Tanyakan Ethan: Seberapa dekat kita dengan Teori Segalanya?

Gagasan bahwa semua interaksi dan partikel yang diamati hari ini adalah manifestasi dari teori tunggal yang komprehensif menarik, tetapi membutuhkan pengukuran tambahan dan sekelompok jenis partikel dan interaksi baru

Jauh sebelum Einstein, orang-orang yang mempelajari Semesta bermimpi untuk menemukan persamaan tunggal, yang mencakup sebanyak mungkin fenomena. Alih-alih memiliki hukumnya sendiri untuk setiap properti fisik Semesta, akan mungkin untuk menggabungkannya menjadi satu platform tunggal yang komprehensif. Semua hukum muatan listrik, magnetisme, arus listrik, induksi, dan hal-hal lain digabungkan menjadi satu platform oleh James Clerk Maxwell di pertengahan abad XIX. Sejak itu, fisikawan telah memimpikan Teori Segalanya : sebuah persamaan tunggal yang mengatur semua hukum alam semesta. Kemajuan apa yang telah kita buat? Ini adalah pertanyaan pembaca kami yang ingin tahu:

Sudahkah sains membuat kemajuan sehubungan dengan Teori Penyatuan Hebat (TVO) dan Teori Segalanya? Bisakah Anda menjelaskan apa artinya bagi kami jika kami menemukan persamaan pemersatu?

Ya, kemajuan telah dibuat, tetapi kami belum mencapai tujuan. Selain itu, bahkan tidak ada keyakinan bahwa Teori segala sesuatu ada sama sekali.


Interaksi elektromagnetik, lemah, kuat, dan gravitasi adalah empat interaksi fundamental alam semesta yang diketahui.

Hukum-hukum alam, sejauh yang kami temukan, dapat dibagi menjadi empat interaksi mendasar: gaya gravitasi, dikendalikan oleh Teori Relativitas Umum, dan tiga kekuatan kuantum yang mengendalikan partikel dan interaksinya - interaksi nuklir yang kuat, interaksi nuklir yang lemah, interaksi elektromagnetik yang lemah. Upaya paling awal untuk menciptakan teori terpadu tentang segala sesuatu dimulai tak lama setelah publikasi relativitas umum, bahkan sebelum kita tahu hukum dasar yang mengatur interaksi nuklir. Gagasan ini, yang dikenal sebagai teori Kaluza-Klein , mencoba menggabungkan gravitasi dan elektromagnetisme.


Gagasan menggabungkan gravitasi dan elektromagnetisme berasal dari awal 1920-an dan karya Theodor Kaluza dan Oscar Klein.

Penambahan dimensi spasial tambahan untuk relativitas umum Einstein, yang kelima berturut-turut (kecuali untuk tiga spasial standar dan satu temporer), menghasilkan penampilan gravitasi Einstein, elektromagnetisme Maxwell dan medan skalar tambahan baru. Dimensi tambahan harus cukup kecil agar tidak mengganggu hukum gravitasi, dan medan skalar tambahan seharusnya tidak memiliki efek yang dapat dibedakan pada Semesta. Karena mustahil merumuskan teori gravitasi quantum dengan pendekatan semacam itu, penemuan fisika kuantum dan kekuatan nuklir - yang tidak dapat diperhitungkan upaya percobaan ini - menghalangi pendekatan popularitas.


Quark, antiquark, dan gluon dari Model Standar memiliki muatan warna, selain semua properti lainnya, seperti muatan massa dan listrik. Model standar dapat ditulis dalam bentuk persamaan tunggal, tetapi interaksi di dalamnya tidak akan digabungkan.

Namun, interaksi nuklir yang kuat dan lemah menyebabkan perumusan Model Standar pada tahun 1968, yang menyatukan interaksi yang kuat, lemah dan elektromagnetik di bawah satu payung yang mencakup semuanya. Semua partikel dan interaksinya diperhitungkan, beberapa prediksi baru dibuat, termasuk prediksi besar tentang hubungan tersebut. Pada energi tinggi dari urutan 100 GeV (energi yang dibutuhkan untuk mempercepat satu elektron hingga potensial 100 miliar volt), simetri yang menggabungkan interaksi elektromagnetik dan interaksi yang lemah harus dikembalikan. Keberadaan boson besar baru diprediksi, dan dengan penemuan boson W dan Z pada tahun 1983, prediksi ini dikonfirmasi. Empat interaksi mendasar berkurang menjadi tiga.


Gagasan unifikasi menunjukkan bahwa ketiga interaksi Model Standar, dan mungkin bahkan gravitasi, pada energi tinggi digabungkan menjadi satu platform tunggal

Serikat pekerja sudah merupakan ide yang menarik, tetapi model mulai mengembangkannya. Orang-orang telah menyarankan bahwa pada energi yang lebih tinggi, interaksi yang kuat akan digabungkan dengan electroweak; dari sinilah muncul ide Teori Penyatuan Besar. Beberapa orang berpendapat bahwa pada energi yang lebih tinggi, mungkin di wilayah skala Planck, gravitasi juga akan bergabung dengan yang lain; ini adalah salah satu motivasi utama untuk teori string. Fitur yang menarik dari ide-ide ini adalah bahwa jika Anda memerlukan penyatuan, Anda perlu mengembalikan simetri dengan energi tinggi. Dan jika Semesta pada energi tinggi memiliki simetri yang saat ini rusak, ini dapat diterjemahkan menjadi sesuatu yang dapat diamati: partikel baru dan interaksi baru.


Partikel dari Model Standar dan kembar supersimetri mereka. Spektrum partikel ini merupakan konsekuensi tak terhindarkan dari penyatuan empat interaksi mendasar dalam konteks teori string

Jadi apa partikel dan interaksi baru yang diprediksi? Itu tergantung pada versi teori penyatuan mana yang harus dipilih. Ini termasuk:

• Berat, partikel netral, mirip dengan materi gelap.
• Mitra partikel supersimetrik.
• Monopole magnetik.
• Bosal skalar yang berat dan dibebankan [dengan putaran nol / kira-kira. diterjemahkan.].
• Banyak partikel yang mirip dengan partikel Higgs.
• Partikel menengah dalam peluruhan proton.

Meskipun dari pengamatan tidak langsung, kami yakin dapat mengkonfirmasi keberadaan materi gelap, tidak ada partikel ini atau prediksi peluruhan yang diamati dalam percobaan.


Pada tahun 1982, dalam sebuah eksperimen yang dipimpin oleh Blas Cabrera , dengan delapan lilitan kawat, perubahan dicatat dalam delapan magneton: tanda monopole magnetik. Sayangnya, selama penemuan, tidak ada seorang pun di laboratorium, dan sejak itu tidak ada yang mampu mereproduksi percobaan ini atau menemukan monopole kedua.

Namun sangat disayangkan - karena banyak alasan, karena kami sangat aktif mencari semua ini. Pada tahun 1982, salah satu percobaan mencari monopole magnetik mencatat satu-satunya hasil positif, jadi ia memiliki banyak pengikut yang mencoba menemukan monopole. Sayangnya, hasil positif itu adalah anomali, dan tidak ada yang pernah mereproduksinya. Juga pada 1980-an, orang-orang mulai membangun tangki raksasa dengan air dan inti atom lainnya untuk mencari bukti peluruhan proton. Akibatnya, tangki-tangki ini dikonversi menjadi sensor neutrino, dan tidak ada satupun peluruhan proton yang dicatat. Batas umur proton sekarang melebihi 10 ³⁵ tahun - sekitar 25 kali lipat lebih besar dari usia Alam Semesta.


Tangki berisi air dari percobaan Super Kamiokande , yang menetapkan batasan paling ketat pada masa proton. Kemudian, detektor semacam itu menjadi observatorium neutrino yang sangat baik, tetapi tidak mencatat peluruhan proton tunggal.

Ini juga buruk, karena Penyatuan Besar menawarkan cara yang rapi dan elegan untuk menciptakan asimetri antara materi dan antimateri di Semesta. Pada hari-hari awal, Semesta cukup panas untuk menghasilkan pasangan materi / antimateri dan semua partikel yang bisa. Dalam sebagian besar TBO, dua partikel yang ada seperti itu adalah boson superheavy X dan Y, yang memiliki muatan dan mengandung pasangan quark dan lepton. Diharapkan bahwa asimetri memanifestasikan dirinya dalam cara versi mereka untuk materi dan antimateri hancur, yang dapat mengarah pada dominasi residu materi dibandingkan antimateri, bahkan jika pada awalnya tidak ada dominasi. Sayangnya, sekali lagi, kami belum menemukan bukti keberadaan partikel tersebut dan interaksinya.


Kumpulan boson materi dan antimateri simetris (X, Y, anti-X, anti-Y) dapat, dengan adanya sifat-sifat yang diperlukan dari TBO, menghasilkan asimetri materi / antimateri yang diamati di Semesta hari ini

Beberapa fisikawan percaya bahwa simetri semacam itu pasti ada di Semesta, dan bahwa bukti mereka hanya di luar energi yang tersedia di LHC. Yang lain datang ke kesempatan yang kurang nyaman: mungkin alam tidak berusaha untuk bersatu. Mungkin tidak ada TVO yang menggambarkan realitas fisik kita; mungkin teori gravitasi quantum tidak dikombinasikan dengan interaksi lain; mungkin masalah baryogenesis dan materi gelap memiliki solusi lain yang tidak mengikuti dari ide-ide ini. Lagi pula, wasit terakhir dari apa yang tampak seperti Semesta tidak akan menjadi ide kita tentang ini, tetapi hasil percobaan dan pengamatan. Kita hanya bisa bertanya kepada alam semesta apa itu; Terserah kepada kita untuk memperhatikan jawabannya dan bertindak berdasarkan itu.


Lagrangian Model Standar adalah persamaan tunggal yang mencakup partikel dan interaksi Model Standar. Ia memiliki lima bagian independen: gluon (1), boson lemah (2), interaksi materi dengan interaksi lemah dan medan Higgs (3), partikel-roh yang menghilangkan redundansi medan Higgs (4) dan roh Faddeev-Popov yang memengaruhi redundansi interaksi lemah (5). Massa neutrino tidak termasuk.

Meskipun kita dapat menulis Model Standar sebagai persamaan tunggal, ini bukan teori penyatuan dalam arti bahwa anggota yang berbeda, terpisah, independen mengatur komponen yang berbeda dari Semesta. Bagian berbeda dari Model Standar tidak saling berinteraksi - muatan warna tidak mempengaruhi interaksi elektromagnetik atau lemah. Juga tidak ada jawaban untuk pertanyaan tentang mengapa tidak ada interaksi seperti pelanggaran invarian CP dalam interaksi kuat yang harus terjadi.


Ketika simetri dipulihkan (pada nilai potensial tertinggi), penyatuan terjadi. Namun, pelanggaran simetri, di dasar bukit, sesuai dengan Semesta yang kita miliki saat ini, di mana jenis baru partikel masif ada

Banyak yang berharap bahwa asosiasi berisi jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini, dan itu akan memecahkan banyak masalah terbuka dan teka-teki fisika modern. Namun, segala jenis simetri tambahan - simetri yang dipulihkan dengan energi tinggi, dan hari ini rusak - mengarah pada munculnya partikel baru, interaksi baru, dan aturan fisik baru yang harus dimainkan oleh Semesta. Kami mencoba merekayasa balik beberapa prediksi menggunakan aturan yang diperlukan agar semuanya berfungsi - namun, partikel dan asosiasi yang kami harapkan tidak muncul. Penyatuan tidak akan membantu Anda memperoleh sifat manifestasi seperti kimia, biologi, geologi, kesadaran - tetapi itu akan membantu kami lebih memahami di mana dan bagaimana segala sesuatu berasal.


Sejarah kosmik dari seluruh Alam Semesta yang diketahui menunjukkan bahwa kita berhutang asal usul semua materi dan semua cahaya di dalamnya sampai akhir inflasi dan awal Ledakan Dahsyat.

Tentu saja, ada kemungkinan lain: bahwa Semesta mungkin tidak bersatu. Fakta bahwa ada banyak hukum dan aturan yang berbeda karena suatu alasan: simetri yang kami temukan hanyalah fitur matematis, dan bukan deskripsi dari Alam semesta fisik. Untuk setiap teori fisika yang anggun, indah, dan meyakinkan, ada teori fisika lain yang sama-sama anggun, indah, dan meyakinkan - tetapi salah. Dalam hal ini, seperti dalam semua pertanyaan ilmiah, tugas umat manusia adalah mengajukan pertanyaan yang tepat. Nah, tugas alam semesta adalah memberi kita jawaban. Apa pun itu, kita memiliki alam semesta seperti itu. Dan kita harus mengerti apa arti jawaban ini.

Ethan Siegel - astrofisika, sains popularizer, penulis buku Starts With A Bang! Dia menulis buku-buku "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ], dan "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].

FAQ: jika Semesta berkembang, mengapa kita tidak berkembang ; mengapa usia Alam Semesta tidak bertepatan dengan jari-jari bagian yang diamati .