10 Misteri yang Belum Terpecahkan Dalam Fisika

Jika Anda pernah menonton episode Star Trek atau The Big Bang Theory , Anda tahu bahwa episode itu dapat diakses oleh massa dengan cara yang menyenangkan. Penulis fiksi ilmiah dan komedi favorit kami mungkin tidak memahami setiap detail dengan benar, tetapi mereka memicu minat kami pada aspek teori ilmiah yang lebih aneh.

Hari ini, kita akan berbicara tentang 10 misteri nyata yang belum dijelaskan oleh fisika. Dari komunikasi alien hingga perjalanan waktu hingga keran yang mengalir deras, kami akan mencoba membuat misteri ini dapat dimengerti oleh semua orang.

Anda bahkan mungkin ingin menjelajahi topik-topik ini lebih jauh sendiri. Lagipula, ada hadiah jutaan dolar menunggu orang-orang yang memecahkan teka-teki kosmik. (Baca terus untuk mengetahui yang mana dari 10 misteri ini yang bisa membuat Anda kaya.) Anda mungkin akan mendapatkan Hadiah Nobel dan mengubah dunia juga.

10. Dari Mana Sinar Kosmik Berenergi Ultra-Tinggi Berasal?

Atmosfer kita terus-menerus dihantam partikel dari luar angkasa dengan energi tinggi. Ini disebut "." Meskipun mereka tidak menimbulkan banyak bahaya bagi manusia, mereka telah memesona fisikawan. Mengamati sinar kosmik telah mengajari kita banyak hal tentang astrofisika dan fisika partikel. Tetapi ada beberapa — yang memiliki energi paling besar — ​​yang masih misterius hingga hari ini.

Pada tahun 1962, pada percobaan Peternakan Gunung Berapi, Dr John D. Linsley dan Livio Scarsi melihat sesuatu yang luar biasa: sinar kosmik berenergi ultra-tinggi dengan energi lebih dari 16 joule. Sebagai gambaran, satu joule kira-kira energi yang dibutuhkan untuk mengangkat apel dari lantai ke atas meja.

Namun, semua energi itu terkonsentrasi dalam sebuah partikel yang seratus juta miliar miliar kali lebih kecil dari apel. Itu berarti ia bergerak sangat dekat dengan kecepatan cahaya!

Fisikawan belum tahu bagaimana benda ini mendapatkan jumlah energi yang luar biasa ini. Beberapa teori termasuk gagasan bahwa mereka mungkin berasal dari supernova, ketika bintang meledak di akhir hidup mereka. Partikel-partikel tersebut juga dapat dipercepat dalam piringan materi yang runtuh yang terbentuk di sekitar lubang hitam.

9. Apakah Alam Semesta Kita Didominasi Oleh Inflasi?

Sangat datar pada skala besar. Ini adalah sesuatu yang disebut "prinsip kosmologis" —gagasan bahwa, ke mana pun Anda pergi di alam semesta, rata-rata terdapat jumlah barang yang sama.

Tetapi teori big bang menyatakan bahwa, pada masa-masa paling awal, pasti ada beberapa perbedaan besar dalam kepadatan di awal alam semesta. Jadi itu jauh lebih kecil dari alam semesta kita saat ini.

Teori inflasi menyatakan bahwa alam semesta yang kita lihat hari ini berasal dari volume kecil alam semesta awal. Volume kecil ini tiba-tiba dan berkembang pesat — jauh lebih cepat daripada alam semesta mengembang saat ini.

Sama seperti jika Anda menggambar di atas balon dan kemudian mengisinya dengan udara, inflasi "merentangkan" semua gumpalan di alam semesta awal dan menjelaskan mengapa kita memiliki alam semesta yang cukup datar — di mana kondisinya serupa ke mana pun Anda pergi — hari ini.

Meskipun ini menjelaskan banyak hal tentang apa yang kita lihat, fisikawan masih belum tahu apa penyebabnya. Rincian tentang apa yang terjadi selama inflasi ini juga masih samar. Pemahaman yang lebih baik tentang era ini bisa memberi tahu kita banyak hal tentang alam semesta seperti sekarang ini.

8. Bisakah Kita Menemukan Energi Gelap dan Materi Gelap?

Fakta yang menakjubkan: Hanya sekitar 5 persen dari alam semesta terdiri dari materi yang dapat kita lihat. Fisikawan memperhatikan beberapa dekade yang lalu bahwa bintang-bintang di tepi luar mengorbit di sekitar pusat galaksi lebih cepat dari yang diperkirakan.

Untuk menjelaskan hal ini, para ilmuwan menyarankan bahwa mungkin ada beberapa materi "gelap" yang tidak terlihat di galaksi tersebut yang menyebabkan bintang-bintang berputar lebih cepat. Setelah ini, pengamatan atas alam semesta yang mengembang membuat fisikawan menyimpulkan bahwa pasti ada lebih banyak materi gelap di luar sana — lima kali lebih banyak dari materi yang dapat kita lihat.

Bersamaan dengan ini, kita tahu bahwa perluasan alam semesta sebenarnya semakin cepat. Ini aneh karena kita mengharapkan tarikan gravitasi materi — baik “terang” dan “gelap” —untuk memperlambat perluasan alam semesta.

Gabungkan ini dengan fakta bahwa alam semesta itu datar — ruang-waktu, secara keseluruhan, tidak melengkung — dan para kosmolog membutuhkan penjelasan untuk sesuatu yang menyeimbangkan tarikan gravitasi materi.

“Energi gelap” adalah solusinya. Sebagian besar energi di alam semesta tidak dapat dikunci dalam materi, tetapi sebaliknya, energi mendorong perluasan alam semesta. Fisikawan percaya bahwa setidaknya 70 persen energi alam semesta berbentuk energi gelap.

Namun hingga hari ini, partikel penyusun materi gelap dan medan penyusun energi gelap belum diamati secara langsung di laboratorium. Mengamati materi gelap itu sulit karena tidak berinteraksi dengan cahaya, begitulah biasanya pengamatan dilakukan.

Tapi fisikawan berharap partikel materi gelap bisa diproduksi di Large Hadron Collider (LHC), tempat mereka bisa dipelajari. Ternyata partikel materi gelap lebih berat daripada apa pun yang dapat diproduksi LHC, dalam hal ini mungkin akan tetap menjadi misteri untuk waktu yang lebih lama.

Energi gelap didukung oleh banyak pengamatan berbeda tentang alam semesta, tetapi masih sangat misterius. Dalam arti yang sangat nyata, mungkin “ruang hanya suka mengembang” dan kita hanya bisa melihatnya mengembang jika kita melihat skala yang sangat besar.

Atau mungkin penjelasan dan energi gelap salah, dan diperlukan teori yang sama sekali baru. Tapi itu harus menjelaskan semua yang kita lihat lebih baik daripada teori saat ini sebelum fisikawan akan mengadopsinya. Meski begitu, sungguh luar biasa untuk berpikir bahwa kita mungkin hanya mengetahui sangat sedikit tentang 95 persen alam semesta.

7. Apa Inti Dari Lubang Hitam?

adalah beberapa objek paling terkenal dalam astrofisika. Kita dapat menggambarkannya sebagai wilayah ruang-waktu dengan medan gravitasi yang kuat sehingga cahaya pun tidak dapat melarikan diri.

Sejak Albert Einstein menunjukkan bahwa gravitasi “membelokkan” ruang dan waktu dengan teorinya, kita telah mengetahui bahwa cahaya tidak kebal terhadap efek gravitasi. Faktanya, teori Einstein terbukti selama gerhana matahari yang menunjukkan bahwa gravitasi Matahari membelokkan sinar jauh dari bintang-bintang yang jauh.

Sejak itu, banyak lubang hitam telah diamati, termasuk yang sangat besar dan supermasif di jantung galaksi kita sendiri. (Jangan khawatir. Itu tidak akan menelan Matahari dalam waktu dekat.)

Namun misteri tentang apa yang terjadi di jantung lubang hitam masih belum terpecahkan. Beberapa fisikawan berpikir bahwa mungkin ada "singularitas" —titik dengan kepadatan tak terhingga dengan beberapa massa terkonsentrasi ke dalam ruang kecil tak terhingga. Sulit dibayangkan. Lebih buruk lagi, singularitas apa pun mengarah ke lubang hitam dalam teori ini, jadi tidak mungkin kita bisa mengamati singularitas secara langsung.

Masih ada perdebatan tentang apakah informasi hilang di dalam lubang hitam. Mereka menyerap partikel dan radiasi dan memancarkan radiasi Hawking, tetapi radiasi Hawking tampaknya tidak mengandung informasi lebih lanjut tentang apa yang terjadi di dalam lubang hitam. Beberapa informasi tentang partikel yang jatuh di luar cakrawala peristiwa ke dalam lubang hitam tampaknya hilang.

Fakta bahwa tampaknya tidak mungkin, setidaknya pada saat ini, untuk memahami apa yang ada di jantung lubang hitam telah membuat penulis sci-fi berspekulasi selama beberapa dekade tentang apakah mereka dapat mengandung alam semesta yang berbeda atau digunakan untuk teleportasi atau perjalanan waktu.

Karena diserap oleh lubang hitam melibatkan peregangan menjadi untaian atom ("spagetifikasi"), kami tidak secara sukarela menjelajah ke dalam dan mencari tahu.

6. Apakah Ada Kehidupan Cerdas Di Luar Sana?

Orang-orang telah memimpikannya selama mereka memandang langit malam dan bertanya-tanya apa yang mungkin ada di luar sana. Namun dalam beberapa dekade terakhir, kami telah menemukan banyak bukti yang menggiurkan.

Sebagai permulaan, planet jauh lebih umum daripada yang diperkirakan orang, dengan sebagian besar bintang memiliki sistem planet. Kita juga tahu bahwa jarak waktu antara planet kita menjadi layak huni dan kehidupan muncul di atasnya cukup kecil. Apakah ini menunjukkan bahwa kehidupan akan terbentuk? Jika demikian, kita memiliki "" yang terkenal: Mengapa kita belum berkomunikasi dengan alien?

Ada banyak solusi untuk paradoks Fermi, mulai dari yang liar hingga yang lebih menyedihkan dan biasa-biasa saja. Ini benar-benar menunjukkan kesulitan mencapai kesimpulan ilmiah yang baik ketika Anda hanya memiliki satu titik data: kami.

Kita tahu bahwa kehidupan cerdas berevolusi di planet ini (oke, mungkin masih bisa diperdebatkan), yang berarti hal itu bisa terjadi. Tapi kita tidak tahu apakah kita sangat beruntung. Atau mungkin ada sesuatu yang istimewa tentang planet kita yang membuatnya sangat langka tetapi cocok untuk menampung kehidupan. Atau mungkin kemungkinan dimulainya kehidupan sangat rendah, jadi hanya ada sedikit, jika ada, peradaban asing di luar sana.

Astronom Frank Drake menyusun "persamaan Drake" sebagai cara untuk melihat semua aspek yang berbeda dari masalah ini. Setiap istilah mewakili alasan mengapa kita mungkin tidak berkomunikasi dengan kehidupan cerdas.

Mungkin hidup itu biasa, tetapi kehidupan cerdas jarang. Mungkin, setelah beberapa saat, semua peradaban memutuskan untuk tidak berkomunikasi dengan bentuk kehidupan lain. Mereka ada di luar sana, tetapi mereka tidak ingin berbicara dengan kita.

Atau, yang mengerikan, mungkin ini menunjukkan bahwa banyak peradaban alien menghancurkan diri mereka sendiri segera setelah teknologi menjadi cukup maju untuk berkomunikasi. Kita dapat mengkhawatirkan hal ini terjadi di Bumi dengan senjata nuklir atau AI yang tidak terkendali.

Bahkan ada pendapat bahwa kurangnya komunikasi dari alien adalah bukti bahwa dunia diciptakan — baik oleh Tuhan atau sebagai bagian dari simulasi komputer. Ini akan menjelaskan mengapa hanya ada kita. Para pemain kosmik bermain dalam mode pemain tunggal.

Kenyataannya adalah bahwa kita belum lama mencari, dan ruang angkasa sangat luas. Sinyal dapat dengan mudah hilang, dan peradaban alien harus mengirimkan sinyal radio yang kuat agar kita dapat mengambilnya. Tapi sangat menarik untuk berpikir bahwa penemuan peradaban alien bisa terjadi besok dan mengubah pemahaman kita tentang alam semesta selamanya.

5. Bisakah Ada Yang Bepergian Lebih Cepat Dari Kecepatan Cahaya?

Sejak Einstein mengubah wajah fisika dengan teori relativitas khususnya, fisikawan yakin bahwa tidak ada yang dapat bergerak lebih cepat daripada. Faktanya, relativitas memprediksikan bahwa untuk segala sesuatu yang bermassa bahkan bergerak dengan kecepatan cahaya, diperlukan energi tak hingga.

Kita melihat ini dalam sinar kosmik berenergi ultra-tinggi yang disebutkan sebelumnya. Mereka memiliki energi yang luar biasa dibandingkan dengan ukurannya, tetapi mereka tetap tidak melakukan perjalanan secepat ini. Kecepatan cahaya sebagai batas keras mungkin juga menjelaskan mengapa komunikasi dari peradaban asing tidak mungkin terjadi. Jika mereka juga dibatasi oleh ini, sinyal mungkin membutuhkan ribuan tahun untuk sampai.

Tetapi orang-orang terus menerus mempertanyakan apakah mungkin ada beberapa cara untuk mengatasi batas kecepatan alam semesta. Pada tahun 2011, eksperimen OPERA memiliki beberapa hasil awal yang menunjukkan bahwa neutrino bergerak lebih cepat daripada kecepatan cahaya. Tetapi para peneliti kemudian melihat beberapa kesalahan tambahan dalam pengaturan eksperimental mereka yang mengonfirmasi bahwa hasilnya tidak benar.

Jika ada cara mengkomunikasikan materi atau informasi yang lebih cepat dari kecepatan cahaya, hal itu niscaya akan mengubah dunia. Perjalanan yang lebih cepat dari cahaya melanggar sesuatu yang disebut kausalitas — hubungan antara sebab dan akibat peristiwa.

Karena cara waktu dan ruang saling terkait dalam relativitas khusus, informasi yang bergerak lebih cepat daripada kecepatan cahaya akan memungkinkan seseorang menerima informasi tentang suatu peristiwa sebelum "terjadi" (menurut mereka) —sebuah jenis perjalanan waktu.

Komunikasi yang lebih cepat dari cahaya akan menciptakan segala macam hal yang tidak kita ketahui cara mengatasinya. Jadi sepertinya itu tidak ada. Tetapi jika Anda berhasil mengembangkannya, beri tahu kami kemarin.

4. Bisakah Kita Menemukan Cara Untuk Menjelaskan Turbulensi?

Kembali ke bawah, masih banyak hal yang terjadi dalam kehidupan kita sehari-hari yang sulit untuk dipahami. Cobalah bermain dengan faucet di rumah Anda.

Jika Anda membiarkan air mengalir dengan lembut, Anda sedang melihat fisika terpecahkan — jenis aliran yang kami pahami dengan baik, yang disebut "aliran laminar." Tetapi jika Anda menaikkan air ke tekanan maksimum dan melihatnya mengucur dan menyembur, Anda sedang melihat contoh turbulensi. Dalam banyak hal, turbulensi masih menjadi masalah yang belum terpecahkan dalam fisika.

Persamaan Navier-Stokes menentukan bagaimana fluida seperti air dan udara harus mengalir. Persamaan ini sedikit mirip dengan keseimbangan gaya. Kita membayangkan bahwa fluida dipecah menjadi bagian-bagian kecil dari massa. Kemudian persamaan tersebut memperhitungkan semua gaya yang bekerja pada bidang ini — gravitasi, gesekan, tekanan — dan mencoba untuk menentukan bagaimana kecepatan paket seharusnya merespons.

Untuk aliran sederhana atau stabil, kita dapat menemukan solusi untuk persamaan Navier-Stokes yang mendeskripsikan aliran secara lengkap. Fisikawan kemudian dapat menuliskan persamaan yang memberi tahu Anda kecepatan (kecepatan dan arah) fluida di titik mana pun dalam aliran.

Namun untuk aliran yang rumit dan bergejolak, solusi ini mulai rusak. Kita masih bisa melakukan banyak sains dengan aliran turbulen dengan menyelesaikan persamaan secara numerik dengan komputer besar. Ini memberi kita jawaban perkiraan tanpa rumus yang sepenuhnya menjelaskan bagaimana fluida berperilaku.

Kami memperkirakan seperti ini. Tetapi sampai kita menemukan solusi yang sulit dipahami itu, pengetahuan kita tidak akan lengkap. Ngomong-ngomong, ini adalah salah satu masalah hadiah Clay Institute yang belum terpecahkan. Jadi jika Anda mengelolanya, ada satu juta dolar di dalamnya untuk Anda.

3. Bisakah Kita Membangun Superkonduktor Suhu Kamar?

bisa menjadi beberapa perangkat dan teknologi terpenting yang pernah ditemukan manusia. Mereka adalah jenis material khusus. Ketika suhu turun cukup rendah, hambatan listrik material turun menjadi nol.

Ini berarti Anda dapat memperoleh arus yang sangat besar untuk aplikasi tegangan kecil di superkonduktor. Jika Anda menyetel arus listrik yang mengalir dalam kabel superkonduktor, ia dapat terus mengalir selama miliaran tahun tanpa menghilang karena tidak ada hambatan terhadap alirannya.

Sebagian besar daya hilang pada kabel daya kami saat ini. Mereka bukan superkonduktor dan memiliki hambatan listrik, yang menyebabkannya memanas saat Anda melewatkan arus yang melewatinya. Superkonduktor dapat mengurangi kerugian ini menjadi nol.

Tetapi kemungkinan superkonduktor bahkan lebih menarik dari ini. Daya yang dihasilkan oleh sebuah kawat memiliki kekuatan yang bergantung pada arus yang mengalir melalui kabel tersebut. Jika Anda bisa mendapatkan arus yang sangat tinggi dalam superkonduktor dengan murah, Anda bisa mendapatkan medan magnet yang sangat kuat.

Bidang ini saat ini digunakan di Large Hadron Collider untuk mengalihkan partikel bermuatan yang bergerak cepat di sekitar cincinnya. Mereka juga digunakan dalam reaktor fusi nuklir eksperimental, yang dapat menyediakan listrik kita di masa depan.

Masalahnya adalah bahwa semua superkonduktor yang diketahui harus berada pada suhu yang sangat rendah ini untuk bekerja. Bahkan superkonduktor suhu terpanas kami harus berada pada -140 derajat Celcius (-220 ° F) sebelum mereka mulai memamerkan properti yang luar biasa ini.

Mendinginkannya hingga suhu rendah ini biasanya membutuhkan nitrogen cair atau yang serupa. Oleh karena itu, sangat mahal untuk dilakukan. Banyak fisikawan dan ilmuwan material di seluruh dunia sedang mengembangkan cawan suci — superkonduktor yang dapat bekerja pada suhu kamar. Tapi belum ada yang berhasil.

2. Mengapa Ada Lebih Banyak Materi Daripada Antimateri?

Dalam beberapa hal, kita masih tidak tahu mengapa ada sesuatu. Pernyataan yang berani tapi benar! Untuk setiap partikel, ada partikel yang sama dan berlawanan yang disebut antipartikel. Jadi untuk elektron, ada. Untuk proton, ada antiproton. Dan seterusnya.

Jika sebuah partikel menyentuh antipartikelnya, mereka musnah dan berubah menjadi. Karena Anda mungkin tidak ingin dimusnahkan, untungnya antimateri sangat langka. Terkadang, jatuh dalam sinar kosmik. Kita juga dapat membuat antimateri dalam akselerator partikel dengan harga triliunan dolar per gram. Namun secara keseluruhan, hal itu tampaknya sangat langka di alam semesta kita.

Ini adalah misteri yang nyata. Kita tidak tahu mengapa materi mendominasi alam semesta kita dan bukan antimateri. Setiap proses yang diketahui yang mengubah energi (radiasi) menjadi materi menghasilkan materi dan antimateri dalam jumlah yang sama. Jadi jika alam semesta mulai didominasi oleh energi, mengapa kemudian tidak menghasilkan materi dan antimateri dalam jumlah yang sama?

Kita bisa membayangkan alam semesta di mana energi berubah menjadi pasangan materi-antimateri. Kemudian mereka akan memusnahkan satu sama lain dan kembali menjadi energi selamanya. Tetapi tidak akan ada struktur, tidak ada bintang, dan tidak ada kehidupan.

Ada beberapa teori yang mungkin bisa menjelaskan hal ini. Ilmuwan yang menyelidiki interaksi partikel di Large Hadron Collider sedang mencari contoh "pelanggaran CP".

Jika terjadi, interaksi ini dapat menunjukkan bahwa hukum fisika berbeda untuk partikel materi dan antimateri. Kemudian kita dapat membayangkan bahwa mungkin ada proses di luar sana yang sedikit lebih mungkin menghasilkan materi daripada antimateri dan inilah mengapa kita melihat alam semesta asimetris didominasi oleh materi.

Teori Wilder menunjukkan bahwa mungkin ada seluruh wilayah alam semesta yang didominasi oleh antimateri. Menariknya, mungkin lebih sulit untuk membantahnya daripada yang Anda pikirkan.

Antimateri dan materi berinteraksi dengan radiasi dengan cara yang sama, sehingga keduanya terlihat persis sama. Teleskop kita tidak dapat membedakan antara galaksi antimateri dan galaksi materi.

Tetapi teori-teori ini harus menjelaskan bagaimana materi dan antimateri menjadi terpisah dan mengapa kita tidak melihat bukti banyak radiasi yang dihasilkan ketika materi dan antimateri bertabrakan dan memusnahkan.

Kecuali jika kita menemukan bukti galaksi antimateri, pelanggaran CP di alam semesta awal tampaknya merupakan solusi terbaik. Tapi kami masih belum tahu persis bagaimana cara kerjanya.

1. Bisakah Kita Memiliki Teori Terpadu?

Pada abad ke-20, dua teori besar dikembangkan yang menjelaskan banyak hal tentang fisika. Salah satunya adalah mekanika kuantum, yang merinci seberapa kecil partikel subatomik berperilaku dan berinteraksi. Mekanika kuantum dan model standar fisika partikel telah menjelaskan tiga dari empat gaya fisik di alam: dan gaya nuklir kuat dan lemah. Prediksinya sangat akurat, meskipun orang masih memperdebatkan implikasi filosofis dari teori tersebut.

Teori hebat lainnya adalah relativitas umum Einstein, yang menjelaskan gravitasi. Dalam relativitas umum, gravitasi terjadi karena adanya massa yang membelokkan ruang dan waktu, menyebabkan partikel mengikuti jalur yang melengkung karena ruang-waktu menjadi bengkok. Ia dapat menjelaskan hal-hal yang terjadi pada skala termegah — pembentukan galaksi dan tarian bintang-bintang.

Hanya ada satu masalah. Kedua teori itu tidak sesuai. Kami tidak dapat menjelaskan gravitasi dengan cara yang masuk akal dengan mekanika kuantum, dan relativitas umum tidak menyertakan efek mekanika kuantum. Sejauh yang kami tahu, kedua teori itu benar. Tapi mereka sepertinya tidak bekerja sama.

Sejak ini disadari, fisikawan telah mengerjakan semacam solusi yang dapat mempertemukan kedua teori tersebut. Ini disebut Grand Unified Theory (GUT) atau hanya Theory of Everything.

Ilmuwan terbiasa dengan gagasan teori yang hanya bekerja dalam batas-batas tertentu. Misalnya, hukum gerak Newton adalah apa yang Anda dapatkan saat Anda menghitung batas kecepatan rendah. Juga, listrik dan magnet digunakan untuk dianggap sebagai teori yang sangat berbeda sampai Maxwell menyatukannya menjadi elektromagnetisme.

Fisikawan berharap bisa "memperkecil" dan melihat bahwa mekanika kuantum dan relativitas umum adalah bagian dari teori yang lebih besar, seperti tambalan dalam selimut. Teori string adalah upaya yang dapat mereproduksi fitur relativitas umum dan mekanika kuantum. Tetapi sulit untuk menguji prediksinya dengan eksperimen, sehingga tidak dapat dikonfirmasi.

Pencarian teori fundamental — yang bisa menjelaskan segalanya — terus berlanjut. Mungkin kita tidak akan pernah menemukannya. Tetapi jika fisika telah mengajari kita sesuatu, alam semesta itu benar-benar luar biasa dan selalu ada hal-hal baru untuk ditemukan. [lv]

Jangan lupa Follow untuk mengikuti update terbaru dari REO News yang berisi info unik dan update, contohnya seperti 10 Misteri yang Belum Terpecahkan Dalam Fisika.