Nomor apa yang harus dimasukkan dalam segitiga terakhir?Ilmuwan memecahkan masalah; begitulah pekerjaan mereka. Tapi tugas apa yang akan menjadi topik penelitian yang menjanjikan? Untuk menjawab pertanyaan ini, saya menulis buku
Lost in Mathematics , di mana saya memeriksa masalah yang berkaitan dengan dasar-dasar fisika.
Yang pertama, klasifikasi kasar masalah penelitian dapat diatur menggunakan
siklus pengembangan teori ilmiah Thomas Kuhn. Siklus Kuhn terdiri dari fase "sains biasa", diikuti oleh "krisis" yang mengarah ke perubahan paradigma, setelah fase baru "sains biasa" dimulai. Ini adalah penyederhanaan yang luar biasa dari kenyataan, tetapi cocok untuk alasan selanjutnya.
Tugas umum
Selama fase sains biasa, pertanyaan penelitian biasanya dapat dirumuskan sebagai "Bagaimana kita mengukur ini?" (untuk eksperimen) dan "Bagaimana kita menghitung ini?" (untuk ahli teori).
Dasar-dasar fisika penuh dengan "masalah biasa". Eksperimen memiliki banyak masalah, karena semua masalah yang mudah diselesaikan telah diselesaikan, dan kompleksitas mengukur sesuatu yang baru terus berkembang. Masalah teori berasal dari fakta bahwa prediksi dalam fisika tidak jatuh dari hipotesis mereka sendiri. Seringkali diperlukan untuk melewati banyak tahap argumentasi dan melakukan banyak perhitungan panjang untuk sampai pada konsekuensi numerik dari asumsi teoritis.
Contoh yang baik dari masalah umum dalam dasar-dasar fisika adalah materi gelap dingin. Hipotesisnya cukup sederhana: di ruang ada sesuatu yang dingin dan gelap yang berperilaku seperti cairan dan berinteraksi lemah dengan dirinya sendiri dan dengan materi lainnya. Tetapi ini sendiri bukanlah prediksi yang berguna. Tugas penelitian yang baik adalah: "Bagaimana materi gelap dingin mempengaruhi fluktuasi suhu CMB?" Dan kemudian muncul pertanyaan eksperimental: "Bagaimana kita mengukur ini?"
Tugas lain dari jenis ini dalam dasar-dasar fisika adalah: "Apa kontribusi gravitasi terhadap momen magnetik sebuah muon?" dan "Apa latar belakang foton yang berserakan di Large Hadron Collider?"
Jawaban untuk tugas umum semacam itu memperluas pemahaman kita tentang teori yang ada. Perhitungan ini dapat dilakukan dalam platform kami yang ada, tetapi mereka bisa sangat rumit.
Tugas-tugas yang diberikan dalam paragraf sebelumnya sebagai contoh dipecahkan, atau setidaknya kita tahu bagaimana menyelesaikannya, meskipun selalu mungkin untuk membutuhkan akurasi yang ditingkatkan. Namun dalam kategori ini juga ada masalah yang belum terpecahkan.
Sebagai contoh, teori kuantum tentang interaksi nuklir yang kuat harus memprediksi massa partikel yang terdiri dari beberapa quark - neutron, proton, dan partikel komposit serupa lainnya (tetapi tidak stabil). Tetapi perhitungan seperti itu sangat rumit. Hari ini mereka dilakukan dengan menggunakan program komputer yang kompleks - perhitungan kisi - dan masih prediksi mereka tidak begitu baik. Pertanyaan terkait adalah bagaimana materi nuklir berperilaku di inti bintang neutron.
Ini hanyalah contoh acak dari banyak pertanyaan terbuka fisika, yang merupakan "masalah normal", yang, seperti yang diyakini, dapat ditemukan dalam kerangka teori yang sudah kita ketahui - tapi saya pikir mereka menggambarkan topik ini dengan baik.
Jika kita melampaui dasar-dasar, maka kita memiliki tugas normal seperti memprediksi siklus matahari dan cuaca cerah - mereka rumit karena nonlinier ekstrim dan turbulensi parsial dari sistem, tetapi kami tidak berharap mereka akan bertentangan dengan teori yang ada. Masih ada superkonduktivitas suhu tinggi, fenomena yang dipelajari dengan baik, tetapi secara teori tidak cukup dipahami, karena bahan tersebut tidak memiliki partikel semu. Dan sebagainya.
Ini adalah tugas yang kita pelajari ketika semuanya berjalan sesuai rencana. Tetapi masih ada tugas yang, pada prinsipnya, dapat mengubah paradigma, tugas yang melaporkan adanya "krisis" dalam terminologi Kuhn.
Tugas krisis
Tugas krisis yang jelas adalah pengamatan yang tidak dapat dijelaskan berdasarkan teori-teori terkenal.
Saya tidak menganggap mayoritas pengamatan yang terkait dengan materi gelap dan energi gelap sebagai yang krisis. Sebagian besar data ini dapat dijelaskan dengan cukup baik dengan hanya menambahkan dua komponen baru ke anggaran energi alam semesta. Tentu saja, Anda akan mengeluh bahwa ini tidak akan memberi kami deskripsi mikroskopis, tetapi kami tidak memiliki data untuk struktur mikroskopis, oleh karena itu, kami masih tidak dapat merumuskan masalah.
Tetapi beberapa pengamatan materi gelap termasuk dalam "krisis". Korelasi yang tak dapat dijelaskan, pola dalam galaksi, yang sulit dijelaskan dengan bantuan materi gelap dingin, misalnya,
ketergantungan Tully-Fisher , atau kemampuan aneh materi gelap untuk melacak distribusi materi. Untuk pengamatan ini, tidak ada penjelasan yang memuaskan berdasarkan teori-teori terkenal. Modifikasi gravitasi berhasil menjelaskan beberapa di antaranya, tetapi memunculkan masalah lain. Begitu banyak untuk krisis! Dan ini adalah krisis yang baik, saya berani katakan, karena kami memiliki data yang terus meningkat setiap hari.
Ini bukan satu-satunya masalah pengamatan krisis yang baik yang ada dalam dasar-dasar fisika. Salah satu yang tertua, tetapi masih hidup dan sehat, adalah
momen magnet muon . Kami memiliki perbedaan panjang antara prediksi teoritis dan pengukuran, yang masih belum terselesaikan. Banyak ahli teori menganggap ini sebagai tanda bahwa itu tidak dapat dijelaskan dalam kerangka Model Standar, dan oleh karena itu diperlukan teori baru yang lebih baik.
Ada beberapa masalah serupa, dan agak persisten. Misalnya, percobaan
DAMA . Dalam percobaan ini, para ilmuwan mencari materi gelap. Mereka menerima sinyal dari sumber yang tidak dikenal dengan modulasi tahunan, dan telah mengikutinya selama lebih dari sepuluh tahun. Jelas ada sinyal, tetapi jika ternyata merupakan materi gelap, maka hasilnya akan bertentangan dengan hasil eksperimen lainnya. Akibatnya, DAMA melihat sesuatu, tetapi tidak ada yang tahu persis apa.
Masih ada pengamatan membingungkan dari percobaan
LSND pada osilasi neutrino yang tidak konsisten dengan kombinasi parameter lainnya. Ada juga perbedaan yang aneh dalam hasil pengukuran jari-jari proton menggunakan dua metode yang berbeda, serta
kisah serupa lainnya
dengan masa hidup neutron . Baru-baru ini ada juga inkonsistensi dalam mengukur parameter Hubble menggunakan metode yang berbeda, dan ini mungkin tidak sepadan, tetapi mungkin perlu dikhawatirkan.
Tentu saja, masing-masing anomali ini dalam data mungkin memiliki penjelasan "normal". Ini mungkin kesalahan pengukuran sistematis atau kesalahan perhitungan atau kontribusi bahan yang hilang. Tapi mungkin, mungkin ini sesuatu yang lebih.
Ini adalah satu jenis "masalah krisis" - konflik antara teori dan observasi. Tapi selain itu, ada masalah krisis yang sama sekali berbeda, yang terletak di sisi pengembangan teori. Ini adalah masalah konsistensi internal.
Masalah konsistensi internal muncul ketika teori Anda memprediksi pengamatan yang bertentangan, ambigu, atau tidak berarti. Contoh khas dari ini adalah probabilitas yang menjadi lebih besar dari kesatuan, yang tidak sesuai dengan interpretasi probabilitas. Karena masalah inilah fisikawan diyakinkan bahwa LHC akan menunjukkan fisika baru kepada kita. Mereka tidak tahu apakah itu Higgs, dan itu bisa menjadi sesuatu yang lain - misalnya, perubahan tak terduga dalam interaksi nuklir lemah - tetapi ternyata adalah Higgs. Pemulihan konsistensi internal menghasilkan prediksi yang sukses.
Secara historis, mempelajari masalah konsistensi telah menyebabkan banyak terobosan yang mencolok.
Contoh dari masalah seperti itu adalah "
bencana ultraviolet " di mana sumber panas harus memancarkan cahaya yang tak terbatas pada panjang gelombang pendek. Ini jelas tidak sesuai dengan teori fisik yang bermakna di mana jumlah yang diamati harus terbatas. (Perhatikan bahwa konflik ini muncul dengan asumsi. Secara matematis, tidak ada yang salah dengan infinity). Planck memecahkan masalah ini, dan solusinya akhirnya mengarah pada pengembangan mekanika kuantum.
Masalah terkenal lainnya dengan konsistensi adalah bahwa mekanika Newton ternyata tidak sesuai dengan simetri elektrodinamika ruang-waktu. Einstein menyelesaikan perselisihan ini dan menerima teori relativitas khusus. Dirac kemudian menyelesaikan kontradiksi antara mekanika kuantum dan STR, yang mengarah pada penciptaan teori medan kuantum. Einstein menghilangkan kontradiksi tambahan antara SRT dan gravitasi Newton, dan menerima GR.
Semua masalah ini didefinisikan dan ditentukan dengan baik.
Tetapi sebagian besar masalah teoritis saat ini di dasar-dasar fisika tidak dari jenis ini. Ya, alangkah baiknya jika tiga interaksi dari Model Standar dapat digabungkan menjadi satu. Akan menyenangkan, tetapi ini tidak perlu untuk konsistensi. Ya, alangkah baiknya jika Semesta supersimetris. Akan menyenangkan, tetapi ini tidak perlu untuk konsistensi. Ya, alangkah baiknya jika kita dapat menjelaskan mengapa massa Higgs secara teknis tidak alami. Tetapi tidak ada kontradiksi dalam kenyataan bahwa massa Higgs adalah apa adanya.
Fakta bahwa Einstein, dan bahkan lebih banyak Dirac, terinspirasi oleh keindahan teorinya dijelaskan dengan baik. Dirac terutama suka memuji penggunaan keanggunan matematika dalam pengembangan teori. Tetapi motivasi pribadi mereka menarik minat kita sejauh ini. Melihat ke belakang, kami memahami bahwa mereka telah berhasil karena mereka pada awalnya mengambil tugas yang baik.
Ada beberapa masalah teoritis nyata dalam fundamental fisika saat ini, tetapi mereka ada. Salah satunya adalah kurangnya kuantisasi gravitasi. Secara matematis tidak mungkin untuk menyapu bersama Model Standar dan Relativitas Umum, dan kita tidak tahu bagaimana melakukan ini dengan benar.
Masalah serius lain dengan Model Standar adalah
tiang Landau di salah satu
konstanta sambungan . Ini berarti bahwa kekuatan salah satu interaksi menjadi tidak terbatas. Ini bukan hasil fisik, seperti bencana ultraviolet, jadi sesuatu harus terjadi di sini. Sedikit perhatian telah dicurahkan untuk masalah ini, karena sebagian besar ahli teori percaya bahwa model standar bersatu jauh sebelum mencapai kutub Landau, yang membuat ekstrapolasi mubazir.
Masih ada kasus-kasus di mana tidak jelas tugas apa yang sedang kita tangani. Salah satunya adalah tidak konvergensi dari ekspansi perturbatif. Mungkin satu-satunya pertanyaan adalah untuk meningkatkan aparatus matematika, atau, mungkin, kita sepenuhnya salah memahami teori medan kuantum. Kasus yang sama dengan
teorema Haag . Juga sulit bagi saya untuk mengklasifikasikan
masalah pengukuran dalam mekanika kuantum. Daya tarik untuk proses makroskopis dalam aksioma teori tidak sesuai dengan cita-cita reduksionis, tetapi, sekali lagi, ini bukan masalah mendasar, tetapi perhatian konseptual. Jadi tentang masalah ini saya dalam kesulitan.
Namun, pelajaran yang diajarkan sejarah masalah krisis adalah jelas: masalah menjanjikan topik penelitian jika itu benar-benar masalah. Artinya, Anda harus bisa merumuskan kontradiksi matematika. Jika masalahnya adalah Anda tidak menyukai aspek tertentu dari teori tersebut, maka Anda cenderung membuang-buang waktu saja.