Leonard Sasskind, seorang ahli fisika Amerika terkenal dan salah satu pencipta teori string, pada suatu waktu mengusulkan konsep revolusioner untuk memahami Alam Semesta dan tempat manusia di dalamnya. Melalui penelitiannya, Susskind mengilhami galaksi fisikawan modern yang percaya bahwa teori ini dapat dengan jelas meramalkan sifat-sifat alam semesta kita. Sekarang, dalam buku pertamanya untuk pembaca yang luas, Susskind menyaring dan memikirkan kembali pandangannya, dengan alasan bahwa gagasan ini sama sekali tidak universal dan harus memberi jalan kepada konsep yang jauh lebih luas tentang "lanskap kosmik" raksasa.
Penelitian pada awal abad ke-21 telah memungkinkan sains untuk naik ke tingkat baru dalam pengetahuan dunia, kata Susskind. Dan buku yang menarik ini yang membawa pembaca ke garis depan pertempuran dalam fisika modern adalah konfirmasi yang jelas tentang hal ini.
Alam semesta supersimetris yang elegan?
Prinsip-prinsip nyata yang mendasari teori string terselubung dalam misteri besar. Hampir semua yang kita ketahui tentang teori mencakup bagian khusus dari lanskap di mana matematika secara mengejutkan disederhanakan berkat properti yang disebut supersimetri. Area supersimetris dari lanskap membentuk dataran datar sempurna yang terletak pada ketinggian yang persis sama dengan nol, dengan properti yang begitu simetris sehingga banyak hal dapat dihitung tanpa informasi tentang seluruh lanskap. Jika seseorang mencari kesederhanaan dan keanggunan, maka dataran datar dari teori string supersimetrik, juga dikenal sebagai teori superstring, adalah tempat yang harus mereka perhatikan. Bahkan, beberapa tahun yang lalu tempat ini adalah satu-satunya yang diperhatikan oleh para teoris. Tetapi beberapa fisikawan telah menyingkirkan obsesi menyihir dan berusaha untuk menyingkirkan penyederhanaan elegan dari dunia super. Alasannya sederhana: dunia nyata bukan supersimetris.
Dunia yang berisi Model Standar dan konstanta kosmologis yang bukan nol tidak boleh berada di bidang dengan ketinggian nol. Itu terletak di suatu tempat di daerah yang tidak rata dari Landscape dengan bukit, lembah, dataran tinggi dan lereng curam. Tetapi ada alasan untuk percaya bahwa lembah kita dekat dengan bagian supersimetris dari Lansekap dan bahwa beberapa sisa keajaiban super matematika dapat membantu kita memahami fitur-fitur dunia empiris. Salah satu contoh yang akan kita bahas di bagian ini adalah massa bos Higgs. Faktanya, semua penemuan yang membuat buku ini menjadi kenyataan adalah upaya malu-malu pertama untuk menjauh dari dataran supersimetri yang aman.
Supersimetri memberi tahu kita tentang perbedaan dan persamaan boson dan fermion. Seperti banyak lagi dalam fisika modern, prinsip-prinsip supersimetri dapat ditelusuri kembali ke karya-karya Einstein pertama. Pada 2005, kami merayakan ulang tahun keseratus "anno mirabilis," tahun keajaiban fisika modern. Einstein memulai dua revolusi tahun ini dan menyelesaikan yang ketiga. Tentu saja, ini adalah tahun teori relativitas khusus. Tetapi hanya sedikit orang yang tahu bahwa tahun 1905 lebih dari satu "tahun relativitas." Dia juga menandai kelahiran foton, awal dari mekanika kuantum modern.
Einstein hanya menerima satu Hadiah Nobel dalam Fisika, meskipun saya berpikir bahwa setiap Hadiah Nobel yang diberikan setelah 1905 membawa gema dari penemuan Einstein. Einstein dianugerahi Hadiah Nobel bukan karena menciptakan teori relativitas, tetapi karena menjelaskan efek fotolistrik. Itu adalah teori efek fotolistrik yang merupakan kontribusi paling radikal Einstein untuk fisika, di mana ia pertama kali memperkenalkan konsep foton, energi kuanta, yang terdiri dari cahaya. Fisika siap melahirkan teori relativitas khusus, penciptaannya hanya masalah waktu, sementara teori cahaya foton bergemuruh bagaikan baut dari biru. Einstein menunjukkan bahwa sinar cahaya, biasanya direpresentasikan sebagai fenomena gelombang, memiliki struktur diskrit. Jika cahaya memiliki warna tertentu (panjang gelombang), maka semua foton tampak berbaris di kaki: setiap foton identik dengan yang lain. Partikel yang secara simultan dapat berada dalam keadaan kuantum yang sama disebut boson untuk menghormati fisikawan India Chatyatranat Bose.
Hampir dua puluh tahun kemudian, saat menyelesaikan bangunan yang dibangun oleh Einstein, Louis de Broglie akan menunjukkan bahwa elektron, yang selalu dianggap sebagai partikel, berperilaku pada saat yang sama dan seperti gelombang. Seperti gelombang, elektron dapat memantulkan, membiaskan, membiaskan, dan mengganggu. Tetapi ada perbedaan mendasar antara elektron dan foton: tidak seperti foton, dua elektron tidak dapat secara bersamaan berada dalam keadaan kuantum yang sama. Prinsip penghambatan Pauli menjamin bahwa setiap elektron dalam atom memiliki keadaan kuantumnya sendiri dan bahwa tidak ada elektron lain yang dapat menempelkan hidungnya ke tempat yang sudah diduduki. Bahkan di luar atom, dua elektron identik tidak dapat berada di tempat yang sama atau memiliki momentum yang sama. Partikel-partikel semacam ini disebut fermion dengan nama fisikawan Italia Enrico Fermi, meskipun dalam keadilan mereka harus disebut Pauli. Dari semua partikel dalam Model Standar, sekitar setengahnya adalah fermion (elektron, neutrino, dan quark), dan setengah lainnya adalah boson (foton, boson Z dan W, gluon, dan boson Higgs).
Fermion dan boson memainkan peran berbeda dalam gambar dunia. Biasanya kita membayangkan materi yang terdiri dari atom, yaitu elektron dan inti. Dalam perkiraan pertama, inti terdiri dari proton dan neutron yang disatukan oleh kekuatan nuklir, tetapi pada tingkat yang lebih dalam, proton dan neutron dikumpulkan dari blok bangunan kecil - quark. Semua partikel ini - elektron, proton, neutron, dan quark - adalah fermion. Materi terdiri dari fermion. Tetapi tanpa boson, atom, nuklei, proton, dan neutron akan hancur berantakan. Boson-boson ini, terutama foton dan gluon, melompat-lompat di antara fermion menciptakan kekuatan daya tarik yang menyatukan semuanya. Meskipun fermion dan boson sangat penting bagi dunia untuk menjadi seperti itu, mereka selalu dianggap "binatang dari berbagai ras."
Tetapi sekitar awal tahun 1970-an, ahli teori yang terinspirasi oleh keberhasilan pertama teori string mulai bermain dengan ide-ide matematika baru, yang menurutnya fermion dan boson sebenarnya tidak begitu berbeda. Satu gagasan adalah bahwa semua partikel membentuk pasangan kembar identik yang identik, identik dalam semua hal, kecuali bahwa salah satunya adalah fermion dan lainnya boson. Itu adalah hipotesis yang benar-benar liar. Keadilannya bagi dunia nyata akan berarti bahwa fisikawan entah bagaimana berhasil kehilangan setengah dari semua partikel elementer, gagal menemukannya di laboratorium mereka. Misalnya, menurut hipotesis ini, pasti ada partikel dengan massa, muatan, dan sifat lain yang sama persis dengan elektron, tetapi itu bukan fermion, melainkan boson. Bagaimana Anda bisa tidak melihat partikel seperti itu di akselerator Stanford atau CERN? Supersimetri mengasumsikan keberadaan kembar fermion netral tak bermassa dalam foton, serta kembar boson dalam elektron dan quark. Yaitu, hipotesis yang meramalkan seluruh dunia yang secara misterius hilang "berlawanan". Faktanya, semua karya ini hanyalah permainan matematika, sebuah studi teoretis murni tentang jenis simetri baru - dunia yang tidak ada, tetapi bisa ada.
Partikel kembar identik tidak ada. Fisikawan tidak main-main dan tidak kehilangan seluruh dunia paralel. Apa yang menarik spekulasi matematis ini dalam kasus ini, dan mengapa minat ini tiba-tiba meningkat selama 30 tahun terakhir? Fisikawan selalu tertarik pada semua jenis simetri matematika, bahkan jika satu-satunya pertanyaan yang masuk akal yang bisa diajukan adalah: "Mengapa simetri ini tidak ada di alam?" Tetapi dunia nyata dan deskripsi fisiknya penuh dengan berbagai simetri. Simetri adalah salah satu alat jangka panjang dan paling kuat dalam gudang fisika teoretis. Ini meresapi semua bagian fisika modern, dan terutama yang berkaitan dengan mekanika kuantum. Dalam banyak kasus, jenis simetri adalah semua yang kita ketahui tentang sistem fisik, tetapi analisis simetri begitu kuat sehingga sering memberi tahu kita hampir semua yang ingin kita ketahui. Simetri seringkali merupakan taman di mana fisikawan menemukan kepuasan estetika dari teori mereka. Tetapi apakah simetri itu?
Mari kita mulai dengan kepingan salju. Setiap anak tahu bahwa tidak ada dua kepingan salju yang identik, tetapi pada saat yang sama mereka semua memiliki fitur yang sama, yaitu simetri. Simetri kepingan salju segera terbukti. Jika Anda mengambil kepingan salju dan memutarnya pada sudut yang sewenang-wenang, itu akan terlihat berbeda dari bentuk aslinya - diputar. Tetapi jika Anda memutar kepingan salju tepat 60 °, maka itu akan bertepatan dengan sendirinya. Seorang fisikawan dapat mengatakan bahwa rotasi kepingan salju 60 ° adalah simetri.
Simetri dikaitkan dengan operasi atau transformasi yang dapat dilakukan pada sistem tanpa mempengaruhi hasil percobaan. Dalam kasus kepingan salju, operasi semacam itu adalah rotasi 60 °. Berikut adalah contoh lain: misalkan kita membuat percobaan yang bertujuan mengukur percepatan gravitasi di permukaan Bumi. Pilihan paling sederhana adalah dengan menjatuhkan batu dari ketinggian yang diketahui dan mengukur waktu kejatuhannya. Jawab: sekitar 10 meter per detik per detik. Harap dicatat bahwa saya tidak khawatir memberi tahu Anda di mana saya menjatuhkan batu itu: di California atau di Calcutta. Dalam perkiraan yang sangat baik, jawabannya akan sama di mana saja di permukaan bumi: hasil percobaan tidak akan berubah jika Anda pindah dengan semua peralatan eksperimental dari satu tempat di permukaan bumi ke yang lain. Dalam jargon fisik, pergeseran atau perpindahan sesuatu dari satu titik ke titik lain disebut terjemahan. Karena itu, kita dapat mengatakan tentang medan gravitasi Bumi bahwa ia memiliki "simetri translasi". Tentu saja, beberapa efek samping dapat mengganggu hasil percobaan kami dan merusak simetri. Misalnya, dengan melakukan percobaan pada deposit mineral yang sangat besar dan besar, kita akan mendapatkan nilai yang sedikit lebih tinggi daripada di tempat lain. Dalam hal ini, kita akan mengatakan bahwa simetri hanya merupakan perkiraan. Simetri perkiraan juga disebut patah simetri. Kehadiran endapan mineral berat yang terpisah "melanggar simetri translasi."
Dapatkah simetri kepingan salju dapat dipatahkan? Tidak diragukan beberapa kepingan salju tidak sempurna. Jika kepingan salju terbentuk dalam kondisi tidak sempurna, maka satu sisi mungkin berbeda dari yang lain. Itu masih akan memiliki bentuk yang dekat dengan heksagonal, tetapi heksagon ini akan menjadi tidak sempurna, yaitu, simetri akan rusak.
Di luar angkasa, jauh dari pengaruh yang mengganggu, kita bisa mengukur gaya gravitasi antara dua massa dan mendapatkan hukum gravitasi universal Newton. Terlepas dari di mana eksperimen dilakukan, kami, secara teori, harus mendapatkan jawaban yang sama. Dengan demikian, hukum gravitasi Newton memiliki invarian translasi.
Untuk mengukur kekuatan tarik-menarik antara dua benda, perlu mengaturnya pada jarak tertentu dari satu sama lain. Sebagai contoh, kita dapat mengatur dua objek sehingga garis yang menghubungkannya sejajar dengan sumbu x dalam beberapa sistem koordinat yang diberikan. Dengan kesuksesan yang sama, kita dapat mengatur objek pada garis yang sejajar dengan sumbu y. Akankah gaya tarik yang diukur oleh kita bergantung pada arah garis yang menghubungkan benda-benda ini? Pada prinsipnya, ya, tetapi hanya jika hukum alam berbeda dari yang kita miliki. Di alam, hukum gravitasi universal menyatakan bahwa gaya tarik sebanding dengan produk massa dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara mereka dan tidak tergantung pada orientasi satu objek relatif terhadap yang lain. Bebas dari arah disebut simetri rotasi. Simetri translasi dan rotasi adalah sifat fundamental paling penting dari dunia tempat kita hidup.
Lihatlah ke cermin. Refleksi Anda seperti dua tetes air. Gambar cermin dari celana Anda tidak berbeda dengan celana itu sendiri. Refleksi sarung tangan kiri persis mengulangi sarung tangan kiri.
Berhenti Ada yang salah di sini. Mari kita perhatikan lagi baik-baik. Gambar cermin dari sarung tangan kiri tidak sepenuhnya identik dengan sarung tangan kiri. Itu identik dengan sarung tangan yang tepat! Dan gambar cermin dari sarung tangan kanan identik dengan sarung tangan kiri.
Sekarang perhatikan lebih dekat refleksi Anda sendiri. Ini bukan kamu. Tahi lalat yang ada di pipi kiri Anda ada di kanan Anda di refleksi Anda. Dan jika Anda membuka dada Anda sendiri, Anda akan menemukan bahwa hati pada refleksi Anda tidak di sebelah kiri, seperti semua orang normal, tetapi di sebelah kanan. Sebut saja pria cermin - pria.
Misalkan kita memiliki teknologi futuristik yang memungkinkan kita untuk mengumpulkan objek apa pun yang kita inginkan dari atom individu. Dengan menggunakan teknologi ini, kami akan membangun seseorang yang gambar cerminnya akan mengulangi Anda dengan tepat: hati di sebelah kiri, bintik di sebelah kiri, dll. Lalu yang asli yang kami bangun adalah seseorang.
Apakah seseorang akan berfungsi secara normal? Akankah dia bernafas? Akankah jantungnya berdetak? Jika Anda memberinya permen, apakah ia akan menyerap gula dalam komposisinya? Jawaban untuk sebagian besar pertanyaan ini adalah ya. Pada dasarnya, seseorang akan berfungsi dengan cara yang persis sama dengan seseorang. Tetapi akan ada masalah dengan metabolisme tubuhnya. Dia tidak akan bisa menyerap gula biasa. Alasannya adalah bahwa gula ada dalam dua bentuk cermin, seperti sarung tangan kanan dan kiri. Seseorang hanya mampu menyerap salah satu bentuk cermin dari gula. Dan seseorang hanya mampu menyerap gula. Molekul - gula dan gula - berbeda satu sama lain dengan cara yang sama seperti sarung tangan kanan dan kiri. Ahli kimia menyebut gula biasa bahwa seseorang mampu mengasimilasi D-isomer (dari dextra-kanan Latin), dan gula cermin bahwa hanya manusia yang dapat berasimilasi - L-isomer (dari lævum Latin - kiri).
Mengganti apa pun dengan pantulan cerminnya disebut mirror simetri, atau paritas. Konsekuensi dari pantulan cermin pada prinsipnya jelas, tetapi mari kita ulangi satu hal lagi yang penting: jika segala sesuatu di dunia digantikan oleh pantulan cerminnya, maka perilaku dunia ini tidak akan berubah dengan cara apa pun dan tidak akan berbeda dari perilaku dunia kita.
Faktanya, simetri cermin tidak akurat. Ini adalah contoh simetri yang baik. Sesuatu mengarah pada fakta bahwa pantulan cermin neutrino berkali-kali lebih berat daripada aslinya. Ini berlaku untuk semua partikel lain, meskipun pada tingkat yang jauh lebih rendah. Sepertinya cermin dunia yang agung sedikit bengkok, itu sedikit mendistorsi refleksi. Tetapi distorsi ini sangat tidak signifikan sehingga praktis tidak memengaruhi materi biasa. Tetapi dalam perilaku partikel berenergi tinggi di dunia cermin, perubahan yang sangat signifikan dapat terjadi. Namun, mari kita berpura-pura bahwa simetri cermin di alam itu akurat.
Apa yang kita maksudkan ketika kita mengatakan bahwa ada hubungan simetri antara partikel? Singkatnya, ini berarti bahwa setiap jenis partikel memiliki pasangan atau kembar dengan sifat yang sangat mirip. Untuk simetri cermin, ini berarti bahwa jika hukum alam mengizinkan keberadaan sarung tangan kiri, maka keberadaan sarung tangan kanan adalah mungkin. Menetapkan keberadaan D-glukosa berarti bahwa L-glukosa juga harus ada. Dan jika simetri cermin tidak pecah, hal yang sama harus berlaku untuk semua partikel elementer. Setiap partikel harus memiliki kembar yang identik dengannya hingga pantulan cermin. Ketika seseorang dicerminkan, setiap partikel elementer yang membentuk tubuhnya digantikan oleh kembar cerminnya.
Antimateri adalah jenis simetri lain yang disebut simetri konjugasi muatan. Karena simetri melibatkan penggantian segala sesuatu dengan analog simetrisnya, simetri konjugasi muatan melibatkan penggantian setiap partikel dengan antipartikelnya. Ini mengubah muatan listrik positif, seperti proton, menjadi negatif, dalam hal ini, antiproton. Demikian pula, elektron yang bermuatan negatif digantikan oleh positron bermuatan positif. Atom hidrogen digantikan oleh atom antihidrogen yang terdiri dari positron dan antiproton. Atom semacam itu memang diperoleh di laboratorium, namun dalam jumlah yang sangat kecil, bahkan tidak cukup untuk membangun antimolekul dari mereka. Tetapi tidak ada yang meragukan bahwa antimolekul itu mungkin. Antibodi dimungkinkan dengan cara yang sama, tetapi jangan lupa bahwa Anda harus memberinya makan dengan anti-makanan. Bahkan, lebih baik untuk menjauhkan manusia dan manusia dari satu sama lain. Ketika suatu zat bertemu antimateri, mereka saling menghancurkan, berubah menjadi foton. Ledakan yang terjadi jika Anda secara tidak sengaja berjabat tangan dengan anti-manusia akan lebih kuat daripada ledakan bom hidrogen.
Ternyata, simetri konjugasi muatan juga sedikit rusak. Tetapi, seperti dalam kasus dengan simetri cermin, efek pelanggaran ini sama sekali tidak signifikan jika kita tidak memperhitungkan partikel energi yang sangat tinggi. Sekarang kembali ke fermion dan boson. Teori string orisinal pertama yang kami kembangkan dengan Nambu disebut teori string bosonik, karena semua partikel yang dijelaskannya adalah boson. Tidak cocok untuk menggambarkan hadron, karena, bagaimanapun juga, proton adalah fermion. Dengan cara yang sama, tidak cocok untuk peran teori segalanya. Elektron, neutrino, quark - semuanya adalah fermion. Tetapi tidak banyak waktu berlalu, dan versi baru dari teori string muncul, yang sudah berisi tidak hanya boson, tetapi juga fermion. — , , -, , .
. , . , , . , , . , . . , , . - , , 1970- . ? ? .
, - , : . URL
http://arXiv.org , , . , . . (hep), : (hep-ph) , (hep-th) — . , , hep-ph , , . . , hep-th . . , , , .
. . — , . , 2 , , ? , . , , , , . , , . , , . , . . , , . . , , . - . — ( , ), , .
«» «» , . , XX . , , . . -, . .
, . , . , , , , . , , .
, , , , . , . : , , . , — ? , , , , . - , , .
, . , . , , «». , , . , «», , , , , . . , .
, « ». , , , , … . ? Saya kira tidak. , , , .
, , . , . , . , — . . , - , ( E = mc2). . , . , !
? , , . , , . , , , . , . , , . . ?
, , , ? . , . , , . , , , , « ». , , , .
. , , . , , . , « » , .
, , : « , , ? , ?» ?
, . - — . . , (, !) , .
. — . . , . : , , . . , , , , ! , — , , .
-
http://arXiv.org , : General Relativity and Quantum Cosmology ( ) Astrophysics (). , , . - , ? : « , !»1 , , , , . , , , . , ( ), , . , . , , . , , 35- . , , . .
»Informasi lebih lanjut tentang buku ini dapat ditemukan di
situs web penerbit»
Isi»
KutipanUntuk pembaca blog ini, diskon 20% untuk kupon -
Sasskind