Krisis yang Mendalam Memaksa Fisikawan untuk Memikirkan Kembali Struktur Hukum Alam – Dalam The Structure of Scientific Revolutions , filsuf sains Thomas Kuhn mengamati bahwa para ilmuwan menghabiskan waktu lama untuk mengambil langkah-langkah kecil. Mereka mengajukan dan memecahkan teka-teki sambil secara kolektif menafsirkan semua data dalam pandangan dunia yang tetap atau kerangka teoretis, yang disebut Kuhn sebagai paradigma. Namun, cepat atau lambat, fakta muncul yang berbenturan dengan paradigma yang berkuasa. Krisis terjadi. Para ilmuwan meremas-remas tangan mereka, memeriksa kembali asumsi mereka dan akhirnya membuat perubahan revolusioner ke paradigma baru, pemahaman alam yang sangat berbeda dan lebih benar. Kemudian kemajuan bertahap dilanjutkan.
Krisis yang Mendalam Memaksa Fisikawan untuk Memikirkan Kembali Struktur Hukum Alam
Baca Juga : Bagaimana Era Siddhantic India Membentuk Pemahaman Kita tentang Astronomi
diodati – Selama beberapa tahun, fisikawan partikel yang mempelajari blok bangunan fundamental alam telah berada dalam krisis Kuhnian buku teks.
Krisis menjadi tak terbantahkan pada tahun 2016, ketika, meskipun ada peningkatan besar, Large Hadron Collider di Jenewa masih belum memunculkan partikel elementer baru yang diharapkan oleh para ahli teori selama beberapa dekade. Segerombolan partikel tambahan akan memecahkan teka-teki besar tentang yang sudah diketahui, Higgs boson yang terkenal. Masalah hierarki, demikian teka-teki itu disebut, menanyakan mengapa Higgs boson begitu ringan — seratus juta miliar kali lebih kecil daripada skala energi tertinggi yang ada di alam. Massa Higgs tampaknya secara tidak wajar diturunkan relatif terhadap energi yang lebih tinggi ini, seolah-olah angka-angka besar dalam persamaan dasar yang menentukan nilainya semuanya secara ajaib dibatalkan.
Partikel ekstra akan menjelaskan massa Higgs yang kecil, memulihkan apa yang oleh fisikawan disebut “kealamian” ke persamaan mereka. Tetapi setelah LHC menjadi penumbuk ketiga dan terbesar yang sia-sia mencari mereka, tampaknya logika tentang apa yang alami di alam mungkin salah. “Kami dihadapkan dengan kebutuhan untuk mempertimbangkan kembali prinsip-prinsip panduan yang telah digunakan selama beberapa dekade untuk menjawab pertanyaan paling mendasar tentang dunia fisik,” Gian Giudice , kepala divisi teori di CERN, lab yang menampung LHC, menulis dalam 2017.
Awalnya masyarakat putus asa . “Anda bisa merasakan pesimisme,” kata Isabel Garcia Garcia, seorang ahli teori partikel di Kavli Institute for Theoretical Physics di University of California, Santa Barbara, yang merupakan mahasiswa pascasarjana pada saat itu. Tidak hanya proton smasher senilai $ 10 miliar yang gagal menjawab pertanyaan berusia 40 tahun, tetapi keyakinan dan strategi yang telah lama memandu fisika partikel tidak lagi dapat dipercaya. Orang-orang bertanya-tanya lebih keras daripada sebelumnya apakah alam semesta benar-benar tidak alami, produk dari pembatalan matematis yang disetel dengan baik. Mungkin ada multiverse alam semesta, semuanya dengan massa Higgs yang diputar secara acak dan parameter lainnya, dan kita menemukan diri kita di sini hanya karena sifat-sifat unik alam semesta kita mendorong pembentukan atom, bintang, dan planet, dan oleh karena itu kehidupan. “Argumen antropik” ini, meskipun mungkin benar, sangat tidak dapat diuji.
Banyak fisikawan partikel bermigrasi ke area penelitian lain, “di mana teka-tekinya tidak sesulit masalah hierarki,” kata Nathaniel Craig , fisikawan teoretis di UCSB.
Beberapa dari mereka yang tetap bekerja meneliti asumsi-asumsi yang sudah berumur puluhan tahun. Mereka mulai berpikir lagi tentang ciri-ciri alam yang mencolok yang tampaknya disetel secara tidak wajar — baik massa kecil Higgs boson, dan kasus yang tampaknya tidak terkait, yang menyangkut energi ruang yang rendah secara tidak wajar itu sendiri. “Masalah yang sangat mendasar adalah masalah kealamian,” kata Garcia Garcia.
Introspeksi mereka membuahkan hasil. Para peneliti semakin memusatkan perhatian pada apa yang mereka lihat sebagai kelemahan dalam penalaran konvensional tentang kealamian. Itu bersandar pada asumsi yang tampaknya tidak berbahaya, yang telah dimasukkan ke dalam pandangan ilmiah sejak Yunani kuno: Hal-hal besar terdiri dari hal-hal yang lebih kecil dan lebih mendasar — sebuah gagasan yang dikenal sebagai reduksionisme. “Paradigma reduksionis … terprogram ke dalam masalah kealamian,” kata Nima Arkani-Hamed , ahli teori di Institute for Advanced Study di Princeton, New Jersey.
Sekarang semakin banyak fisikawan partikel berpikir masalah kealamian dan hasil nol di Large Hadron Collider mungkin terkait dengan kehancuran reduksionisme. “Mungkinkah ini mengubah aturan main?” kata Arkani-Hamed. Dalam banyak makalah baru-baru ini, para peneliti telah melemparkan reduksionisme ke angin. Mereka mengeksplorasi cara-cara baru di mana skala jarak besar dan kecil mungkin bersekongkol, menghasilkan nilai parameter yang terlihat tidak wajar disesuaikan dari perspektif reduksionis.
“Beberapa orang menyebutnya krisis. Itu memiliki getaran pesimistis yang terkait dengannya dan saya tidak merasa seperti itu,” kata Garcia Garcia. “Ini adalah saat di mana saya merasa seperti kita berada di sesuatu yang mendalam.”
Apa Kealamian Itu?
Large Hadron Collider memang membuat satu penemuan penting: Pada 2012, akhirnya menabrak Higgs boson, batu kunci dari kumpulan persamaan berusia 50 tahun yang dikenal sebagai Model Standar fisika partikel, yang menggambarkan 17 partikel elementer yang diketahui.
Penemuan Higgs mengkonfirmasi cerita memukau yang tertulis dalam persamaan Model Standar. Beberapa saat setelah Big Bang, entitas yang menembus ruang yang disebut medan Higgs tiba-tiba menjadi dipenuhi energi. Medan Higgs ini berderak dengan boson Higgs, partikel yang memiliki massa karena energi medan. Saat elektron, quark, dan partikel lain bergerak melalui ruang, mereka berinteraksi dengan boson Higgs, dan dengan cara ini mereka memperoleh massa juga.
Setelah Model Standar selesai pada tahun 1975, arsiteknya segera menyadari adanya masalah.
Ketika Higgs memberikan massa partikel lain, mereka memberikannya kembali; massa partikel berguncang bersama-sama. Fisikawan dapat menulis persamaan untuk massa Higgs boson yang mencakup suku-suku dari setiap partikel yang berinteraksi dengannya. Semua partikel Model Standar masif berkontribusi pada persamaan, tetapi ini bukan satu-satunya kontribusi. Higgs juga harus berbaur secara matematis dengan partikel yang lebih berat, hingga dan termasuk fenomena pada skala Planck, tingkat energi yang terkait dengan sifat kuantum gravitasi, lubang hitam, dan Big Bang. Fenomena skala Planck seharusnya berkontribusi pada massa Higgs yang sangat besar — kira-kira seratus juta miliar kali lebih besar dari massa Higgs yang sebenarnya. Secara naif, Anda akan mengharapkan Higgs boson seberat mereka, sehingga meningkatkan partikel elementer lainnya juga.
Agar Higgs bergantung pada energi yang sangat besar namun berakhir begitu ringan, Anda harus berasumsi bahwa beberapa kontribusi Planckian terhadap massanya adalah negatif sementara yang lain positif, dan bahwa mereka semua diputar ke jumlah yang tepat untuk benar-benar membatalkan. . Kecuali ada alasan untuk pembatalan ini, tampaknya menggelikan — hampir tidak mungkin seperti arus udara dan getaran meja yang saling melawan untuk menjaga pensil tetap seimbang di ujungnya. Fisikawan pembatalan yang disetel dengan baik semacam ini dianggap “tidak wajar.”
Dalam beberapa tahun, fisikawan menemukan solusi yang rapi: supersimetri, hipotesis penggandaan partikel elementer alam. Supersimetri mengatakan bahwa setiap boson (salah satu dari dua jenis partikel) memiliki pasangan fermion (jenis lainnya), dan sebaliknya. Boson dan fermion masing-masing berkontribusi positif dan negatif terhadap massa Higgs. Jadi, jika istilah ini selalu berpasangan, mereka akan selalu dibatalkan.
Pencarian partikel pasangan supersimetris dimulai di Large Electron-Positron Collider pada 1990-an. Para peneliti berasumsi partikel-partikel itu hanya sedikit lebih berat daripada mitra Model Standar mereka, membutuhkan lebih banyak energi mentah untuk terwujud, sehingga mereka mempercepat partikel hingga hampir kecepatan cahaya, menghancurkannya bersama-sama, dan mencari penampakan berat di antara puing-puing.
Sementara itu, masalah kealamian lain muncul.
Struktur ruang, bahkan ketika tanpa materi, tampak seolah-olah mendesis dengan energi — aktivitas bersih dari semua medan kuantum yang mengalir melaluinya. Ketika fisikawan partikel menambahkan semua kontribusi dugaan energi ruang, mereka menemukan bahwa, seperti massa Higgs, suntikan energi yang berasal dari fenomena skala Planck harus meledakkannya. Albert Einstein menunjukkan bahwa energi ruang, yang ia juluki sebagai konstanta kosmologis, memiliki efek tolak gravitasi; itu menyebabkan ruang berkembang lebih cepat dan lebih cepat. Jika ruang diresapi dengan kepadatan energi Planckian, alam semesta akan merobek dirinya sendiri beberapa saat setelah Big Bang. Tapi ini belum terjadi.
Sebaliknya, para kosmolog mengamati bahwa perluasan ruang hanya dipercepat secara perlahan, yang menunjukkan bahwa konstanta kosmologis kecil. Pengukuran pada tahun 1998 mematok nilainya sebagai satu juta juta juta juta juta kali lebih rendah dari energi Planck. Sekali lagi, tampaknya semua injeksi dan ekstraksi energi yang sangat besar dalam persamaan untuk konstanta kosmologis dibatalkan dengan sempurna, meninggalkan ruang yang sangat tenang.
Kedua masalah kealamian besar ini terbukti pada akhir 1970-an, tetapi selama beberapa dekade, fisikawan memperlakukannya sebagai hal yang tidak berhubungan. “Ini adalah fase di mana orang-orang menderita skizofrenia tentang ini,” kata Arkani-Hamed. Masalah konstanta kosmologis tampaknya berpotensi terkait dengan aspek gravitasi kuantum yang misterius, karena energi ruang dideteksi hanya melalui efek gravitasinya. Masalah hierarki tampak lebih seperti “masalah detail kecil yang kotor,” kata Arkani-Hamed – jenis masalah yang, seperti dua atau tiga masalah lain di masa lalu, pada akhirnya akan mengungkapkan beberapa potongan teka-teki yang hilang. “Penyakit Higgs,” sebagaimana disebut Giudice sebagai ringannya yang tidak wajar, tidak dapat disembuhkan oleh beberapa partikel supersimetri di LHC.
Jika dipikir-pikir, kedua masalah kealamian itu tampak lebih seperti gejala masalah yang lebih dalam.
“Sangat berguna untuk memikirkan bagaimana masalah ini muncul,” kata Garcia Garcia dalam panggilan Zoom dari Santa Barbara musim dingin ini. “Masalah hierarki dan masalah konstanta kosmologis adalah masalah yang muncul sebagian karena alat yang kita gunakan untuk mencoba menjawab pertanyaan — cara kita mencoba memahami fitur tertentu dari alam semesta kita.”
Reduksionisme Dibuat Tepat
Fisikawan datang dengan cara lucu mereka menghitung kontribusi untuk massa Higgs dan konstanta kosmologis jujur. Metode perhitungannya mencerminkan struktur boneka bersarang yang aneh di alam.
Perbesar sesuatu, dan Anda akan menemukan bahwa itu sebenarnya banyak hal yang lebih kecil. Apa yang tampak dari jauh seperti galaksi sebenarnya adalah kumpulan bintang; setiap bintang banyak atom; atom selanjutnya larut menjadi lapisan hierarki bagian subatom. Selain itu, saat memperbesar skala jarak yang lebih pendek, Anda melihat partikel dan fenomena elementer yang lebih berat dan lebih energik — hubungan mendalam antara energi tinggi dan jarak pendek yang menjelaskan mengapa penumbuk partikel energi tinggi bertindak seperti mikroskop di alam semesta. Hubungan antara energi tinggi dan jarak pendek memiliki banyak avatar di seluruh fisika. Misalnya, mekanika kuantum mengatakan setiap partikel juga merupakan gelombang; semakin besar partikel, semakin pendek panjang gelombang yang terkait. Cara lain untuk memikirkannya adalah bahwa energi harus dijejalkan lebih rapat untuk membentuk objek yang lebih kecil.
Pada 1960-an dan 70-an, raksasa fisika partikel Kenneth Wilson dan Steven Weinberg meletakkan jari mereka pada apa yang begitu luar biasa tentang struktur hierarki alam: Ini memungkinkan kita untuk menggambarkan kejadian pada skala minat IR yang besar tanpa mengetahui apa yang “benar-benar” terjadi pada skala UV yang lebih mikroskopis. Anda dapat, misalnya, memodelkan air dengan persamaan hidrodinamik yang memperlakukannya sebagai fluida halus, menutupi dinamika rumit H2- nyaO molekul. Persamaan hidrodinamik mencakup istilah yang mewakili viskositas air — angka tunggal, yang dapat diukur pada skala IR, yang merangkum semua interaksi molekuler yang terjadi di UV. Fisikawan mengatakan skala IR dan UV “memisahkan,” yang memungkinkan mereka secara efektif menggambarkan aspek dunia tanpa mengetahui apa yang terjadi jauh di lubuk hati pada skala Planck — skala UV tertinggi, yang setara dengan sepersejuta triliun dari satu triliun sentimeter, atau 10 miliar miliar gigaelektron-volt (GeV) energi, di mana struktur ruang-waktu mungkin larut menjadi sesuatu yang lain.