Pada akhir abad ke-17, Newton mengusulkan gravitasi universal, menggambarkan gravitasi sebagai medan yang membentang tak terhingga, dan menjelaskan gerak benda-benda masif, seperti bumi. Teori Newton sangat efektif, tetapi dia tidak menjelaskan sifat medan gravitasi.
Einstein baru mengajukan teori relativitas umum pada tahun 1915. Dia percaya bahwa yang kita sebut gravitasi sebenarnya adalah distorsi ruang dan waktu. Bumi tampaknya mengorbit matahari di sepanjang orbit elips, tetapi kenyataannya ia bergerak di sepanjang garis lurus dalam kurva ruang-waktu.
Benda besar membelokkan ruang dan waktu. (Sumber gambar: T.Pyle / Caltech / MIT / LIGO Lab)
Teori gravitasi Einstein sangat berhasil menjelaskan perilaku benda masif. Tetapi beberapa tahun kemudian, fisikawan membuka dunia baru yang aneh: dunia kuantum. Hal ini membuat para ilmuwan menemukan bahwa tiga gaya dasar lain yang mengatur alam semesta sebenarnya dihasilkan oleh pertukaran partikel pembawa gaya (disebut boson): foton menyampaikan gaya elektromagnetik, gaya nuklir kuat ditransmisikan oleh gluon, dan inti lemah. Partikel pembawa gaya adalah boson W dan Z. Ini telah dibuktikan secara ketat oleh eksperimen.
Kemudian, fisikawan secara alami harus bertanya, apakah gravitasi juga dihasilkan oleh semacam pertukaran partikel? Untuk menghubungkan gravitasi dan teori kuantum, fisikawan mengajukan jenis baru gravitasi partikel imajiner. Meskipun kita belum pernah mengamati graviton, kita sudah cukup mengetahui apakah itu nyata.
Apakah ada graviton? (Sumber gambar: Christoph Zurbuchen)
Pertama-tama, karena rentang gravitasi tidak terbatas, dan gravitasi meluruh dengan hukum kuadrat terbalik (yaitu F 1 / r²), gravitasi harus bermassa nol. Kita tahu bahwa jika foton memiliki massa, itu akan mengubah "2" pada indeks, dan "2" diverifikasi secara ketat oleh eksperimen [Dokumen 1]. Sama seperti foton, graviton bergerak dengan kecepatan cahaya.
Hukum kuadrat terbalik dari gravitasi. (Sumber gambar: Hyperphysics)
Dalam relativitas umum, distribusi massa dan energi di alam semesta dijelaskan oleh matriks 4 × 4, yang oleh para ahli matematika disebut tensor orde dua. Ini penting, karena jika tensor adalah sumber gravitasi, kita akan menemukan bahwa graviton pasti sebuah partikel dengan spin kuantum 2 (Weinberg memberikan bukti dalam [Dokumen 2]). Jika Anda mengamati partikel tak bermassa dengan spin 2, Anda telah menemukan graviton.
Lalu kenapa belum ada yang menemukan graviton? Masalah utamanya adalah gravitasi terlalu lemah.
Misalnya, dalam atom hidrogen, gaya elektromagnetik antara elektron dan proton 10 ^ 39 kali lebih kuat daripada gaya gravitasi di antara keduanya (seperti dalam persamaan di atas). Contoh yang lebih intuitif adalah perilaku magnet dan penjepit kertas: magnet dapat menahan gaya gravitasi seluruh bumi dan menarik penjepit kertas. Jika Anda memikirkannya, Anda akan tahu apa artinya ini. Sebuah magnet yang dapat Anda pegang dengan mudah di tangan Anda akan menarik penjepit kertas ke atas, dan gravitasi seluruh planet akan menariknya ke bawah, dan magnet akan tetap menang. Dengan kata lain, satu graviton sangat, sangat lemah, yang membuat beberapa ilmuwan berpikir bahwa hampir tidak mungkin untuk secara langsung mendeteksi graviton semacam itu [Referensi 3].
Tapi kami punya beberapa ide baru tentang gravitasi. Graviton mungkin dapat dideteksi, yang mengharuskan kita memiliki cara baru dalam memahami alam semesta.
Beberapa ilmuwan percaya bahwa gravitasi hanya terlihat lemah di dunia tiga dimensi yang kita tinggali. Tidak seperti gaya dasar lainnya, gravitasi sebenarnya dapat menyebar ke dimensi tambahan. Tetapi dimensi ekstra ini tergulung sangat kecil sehingga kami tidak dapat mendeteksinya. Sekarang, kita bayangkan tali yang ketat. Bagi seorang pejalan tali, ia hanya bisa berjalan maju atau mundur sepanjang tali. Tali itu satu dimensi. Tapi bagi semut, mereka bisa merangkak di sepanjang lingkar tali, yang terlihat dua dimensi. Bagi manusia, itu adalah tali satu dimensi, tetapi bagi makhluk kecil, itu adalah dua dimensi.
Setiap titik dalam ruang dan waktu memiliki dimensi keriting tambahan. (Sumber gambar: Sastra 3)
Mekanika kuantum memberi tahu kita bahwa semua partikel juga merupakan gelombang getaran. Fisikawan percaya bahwa graviton dapat bergetar dalam dimensi tambahan ini, dan penekukan dimensi ini seperti gelang di sekitar pergelangan tangan yang ramping. Namun, sifat siklus dimensi ekstra juga memberlakukan batasan pada bagaimana graviton bergetar. Hanya panjang gelombang integer yang dapat menyebar secara seragam dalam dimensi ekstra.
Theodor Kaluza (kiri) dan Oskar Klein (kanan). (Sumber gambar: Sastra 3)
Ini juga membawa hasil yang menarik. Secara teoritis, ada lebih dari satu jenis graviton dalam dimensi ekstra, dan panjang gelombang bilangan bulat yang berbeda adalah graviton yang berbeda. Graviton yang lebih bergetar bisa bermassa, partikel semacam itu disebut graviton Kaluza-Klein. Theodor Kaluz dan Oskar Klein adalah ilmuwan pertama yang mengusulkan dimensi spasial tambahan (lihat teori KK, literatur [4] untuk detailnya). Dalam skala yang sangat kecil, graviton Kaluza-Klein dapat memiliki massa, tetapi dalam skala besar, mereka akan menjadi massa nol sebagaimana dianggap oleh teori klasik.
Bahkan, gagasan dimensi ekstra dalam teori KK diabaikan hingga munculnya teori string. Teori string saat ini adalah teori gravitasi kuantum yang paling menjanjikan, dan paling menjanjikan untuk menyatukan teori kuantum dan relativitas umum. Dalam teori string, alam semesta memiliki 10 dimensi spasial dan 1 dimensi waktu. Saat ini, banyak fisikawan yang mencari graviton, misalnya, salah satu tujuan dari Large Hadron Collision (LHC) adalah menemukan dimensi gulungan tambahan. Namun sejauh ini, mereka tidak menemukan apa pun.
Jadi jika Anda mendengar seseorang berkata bahwa "graviton adalah partikel yang menghasilkan gravitasi," ingatlah bahwa ini adalah pernyataan yang masuk akal, tetapi bukan gagasan yang diterima secara luas. Tujuan akhir para ilmuwan adalah mampu menyatukan mekanika kuantum dan relativitas umum, sehingga mereka terus mencari peran vital graviton, meski tampaknya butuh waktu lama untuk membuktikan keberadaan graviton secara meyakinkan.
referensi
[1]
2 Fis. Rev 138 (1965), B988-B1002
[3] https://arxiv.org/pdf/gr-qc/0601043v3.pdf
[4]
- Kesal! Pemain muda nasional Guangdong Hongyuan membuat kesalahan terus menerus dan mengganggu Du Feng, mengaum + melempar taktik untuk melampiaskan
- Chaoshan tiba-tiba menyembunyikan desa magis, sekaligus kuda ajaib, kuda ajaib yang penuh dengan awan.
- Uang muka 50.000, pembayaran bulanan 2.000, performa off-road lebih baik dari Q7, SUV terlihat bagus
- Liu Guoliang mengungkapkan bahwa pemain takut melewati uji coba. Pemain dan pelatih mengambil langkah pertama dalam seleksi dua arah