7 Persoalan Besar Belum Terjawab dalam Fizik

Oleh: Shahrul Kadri Ayop,
Jabatan Fizik
Universiti Pendidikan Sultan Idris (UPSI)

Jika Isaac Newton tiba-tiba keluar dari mesin masa, pasti beliau sangat teruja untuk melihat sejauh mana kemajuan terkini bidang Fizik. Perkara-perkara yang dianggap sangat misteri beberapa dekad lalu kini diajar dalam kuliah Fizik asas di peringkat universiti.

Newton pasti takjub melihat pelbagai uji kaji seperti Pelanggar Hadron Besar (Large Hadron Collider-LHC) di Switzerland dan mungkin sedikit tersentak apabila mengetahui teori gravitinya telah diatasi oleh teori lain melalui sarjana bernama Einstein. Mekanik kuantum mungkin aneh bagi beliau, juga sama seperti pandangan ahli sains hari ini.

Namun, apabila beliau sedia maklum akan rentak perkembangan terkini Fizik, Newton sudah pasti meraikan apa yang telah Fizik moden capai – sejak penemuan sifat cahaya pada Abad ke-19 sehinggalah penentuan struktur atom pada abad ke-20, seterusnya penemuan gelombang graviti pada tahun lalu. Namun begitu, Fizikawan hari ini adalah yang terawal mengakui bahawa mereka tidak mempunyai semua jawapan.

“Terdapat fakta asas tentang alam semesta yang kita abaikan,” kata Dr. Daniel Whiteson, Fizikawan dari Universiti California dan juga pengarang bersama buku baharu We Have no Idea: A Guide to Unknown Universe.

Berikut merupakan pengenalan sepintas lalu tujuh masalah terbesar dalam Fizik yang masih belum terjawab. (Jika anda tertanya-tanya mengapa perkara musykil seperti jirim gelap dan tenaga gelap tiada dalam senarai, kami akan senaraikan dalam artikel akan datang.

1. Jirim diperbuat daripada apa?

Kita sedia maklum bahawa jirim terdiri daripada atom, dan atom terdiri daripada proton, neutron dan elektron. Kita juga tahu bahawa proton dan neutron terdiri daripada zarah lebih kecil yang dikenali sebagai kuark. Apakah masih ada lagi zarah yang lebih asas dalam jirim? Kita tidak tahu, itu sudah pasti.

Kita sudah ada sesuatu yang dipanggil Model Piawai Zarah Fizik yang sangat bagus dalam menjelaskan interaksi antara zarah-zarah sub-atom. Model Piawai telah digunakan untuk meramal kewujudan zarah-zarah yang dahulunya tidak diketahui. Zarah terakhir yang ditemui melalui model ini adalah boson Higgs, oleh kumpulan penyelidik LHC pada tahun 2012.

Namun, terdapat kesulitan yang timbul.

“Model Piawai tidak menjelaskan segalanya,” kata Dr. Don Lincoln, seorang Fizikawan di Makmal Pemecut Kebangsaan Fermi (Fermilab) dekat Chicago.

“Model tersebut tidak menerangkan mengapa boson Higgs wujud. Ia tidak menjelaskan dengan terperinci mengapa boson Higgs mempunyai jisim sedemikian.” Fakta sebenar, boson tersebut didapati sangat berjisim berbanding yang telah diramalkan – teori menjangkakan “Kuadrilion lebih berat berbanding sepatutnya,” kata Lincoln.

Misteri tersebut tidak berakhir di situ sahaja. Atom diketahui bercas neutral–cas positif proton dibatalkan cas negatif elektron–tetapi mengapa sebegitu, Lincoln membalas, “Tiada siapa yang tahu.”

2. Mengapa graviti begitu aneh?

Graviti adalah daya yang sangat rapat dengan kita dan daya inilah yang menetapkan kaki kita pada tanah. Teori Kerelatifan Am Einstein memberikan formulasi matematik untuk graviti, memperihalkannya sebagai ‘ledingan’ ruang. Tetapi graviti adalah bertrilion-trilion ganda lebih lemah berbanding tiga lagi daya yang diketahui (keelektromagnetan dan dua jenis lagi daya nuklear yang bertindak pada jarak yang sangat pendek).

Satu kebarangkalian — yang masih samar-samar ketika ini — selain tiga dimensi ruang yang kita sedari setiap hari, terdapat dimensi-dimensi tambahan tersembunyi, berkemungkinan ‘terikal’ dalam keadaan yang menjadikannya mustahil untuk dikesan. Jika dimensi-dimensi ini wujud, dan jika graviti boleh ‘bocor’ ke dalamnya, ia mungkin dapat menjelaskan mengapa graviti tampak sangat lemah pada kita.

“Mungkin graviti juga sekuat daya-daya yang lain tetapi ia cepat dicairkan dengan meresap keluar ke dalam dimensi-dimensi halimunan tersebut.” kata Whiteson. Sebahagian Fizikawan berharap uji kaji di LHC dapat memberi petunjuk kewujudan dimensi-dimensi tambahan ini, yang setakat ini, masih belum berjaya.

3. Mengapa masa kelihatan menuju hanya pada satu arah?

Sejak zaman Einstein, para Fizikawan berpendapat bahawa ruang dan masa membentuk struktur empat dimensi yang dikenali sebagai ‘ruang-masa’. Namun, ruang berbeza berbanding masa dalam beberapa aspek yang sangat asas. Dalam ruang, kita bebas bergerak mengikut kemahuan kita. Tetapi tidak untuk masa, kita terbatas. Kita semakin tua, bukan semakin muda. Kita mengingati masa lampau, tetapi tidak masa depan. Masa, tidak seperti ruang, kelihatan mempunyai satu arah tertentu – para Fizikawan memanggilnya sebagai ‘anak panah masa’.

Sebahagian Fizikawan mengesyaki bahawa terdapat petunjuk dalam hukum termodinamik kedua. Ia menyatakan bahawa entropi sistem Fizik (secara kasarnya, jumlah ketaktertiban) meningkat terhadap masa, dan para Fizikawan berfikir bahawa peningkatan inilah yang memberikan arah pada masa. (Contohnya, cawan teh yang pecah mempunyai lebih entropi berbanding yang masih elok. Dan sudah pastilah, keadaan yang pecah itu hadir selepas keadaan yang elok, bukan sebaliknya).

Entropi semakin meningkat sekarang kerana sebelumnya ia rendah, tetapi mengapa ia bermula rendah? Adakah entropi alam semesta tersangat-sangat rendah 14 bilion tahun dahulu, apabila Letupan Besar membawanya kepada kewujudan?

Bagi sebahagian Fizikawan, termasuk Sean Caroll dari Caltech, itulah cebisan teka-teki yang dicari. “Jika anda boleh beritahu saya mengapa alam semesta pada awalnya berentropi rendah, saya akan dapat menjelaskan selebihnya”, katanya. Pada pandangan Whiteson, masa bukanlah hanya berkenaan entropi semata-mata. “Bagi saya,” katanya, “bahagian paling mendalam dalam persoalan tersebut ialah mengapa masa sangat berbeza daripada ruang?” (Simulasi komputer terkini seolah-olah menunjukkan ketaksimetrian masa mungkin timbul daripada hukum asas Fizik, namun kajian tersebut adalah kontroversi, dan sifat muktamad masa berterusan menjadi perdebatan hangat.

4. Ke mana semua antijirim pergi?

Antijirim nampaknya lebih terkenal dalam fiksyen berbanding dalam kehidupan nyata. Dalam Star Trek asal, antijirim bertindak balas dengan jirim biasa untuk memberi kuasa pada pemacu leding yang menujah U.S.S. Enterprise pada kelajuan lebih pantas daripada cahaya. Pemacu leding adalah fiksyen tulen, antijirim adalah sangat nyata. Kita tahu bahawa bagi setiap zarah jirim biasa, ia mungkin memiliki zarah seiras dengan cas elektrik yang berlawanan. Sebagai contoh, satu anti-proton adalah sama seperti satu proton tetapi mempunyai cas negatif. Antijirim yang sepadan dengan elektron bercas negatif pula ialah positron bercas positif.

Para Fizikawan telah mencipta antijirim dalam makmal. Namun, apabila ia tercipta, sejumlah jirim yang sama juga terhasil. Ini mungkin menunjukkan bahawa Letusan Besar menghasilkan jirim dan anti-jirim dalam kuantiti yang sama. Begitupun, hampir semua yang kita lihat di sekeliling kita, dari tanah yang kita jejaki hingga galaksi paling jauh, terdiri daripada jirim biasa.

Jadi apa sebenarnya yang berlaku? Kenapa jirim lebih banyak berbanding antijirim? Tekaan terbaik kita adalah Letupan Besar menghasilkan jirim sedikit lebih berbanding antijirim. “Apa yang mesti telah berlaku dalam sejarah alam semesta – beberapa ketika setelah Letupan Besar – adalah setiap 10 billion zarah antijirim terdapat 10 billion dan satu zarah jirim,” kata Lincoln. “Dan 10 bilion jirim dan anti-jirim yang bermusnahhabisan, meninggalkan hanya sesuatu. Dan ‘sesuatu’ yang kecil itu ialah jisim yang membentuk kita.”

Tetapi, persoalan utamanya mengapa sedikit lebihan jirim berbanding antijirim?

“Kita benar-benar tidak memahaminya,” kata Lincoln. “Aneh.” Jika jumlah awal jirim dan antijirim adalah sama, kedua-duanya pastilah sudah bermusnah habisan satu sama lain sepenuhnya dalam satu letusan tenaga. Dalam hal ini, kata Lincoln, “Kita tidak akan wujud.”

Sebahagiannya mungkin terjawab apabila Uji Kaji Neutrino Bawah Tanah Dalam (Deep Underground Neutrino Experiment – DUNE) mula mengumpul data pada tahun 2026. DUNE akan menganalisis alur neutrino – zarah-zarah kecil, tidak bercas dan hampir tidak berjisim – ditembak dari Fermilab ke Fasiliti Penyelidikan Bawah Tanah Sanford (Sanford Underground Research Facility) di South Dakota, kira-kira 800 batu jaraknya. Alur tersebut akan mengandungi neutrino dan anti-neutrino, dengan tujuan untuk melihat sekiranya kedua-duanya berkelakuan dengan cara yang sama – lalu memberi petunjuk berguna kepada ketaksimetrian jirim-antijirim semula jadi.

5. Apa yang berlaku dalam zon samar antara pepejal dan cecair?

 Pepejal dan cecair sudah banyak difahami. Tetapi sesetengah bahan bersifat seperti kedua-dua cecair dan pepejal, menjadikan kelakuannya sukar untuk diramal. Contohnya, pasir. Sebutir pasir adalah pejal seperti batu, tetapi sejuta butir pasir boleh mengalir melalui corong, mirip seperti air. Trafik lebuh raya juga boleh berkelakuan sedemikian, mengalir bebas sehingga tersekat pada suatu laluan sempit.

Jadi, penjelasan lebih baik tentang ‘zon samar’ ini bakal memberi kegunaan praktikal yang penting.

“Ramai yang bertanya, apakah syarat untuk seluruh sistem sesak atau tersumbat?” kata Dr. Kerstin Nordstrom, seorang Fizikawan di Mount Holdyoke Colleger. “Apakah parameter genting untuk mengelakkan penyumbatan?” Anehnya, halangan dalam aliran trafik, dengan syarat tertentu, boleh mengurangkan kesesakan trafik. “Ia semacam tidak masuk akal,” katanya.

6. Dapatkah kita menemui teori bersatu Fizik?

Kita kini mempunyai dua teori perdana yang menjelaskan hampir setiap fenomena fizikal: Teori Graviti Einstein (kerelatifan am) dan Mekanik Kuantum. Teori yang pertama sesuai dalam menjelaskan gerakan semua benda, daripada bola golf sehinggalah galaksi. Mekanik kuantum pula sama hebat dalam domainnya yang tersendiri – alam atom dan zarah subatom.

Masalah timbul apabila kedua-dua teori tersebut memerihalkan dunia kita dalam terma yang sangat berbeza. Dalam kuantum mekanik, peristiwanya mendatar dengan latar belakang ruang-masa yang tetap manakala dalam kerelatifan am, ruang-masa itu sendiri adalah anjal. Bagaimana agaknya bentuk teori kuantum bagi ruang-masa yang terlengkung? Kita tidak tahu, kata Carroll. “Kita juga tidak tahu apakah bendanya yang kita cuba kuantumkan.”

Begitupun, ia tidak menghalang para penyelidik untuk terus mencuba. Selepas berdekad-dekad, teori tetali – yang menggambarkan jirim terdiri daripada tetali kecil yang bergetar atau gelungan tenaga – telah dianggap sebagai pertaruhan terbaik untuk menghasilkan teori bersatu Fizik. Namun, sesetengah Fizikawan lebih suka akan graviti kuantum gelung yang membayangkan bahawa ruang itu sendiri terdiri daripada gelung-gelung kecil.

Setiap pendekatan telah meraikan beberapa kejayaan – teknik-teknik yang dibangunkan oleh ahli teori tetali, secara khususnya telah dibuktikan berguna dalam mengendalikan masalah tertentu Fizik yang sukar. Namun begitu, kedua-dua teori tetali dan graviti kuantum gelung belum terbukti melalui uji kaji. Buat masa ini, pencarian ‘theory of everything’ terus mendesak kita.

7. Bagaimana kehidupan berevelosi daripada jirim-tidak-hidup?

Pada separuh bilion tahun pertama, tiada kehidupan di Bumi. Kemudian, kehidupan mula wujud dan berkembang. Tetapi bagaimana kehidupan muncul? Sebelum evolusi biologi bermula, para saintis percaya terdapat evolusi kimia, iaitu molekul tidak organik ringkas bertindak balas menghasilkan molekul organik kompleks, berkemungkinan berlaku dalam lautan. Tetapi apakah yang mula-mula memicu proses ini?

Fizikawan MIT, Dr. Jeremy England baru-baru ini telah mengemukakan satu teori yang cuba menerangkan asal usul kehidupan berdasarkan prinsip-prinsip asas Fizik. Menurutnya, kehidupan pastinya terhasil akibat peningkatan entropi. Jika teori tersebut benar, kewujudan kehidupan “boleh diramal seperti batu bergolek jatuh dari bukit,” beritahu England kepada majalah Quanta pada 2014.

Idea tersebut sangatlah spekulatif. Simulasi komputer terkini, walau bagaimanapun, cenderung untuk menyokongnya. Simulasi tersebut menunjukkan bahawa tindak balas kimia (yang biasa berlaku di Bumi yang baru terbentuk) boleh membentuk sebatian berstruktur tinggi – menampakkan satu proses penting ke arah organisma hidup.

Apakah yang menyebabkan kehidupan amat sukar dikaji oleh para Fizikawan? Apa jua yang hidup adalah “jauh dari keseimbangan”, menurut Fizikawan. Dalam suatu sistem yang berada dalam keseimbangan, setiap komponen adalah sama seperti yang lain, tiada aliran tenaga masuk dan keluar (contohnya seketul batu dan satu kotak yang dipenuhi gas). Kehidupan pula berlawanan sifatnya. Satu tumbuhan, contohnya, menyerap cahaya matahari dan menggunakan tenaganya untuk menghasilkan molekul gula kompleks sambil memancarkan kembali haba ke persekitaran.

Pemahaman sistem kompleks seperti ini “adalah masalah yang tidak terjawab yang terbesar dalam Fizik”, kata Stephen Morris, Fizikawan University of Toronto. “Bagaimana kita menguruskan sistem-sistem jauh-dari-keseimbangan yang melakukan swasusun membentuk sesuatu yang kompleks dan menakjubkan – seperti kehidupan?”

Catatan:// Artikel ini merupakan terjemahan dari catatan asal Dan Falk, wartawan sains dan penulis.