Lima Masalah Besar dalam Fisika Teoritis

Dalam bukunya yang kontroversial tahun 2006 "The Trouble with Physics: The Rise of String Theory, Kejatuhan Ilmu Pengetahuan, dan What Comes Next ", fisikawan teoretis Lee Smolin menunjukkan" lima masalah besar secara teoritis fisika."

1. Masalah gravitasi kuantum: Gabungkan relativitas umum dan teori kuantum menjadi teori tunggal yang dapat mengklaim sebagai teori alam yang lengkap.
2. Masalah mendasar mekanika kuantum: Selesaikan masalah dalam dasar-dasar mekanika kuantum, baik dengan memahami teori yang ada atau dengan menciptakan teori baru yang masuk akal.
3. Penyatuan partikel dan kekuatan: Tentukan apakah berbagai partikel dan kekuatan dapat disatukan dalam sebuah teori yang menjelaskan semuanya sebagai manifestasi dari entitas tunggal yang fundamental.
4. Masalah penyetelan: Jelaskan bagaimana nilai-nilai konstanta bebas dalam model standar fisika partikel dipilih di alam.
5. Masalah misteri kosmologis: Jelaskan materi gelap dan energi gelap. Atau, jika tidak ada, tentukan bagaimana dan mengapa gravitasi dimodifikasi pada skala besar. Secara lebih umum, jelaskan mengapa konstanta dari model standar kosmologi, termasuk energi gelap, memiliki nilai yang mereka lakukan.
   instagram viewer

Gravitasi kuantum adalah upaya dalam fisika teoretis untuk menciptakan teori yang mencakup keduanya Relativitas umum dan model standar fisika partikel. Saat ini, dua teori ini menggambarkan skala alam yang berbeda dan upaya untuk mengeksplorasi skala di mana mereka hasil yang tumpang tindih yang tidak cukup masuk akal, seperti gaya gravitasi (atau lengkungan ruangwaktu) menjadi tak terbatas. (Lagi pula, fisikawan tidak pernah melihat ketidakterbatasan nyata di alam, juga tidak mau!)

Satu masalah dengan pemahaman fisika kuantum adalah mekanisme fisik yang mendasarinya. Ada banyak interpretasi dalam fisika kuantum - the interpretasi Kopenhagen klasik, Hugh Everette II, Many Worlds Interpretation, yang kontroversial, dan bahkan yang lebih kontroversial seperti Prinsip Antropik Partisipatif. Pertanyaan yang muncul dalam interpretasi ini berkisar pada apa yang sebenarnya menyebabkan runtuhnya fungsi gelombang kuantum.

Sebagian besar fisikawan modern yang bekerja dengan teori medan kuantum tidak lagi menganggap pertanyaan interpretasi ini relevan. Prinsip dekoherensi, bagi banyak orang, penjelasan - interaksi dengan lingkungan menyebabkan keruntuhan kuantum. Yang lebih penting lagi, fisikawan dapat menyelesaikan persamaan, melakukan eksperimen, dan mempraktikkan fisika tanpa menyelesaikan pertanyaan tentang apa yang sebenarnya terjadi pada tingkat fundamental, dan sebagian besar fisikawan tidak ingin mendekati pertanyaan aneh ini dengan tiang 20 kaki.

Ada empat kekuatan fundamental fisika, dan model standar fisika partikel hanya mencakup tiga di antaranya (elektromagnetisme, gaya nuklir kuat, dan gaya nuklir lemah). Gravitasi tidak dimasukkan dalam model standar. Mencoba membuat satu teori yang menyatukan keempat kekuatan ini menjadi a teori medan terpadu adalah tujuan utama fisika teoretis.

Karena model standar fisika partikel adalah teori medan kuantum, maka penyatuan apa pun harus dilakukan termasuk gravitasi sebagai teori medan kuantum, yang berarti bahwa penyelesaian masalah 3 terkait dengan pemecahan masalah 1.

Selain itu, model standar fisika partikel menunjukkan banyak partikel berbeda - 18 partikel fundamental dalam semua. Banyak fisikawan percaya bahwa teori fundamental tentang alam seharusnya memiliki beberapa metode untuk menyatukan partikel-partikel ini, sehingga mereka dijelaskan dalam istilah yang lebih mendasar. Sebagai contoh, teori string, pendekatan yang paling terdefinisi dengan baik, memprediksi bahwa semua partikel adalah mode getaran yang berbeda dari filamen energi, atau string.

SEBUAH fisika teoretis model adalah kerangka kerja matematis yang, untuk membuat prediksi, mengharuskan parameter tertentu ditetapkan. Dalam model standar fisika partikel, parameter diwakili oleh 18 partikel yang diprediksi oleh teori, artinya parameter diukur dengan observasi.

Namun, beberapa fisikawan percaya bahwa prinsip-prinsip fisik dasar teori harus menentukan parameter-parameter ini, terlepas dari pengukuran. Ini memotivasi banyak antusiasme untuk teori medan terpadu di masa lalu dan memicu pertanyaan Einstein yang terkenal "Apakah Tuhan punya pilihan ketika dia menciptakan alam semesta? "Apakah sifat-sifat alam semesta secara inheren mengatur bentuk alam semesta, karena sifat-sifat ini tidak akan berfungsi jika bentuknya adalah berbeda?

Jawaban untuk ini tampaknya bersandar kuat pada gagasan bahwa tidak hanya ada satu alam semesta yang dapat diciptakan, tetapi bahwa ada berbagai macam fundamental teori (atau varian berbeda dari teori yang sama, berdasarkan parameter fisik yang berbeda, keadaan energi asli, dan sebagainya) dan alam semesta kita hanyalah satu di antara yang mungkin alam semesta.

Dalam hal ini, pertanyaannya menjadi mengapa alam semesta kita memiliki sifat-sifat yang tampaknya disetel sedemikian halus untuk memungkinkan adanya kehidupan. Pertanyaan ini disebut masalah fine-tuning dan telah mempromosikan beberapa fisikawan untuk beralih ke prinsip antropik untuk penjelasan, yang menentukan bahwa alam semesta kita memiliki sifat-sifatnya karena jika memiliki sifat yang berbeda, kita tidak akan berada di sini untuk mengajukan pertanyaan. (Dorongan utama buku Smolin adalah kritik terhadap sudut pandang ini sebagai penjelasan tentang sifat-sifat tersebut.)

Alam semesta masih memiliki sejumlah misteri, tetapi yang paling banyak dijumpai oleh fisikawan adalah materi gelap dan energi gelap. Jenis materi dan energi ini dideteksi oleh pengaruh gravitasinya, tetapi tidak dapat diamati secara langsung, sehingga fisikawan masih berusaha mencari tahu apa itu. Namun, beberapa fisikawan telah mengusulkan penjelasan alternatif untuk pengaruh gravitasi ini, yang tidak membutuhkan bentuk materi dan energi baru, tetapi alternatif ini tidak populer bagi kebanyakan orang fisikawan.

Diedit oleh Anne Marie Helmenstine, Ph. D.