Takion, Zarah “Lebih Pantas daripada Cahaya”?

Terjemahan artikel asal  oleh Shahrul Kadri Ayop,
Jabatan Fizik, Universiti Pendidikan Sultan Idris (UPSI)

Bolehkah zarah ‘lebih pantas daripada cahaya’ menjelaskan jirim gelap, tenaga gelap dan Letupan Besar (Big Bang)?

Menurut Robyn Arianrhod, satu teori baharu mengusulkan bahawa zarah ‘lebih pantas daripada cahaya’ dikenal sebagai takion (tachyon) boleh menjawab pelbagai persoalan tentang alam semesta.

Takion boleh menjelaskan jirim gelap, tenaga gelap dan lohong hitam pada teras galaksi-galaksi.

Terdapat 6 persoalan besar tentang alam semesta yang masih tidak terjawab oleh fizik buat masa ini:

1. Apa itu tenaga gelap, iaitu tenaga misteri yang kelihatan seperti mempercepatkan pengembangan alam semesta?

2. Apa itu jirim gelap, iaitu bahan halimunan yang hanya dapat kita cerap kesan gravitinya pada bintang-bintang dan galaksi-galaksi?

3. Apa yang menyebabkan pengembungan (inflation), iaitu pengembangan (expansion) membuak pantas alam semesta sejurus selepas Letupan Besar?

4.Seterusnya, apa pula yang menyebabkan Letupan Besar?

5. Adakah terdapat kemungkinan wujudnya Letupan Besar atau alam semesta yang lain?

6. Adakah terdapat suatu ciri petunjuk berkaitan kematian suatu alam semesta?

Model Piawai

Penyelesaian terhadap persoalan ini masih belum ditemui. Walau bagaimanapun, penjelasan bagaimana alam semesta berfungsi boleh diwakilkan dengan teori terbaik buat masa ini, iaitu Model Piawai (Standard Model) fizik zarah yang terhasil daripada usaha gigih pemikir terhebat dunia.

Satu teori baharu mendakwa kesemua enam persoalan fizik di atas  dapat diselesaikan sekaligus. Menurut satu makalah terbitan European Physical Journal C oleh Herb Fried dari Brown University dan Yves Gabellini dari INLN-Université de Nice, jawapannya adalah mungkin sejenis zarah yang dipanggil takion (tachyon).

Takion ialah zarah hipotesis yang bergerak lebih pantas daripada cahaya. Menurut Teori Kerelatifan Khas Einstein dan uji kaji terkini dalam dunia ‘nyata’ kita, zarah tidak boleh bergerak lebih pantas daripada cahaya. Jika tidak dipatuhi, idea kita tentang sebab dan akibat sudah tentu disampahkan sahaja kerana suatu kesan dilihat boleh terjadi sebelum sebabnya.

Walaupun konsepnya tampak mudah, model Fried dan Gabellini menimbulkan kontroversi kerana memerlukan kewujudan takion; yang bercas elektrik, bersifat fermionik, dan wujud dalam ketakstabilan pasangan takionik dan antitakion sebagai zarah maya dalam Hampagas Kuantum (Quantum Vacuum). Idea zarah maya bukanlah suatu yang baharu: dalam Model Piawai, daya seperti keelektromagnetan dianggap sebagai medan zarah-zarah maya yang kewujudannya tenggelam timbul secara berterusan. Apabila dikumpulkan bersama, zarah-zarah maya ini membentuk Hampagas Kuantum.

Walaupun kerelatifan khas menyekat gerakan lebih pantas daripada cahaya untuk jirim biasa dan foton, ia tidak pula menghalang akan kewujudan takion. Sebagaimana dijelaskan Fried, “Dalam keadaan tenaga amat besar seperti ledakan supernova atau Letupan Besar sendiri, terdapat kemungkinan takion-takion maya ini membuak keluar daripada Hampagas Kuantum masuk ke dalam Hampagas Nyata dunia harian kita sebagai zarah-zarah nyata yang masih belum diukur.”

Jika takion ini melampaui halaju cahaya, para penyelidik percaya bahawa jisim besar dan interaksi jarak pendeknya akan membawa sejumlah kecil ‘kebersebaban’ (causality) yang tak boleh diukur ke dalam dunia kita.

Fried dan Gabellini mengusulkan model berasaskan takion ini ketika cuba mencari penjelasan tentang penyebaran tenaga gelap dalam ruang yang bertindak seolah-olah sebagai sumber yang memacu pengembangan alam semesta. Pada awalnya mereka mengusulkan bahawa tenaga gelap terhasil daripada ketakstabilan pasangan maya elektron dan positron.

Kesukaran matematik

Namun begitu, model ini terbelenggu dalam kesukaran matematik dengan kehadiran nombor khayalan yang tak terjangka. Tidak seperti jisim rehat zarah biasa yang lain, jisim rehat takion adalah bernombor khayalan dalam kerelatifan khas. Sementara persamaan dan nombor khayalan dalam model baharu ini melibatkan pertimbangan yang lebih berbanding jisim-jisim mudah, idea berikut kelihatan dapat mengatasinya: Gabellini menyedari bahawa dia dan Fried boleh membatalkan atau menyingkirkan nombor khayalan yang tak dikehendaki daripada pengiraan mereka dengan mengambil kira ketakstabilan pasangan takion-antitakion. Tambahan pula, cadangan penyelesaian kreatif terhadap keperluan matematik ini juga mempunyai kelebihan lain, iaitu,  Gabellini dan Fried menyedari bahawa dengan menambahkan takion dalam model tersebut, mereka juga boleh menjelaskan pengembungan.

“Andaian ini [ketakstabilan pasangan takion-antitakion] tidak boleh disangkal dengan sebarang uji kaji.” kata Fried. Model tersebut amat sepadan dengan data uji kaji sedia ada tentang tenaga gelap dan tenaga pengembungan.

Kedua-dua Fried dan Gabellini mengakui ramai fizikawan sangat berwaspada terhadap teori berdasarkan andaian radikal mereka.

Namun secara keseluruhannya, model tersebut mencadangkan kebarangkalian mekanisma penyatuan yang menyumbang kepada bukan sahaja pengembungan dan tenaga gelap, malah jirim gelap. Pengiraan yang dilakukan membayangkan bahawa takion bertenaga tinggi ini mampu menyerap semula semua foton yang dipancarkannnya, menjadikannya bersifat halimunan.

Bukan itu sahaja: Fried menambah,”Jika satu takion bertenaga tinggi masuk ke dalam Hampagas Nyata, lalu menemui dan bermusnahhabisan (annihilate) dengan satu antitakion daripada spesis yang sama, tenaga ‘letupan’ kuantum kecil ini boleh bertindak sebagai benih Letupan Besar yang lain, membentuk satu alam semesta baharu. ‘Benih’ ini ialah ketumpatan tenaga pada titik musnah habis tersebut yang sangat dahsyat sehinggakan ‘koyakan’ terhasil dalam permukaan yang memisahkan Hampagas Kuantum daripada Hampagas Nyata. Ini menyebabkan tenaga besar yang tersimpan dalam Hampagas Kuantum meledak ke dalam Hampagas Nyata menghasilkan Letupan Besar sebuah alam semesta baharu. Situasi ini boleh berlaku berkali-kali dalam tempoh beberapa eon.

Sebagaimana sebarang model fenomena tak boleh berulang seperti penciptaan alam semesta, model ini mungkin hanya disifatkan sebagai satu set spekulasi yang mengujakan. Walau bagaimanapun, model ini bukan sahaja menepati data pengembungan dan tenaga gelap, malah menawarkan penyelesaian mungkin bagi misteri lain yang baru dicerap.

Lohong Hitam Supermasif

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, ahli astrofizik menyedari bahawa lohong hitam di pusat galaksi Bima Sakti adalah supermasif, iaitu mengandungi jisim jutaan bintang-bintang. Lohong Hitam Supermasif (LHSM) sedemikian juga boleh dilihat berada pada pusat-pusat galaksi lain dalam alam semesta kita.

Bagaimana jasad-jasad tersebut terbentuk masih lagi menjadi persoalan terbuka. Tenaga tersimpan dalam Hampagas Kuantum biasanya sangat besar; cukup untuk mengatasi kecenderungan graviti galaksi-galaksi untuk meruntuh sendiri. Namun begitu, dalam teori Fried dan Gabellini, ketika pembentukan alam semesta baharu, sejumlah besar tenaga Hampagas Kuantum daripada alam semesta lama melepasi ‘koyakan’ hasil pemusnahabisan takion-antitakion (Letupan Besar baharu). Kesudahannya, bahagian-bahagian kejauhan alam semesta lama juga terkesan seiring dengan kebocoran tenaga Hampagas Kuantum alam semesta lama ke dalam alam semesta baharu umpama udara yang keluar melalui satu lubang pada suatu belon. Pengecilan penampan tenaga Hampagas Kuantum yang mengimbangi graviti dalam alam semesta lama menunjukkan bahawa semasa proses kematian alam semesta lama, kebanyakan galaksi-galaksinya akan membentuk LHSM berbilang dalam alam semesta baharu. LHSM ini mengandungi jisim planet-planet dan bintang-bintang dalam galaksi terdahulu dalam alam semesta lama. Sebahagian LHSM-LHSM baharu ini membentuk pusat-pusat galaksi baharu dalam alam semesta baharu.

“Ini bukanlah satu gambaran yang menyenangkan hati”, kata Fried apabila menyentuh tentang nasib alam semesta kita. “Tetapi sekurang-kurangnya ketekalannya adalah saintifik.”

Dalam dunia Letupan Besar dan alam semesta berbilang (multiple universe) yang aneh dan belum dapat diuji, ketekalan adalah suatu yang terbaik yang dapat kita harapkan.

Catatan // Artikel ini merupakan karya asal Robyn Arianrhod. merupakan Felo Penyelidik adjung Kanan di Sekolah Sains Matematik, Universiti Monash. Bidang penyelidikannya ialah Kerelatifan Am dan sejarah sains matematik.