Ruang dan Perburuan Dimensi Tersembunyi

Oleh: JoAnne Hewett

Dari apa dunia terbuat? Apa yang menjaga kesatuan dunia? Dari mana kita berasal?

Pertanyaan teratas dalam fisika partikel:

  1. Adakah prinsip alam yang belum ditemukan: kesimetrian baru, hukum fisika baru?
  2. Bagaimana kita dapat memecahkan misteri dark energy?
  3. Adakah dimensi ruang tambahan?
  4. Apakah semua gaya menjadi satu?
  5. Kenapa ada begitu banyak jenis partikel?
  6. Apa itu dark matter? Bagaimana kita bisa membuatnya di laboratorium?
  7. Apa yang neutrino beritahukan kepada kita?
  8. Bagaimana alam semesta mewujud?
  9. Apa yang terjadi pada antimateri?

Dimensi tambahan adalah sains sungguhan
Apa itu dimensi? Ambil contoh bepergian dengan mobil.

  • Ruang 1-dimensi – Republican City, Nebraska
    Gambar 1
  • Ruang 2-dimensi – Kekisi kota San Fransisco
    Gambar 2
  • Ruang 3-dimensi – Lombard Street
    Gambar 3

Apa itu dimensi? Gambaran yang lebih abstrak.

  • Ruang 1-dimensi
    Gambar 4
  • Ruang 2-dimensi
    Gambar 5
  • Ruang 3-dimensi
    Gambar 6

Koordinat Cartesian
Titik-titik di ruang 3-dimensi dilambangkan secara matematis oleh koordinat Cartesian x, y, z.

Gambar 7

Bentuk-bentuk geometris dapat dilukiskan dengan persamaan aljabar.

Gambar 8

Waktu adalah dimensi keempat
Waktu:

  1. Disyaratkan menjadi dimensi oleh relativitas
  2. Disyaratkan, bersama tiga dimensi ruang, untuk menentukan lokasi sebuah peristiwa.

Gambar 9

Ruangwaktu empat dimensi

  • Ruangwaktu adalah empat dimensi: x, y, z, dan t.
  • Konstanta universal “c” mempertalikan pengukuran ruang dengan pengukuran waktu.
  • C = 670.615.200 mil per jam.

Gambar 10

Sains mempengaruhi seni

Gambar 11

Dimensi kelima?

  • Fisikawan Finlandia, Nordstrom, menunjukkan di tahun 1914 bahwa gravitasi dan elektromagnetisme dapat disatukan dalam teori tunggal berdimensi lima.Gambar 12
  • Namun teori ini memasukkan teori gravitasi Nordstrom—saingan teori gravitasi Einstein waktu itu—dan sebagian besar diabaikan.Gambar 13
  • Matematikawan Polandia, Kaluza, menunjukkan di tahun 1919 bahwa gravitasi dan elektromagnetisme dapat disatukan dalam teori tunggal berdimensi lima—menggunakan teori gravitasi Einstein.Gambar 14

    “Gagasan meraih teori terpadu dengan memakai dunia lima-dimensi tak pernah terlintas dalam benak saya… Sekejap saya sangat suka ide Anda.” (Surat Einstein kepada Kaluza)

  • Nordstrom, Kaluza, dan Einstein beranggapan dimensi kelima tidak riil. Toh kita tidak melihatnya. Jadi itu pasti trik matematika.
  • Patut diingat, pada 1905 sebagian fisikawan skeptis tidak percaya akan [eksistensi] atom sebab kita tidak bisa melihatnya…
  • Fisikawan Swedia, Klein, mengemukakan di tahun 1926 bahwa dimensi kelima adalah riil, tapi terlalu kecil untuk dilihat.Gambar 15
  • Dia menghitung ukurannya sebesar:
    0,000000000000000000000000000001 centimeter, untuk menyatukan gravitasi dengan elektromagnetisme.

    “Makalah Klein sangat indah dan mengesankan.” (Einstein)

Unifikasi Gaya
Pada 1860-an, Maxwell menyatukan gaya listrik dan magnet ke dalam gaya tunggal: elektromagnetisme. Hari ini kita bercita-cita menyatukan semua gaya yang dikenal.

Gambar 16

Kekuatan suatu gaya berubah seiring [perubahan] energi. Kita percaya gaya-gaya akan bersatu pada [besaran] energi tinggi.

Gambar 17

Gambar 18

Gambar 19

Teori gravitasi: Teori String

  • Semua partikal unsur di alam merupakan vibrasi simpal string mikroskopis.
    Gambar 20
  • Teori string merukunkan mekanika quantum dengan gravitasi dan dapat mereproduksi semua partikel unsur yang dikenal jika: terdapat dimensi ruang tambahan.
  • Teori string memprediksi dimensi ruang tambahan.
  • Teori string memprediksi ada 6 atau 7 dimensi ruang tambahan!

Ide radikal: dimensi tambahan besar

  • Mengapa kekuatan gravitasi
    100.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000
    kali lebih lemah daripada gaya-gaya lain?
  • Barangkali gravitasi sangat kuat, tapi hanya tampak lemah. Ia bergerak ke seluruh ruangwaktu dimensi tinggi, dan menyebar, tak menghabiskan banyak waktu di alam semesta 3 dimensi ruang + 1 dimensi waktu yang kita huni.
  • Berdasarkan hipotesis ini, dimensi-dimensi tambahan boleh jadi sebesar 0,0001 cm!
  • Boleh jadi mereka bertanggungjawab atas kerusakan gaya elektrolemah.

Apa manfaat dimensi tambahan

  • Dapat menyatukan gaya-gaya
  • Dapat menjelaskan kenapa gravitasi lemah
  • Dapat merusak gaya elektrolemah
  • Dapat menjelaskan Dark Matter (materi misterius yang menyusun 25% alam semesta)
  • Dapat menjelaskan Dark Energy (entitas misterius yang menyusun 70% alam semesta)
  • Dapat menjelaskan massa fermion dan neutrino

Dimensi tambahan dapat menjawab banyak pertanyaan!

Dimensi tambahan sulit divisualisasikan
Gambaran 1: bayangan objek dimensi tinggi

Bayangan 2-dimensi kubus berotasi
Bayangan 2-dimensi kubus berotasi
Bayangan 3-dimensi hiperkubus berotasi
Bayangan 3-dimensi hiperkubus berotasi

Gambaran 2: dimensi tambahan terlalu kecil untuk dilihat—mereka “tergulung” dan kompak.

Penapak tali hanya melihat satu dimensi: mundur dan maju. Semut melihat dua dimensi: mundur, maju, dan keliling lingkaran.
Penapak tali hanya melihat satu dimensi: mundur dan maju. Semut melihat dua dimensi: mundur, maju, dan keliling lingkaran.

Setiap titik di ruangwaktu memiliki dimensi tambahan tergulung.

Satu dimensi tambahan adalah lingkaran
Satu dimensi tambahan adalah lingkaran
Dua dimensi tambahan dapat dilambangkan dengan bola
Dua dimensi tambahan dapat dilambangkan dengan bola
Enam dimensi tambahan dapat dilambangkan dengan ruang Calabi-Yau
Enam dimensi tambahan dapat dilambangkan dengan ruang Calabi-Yau

Gambaran 3: skenario dunia-bran

Gambar 27

  • Kita terperangkap pada [permukaan] membran ruang 3-dimensi dan tak dapat bergerak di dimensi tambahan.
  • Gravitasi menyebar dan bergerak di ruang tambahan.
  • Dimensi tambahan bisa sangat kecil atau sangat besar.

Partikel di dimensi tambahan

  • Rumus terkenal ini tidak lengkapGambar 28
  • Untuk partikel yang bergerak dengan momentum p di 3 dimensi ruang:Gambar 29

Partikel Kaluza-Klein

  • Bayangkan sebuah partikel bergerak di satu dimensi tambahan berukuran RGambar 30
  • Ia mendapat momentum dari gerakan ini
  • Mekanika quantum menyebut momentum ini berjalan bertahap: ia harus kelipatan 1/R
  • ptambahan = n/R n = 0, 1, 2,…
  • “Partikel dalam Kotak”

Menara partikel Kaluza-Klein
Gambar 31 a

Gambar 31 b

  • Radius kecil menghasilkan partikel-partikel Kaluza-Klein yang terpisah jauh
  • Radius besar menghasilkan partikel-partikel Kaluza-Klein yang terpisah tipis

Tafsiran seniman terhadap partikel Kaluza-Klein

Gambar 32
Kemungkinan eksistensi dimensi tambahan memikat imajinasi semua orang!

 

  • Observasi menara partikel Kaluza-Klein merupakan bukti eksperimental adanya dimensi tambahan
  • Pengukuran atribut partikel Kaluza-Klein mengungkap atribut dimensi tambahan

Hal-hal yang ingin kita ketahui pasca observasi:

  • Ada berapa banyak dimensi tambahan?
  • Seberapa besar mereka?
  • Bagaimana bentuk mereka?
  • Partikel apa saja yang merasakan kehadiran mereka?
  • Apakah kita hidup di [permukaan] membran?
  • Dapatkah kita parkir di dimensi tambahan?
  • Saat mencuci pakaian, ke sanakah perginya semua kaos kaki?

Jejak dimensi tambahan
Pemburu binatang yang terampil dapat menentukan:

  • jenis binatang
  • ukuran binatang
  • kecepatan jalan binatang
  • apakah binatang terluka

tanpa melihat langsung binatang bersangkutan!

Gambar 33

Gambar 34

  • Informasi terkumpul meski binatangnya sudah punah!
  • Demikian halnya, informasi dimensi tambahan terkumpul meski kita tak mampu melihat mereka secara langsung

Pencarian dimensi tambahan
Tiga cara untuk melihat dimensi tambahan:

  • Modifikasi gravitasi pada jarak pendek
  • Efek partikel Kaluza-Klein terhadap proses astrofisikal/kosmologis
  • Observasi partikel Kaluza-Klein di akselerator energi tinggi

Modifikasi gravitasi Newtonian
Newton menemukan

Gambar 35

Sir Isaac Newton (1642-1727)
Sir Isaac Newton (1642-1727)
  • Hukum gaya kuadrat terbalik Newtonian dimodifikasi dengan dimensi tambahan
  • Contoh: dua dimensi tambahan berukuran R
  • Jarak r > RGambar 37Gambar 38
  • Jarak r < RGambar 39Gambar 40
  • Beberapa eksperimen (Colorado, Stanford, Washington) dengan alat kecil (setinggi 1 kaki)! Roda-roda torsi dengan massa kecil berlainan berpusing terhadap satu sama lain. Uji gravitasi pada jarak pendek.Gambar 41
  • Batas terbaik mutakhir untuk ukuran dimensi tambahan:
    R < 0,0160 centimeter
  • Dibandingkan dengan prediksi Klein, yakni
    0,000000000000000000000000000001 centimeter, batas ini tidak terlalu kecil!
  • Sekarang kita punya batas cukup jelek untuk ukuran dimensi tambahan dari teknik ini
  • Dimensi tambahan boleh jadi berukuran besar!

Mencari dimensi tambahan pada bintang

  • Bintang meledak saat bahan bakarnya habis terbakar. Ini dinamakan supernova.Gambar 42
  • Peristiwa ini mengeluarkan partikel dan melepas energi
  • Partikel Kaluza-Klein akan terpancar ke dimensi-dimensi tambahan

Ini tidak selaras dengan model standar ledakan supernova yang menetapkan batas R < 0,00000005 centimeter untuk dua dimensi tambahan. Kita harus ingat, model standar ledakan supernova memiliki banyak asumsi.

Pembentur energi tinggi: mikroskop hebat
Mesin ini menghasilkan sorot partikel energi tinggi yang memungkinkan kita melihat objek kecil.

E ∼ 1/x

Gambar 43

Pembentur energi tinggi: mesin waktu
Mesin ini menghasilkan partikel-partikel yang terakhir kali terlihat di momen-momen awal alam semesta

Gambar 44

Large Hadron Collider
Pembentur antar proton energi tinggi:

  • Akan memeriksa rentang-rentang energi dengan faktor 7-10 di atas akselerator mutakhir
  • Memulai operasi di Jenewa, Swiss, pada 2009

    Kita semua sangat bergairah!
    Kita semua sangat bergairah!
  • Dua detektor besar LHC akan menyelidiki interaksi energi tinggi
  • SLAC merupakan bagian dari kolaborasi tersebut
  • ATLAS: 1500 kolaborator, detektor berbobot 7000 ton, diklaim dapat mengapungGambar 46

Gambar 47

International Linear Collider adalah proposal pembentur baru: akselerator SLAC versi panjang. Ia menubrukkan elektron dan positron. Panjangnya 30 kilometer (20 mil). Energinya sama dengan LHC. Dan akan dibangun di AS

Mencari dimensi tambahan di mesin pembentur
Skenario dunia-bran I: dimensi tambahan adalah flat
Partikel Kaluza-Klein adalah graviton. Kita berusaha menghasilkannya di lab. Diduga mereka kabur ke dimensi lain, sehingga kita tidak melihatnya! Ini eksperimen yang licin!

Gambar 48

Kita mencari partikel yang tidak bisa dilihat. Kita tahu total energi tubrukan. Kita mengukur energi partikel-partikel yang terlihat untuk mencaritahu apakah mereka sebanding/setara! Jika tidak, berarti ada energi yang hilang. Dan kita sedang mencari energi tersebut.

Simulasi produksi graviton dengan energi yang hilang
Simulasi produksi graviton dengan energi yang hilang

Skenario dunia-bran II: dimensi tambahan adalah melengkung
Graviton meluruh menjadi partikel biasa yang kita lihat.

Gambar 50

Pencarian di LHC ini akan menetapkan batas:

  • R < 0,0005 centimeter untuk 2 dimensi tambahan (garis merah)
  • R < 0,0000000000001 centimeter untuk 6 dimensi tambahan (garis hitam)
  • Masih jauh lebih besar daripada prediksi Klein
    0,000000000000000000000000000001 centimeter (garis biru)

Contoh: produksi partikel graviton Kaluza-Klein di dimensi tambahan flat

Gambar 51

Gambar 52

Dimensi tambahan akan mengubah cara kita memandang alam semesta. Kita perlu mencari mereka dan mengungkap apakah mereka eksis atau tidak!

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s