Ide Sederhana di Balik Penemuan Terbesar Einstein

 Di balik teori gravitasi Einstein dan pemahaman kita tentang fisika partikel adalah ide simetri yang tampak sederhana. Tetapi fisikawan mempertanyakan apakah fokus pada simetri sama produktifnya dengan dulu.

Kredit: Rachel Suggs untuk Majalah Quanta.

Buah-buahan mencolok dari wawasan Albert Einstein yang berusia seabad sekarang tertanam dalam dalam imajinasi populer: Lubang hitam, lengkungan waktu, dan lubang cacing muncul secara teratur sebagai titik plot dalam film, buku, acara TV. Pada saat yang sama, mereka mendorong penelitian mutakhir, membantu fisikawan mengajukan pertanyaan tentang sifat ruang, waktu, bahkan informasi itu sendiri.

Mungkin ironisnya, apa yang bisa dibilang bagian paling revolusioner dari warisan Einstein jarang mendapat perhatian. Ia tidak memiliki percikan gelombang gravitasi , tarikan lubang hitam atau bahkan pesona quark. Tapi bersembunyi di balik tirai semua fenomena eksotis ini adalah ide sederhana yang menarik pengungkit, menunjukkan bagaimana potongan-potongan itu cocok satu sama lain, dan menerangi jalan di depan.

Idenya adalah ini: Beberapa perubahan tidak mengubah apa pun. Aspek-aspek paling mendasar dari alam tetap sama meski tampaknya berubah bentuk dengan cara yang tidak terduga. Makalah Einstein tahun 1905 tentang relativitas mengarah pada kesimpulan yang tidak salah lagi, misalnya, bahwa hubungan antara energi dan massa tidak berubah, meskipun energi dan massa itu sendiri dapat mengambil bentuk yang sangat berbeda. Energi matahari tiba di Bumi dan menjadi massa dalam bentuk daun hijau, menciptakan makanan yang bisa kita makan dan gunakan sebagai bahan bakar untuk berpikir. (“Apa pikiran kita ini: apakah atom-atom ini dengan kesadaran?” Tanya almarhum Richard Feynman . “Kentang minggu lalu!”) Itulah arti dari E = mc 2 . The “ c”Singkatan dari kecepatan cahaya, angka yang sangat besar, jadi tidak membutuhkan banyak materi untuk menghasilkan energi dalam jumlah besar; nyatanya, matahari mengubah jutaan ton massa menjadi energi setiap detik.

Perubahan tak berujung materi menjadi energi (dan sebaliknya) memberi kekuatan pada kosmos, materi, kehidupan. Namun melalui itu semua, kandungan materi energi alam semesta tidak pernah berubah. Aneh tapi benar: Materi dan energi itu sendiri kurang fundamental daripada hubungan mendasar di antara keduanya.

Kita cenderung memikirkan banyak hal, bukan hubungan, sebagai inti dari kenyataan. Tapi yang paling sering, yang benar justru sebaliknya. "Bukan itu masalahnya," kata fisikawan Brown University, Stephon Alexander .

Hal yang sama juga berlaku, Einstein menunjukkan, untuk "hal-hal" seperti ruang dan waktu, aspek alam yang tampaknya stabil dan tidak dapat diubah; Sebenarnya, hubungan antara ruang dan waktu itulah yang selalu tetap sama, bahkan saat kontrak ruang dan waktu melebar. Seperti energi dan materi, ruang dan waktu adalah manifestasi yang dapat berubah dari fondasi yang lebih dalam dan tak tergoyahkan: hal-hal yang tidak pernah berubah apa pun yang terjadi.

“Pandangan mendalam Einstein adalah bahwa ruang dan waktu pada dasarnya dibangun oleh hubungan antara hal-hal yang terjadi,” kata fisikawan Robbert Dijkgraaf , direktur Institute for Advanced Study di Princeton, New Jersey, tempat Einstein menghabiskan dekade terakhirnya.

Hubungan yang paling penting bagi warisan Einstein adalah simetri. Ilmuwan sering menggambarkan kesimetrian sebagai perubahan yang tidak benar-benar mengubah apa pun, perbedaan yang tidak membuat perbedaan, variasi yang membuat hubungan yang dalam tidak berubah. Contoh mudah ditemukan dalam kehidupan sehari-hari. Anda dapat memutar kepingan salju 60 derajat dan itu akan terlihat sama. Anda dapat bertukar tempat dengan jungkat-jungkit dan tidak mengganggu keseimbangan. Simetri yang lebih rumit telah mengarahkan fisikawan pada penemuan segala sesuatu mulai dari neutrino hingga quark - mereka bahkan mengarah pada penemuan Einstein sendiri bahwa gravitasi adalah kelengkungan ruang-waktu, yang, sekarang kita tahu, dapat menggulung dengan sendirinya, mencubit ke dalam lubang hitam. .

Selama beberapa dekade terakhir, beberapa fisikawan mulai mempertanyakan apakah fokus pada simetri masih seproduktif dulu. Partikel baru yang diprediksi oleh teori berdasarkan kesimetrian belum muncul dalam eksperimen seperti yang diharapkan, dan boson Higgs yang terdeteksi terlalu ringan untuk dimasukkan ke dalam skema simetris yang diketahui. Simetri belum membantu menjelaskan mengapa gravitasi begitu lemah, mengapa energi vakum sangat kecil, atau mengapa materi gelap tetap transparan.

“Ada, dalam fisika partikel, prasangka bahwa simetri adalah akar dari deskripsi kita tentang alam,” kata fisikawan Justin Khoury dari University of Pennsylvania. “Ide itu sangat kuat. Tapi siapa yang tahu? Mungkin kita benar-benar harus menyerah pada prinsip-prinsip yang indah dan disayangi yang telah berhasil dengan baik ini. Jadi ini waktu yang sangat menarik sekarang. ”

Cahaya

Einstein tidak memikirkan tentang invariansi atau simetri ketika dia menulis makalah relativitas pertamanya pada tahun 1905, tetapi sejarawan berspekulasi bahwa keterasingannya dari komunitas fisika selama bekerja di kantor paten Swiss mungkin telah membantunya melihat masa lalu perangkap yang tidak perlu yang diterima begitu saja oleh orang-orang. .

Seperti fisikawan lain pada masanya, Einstein memikirkan beberapa teka-teki yang tampaknya tidak berhubungan. Persamaan James Clerk Maxwell mengungkapkan hubungan intim antara medan listrik dan magnet tampak sangat berbeda dalam kerangka acuan yang berbeda - apakah pengamat sedang bergerak atau diam. Selain itu, kecepatan di mana medan elektromagnetik merambat melalui ruang hampir sama persis dengan kecepatan cahaya yang diukur berulang kali oleh eksperimen - kecepatan yang tidak berubah apa pun yang terjadi. Seorang pengamat bisa saja berlari ke arah cahaya atau menjauh darinya, dan kecepatannya tidak berubah.

Einstein menghubungkan titik-titik: Kecepatan cahaya adalah perwujudan terukur dari hubungan simetris antara medan listrik dan magnet - konsep yang lebih mendasar daripada ruang itu sendiri. Cahaya tidak membutuhkan apapun untuk melewatinya karena itu sendiri adalah medan elektromagnetik yang bergerak. Konsep "diam" - "ruang kosong" statis yang ditemukan oleh Isaac Newton - tidak perlu dan tidak masuk akal. Tidak ada universal "di sini" atau "sekarang": Peristiwa bisa muncul secara bersamaan untuk satu pengamat tetapi tidak untuk yang lain, dan kedua perspektif akan benar.

Mengejar berkas cahaya menghasilkan efek aneh lainnya, subjek makalah relativitas kedua Einstein, "Apakah Kelambanan Tubuh Bergantung Pada Kandungan Energinya?" Jawabannya iya. Semakin cepat Anda mengejar, semakin sulit untuk melaju lebih cepat. Resistensi terhadap perubahan menjadi tak terbatas pada kecepatan cahaya. Karena hambatan itu adalah kelembaman, dan kelembaman adalah ukuran massa, energi gerak diubah menjadi massa. “Tidak ada perbedaan esensial antara massa dan energi,” tulis Einstein.

Butuh beberapa tahun bagi Einstein untuk menerima bahwa ruang dan waktu adalah jalinan benang yang tak terpisahkan dari satu kain ruang-waktu, tidak mungkin diurai. "Dia masih belum berpikir dengan cara ruang-waktu yang sepenuhnya bersatu," kata David Kaiser , fisikawan dan sejarawan sains di Massachusetts Institute of Technology.

Ruang-waktu yang menyatu adalah konsep yang sulit untuk membungkus pikiran kita. Tapi itu mulai masuk akal jika kita memikirkan arti sebenarnya dari "kecepatan". Kecepatan cahaya, seperti kecepatan apapun, adalah hubungan - jarak yang ditempuh dari waktu ke waktu. Tetapi kecepatan cahaya itu istimewa karena tidak bisa berubah; sinar laser Anda tidak akan bergerak lebih cepat hanya karena ditembak dari satelit yang melaju kencang. Oleh karena itu, pengukuran jarak dan waktu harus berubah, bergantung pada keadaan gerakan seseorang, yang mengarah ke efek yang dikenal sebagai "kontraksi ruang" dan "dilatasi waktu". Perbedaannya adalah: Tidak peduli seberapa cepat dua orang melakukan perjalanan terhadap satu sama lain, mereka selalu mengukur "interval ruang-waktu" yang sama. Duduk di meja Anda, Anda bergegas melewati waktu, sama sekali tidak melewati ruang. Sebuah sinar kosmik terbang melintasi jarak yang sangat jauh dengan kecepatan yang hampir sama dengan kecepatan cahaya tetapi hampir tidak melintasi waktu, tetap awet muda. Hubungannya tidak berubah tidak peduli bagaimana Anda mengubah keadaan.

Gravitasi

Teori relativitas khusus Einstein, yang muncul lebih dulu, adalah "khusus" karena hanya berlaku untuk gerakan yang stabil dan tidak berubah melalui ruang-waktu - bukan gerakan yang dipercepat seperti gerakan benda yang jatuh ke arah Bumi. Ini mengganggu Einstein bahwa teorinya tidak memasukkan gravitasi, dan perjuangannya untuk memasukkannya membuat simetri menjadi pusat pemikirannya. "Pada saat dia memahami relativitas umum, dia lebih banyak berinvestasi dalam gagasan invarian dan interval ruang-waktu yang harus sama untuk semua pengamat," kata Kaiser.

Secara khusus, Einstein dibingungkan oleh perbedaan yang tidak membuat perbedaan, simetri yang tidak masuk akal. Masih mengherankan untuk menjatuhkan segumpal kertas remuk dan satu set kunci berat berdampingan untuk melihat bahwa entah bagaimana, hampir secara ajaib, mereka menyentuh tanah secara bersamaan - seperti yang ditunjukkan oleh Galileo (setidaknya secara apokrif) dengan menjatuhkan bola ringan dan berat dari menara di Pisa. Jika gaya gravitasi bergantung pada massa, maka semakin masif suatu benda, semakin cepat pula benda itu jatuh. Entah kenapa, tidak.

Wawasan kunci datang ke Einstein dalam salah satu eksperimen pemikirannya yang terkenal. Dia membayangkan seorang pria jatuh dari gedung. Pria itu akan mengapung bahagia seperti astronot di luar angkasa, sampai tanah menghalangi jalannya. Ketika Einstein menyadari bahwa seseorang yang jatuh bebas akan merasa tidak berbobot, dia menggambarkan penemuan itu sebagai pemikiran paling bahagia dalam hidupnya. 

Butuh beberapa saat baginya untuk menjabarkan detail matematis relativitas umum, tetapi teka-teki gravitasi terpecahkan begitu dia menunjukkan bahwa gravitasi adalah kelengkungan ruang-waktu itu sendiri, yang diciptakan oleh benda-benda besar seperti Bumi. Benda-benda "jatuh" di dekatnya seperti manusia imajiner Einstein atau bola Galileo hanya mengikuti jalur ruang-waktu yang diukir untuk mereka.

Ketika relativitas umum pertama kali diterbitkan, 10 tahun setelah versi khusus, sebuah masalah muncul: Tampaknya energi tidak dapat disimpan dalam ruang-waktu yang sangat melengkung. Sudah diketahui umum bahwa besaran tertentu di alam selalu kekal: jumlah energi (termasuk energi dalam bentuk massa), jumlah muatan listrik, besaran momentum. Dalam prestasi alkimia matematika yang luar biasa, matematikawan Jerman Emmy Noether membuktikan bahwa setiap besaran yang dilestarikan ini dikaitkan dengan kesimetrian tertentu, perubahan yang tidak mengubah apa pun.

Noether menunjukkan bahwa kesimetrian relativitas umum - invariannya dalam transformasi antara kerangka referensi yang berbeda - memastikan bahwa energi selalu kekal. Teori Einstein berhasil diselamatkan. Noether dan simetri keduanya menempati panggung utama dalam fisika sejak saat itu.

Masalah

Pasca Einstein, tarikan simetri hanya menjadi lebih kuat. Paul Dirac, mencoba membuat mekanika kuantum kompatibel dengan persyaratan simetri relativitas khusus, menemukan tanda minus dalam persamaan yang menunjukkan bahwa “antimateri” harus ada untuk menyeimbangkan pembukuan. Memang. Segera setelah itu, Wolfgang Pauli, dalam upaya untuk menjelaskan energi yang tampaknya hilang selama disintegrasi partikel radioaktif, berspekulasi bahwa mungkin energi yang hilang terbawa oleh partikel yang tidak diketahui dan sulit dipahami. Dulu, dan partikel itu adalah neutrino.

Mulai tahun 1950-an, invariansi mengambil kehidupannya sendiri, menjadi semakin abstrak, "melompat keluar", seperti yang dikatakan Kaiser, dari kesimetrian ruang-waktu. Kesimetrian baru ini, yang dikenal sebagai invariansi "gauge", menjadi sangat produktif, "melengkapi dunia," kata Kaiser, dengan mensyaratkan keberadaan segala sesuatu mulai dari boson W dan Z hingga gluon. “Karena kami pikir ada kesimetrian yang sangat mendasar sehingga harus dilindungi dengan segala cara, kami menemukan hal-hal baru,” katanya. Simetri ukuran "menentukan bahan lain apa yang harus Anda masukkan". Simetri ini kira-kira sama dengan yang memberi tahu kita bahwa segitiga yang tidak berubah di bawah rotasi 120 derajat harus memiliki tiga sisi yang sama.

Simetri ukuran menggambarkan struktur internal sistem partikel yang mengisi dunia kita. Mereka menunjukkan semua cara fisikawan dapat menggeser, memutar, mendistorsi, dan umumnya mengacaukan persamaan mereka tanpa mengubah apa pun yang penting. "Simetri memberi tahu Anda berapa banyak cara Anda dapat membalikkan sesuatu, mengubah cara gaya bekerja, dan tidak mengubah apa pun," kata Alexander. Hasilnya adalah intip perancah tersembunyi yang menopang bahan dasar alam.

Abstraksi kesimetrian meteran menyebabkan kegelisahan tertentu di beberapa tempat. “Anda tidak melihat keseluruhan aparat, Anda hanya melihat hasilnya,” kata Dijkgraaf. “Saya pikir dengan simetri pengukur masih banyak kebingungan.”

Untuk menambah masalah, simetri pengukur menghasilkan banyak cara untuk menggambarkan sistem fisik tunggal - redundansi, seperti yang dikatakan fisikawan Mark Trodden dari Universitas Pennsylvania. Properti teori pengukur ini, jelas Trodden, membuat perhitungan menjadi "sangat rumit". Halaman dan halaman perhitungan menghasilkan jawaban yang sangat sederhana. “Dan itu membuat Anda bertanya-tanya: Mengapa? Dari mana asal semua kompleksitas di tengah itu? Dan satu kemungkinan jawaban untuk itu adalah redundansi deskripsi yang mengukur kesimetrian ini. "

Kompleksitas internal semacam itu adalah kebalikan dari apa yang biasanya ditawarkan simetri: kesederhanaan. Dengan pola ubin yang berulang, “Anda hanya perlu melihat sedikit dan Anda bisa memprediksi sisanya,” kata Dijkgraaf. Anda tidak memerlukan satu hukum untuk kekekalan energi dan hukum lainnya untuk masalah di mana hanya satu yang akan melakukannya. Alam semesta simetris karena homogen dalam skala besar; tidak ada kiri atau kanan, atas atau bawah. "Jika bukan itu masalahnya, kosmologi akan menjadi kekacauan besar," kata Khoury.

Symmetries Rusak

Masalah terbesar adalah simetri yang sekarang dipahami tampaknya gagal menjawab beberapa pertanyaan terbesar dalam fisika. Benar, simetri memberi tahu fisikawan tempat mencari Higgs boson dan gelombang gravitasi - dua penemuan penting dalam dekade terakhir. Pada saat yang sama, penalaran berbasis simetri memprediksi banyak hal yang belum muncul dalam eksperimen apa pun, termasuk partikel "supersimetrik" yang dapat berfungsi sebagai materi gelap kosmos yang hilang dan menjelaskan mengapa gravitasi begitu lemah dibandingkan dengan elektromagnetisme dan semua kekuatan lainnya.

Dalam beberapa kasus, kesimetrian yang ada dalam hukum alam yang mendasarinya tampaknya rusak dalam kenyataan. Misalnya, ketika energi mengental menjadi materi melalui E = mc 2 yang baik , hasilnya adalah materi dan antimateri dalam jumlah yang sama - sebuah simetri. Tetapi jika energi Big Bang menciptakan materi dan antimateri dalam jumlah yang sama, mereka seharusnya memusnahkan satu sama lain, tidak meninggalkan jejak materi. Namun di sinilah kita.

Kesimetrian sempurna yang seharusnya ada pada saat-saat awal panas alam semesta entah bagaimana hancur saat ia mendingin, seperti setetes air yang simetris sempurna kehilangan sebagian kesimetrisannya ketika membeku menjadi es. (Kepingan salju mungkin terlihat sama dalam enam orientasi berbeda, tetapi kepingan salju yang meleleh terlihat sama di segala arah.)

"Semua orang tertarik pada kesimetrian yang rusak secara spontan," kata Trodden. "Hukum alam mematuhi kesimetrian, tetapi solusi yang Anda minati tidak."

Tapi apa yang mematahkan simetri antara materi dan antimateri?

Tidak mengherankan bagi siapa pun jika fisika saat ini ternyata dibebani dengan perancah yang tidak perlu, seperti gagasan tentang "ruang kosong" yang salah arah oleh orang-orang sebelum Einstein. Penyesatan hari ini, beberapa orang berpikir, bahkan mungkin berkaitan dengan obsesi pada simetri itu sendiri, setidaknya seperti yang dipahami saat ini.

Banyak fisikawan telah mengeksplorasi ide yang berkaitan erat dengan simetri yang disebut "dualitas". Dualitas bukanlah hal baru dalam fisika. Dualitas gelombang-partikel - fakta bahwa sistem kuantum yang sama paling baik dideskripsikan sebagai gelombang atau partikel, bergantung pada konteksnya - telah ada sejak permulaan mekanika kuantum. Tetapi dualitas yang baru ditemukan telah mengungkapkan hubungan yang mengejutkan: Misalnya, dunia tiga dimensi tanpa gravitasi dapat disamakan secara matematis, atau ganda, dengan dunia empat dimensi dengan gravitasi.

Jika deskripsi dunia dengan jumlah dimensi spasial yang berbeda setara, maka "satu dimensi dalam beberapa hal dapat dianggap sepadan," kata Trodden.

"Dualitas ini mencakup elemen - jumlah dimensi - yang kami anggap tidak berubah," kata Dijkgraaf, "tetapi sebenarnya tidak." Adanya dua deskripsi ekuivalen dengan semua perhitungan yang menyertainya memunculkan "poin yang sangat dalam, hampir filosofis: Adakah cara yang tidak berubah untuk menggambarkan realitas fisik?"

Tidak ada yang menyerah pada simetri dalam waktu dekat, sebagian karena itu terbukti sangat kuat dan juga karena melepaskannya berarti, bagi banyak fisikawan, menyerah pada "kealamian" - gagasan bahwa alam semesta harus persis seperti itu untuk Alasannya, furniturnya ditata dengan sangat rapi sehingga Anda tidak bisa membayangkannya dengan cara lain.

Jelasnya, beberapa aspek alam - seperti orbit planet - adalah hasil dari sejarah dan kecelakaan, bukan kesimetrisan. 

Evolusi biologis adalah kombinasi dari mekanisme dan kebetulan yang diketahui. Mungkin Max Born benar ketika dia menanggapi keberatan Einstein yang terus-menerus bahwa "Tuhan tidak bermain dadu" dengan menunjukkan bahwa "alam, serta urusan manusia, tampaknya tunduk pada kebutuhan dan kebetulan."

Aspek-aspek tertentu dari fisika harus tetap utuh - kausalitas misalnya. “Efek tidak bisa mendahului penyebab,” kata Alexander. Hal-hal lain hampir pasti tidak.

Satu aspek yang pasti tidak akan memainkan peran kunci di masa depan adalah kecepatan cahaya, yang menjadi dasar karya Einstein. Kain halus ruang-waktu yang ditenun Einstein seabad yang lalu pasti akan tercabik-cabik di dalam lubang hitam dan pada saat Big Bang. "Kecepatan cahaya tidak bisa tetap konstan jika ruang-waktu runtuh," kata Alexander. "Jika ruang-waktu runtuh, apa yang tidak berubah?"

Dualitas tertentu menunjukkan bahwa ruang-waktu muncul dari sesuatu yang lebih mendasar, hubungan paling aneh dari semuanya: Apa yang Einstein sebut sebagai hubungan "seram" antara partikel kuantum terjerat. Banyak peneliti percaya bahwa hubungan jarak jauh ini menyatukan ruang waktu. 

Seperti yang dikatakan Kaiser, "Harapannya adalah bahwa sesuatu seperti kontinum ruang-waktu akan muncul sebagai efek sekunder dari hubungan yang lebih mendasar, termasuk hubungan keterikatan." Dalam hal ini, katanya, ruang-waktu klasik dan berkelanjutan akan menjadi "ilusi".

Batasan tertinggi untuk ide-ide baru adalah bahwa mereka tidak dapat secara konsisten bertentangan dengan teori-teori yang dapat diandalkan secara konsisten seperti mekanika kuantum dan relativitas - termasuk kesimetrian yang mendukungnya.

Einstein pernah membandingkan membangun teori baru dengan mendaki gunung. Dari perspektif yang lebih tinggi, Anda dapat melihat teori lama masih berdiri, tetapi telah diubah, dan Anda dapat melihat di mana ia cocok dengan lanskap yang lebih besar dan lebih inklusif. Alih-alih berpikir, seperti yang disarankan Feynman, dengan kentang minggu lalu, para pemikir masa depan mungkin merenungkan fisika menggunakan informasi yang dikodekan dalam keterikatan kuantum, yang menenun ruang-waktu untuk menanam kentang.