Pada tahun 1925, Einstein berjalan-jalan dengan seorang siswa muda bernama Esther Salaman. Ketika mereka berkeliaran, dia berbagi intinya membimbing prinsip intelektual: "Saya ingin tahu bagaimana Tuhan menciptakan dunia ini. Saya tidak tertarik pada fenomena ini atau itu, dalam spektrum elemen ini atau itu. Saya ingin tahu pemikiran-Nya; sisanya hanya detail. "
Ungkapan "Pemikiran Tuhan" adalah metafora yang sangat cocok untuk tujuan akhir fisika modern, yaitu untuk mengembangkan pemahaman yang sempurna tentang hukum-hukum alam - yang oleh fisikawan disebut sebagai "teori segalanya," atau TOE. Idealnya, sebuah TOE akan menjawab semua pertanyaan, tanpa meninggalkan apa pun yang belum terjawab. Mengapa langit Berwarna biru? Tertutupi. Mengapa gravitasi ada? Itu juga tertutup. Dinyatakan dengan cara yang lebih ilmiah, sebuah TOE idealnya akan menjelaskan semua fenomena dengan satu teori, satu blok bangunan dan satu kekuatan tunggal. Menurut pendapat saya, menemukan TOE bisa memakan waktu ratusan, atau bahkan ribuan tahun. Untuk memahami alasannya, mari kita mulai.
Kita tahu dua teori bahwa, ketika disatukan, memberikan deskripsi yang baik tentang dunia di sekitar kita, tetapi keduanya adalah tahun cahaya dari menjadi TOE.
Teori kedua disebut Model Standar, yang menggambarkan dunia subatomik. Dalam domain inilah para ilmuwan telah membuat kemajuan paling jelas menuju teori segalanya.
Jika kita melihat dunia di sekitar kita - dunia bintang dan galaksi, pudel dan pizza, kita dapat bertanya mengapa benda-benda memiliki sifat yang mereka miliki. Kita tahu semua terbuat dari atom, dan atom-atom itu terdiri dari proton, neutron, dan elektron.
Dan, pada 1960-an, para peneliti menemukan bahwa proton dan neutron dibuat dari partikel yang lebih kecil yang disebut quark dan elektron adalah anggota kelas partikel yang disebut lepton.
Menemukan blok bangunan terkecil hanyalah langkah pertama dalam menyusun teori segalanya. Langkah selanjutnya adalah memahami kekuatan yang mengatur bagaimana blok bangunan berinteraksi. Para ilmuwan mengetahui empat kekuatan fundamental, tiga di antaranya - elektromagnetisme, dan kekuatan nuklir yang kuat dan lemah - dipahami pada tingkat subatomik. Elektromagnetisme menyatukan atom dan bertanggung jawab untuk kimia. Gaya kuat menyatukan inti atom dan menjaga quark di dalam proton dan neutron. Gaya lemah bertanggung jawab atas beberapa jenis peluruhan nuklir.
Setiap gaya subatomik yang diketahui memiliki partikel atau partikel terkait yang membawa gaya itu: Gluon membawa gaya kuat, foton mengatur elektromagnetisme, dan bos W dan Z mengendalikan gaya lemah. Ada juga medan energi hantu, yang disebut medan Higgs, yang menembus alam semesta dan memberi massa pada quark, lepton, dan beberapa partikel pembawa kekuatan. Secara bersama-sama, balok-balok dan kekuatan-kekuatan ini membentuk Model Standar.
Dengan menggunakan quark dan lepton dan partikel pembawa kekuatan yang diketahui, seseorang dapat membangun atom, molekul, manusia, planet dan, tentu saja, semua materi alam semesta yang diketahui. Tidak diragukan lagi ini adalah pencapaian yang luar biasa dan perkiraan yang baik dari teori segalanya.
Namun sebenarnya tidak. Tujuannya adalah untuk menemukan blok bangunan tunggal dan kekuatan tunggal yang dapat menjelaskan materi dan gerakan alam semesta. Model Standar memiliki 12 partikel (enam quark dan enam lepton) dan empat gaya (elektromagnetisme, gravitasi, dan gaya nuklir kuat dan lemah). Lebih jauh lagi, tidak ada teori gravitasi quantum yang diketahui (artinya definisi kita saat ini hanya mencakup gravitasi yang melibatkan hal-hal yang lebih besar daripada, misalnya, debu biasa), jadi gravitasi sama sekali bukan bagian dari Model Standar. Jadi, fisikawan terus mencari teori yang lebih mendasar dan mendasar. Untuk melakukan itu mereka perlu mengurangi jumlah blok bangunan dan kekuatan.
Menemukan blok bangunan yang lebih kecil akan sulit, karena itu membutuhkan akselerator partikel yang lebih kuat daripada yang pernah dibuat manusia. Cakrawala waktu untuk fasilitas akselerator baru mulai beroperasi adalah beberapa dekade dan fasilitas itu hanya akan memberikan peningkatan inkremental yang relatif sederhana atas kemampuan yang ada. Jadi, para ilmuwan harus berspekulasi tentang seperti apa bentuk blok bangunan yang lebih kecil. Sebuah ide populer disebut teori superstring, yang mendalilkan bahwa blok bangunan terkecil bukanlah partikel, melainkan "string" yang kecil dan bergetar. Dengan cara yang sama senar cello dapat memainkan lebih dari satu nada, pola getaran yang berbeda adalah quark dan lepton yang berbeda. Dengan cara ini, satu tipe string dapat menjadi blok bangunan pamungkas.
Masalahnya adalah bahwa tidak ada bukti empiris bahwa superstring benar-benar ada. Lebih jauh, energi yang diharapkan untuk melihatnya adalah energi Planck, yang merupakan kuadriliun (10 dinaikkan menjadi kekuatan ke-15) kali lebih tinggi daripada yang dapat kita hasilkan saat ini. Energi Planck yang sangat besar terkait erat dengan apa yang dikenal sebagai panjang Planck, panjang yang sangat kecil di mana efek kuantum menjadi begitu besar sehingga benar-benar mustahil untuk mengukur sesuatu yang lebih kecil. Sementara itu, lebih kecil dari panjang Planck (atau lebih besar dari energi Planck), dan efek kuantum gravitasi antara foton, atau partikel cahaya, menjadi penting dan relativitas tidak lagi berfungsi. Itu membuat ini kemungkinan adalah skala di mana gravitasi kuantum akan dipahami. Ini tentu saja sangat spekulatif, tetapi ini mencerminkan prediksi terbaik kami saat ini. Dan, jika benar, superstring harus tetap spekulatif untuk masa mendatang.
Banyaknya kekuatan juga merupakan masalah. Para ilmuwan berharap untuk "menyatukan" kekuatan, menunjukkan bahwa mereka hanyalah manifestasi berbeda dari satu kekuatan tunggal. (Sir Isaac Newton melakukan hal itu ketika ia menunjukkan kekuatan yang membuat benda-benda jatuh di Bumi dan gaya yang mengatur gerak langit adalah satu dan sama; James Clerk Maxwell menunjukkan bahwa listrik dan magnetisme adalah perilaku yang benar-benar berbeda dari gaya kekuatan terpadu. disebut elektromagnetisme.)
Pada 1960-an, para ilmuwan mampu menunjukkan bahwa gaya nuklir lemah dan elektromagnetisme sebenarnya adalah dua sisi berbeda dari gaya gabungan yang disebut gaya elektro-bicara. Sekarang, para peneliti berharap bahwa gaya electroweak dan kekuatan yang kuat dapat disatukan menjadi apa yang disebut gaya unified grand. Kemudian, mereka berharap bahwa kekuatan besar yang agung dapat disatukan dengan gravitasi untuk membuat teori tentang segalanya.
Namun, fisikawan menduga penyatuan akhir ini juga akan terjadi pada energi Planck, sekali lagi karena ini adalah energi dan ukuran di mana efek kuantum tidak lagi dapat diabaikan dalam teori relativitas. Dan, seperti yang telah kita lihat, ini adalah energi yang jauh lebih tinggi daripada yang bisa kita harapkan untuk dicapai di dalam akselerator partikel dalam waktu dekat. Untuk memberikan rasa jurang antara teori saat ini dan teori segalanya, jika kita mewakili energi partikel kita bisa mendeteksi sebagai lebar membran sel, energi Planck adalah ukuran Bumi. Meskipun dapat dibayangkan bahwa seseorang dengan pemahaman menyeluruh tentang membran sel dapat memprediksi struktur lain di dalam sel - hal-hal seperti DNA dan mitokondria - tidak dapat dibayangkan bahwa mereka dapat secara akurat memprediksi Bumi. Seberapa besar kemungkinan mereka dapat memprediksi gunung berapi, lautan, atau medan magnet Bumi?
Fakta sederhananya adalah bahwa dengan kesenjangan yang begitu besar antara energi yang saat ini dapat dicapai dalam akselerator partikel dan energi Planck, dengan tepat merancang teori tentang segala sesuatu tampaknya mustahil.
Itu tidak berarti fisikawan semua harus pensiun dan mengambil lukisan pemandangan - masih ada pekerjaan yang harus dilakukan. Kita masih perlu memahami fenomena yang tidak dapat dijelaskan seperti materi gelap dan energi gelap, yang membentuk 95% dari alam semesta yang diketahui, dan menggunakan pemahaman itu untuk menciptakan teori fisika yang lebih baru dan lebih komprehensif. Teori yang lebih baru ini tidak akan menjadi TOE, tetapi akan secara bertahap lebih baik daripada kerangka teori saat ini. Kami harus mengulangi proses itu berulang kali.
Kecewa? Lagipula aku juga. Aku telah mengabdikan hidupku untuk mencoba mengungkap beberapa rahasia kosmos, tetapi mungkin ada beberapa perspektif dalam rangka. Penyatuan kekuatan pertama dilakukan pada 1670-an dengan teori gravitasi universal Newton. Yang kedua adalah pada tahun 1870-an dengan teori elektromagnetisme Maxwell. Unifikasi elektroweak relatif baru, hanya setengah abad yang lalu.
Mengingat 350 tahun telah berlalu sejak langkah besar pertama kami yang sukses dalam perjalanan ini, mungkin tidak terlalu mengejutkan bahwa jalan di depan kita masih lebih lama. Gagasan bahwa seorang jenius akan memiliki wawasan yang menghasilkan teori yang berkembang sepenuhnya tentang segala sesuatu dalam beberapa tahun mendatang adalah mitos. Kita berada di jalur panjang - dan bahkan cucu ilmuwan masa kini tidak akan melihat akhirnya.
Tapi perjalanannya seperti apa.
Don Lincoln adalah peneliti fisika di Fermilab. Dia adalah penulis "The Large Hadron Collider: Kisah Luar Biasa dari Higgs Boson dan Hal-Hal Lain yang Akan Memukau Anda"(Johns Hopkins University Press, 2014), dan ia menghasilkan serangkaian pendidikan sains video. Ikuti dia di Facebook. Pendapat yang diungkapkan dalam komentar ini adalah miliknya.
Don Lincoln menyumbang artikel ini ke Live Science Suara Ahli: Op-Ed & Insights. Awalnya diterbitkan tentang Sains Langsung.
