.
Di jalan penyatuan
Mungkin penyatuan pertama dari berbagai kekuatan fisik dibuat pada tahun 1873, ketika fisikawan dan matematikawan Inggris James Maxwell dalam karyanya "Risalah tentang Listrik dan Magnetisme" menunjukkan bahwa listrik dan magnet adalah manifestasi dari gaya yang sama - elektromagnetisme. Sebelum ini, diyakini bahwa listrik dan magnet adalah dua kekuatan yang terpisah dan independen.
Hampir 100 tahun kemudian, pada tahun 1967, fisikawan Amerika Sheldon Lee Glashow dan Steven Weinberg, serta Abdus Salam, fisikawan teoretis dari Pakistan, akan menciptakan Teori Interaksi Elektrolemah, yang menjadi deskripsi dua dari empat interaksi fundamental yang diketahui - lemah dan elektromagnetik. Ini mendalilkan bahwa interaksi elektromagnetik dan lemah adalah manifestasi yang berbeda dari gaya yang sama. Pada energi rendah biasa, kita tidak akan menemukan kesamaan apa pun di dalamnya, tetapi pada energi di atas energi penyatuan (berurutan 100 GeV), mereka bergabung menjadi satu interaksi elektro-lemah. Benar, terakhir kali mereka bersatu di saat-saat pertama setelah Big Bang.
Pada 70-an abad terakhir, teorinya sendiri diusulkan untuk interaksi yang kuat - kromodinamika kuantum. Sejauh ini, tidak ada yang dapat secara meyakinkan menghubungkan interaksi mendasar ketiga ini dengan dua yang pertama. Model teoretis ini, yang menggambarkan interaksi kuat, lemah, dan elektromagnetik secara terpadu, disebut Grand Unification Theory.
Namun, banyak fisikawan teoretis percaya bahwa tidak masuk akal untuk menggabungkan interaksi ini tanpa gravitasi: mereka sudah bekerja bersama dalam bentuk Model Standar. Jalan menuju Penyatuan Besar terletak melalui penciptaan Teori Segalanya.
Omong-omong, para ilmuwan percaya bahwa pada energi yang sangat tinggi, semua interaksi terjadi bersamaan. Dan, seperti yang sudah Anda duga, kondisi untuk Penyatuan Besar seperti itu bisa ada di Alam Semesta dalam periode terpendek segera setelah Big Bang. Artinya, sekitar 13-14 miliar tahun yang lalu, ketika usia alam semesta yang baru lahir adalah 10-43 hingga 10-36 detik. Kemudian semua interaksi terpecah dan mulai menjalani kehidupan yang mandiri: pertama - gravitasi, lalu - kuat, dan kemudian lemah dan interaksi elektromagnetik.
Kerajaan yang berbeda
Namun, jika tiga interaksi, disatukan oleh Model Standar, dijelaskan dengan tenang oleh mekanika kuantum, maka teori relativitas, yang menggambarkan gravitasi, sama sekali berbeda. Mekanika kuantum, yang memberi tahu kita bagaimana partikel elementer berperilaku, dan Relativitas Umum didasarkan pada serangkaian prinsip yang berbeda. Yang pertama dirumuskan sebagai teori yang menggambarkan evolusi temporal sistem fisik (atom atau partikel elementer yang sama) dengan latar belakang ruang-waktu eksternal. Yang kedua, sama sekali tidak ada ruang-waktu eksternal - itu sendiri merupakan variabel dinamis dari teori, tergantung pada karakteristik sistem klasik di dalamnya.
Keduanya memiliki batas penerapan, di luar itu mereka berhenti bekerja. Mekanika kuantum bekerja pada skala mikro dan menjelaskan struktur dan perilaku atom. Relativitas umum berkaitan dengan massa dan kecepatan raksasa.
Dalam kebanyakan kasus, mereka tidak berpotongan dan hidup, pada kenyataannya, di dunia yang berbeda. Dalam beberapa situasi, efek kuantum dapat diabaikan, di lain - gravitasi. Namun, ada tempat di Alam Semesta di mana dunia ini dipaksa untuk berpotongan - lubang hitam. Mereka sangat besar, tetapi pada saat yang sama sangat kecil.
Tapi bukan itu saja, ada satu lagi alasan ketidakcocokan. Dengan demikian, Relativitas Umum menyatakan bahwa perilaku suatu objek dapat diprediksi secara akurat. Tetapi dalam mekanika kuantum, semuanya berbeda: kita hanya bisa mengetahui probabilitas bagaimana objek ini atau itu akan berperilaku.
Einstein menghabiskan hampir sepanjang tahun terakhir hidupnya mencoba untuk mendapatkan teori pemersatu. Dia tidak berbagi prinsip ketidakpastian mekanika kuantum dan ingin membuat teori yang akan menggabungkan gravitasi dan fisika lainnya, sehingga semua keanehan kuantum ini akan menjadi konsekuensi sekunder. Dalam salah satu suratnya kepada penganut prinsip ini, Max Born, ia menulis: "Tuhan tidak bermain dadu." Dia menerima jawaban: "Einstein, jangan beri tahu Tuhan apa yang harus dilakukan."
Tugas utama ilmuwan adalah membuat gravitasi bekerja dengan elektromagnetisme dan menggabungkan kedua gaya dalam Teori Medan Terpadu. Untuk melakukan ini, ia merentangkan ruang-waktu menjadi lima dimensi. Dimensi kelima ditambahkan ke tiga spasial dan satu temporal: itu harus sangat kecil dan meringkuk sehingga kita tidak bisa melihatnya. Tetapi pendekatan ini tidak berhasil.
String, loop dan bran
Sejak itu, gagasan untuk menciptakan teori pemersatu telah mendominasi pikiran fisikawan di seluruh dunia. Ada beberapa ide, beberapa juga memiliki beberapa pilihan. Dan kandidat paling serius untuk gelar Theory of Everything adalah String Theory.
Ini didasarkan pada asumsi sederhana. Partikel terkecil di dunia kita sama sekali bukan objek titik, seperti yang kita bayangkan sekarang. Ini adalah string, atau lebih tepatnya, objek diperpanjang satu dimensi, yang disebut string kuantum. Mereka sangat kecil, panjangnya sekitar 10–33 sentimeter. Seperti senar gitar, senar kuantum kencang dan bergetar. Sifat getarannya menentukan sifat-sifat materi: dengan demikian, seluruh variasi partikel elementer direproduksi. Sebuah string bergetar dengan satu frekuensi - kita mendapatkan gluon, bergetar dengan yang lain - quark, dengan yang ketiga - neutrino. Selain itu, senarnya bisa tertutup dan terbuka.
Teori string menghilangkan beberapa hambatan yang sebelumnya menghalangi pembangunan teori gravitasi kuantum yang koheren. Ini memungkinkan Anda untuk menggambarkan string yang terlihat persis seperti graviton - pembawa hipotetis interaksi gravitasi dan kuantum medan gravitasi.
Pada saat yang sama, dia juga memiliki masalah. Sementara Teori Medan Terpadu Einstein mengasumsikan ada satu dimensi tersembunyi tambahan, versi paling sederhana dari Teori String membutuhkan dua puluh enam.
Dipelopori pada 1980-an, Superstring Theory hadir dalam lima rasa berbeda, sesuai dengan sepuluh dimensi. Tetapi bahkan mereka sulit untuk dibayangkan, karena di dunia kita hanya mengamati tiga dimensi spasial. Sementara fisikawan menyarankan mudah untuk membayangkan bahwa hanya tiga dimensi ini yang telah berkembang dan menjadi besar, yang lain juga ada, tetapi tetap sangat kecil.
Tidak semua orang berbagi ide Teori String, jadi ada pesaing lain - gravitasi kuantum loop.
Jika Teori String akan mengambil tempat di atas semua teori lain, maka Gravitasi Kuantum Loop adalah mata rantai yang hilang dalam mekanika kuantum. Hal ini dirancang untuk hanya membawa gravitasi ke penyebut kuantum umum, dan mencoba untuk mendapatkan teori kuantumnya sendiri untuk itu.
Teori relativitas umum menjelaskan ruang-waktu dengan cara klasik, yang tidak memungkinkan untuk "mengkuantisasi" gravitasi dengan cara yang biasa dilakukan untuk fisika partikel elementer. Teori gravitasi loop mencoba memecahkan masalah ini. Di dalamnya, ruang dan waktu terdiri dari bagian-bagian terpisah - loop kecil, yang ukurannya sebanding dengan panjang Planck, yaitu sekitar 1,6,10−35 meter.
Loop ini - sel kuantum ruang kecil - terhubung satu sama lain dengan cara tertentu: sehingga pada skala waktu dan jarak yang kecil, mereka menciptakan struktur ruang yang terputus-putus dan diskrit, dan pada yang besar, mereka dengan mulus bertransisi menjadi mulus berkelanjutan. ruang waktu. Ini persis seperti yang dijelaskan dalam GR.
Namun, Teori String tidak akan menyerah. Disebutkan di atas bahwa versi lanjutannya sudah memiliki lima opsi. Tetapi sepuluh tahun lagi berlalu, dan pada tahun 90-an fisikawan menemukan bahwa mereka semua dapat diubah menjadi satu sama lain. Metode deskripsi berbeda, tetapi esensinya sama. Jadi pada tahun 1995, teori-M muncul, ironisnya disebut "ibu dari semua teori string."
Diasumsikan bahwa dunia di sekitar kita memiliki 11 dimensi ruang-waktu. Ini berisi ruang dimensi yang lebih rendah, yang disebut bran, dan alam semesta tempat kita hidup hanyalah salah satu dari bran ini. Itu diisi dengan berbagai partikel kuantum, yang sebenarnya adalah string.
Ujung senar terbuka berlabuh di dalam bran. Tali seperti itu tidak dapat meninggalkan bran. String tertutup, di sisi lain, mampu bermigrasi di luar bran. Senar "bebas" ini adalah graviton, pembawa gaya gravitasi.
Namun, teori-M tidak membawa kita pada pemahaman yang berguna tentang alam semesta. Ini sama sekali tidak menyarankan keberadaan satu teori tunggal tentang segala sesuatu, tetapi menyiratkan keberadaan banyak teori. Dan masing-masing dari mereka memungkinkan untuk menggambarkan alam semesta dengan cara yang meyakinkan. Tetapi pada saat yang sama, banyak alam semesta diasumsikan. Lebih tepatnya, jumlah mereka sama dengan 10 pangkat 500. Kumpulan alam semesta yang luar biasa ini disebut Multiverse, dan alam semesta kita hanyalah salah satunya.