Teori superstring, dalam bahasa populer, menggambarkan alam semesta sebagai kumpulan untaian energi yang bergetar - string. Mereka adalah fondasi alam. Hipotesis juga menjelaskan elemen lain - bran. Semua materi di dunia kita terdiri dari getaran string dan bran. Konsekuensi alami dari teori ini adalah deskripsi gravitasi. Itulah mengapa para ilmuwan percaya itu memegang kunci untuk menyatukan gravitasi dengan kekuatan lain.
Konsep berkembang
Teori medan terpadu, teori superstring, murni matematis. Seperti semua konsep fisika, ini didasarkan pada persamaan yang dapat ditafsirkan dengan cara tertentu.
Saat ini tidak ada yang tahu persis seperti apa versi final dari teori ini. Para ilmuwan memiliki gagasan yang agak kabur tentang elemen umumnya, tetapi belum ada yang menemukan persamaan definitif yang akan mencakup semua teori superstring, dan secara eksperimental belum dapat mengkonfirmasinya (walaupun tidak untuk menyangkalnya juga). Fisikawan telah membuat versi persamaan yang disederhanakan, tetapi sejauh ini tidak cukup menggambarkan alam semesta kita.
Teori Superstring untuk Pemula
Hipotesis didasarkan pada lima ide kunci.
- Teori superstring memprediksi bahwa semua benda di dunia kita terdiri dari filamen bergetar dan membran energi.
- Dia mencoba menggabungkan relativitas umum (gravitasi) dengan fisika kuantum.
- Teori superstring akan menyatukan semua kekuatan fundamental alam semesta.
- Hipotesis ini memprediksi hubungan baru, supersimetri, antara dua jenis partikel yang berbeda secara fundamental, boson dan fermion.
- Konsep ini menjelaskan sejumlah dimensi alam semesta tambahan yang biasanya tidak dapat diamati.
String dan bran
Ketika teori ini muncul pada tahun 1970-an, benang energi di dalamnya dianggap sebagai objek 1 dimensi - string. Kata "satu dimensi" berarti bahwa string hanya memiliki 1 dimensi, panjangnya, tidak seperti, misalnya, persegi, yang memiliki panjang dan tinggi.
Teori membagi superstring ini menjadi dua jenis - tertutup dan terbuka. Tali terbuka memiliki ujung yang tidak saling bersentuhan, sedangkan tali tertutup adalah lingkaran tanpa ujung terbuka. Hasilnya, ditemukan bahwa string ini, yang disebut string tipe pertama, tunduk pada 5 tipe interaksi utama.
Interaksi didasarkan pada kemampuan string untuk menghubungkan dan memisahkan ujungnya. Karena ujung-ujung string terbuka dapat bergabung untuk membentuk string tertutup, mustahil untuk membangun teori superstring yang tidak menyertakan string loop.
Ini ternyata penting, karena string tertutup memiliki sifat, fisikawan percaya, yang bisa menggambarkan gravitasi. Dengan kata lain, ilmuwanmenyadari bahwa teori superstring, alih-alih menjelaskan partikel materi, dapat menjelaskan perilaku dan gravitasinya.
Setelah bertahun-tahun, ditemukan bahwa, selain string, elemen lain diperlukan untuk teori tersebut. Mereka dapat dianggap sebagai lembaran, atau bran. Senar dapat dilampirkan ke satu sisi atau kedua sisi.
Gravitasi kuantum
Fisika modern memiliki dua hukum ilmiah utama: relativitas umum (GR) dan kuantum. Mereka mewakili bidang ilmu yang sama sekali berbeda. Fisika kuantum mempelajari partikel alam terkecil, dan GR, sebagai aturan, menggambarkan alam pada skala planet, galaksi, dan alam semesta secara keseluruhan. Hipotesis yang mencoba menyatukannya disebut teori gravitasi kuantum. Yang paling menjanjikan dari mereka hari ini adalah string.
Utas tertutup sesuai dengan perilaku gravitasi. Secara khusus, mereka memiliki sifat graviton, partikel yang membawa gravitasi antar objek.
Menggabungkan Kekuatan
Teori string mencoba menggabungkan empat gaya - elektromagnetik, gaya nuklir kuat dan lemah, dan gravitasi - menjadi satu. Di dunia kita, mereka memanifestasikan diri mereka sebagai empat fenomena yang berbeda, tetapi ahli teori string percaya bahwa di alam semesta awal, ketika ada tingkat energi yang sangat tinggi, semua kekuatan ini dijelaskan oleh string yang berinteraksi satu sama lain.
Supersimetri
Semua partikel di alam semesta dapat dibagi menjadi dua jenis: boson dan fermion. teori stringmemprediksi bahwa ada hubungan antara mereka, yang disebut supersimetri. Dalam supersimetri, harus ada fermion untuk setiap boson dan boson untuk setiap fermion. Sayangnya, keberadaan partikel tersebut belum dikonfirmasi secara eksperimental.
Supersimetri adalah hubungan matematis antara elemen persamaan fisik. Itu ditemukan di bidang fisika lain, dan penerapannya menyebabkan penggantian nama teori string supersimetris (atau teori superstring, dalam bahasa populer) pada pertengahan 1970-an.
Salah satu manfaat supersimetri adalah sangat menyederhanakan persamaan dengan membiarkan beberapa variabel dihilangkan. Tanpa supersimetri, persamaan menyebabkan kontradiksi fisik seperti nilai tak terbatas dan tingkat energi imajiner.
Karena para ilmuwan belum mengamati partikel yang diprediksi oleh supersimetri, itu masih berupa hipotesis. Banyak fisikawan percaya bahwa alasannya adalah kebutuhan akan sejumlah besar energi, yang terkait dengan massa dengan persamaan Einstein yang terkenal E=mc2. Partikel-partikel ini bisa saja ada di alam semesta awal, tetapi saat mendingin dan energi menyebar setelah Big Bang, partikel-partikel ini pindah ke tingkat energi yang rendah.
Dengan kata lain, senar yang bergetar sebagai partikel berenergi tinggi kehilangan energinya, mengubahnya menjadi elemen getaran yang lebih rendah.
Ilmuwan berharap bahwa pengamatan astronomis atau eksperimen dengan akselerator partikel akan mengkonfirmasi teori tersebut dengan mengungkap beberapa elemen supersimetris dengan tingkat yang lebih tinggienergi.
Pengukuran tambahan
Konsekuensi matematis lain dari teori string adalah masuk akal di dunia dengan lebih dari tiga dimensi. Saat ini ada dua penjelasan untuk ini:
- Dimensi ekstra (enam di antaranya) telah runtuh, atau, dalam terminologi teori string, dipadatkan menjadi ukuran yang sangat kecil yang tidak akan pernah terlihat.
- Kita terjebak dalam bran 3D, dan dimensi lain melampauinya dan tidak dapat diakses oleh kita.
Sebuah penelitian penting di antara para ahli teori adalah pemodelan matematis tentang bagaimana koordinat ekstra ini mungkin terkait dengan koordinat kita. Hasil terbaru memprediksi bahwa para ilmuwan akan segera dapat mendeteksi dimensi ekstra ini (jika ada) dalam eksperimen mendatang, karena mungkin lebih besar dari yang diperkirakan sebelumnya.
Memahami tujuan
Tujuan yang diperjuangkan para ilmuwan ketika menjelajahi superstring adalah "teori segalanya", yaitu, hipotesis fisik tunggal yang menggambarkan seluruh realitas fisik pada tingkat dasar. Jika berhasil, itu bisa menjelaskan banyak pertanyaan tentang struktur alam semesta kita.
Penjelasan materi dan massa
Salah satu tugas utama penelitian modern adalah menemukan solusi untuk partikel nyata.
Teori string dimulai sebagai konsep yang menjelaskan partikel seperti hadron dalam berbagai keadaan vibrasi string yang lebih tinggi. Dalam kebanyakan formulasi modern, masalah yang diamati dalamalam semesta, merupakan hasil vibrasi dawai dan bran dengan energi paling rendah. Getaran yang lebih tinggi menghasilkan partikel berenergi tinggi yang saat ini tidak ada di dunia kita.
Massa partikel elementer ini merupakan manifestasi bagaimana string dan bran terbungkus dalam dimensi ekstra yang dipadatkan. Misalnya, dalam kasus yang disederhanakan di mana mereka dilipat menjadi bentuk donat, yang disebut torus oleh ahli matematika dan fisikawan, sebuah string dapat membungkus bentuk ini dengan dua cara:
- lingkaran pendek melalui tengah torus;
- lingkaran panjang mengelilingi seluruh lingkar luar torus.
Lingkaran pendek akan menjadi partikel ringan, dan lingkaran besar akan menjadi partikel berat. Membungkus string di sekitar dimensi pemadatan toroidal menghasilkan elemen baru dengan massa yang berbeda.
Teori superstring secara ringkas dan jelas, sederhana dan elegan menjelaskan transisi panjang menjadi massa. Dimensi terlipat di sini jauh lebih rumit daripada torus, tetapi pada prinsipnya mereka bekerja dengan cara yang sama.
Bahkan mungkin, meskipun sulit dibayangkan, bahwa tali melingkari torus dalam dua arah pada saat yang sama, menghasilkan partikel yang berbeda dengan massa yang berbeda. Bran juga dapat membungkus dimensi ekstra, menciptakan lebih banyak kemungkinan.
Menentukan ruang dan waktu
Dalam banyak versi teori superstring, dimensi runtuh, membuatnya tidak dapat diamati pada tingkat perkembangan teknologi saat ini.
Saat ini tidak jelas apakah teori string dapat menjelaskan sifat dasar ruang dan waktulebih dari yang dilakukan Einstein. Di dalamnya, pengukuran adalah latar belakang interaksi string dan tidak memiliki arti sebenarnya yang independen.
Penjelasan telah ditawarkan, tidak sepenuhnya dikembangkan, mengenai representasi ruang-waktu sebagai turunan dari jumlah total semua interaksi string.
Pendekatan ini tidak memenuhi ide beberapa fisikawan, yang menyebabkan kritik terhadap hipotesis. Teori kompetitif gravitasi kuantum loop menggunakan kuantisasi ruang dan waktu sebagai titik awal. Beberapa orang percaya bahwa ini hanya akan menjadi pendekatan yang berbeda untuk hipotesis dasar yang sama.
Kuantisasi gravitasi
Pencapaian utama hipotesis ini, jika terbukti, adalah teori gravitasi kuantum. Deskripsi gravitasi saat ini dalam relativitas umum tidak konsisten dengan fisika kuantum. Yang terakhir, dengan memberlakukan pembatasan pada perilaku partikel kecil, menyebabkan kontradiksi ketika mencoba menjelajahi Alam Semesta dalam skala yang sangat kecil.
Unifikasi kekuatan
Saat ini, fisikawan mengetahui empat gaya fundamental: gravitasi, elektromagnetik, interaksi nuklir lemah dan kuat. Ini mengikuti dari teori string bahwa mereka semua pernah menjadi manifestasi dari satu.
Menurut hipotesis ini, sejak alam semesta awal mendingin setelah big bang, interaksi tunggal ini mulai terpecah menjadi interaksi berbeda yang aktif hari ini.
Eksperimen energi tinggi suatu hari akan memungkinkan kita untuk menemukan penyatuan kekuatan-kekuatan ini, meskipun eksperimen semacam itu jauh melampaui perkembangan teknologi saat ini.
Lima pilihan
Setelah revolusi superstring pada tahun 1984, pembangunan dilakukan dengan kecepatan tinggi. Akibatnya, alih-alih satu konsep, ada lima, bernama tipe I, IIA, IIB, HO, HE, yang masing-masing hampir sepenuhnya menggambarkan dunia kita, tetapi tidak sepenuhnya.
Fisikawan, yang memilah-milah versi teori string dengan harapan menemukan formula universal yang benar, telah menciptakan 5 versi mandiri yang berbeda. Beberapa sifat mereka mencerminkan realitas fisik dunia, yang lain tidak sesuai dengan kenyataan.
M-teori
Pada sebuah konferensi pada tahun 1995, fisikawan Edward Witten mengusulkan solusi berani untuk masalah lima hipotesis. Berdasarkan dualitas yang baru ditemukan, mereka semua menjadi kasus khusus dari konsep tunggal yang menyeluruh, yang disebut teori-M Witten tentang superstring. Salah satu konsep kuncinya adalah bran (singkatan dari membran), objek fundamental dengan lebih dari 1 dimensi. Meskipun penulis tidak menawarkan versi lengkap, yang belum tersedia, teori-M superstring secara singkat terdiri dari beberapa fitur berikut:
- 11-dimensi (10 spasial ditambah 1 dimensi waktu);
- dualitas yang mengarah pada lima teori yang menjelaskan realitas fisik yang sama;
- brane adalah string dengan lebih dari 1 dimensi.
Konsekuensi
Akibatnya, alih-alih satu, ada 10500 solusi. Untuk beberapa fisikawan, ini menyebabkan krisis, sementara yang lain menerima prinsip antropik, yang menjelaskan sifat-sifat alam semesta dengan kehadiran kita di dalamnya. Masih harus dilihat kapan para ahli teori akan menemukan yang laincara orientasi dalam teori superstring.
Beberapa interpretasi menunjukkan bahwa dunia kita bukan satu-satunya. Versi paling radikal memungkinkan keberadaan alam semesta dalam jumlah tak terbatas, beberapa di antaranya berisi salinan persis dari alam semesta kita sendiri.
Teori Einstein memprediksi keberadaan ruang melingkar, yang disebut lubang cacing atau jembatan Einstein-Rosen. Dalam hal ini, dua situs yang jauh dihubungkan oleh jalan pendek. Teori superstring memungkinkan tidak hanya ini, tetapi juga koneksi titik-titik jauh dari dunia paralel. Bahkan dimungkinkan untuk transisi antara alam semesta dengan hukum fisika yang berbeda. Namun, kemungkinan besar teori gravitasi kuantum akan membuat keberadaan mereka menjadi tidak mungkin.
Banyak fisikawan percaya bahwa prinsip holografik, ketika semua informasi yang terkandung dalam volume ruang sesuai dengan informasi yang tercatat di permukaannya, akan memungkinkan pemahaman yang lebih dalam tentang konsep benang energi.
Beberapa orang percaya bahwa teori superstring memungkinkan adanya beberapa dimensi waktu, yang dapat mengakibatkan perjalanan melaluinya.
Selain itu, dalam kerangka hipotesis, ada alternatif model big bang, yang menurutnya alam semesta kita muncul sebagai hasil tumbukan dua bran dan melalui siklus berulang penciptaan dan penghancuran.
Nasib akhir alam semesta selalu menjadi perhatian fisikawan, dan versi terakhir dari teori string akan membantu menentukan kerapatan materi dan konstanta kosmologis. Mengetahui nilai-nilai ini, ahli kosmologi dapat menentukan apakah alam semesta akanmenyusut sampai meledak untuk memulai dari awal lagi.
Tidak ada yang tahu ke mana arah teori ilmiah sampai teori itu dikembangkan dan diuji. Einstein, menulis persamaan E=mc2, tidak menyangka bahwa itu akan mengarah pada munculnya senjata nuklir. Pencipta fisika kuantum tidak tahu bahwa itu akan menjadi dasar untuk membuat laser dan transistor. Dan meskipun belum diketahui apa yang akan dibawa oleh konsep murni teoretis seperti itu, sejarah menunjukkan bahwa sesuatu yang luar biasa pasti akan terjadi.
Untuk lebih lanjut tentang dugaan ini, lihat Teori Superstring Andrew Zimmerman untuk Dummies.
