Bahkan ruang kosong menggelembung dengan energi, menurut mekanika kuantum — dan fakta itu memengaruhi hampir setiap segi realitas fisik. Fisikawan teoretis Isabel Garcia Garcia menjelaskan kepada Steven Strogatz mengapa sangat penting dalam fisika modern untuk memahami apa itu ruang hampa yang sebenarnya

Aristoteles berpendapat hampir 2.400 tahun yang lalu bahwa ruang hampa yang sempurna tidak akan pernah ada. Saat ini, konsep ketiadaan muncul setidaknya secara implisit di hampir setiap teori fisika modern. Dalam episode penutup season 2 \”The Joy of Why\” ini, fisikawan teoretis Isabel Garcia Garcia dari New York University dan Institute for Advanced Study berbicara dengan pembawa acara Steven Strogatz tentang dampak mekanika kuantum pada definisi \”ruang hampa sejati\”. ,” kemungkinan vakum palsu, bagaimana konsep energi vakum berhubungan dengan konstanta kosmologis, dan bagaimana studinya tentang vakum dapat membantu menyelesaikan teka-teki yang membuat frustasi dalam teori string dan kosmologi.

Transkrip Podcast :

Steven Strogatz (00:03): Saya Steve Strogatz, dan ini adalah “The Joy of Why,” podcast dari Majalah Quanta yang membawa Anda ke beberapa pertanyaan terbesar yang belum terjawab dalam matematika dan sains saat ini. Di episode ini, kita akan bertanya: Apakah ketiadaan itu ada?

(00:17) Para filsuf dan ilmuwan telah lama memperdebatkan apakah ketiadaan itu mungkin. Aristoteles, misalnya, berpendapat bahwa ruang hampa yang sempurna tidak akan pernah ada karena, jika demikian, benda-benda yang bergerak melaluinya tidak akan menemui hambatan apa pun dan karenanya dapat bergerak sangat cepat. Dan 2.000 tahun kemudian, ketika bocah jenius Blaise Pascal mengusulkan bahwa mungkin saja menciptakan ruang hampa udara dengan menyedot semua udara keluar dari wadah tertutup, René Descartes membalas, “Tampak bagi saya bahwa pemuda yang menulis buklet ini memiliki terlalu banyak kekosongan di kepalanya.”

(00:51) Namun, bagi sebagian besar dari kita, gagasan ruang hampa terdengar masuk akal. Jika Anda mengambil sebuah wadah, tutup rapat, dan entah bagaimana keluarkan semua yang ada di dalamnya, yah, sepertinya tidak ada yang tersisa di sana. Tapi bisakah kita benar-benar menyebutnya bukan apa-apa? Lagipula, mungkin masih ada energi di dalam atau mungkin materi dan partikel subatomik yang tidak bisa kita lihat. Dalam fisika modern, gagasan tentang ketiadaan ini telah muncul kembali. Nyatanya, itu menjadi dasar dari setiap teori tentang sesuatu. Tidak ada saat ini adalah sesuatu.

(01:25) Masih bingung? Nah, di sini untuk membantu kami menyelesaikan semua ini adalah Isabel Garcia Garcia. Dia seorang ahli fisika teoretis saat ini di Universitas New York dan Institut Studi Lanjutan. Dia melihat segala sesuatu mulai dari gelembung ketiadaan hingga interaksi antara fisika partikel dan gravitasi. Isabel, terima kasih banyak telah bergabung dengan kami hari ini untuk memberi tahu kami sedikit tentang apa-apa.

Isabel Garcia Garcia (01:48): Terima kasih sudah menerima saya.

Strogatz (01:49): Oh, senang sekali bisa bertemu dan mengobrol dengan Anda. Jadi mengapa kita tidak mulai, hanya untuk memastikan bahwa kita berada di halaman yang sama, dengan dasar-dasar apa yang kita maksud dengan ruang hampa? Apakah ada satu definisi yang bisa kita sepakati bersama?

Garcia Garcia (02:03): Saat ini dalam konteks teori mekanika kuantum, atau teori medan kuantum secara lebih umum, secara intuitif yang kami maksud adalah apa yang tersisa ketika kami menghapus semua yang dapat dihapus. Ada beberapa gagasan bahwa, seperti yang Anda gambarkan sebelumnya, Anda tahu, jika kita mengambil ruangan ini dan kita mengeluarkan semua orang dan semua perabot, lalu kita mengeluarkan semua udaranya — semua molekul kecil dan atom yang membuat udara keluar – maka sesuatu seperti itu akan menjadi ruang hampa. Jadi gagasan tentang, Anda tahu, menghilangkan semua yang kita bisa sampai kita tidak bisa lagi menghilangkan apa pun, itu bisa dibuat lebih tepat, sekali lagi dalam konteks teori kuantum. Dan keadaan yang tersisa itulah yang kita sebut vakum. Dan menurut definisi, segala sesuatu yang ada, ada di atas batuan dasar yang merupakan ruang hampa.

Strogatz (02:51): Jadi jika kita bisa menghapus semuanya, yang tersisa, saya rasa, tidak ada apa-apanya. Itulah vakum. Anda berbicara tentang menghilangkan materi, seperti menghilangkan furnitur – saya suka gambar itu – furnitur, orang, atom. Sebelum kita sampai ke teori kuantum, jadi jika kita hanya berbicara tentang ruang hampa klasik, saya mengerti bahwa mungkin ada gagasan yang berbeda, seperti ruang hampa elektromagnetik atau ruang hampa gravitasi?

Garcia Garcia (03:17): Itu pada dasarnya hanya pernyataan tentang partikel apa yang sebenarnya Anda singkirkan. Jika Anda membuat vakum elektromagnetik, Anda hanya berasumsi bahwa, Anda tahu, Anda telah menghilangkan semua foton di wilayah tertentu, mungkin di dalam rongga. Dan Anda membuatnya bebas dari segala jenis foton dengan cara ini. Anda dapat melangkah lebih jauh dalam konteks fisika klasik dan mengatakan kami hanya akan menghapus semuanya. Dan apa yang tersisa, kita sebut \”kekosongan absolut\”. Jadi dalam konteks, Anda tahu, fisika klasik, itu adalah gagasan yang masuk akal. Dan keadaan yang tersisa dari kita, yang benar-benar kosong, tidak ada partikel di sana. Dan khususnya, tidak mengandung energi. Akan ada semacam keheningan total, jika Anda mau, dalam ruang hampa ini. Jadi ada gambaran bahwa dalam fisika klasik, begitulah cara Anda berpikir tentang ruang hampa, dan itu masuk akal secara intuitif dari pengalaman kita sehari-hari tentang dinamika klasik.

Strogatz (04:10): Benar. Jadi sepertinya tidak terlalu bermasalah, maksud saya, kecuali untuk apa yang dikeluhkan Aristoteles, tapi itu sudah lama sekali. Tapi tetap saja, dalam fisika klasik, sepertinya tidak ada prinsip yang melarang – jika saya mengerti Anda benar – tidak ada yang melarang ruang hampa secara klasik. Namun, bagaimana ide ini berubah, katakanlah ketika kita sampai pada mekanika kuantum lama, saya tidak tahu, tahun 1920-an atau semacamnya? Apakah ada kekosongan dalam teori kuantum semacam itu?

Garcia Garcia (04:36): Gagasan klasik tentang ruang hampa yang kita diskusikan ini sangat masuk akal, sangat masuk akal, seperti pra-abad ke-20. Dengan ditemukannya mekanika kuantum, banyak hal berubah. Salah satu hal yang berubah adalah kenyataan bahwa dengan kata-kata, kita dapat mengatakan bahwa dalam mekanika kuantum, tidak ada yang namanya keheningan total. Anda mungkin pernah mendengar sesuatu yang disebut prinsip ketidakpastian Heisenberg, yang merupakan salah satu landasan mekanika kuantum. Ini memberi tahu kita, khususnya, bahwa ketidakpastian posisi partikel kuantum dikalikan dengan ketidakpastian momentumnya – semacam ukuran seperti seberapa cepat ini bergerak – kuantitas itu, produk itu harus lebih besar dari apa yang diketahui sebagai konstanta Planck lebih dari 2 pi, oke? Jadi tidak boleh nol, harus lebih besar dari kuantitas tertentu.

(05:26) Salah satu implikasi yang paling mencolok dari hal ini, yang tidak memiliki analogi dalam fisika klasik, adalah bahwa partikel kuantum tidak akan pernah bisa benar-benar diam total. Jadi, bisa dibayangkan pendulum bolak-balik. Dan dalam pola pikir fisika klasik, Anda dapat membayangkan pendulum seperti diam, hanya menggantung ke bawah secara vertikal. Ketika itu terjadi, pendulum itu memiliki energi kinetik nol. Ia tidak bergerak ke mana pun, dan ia memiliki energi potensial nol karena, Anda tahu, ia memiliki potensi gravitasi minimum.

(05:57) Jika kita mempertimbangkan fisika mekanika kuantum dan mempertimbangkan versi kuantum pendulum itu, ternyata keadaan hening itu tidak pernah bisa dicapai. Prinsip ketidakpastian Heisenberg memberi tahu kita bahwa jika kita mencoba melokalkan partikel kuantum di bagian paling bawah pendulum, maka ketidakpastian momentum dan kecepatannya harus besar. Jadi, akan ada gerakan rata-rata partikel ini di sekitar minimum ini. Sebaliknya, jika kita mencoba membuat gerak, momentum partikel, sangat kecil, posisinya akan banyak berfluktuasi. Jadi rata-rata akan tergeser dengan jumlah yang besar dari minimum. Jadi Anda memiliki sejumlah besar energi kinetik atau sejumlah besar energi potensial.

(06:44) Jadi tidak ada kemenangan, begitulah. Anda tidak dapat membuat keadaan pendulum kuantum ini menjadi keadaan diam yang lengkap, seperti, nol energi seperti yang dapat Anda lakukan dalam mekanika klasik. Jadi Anda sudah bisa melihat bahwa, Anda tahu, dalam mekanika kuantum, gagasan tentang keheningan, tentang energi nol, seolah-olah tidak terjadi apa-apa sama sekali tidak masuk akal. Dan ini disebut dengan apa yang disebut energi titik nol dari sistem kuantum. Ada sejumlah energi minimal yang memungkinkan untuk mengurangi energi sistem kuantum, dan jumlahnya tidak nol.

Strogatz (07:15): Sangat menarik, itu penjelasan yang bagus. Biarkan saya menggarisbawahi sesuatu yang tidak Anda sebutkan. Tapi saya pikir, jika pemahaman saya benar, Anda akan setuju. Bahwa ini bukan sesuatu yang berkaitan dengan suhu. Orang mungkin telah belajar di beberapa titik di sekolah bahwa pada nol mutlak, semua gerakan berhenti. Bagaimana dengan itu dalam konteks ini?

Garcia Garcia (07:34): Itu adalah gagasan klasik. Jadi, tentu saja, Anda tahu, pada suhu terbatas, benda-benda bergerak karena fluktuasi termal, dll. Ini adalah sesuatu yang benar bahkan pada suhu nol, di situlah mekanika kuantum — semua efeknya didominasi oleh fisika kuantum . Dalam konteks inilah energi titik nol ini nyata.

Strogatz (07:52): Sungguh hal yang luar biasa, seperti banyak hal dalam mekanika kuantum, seperti yang selalu kami katakan, berlawanan dengan intuisi atau aneh karena kami sendiri adalah makroskopik. Kami tidak – yah, kami memiliki pengalaman sehari-hari dengannya karena, pada kenyataannya, saya berbicara dengan Anda sekarang mungkin menggunakan chip semikonduktor yang didasarkan pada mekanika kuantum. Tapi kami tidak memikirkannya seperti itu. Sepertinya sulit untuk percaya bahwa tidak ada lagi keheningan mutlak. Jadi, mengapa itu relevan? Anda berbicara tentang sebuah partikel tidak dapat diam sepenuhnya, tetapi dapatkah kita juga menerapkan prinsip ketidakpastian pada suatu bidang?

Garcia Garcia (08:24): Ya, memang. Jadi, begitu kita beralih dari mekanika kuantum ke teori medan kuantum, entitas utama yang kita gunakan dalam teori medan kuantum untuk menggambarkan alam semesta kita dan teori medan kuantum secara umum adalah medan. Mereka bukan lagi partikel. Dan kami memahami partikel sebagai eksitasi medan ini, oke? Jadi Anda bisa memikirkan bidang dalam istilah yang sangat sederhana. Salah satu osilator harmonik kecil yang sederhana ini, seperti pendulum kecil ini, ada di setiap titik di ruang angkasa. Jadi, ketika Anda memikirkannya, Anda dapat mengajukan pertanyaan: “Ya, Anda tahu, saya dapat mendefinisikan teori medan kuantum sebagai keadaan vakum di mana sejumlah bidang ditentukan dan disebarkan, dan eksitasi medan akan menjadi partikelku.”

(09:10) Tapi kita bisa bertanya, yah, meski tidak ada eksitasi aktual, partikel aktual apa pun, berapa energi dari keadaan dasar sistem? Berapa energi ruang hampa ini di mana medan itu ada? Dan karena energi dari masing-masing pendulum mekanika kuantum kecil ini, Anda tahu, adalah bilangan terhingga, apakah ini energi titik nol, dan karena medan adalah kumpulan pendulum tak berhingga jumlahnya, jika Anda melakukan kalkulasi dalam kuantum teori medan, jawabannya menjadi tak terbatas. Jadi, teori medan kuantum pada awalnya tampaknya memberi tahu Anda bahwa, sebenarnya, kerapatan energi vakum sebenarnya adalah bilangan tak terhingga.

Strogatz (09:49): Ya, oke.

Garcia Garcia (09:51): Sesuatu yang, Anda tahu, tidak masuk akal, tetapi itu adalah sesuatu yang sudah muncul di tingkat sarjana fisika. Jadi, bagaimana kita menangani teka-teki ini? Ini adalah sesuatu yang sangat mengganggu para praktisi awal teori medan kuantum. Dan dalam gaya fisika yang khas, yang kami lakukan adalah menyembunyikannya di bawah permadani sampai kami memiliki sesuatu yang lebih baik, sesuatu yang lebih baik untuk dikatakan. Dan itu karena, dalam konteks teori medan kuantum — yang saya maksud adalah, sebelum kita memasukkan gravitasi ke dalam deskripsi alam — dalam konteks teori medan kuantum, kita sebenarnya tidak dapat mengukur nilai absolut dari energi ruang hampa. Yang bisa kita harapkan untuk diukur secara eksperimental, semua yang bersifat fisik adalah perbedaan energi di antara keadaan yang berbeda. Jadi kita dapat mengukur energi relatif terhadap energi ruang hampa. Jadi dalam arti tertentu, apa yang kita lakukan dengan cara yang sangat mudah adalah kita mengurangi tak terhingga, dan kita memiliki, semacam, kuantitas terbatas yang memberi tahu kita, Anda tahu, berapa banyak energi yang dimiliki suatu keadaan tertentu di atas dari vakum. Itu seperti cara fisikawan, dalam teori medan kuantum, mengabaikan teka-teki ini.

Strogatz (10:58): Oke, itu menarik. Biarkan saya melihat apakah saya mendapatkannya. Maksud saya, saya sudah terbiasa dengan ide dari fisika yang saya ambil bahwa perubahan energi adalah hal-hal… Ini muncul dalam listrik dan magnet pada kursus pertama, bahwa kita berbicara tentang potensi relatif terhadap tanah, Anda tahu, atau sesuatu seperti itu.

Garcia Garcia (11:14): Tepatnya.

Strogatz (11:14): Jadi, perbedaan energi, itu adalah ide yang umum, dan Anda dapat mengatur nol untuk energi di mana pun Anda inginkan kembali dalam pengaturan klasik ini. Tapi itu menarik apa yang Anda katakan sebelumnya. Jadi Anda mengatakan ketika kita memikirkan medan kuantum, itu seperti memikirkan osilator harmonik di setiap titik, dan mereka semua bergoyang dengan energi titik nolnya. Jadi gagasan bahwa, seperti, saya memiliki ketiadaan mutlak, yang akan sesuai dengan bidang yang sama dengan nol di mana-mana, itu tidak dapat dicapai karena nol tidak dapat tetap nol karena momentum yang terkait akan menjadi besar. Jadi semuanya berfluktuasi. Bahkan kekosongan pun berfluktuasi.

Garcia Garcia (11:50): Tentu saja.

Strogatz: Oke. Tetapi Anda mengatakan ketika Anda mencoba untuk menjumlahkan jumlah total energi yang terkait dengan semua goncangan itu, itulah yang keluar tanpa batas?

Garcia Garcia (11:58): Ya. Jadi, secara naif, jawabannya adalah energi ruang hampa sebenarnya tidak terbatas, yang, sekali lagi, adalah sesuatu yang dalam teori medan kuantum, kita tidak dapat benar-benar memahaminya. Tapi dalam arti tertentu, Anda tahu, itu tidak terlalu penting karena itu adalah besaran yang tidak pernah bisa kita ukur secara langsung. Kami hanya dapat mengukur semacam, Anda tahu, perbedaan energi relatif terhadap energi vakum. Jadi, kami seperti menyapu dengan tangan di bawah permadani dengan cara ini.

(12:21) Sehingga akan menimbulkan pertanyaan bahkan dalam teori medan kuantum: Apakah kita yakin bahwa ruang hampa memiliki energi itu? Apakah ada yang namanya energi vakum? Dan bagaimana kita bisa yakin? Seperti, bagaimana kita bisa memverifikasi konsep itu secara eksperimental? Dengan semangat bahwa hanya perbedaan energi yang dapat diukur, Hendrik Casimir mengusulkan pada pertengahan abad ke-20, sebuah ide untuk membuktikan konsep energi vakum dengan mengganggu vakum dan mengukur perubahan energi vakum itu sendiri. .

Strogatz (12:56): Anda berpikir dengan cara yang sama seperti yang saya pikirkan. Saya akan bertanya selanjutnya tentang efek Casimir. Jadi, izinkan saya diam saja dan biarkan Anda memberi tahu kami tentang efek Casimir.

Garcia Garcia (13:04): Ya, jadi ada energi intrinsik dalam ruang hampa teori kuantum. Jika kita mengganggu kehampaan itu, kehampaan itu akan merespons sedemikian rupa sehingga energi kevakumannya juga akan berubah. Jadi, jika kita dapat mengukur perubahan energi vakum sebagai akibat dari beberapa gangguan, yaitu cara untuk membuktikan secara eksperimental bahwa konsep tersebut, gagasan tentang ruang hampa adalah semacam entitas yang bergoyang-goyang, tidak bergerak, kita dapat memverifikasi secara eksperimental bahwa ide. Hendrik Casimir mengusulkan percobaan untuk mengukur perubahan energi vakum. Idenya adalah untuk memulai dengan vakum elektromagnetik. Jadi di lab, merekayasa semacam rongga tempat Anda mengeluarkan semua foton. Jadi Anda benar-benar mengeluarkan setiap foton individu dari rongga tertentu, ada semacam kutipan-tanda kutip \”tidak ada\” di sana. Kemudian, Anda mengganggu ruang hampa dengan menempatkan dua pelat material yang paralel dan idealnya berkonduksi sempurna. Yang dimaksud dengan penghantar sempurna adalah semua muatan listrik, elektron, dll., di permukaan bebas bergerak. Dan karena itu, mereka bebas menyesuaikan diri dengan keberadaan medan elektromagnetik apa pun yang mungkin ada. OKE?

Strogatz: Ya.

Garcia Garcia (14:13): Sekarang, di lab, kami dapat merekayasa situasi di mana kami memindahkan jarak relatif antara kedua pelat tersebut. Jadi, jika dunia adalah dunia klasik, membuat kedua lempeng itu bergerak relatif satu sama lain dalam rongga elektromagnetik yang kosong tidak akan berpengaruh. Jika Anda mencoba mengukur gaya yang dikenakan pelat ini atau Anda mencoba mengukur segala jenis tekanan atau properti lainnya, seperti, secara harfiah tidak akan terjadi apa-apa pada sistem. Sekarang, dalam kerangka mekanika kuantum, meskipun kita telah mengeluarkan semua partikel dari rongga ini, medan elektromagnetik akan berfluktuasi di dalam rongga. Dan fakta bahwa kami telah menempatkan dua pelat konduktor di dalam rongga akan memengaruhi sifat dan sifat dari fluktuasi kuantum tersebut. Dan saat kita memindahkan lempeng-lempeng itu relatif satu sama lain, itu mengubah sifat fluktuasi kuantum itu, oke? Dan itu juga mengubah energi vakum sistem itu.

(15:12) Sekarang, dalam fisika, perubahan energi saat kita mengubah jarak, itulah yang disebut gaya. Jadi, prediksi keberadaan energi vakum ini adalah saat kita menggerakkan lempeng-lempeng ini, lempeng-lempeng ini akan mengalami gaya, oke? Tekanan, sebagai akibat dari perubahan energi vakum ini. Dan itulah yang diverifikasi secara eksperimental di laboratorium. Ditemukan bahwa pelat konduktor ini mengalami tekanan yang menarik. Dan besarnya tekanan itu ternyata konsisten dengan perhitungan dari teori kuantum. Eksperimen itu dilakukan beberapa tahun kemudian pada tahun 1997.

Strogatz (15:54): Bagus sekali. Untuk memastikan saya memilikinya, saya pikir saya mendapatkannya dari apa yang Anda katakan, bahwa ini tidak seperti pelat kapasitor dengan muatan di atasnya. Bukan karena mereka menarik satu sama lain, atau mereka merasakan gaya elektromagnetik seperti yang kita lakukan di kursus elektromagnetisme pertama yang saya sebutkan. Ini adalah pelat yang tidak bermuatan. Namun, karena fluktuasi kuantum ini, mereka benar-benar mengalami, sekarang kita menyebutnya gaya Casimir.

Garcia Garcia (16:22): Ya. Karena fluktuasi kuantum medan elektromagnetik di wilayah tersebut, muatan yang ada pada pelat ini, meskipun secara keseluruhan tidak bermuatan, mereka merespons fluktuasi ini. Dan itulah yang bisa kami ukur di lab. Dan kuantitas yang relevan adalah tekanan yang dialami lempeng-lempeng ini.

Strogatz (16:39): Sekarang saya anggap ini hanya benar-benar dapat dideteksi jika pelat cukup dekat satu sama lain.

Garcia Garcia (16:44): Benar. Piring harus sangat berdekatan. Agar kita dapat melihat efek ini. Tekanan yang bekerja pada pelat berbanding terbalik dengan pangkat empat jarak antar pelat. Jadi Anda menang banyak dengan membuat piring-piring ini sangat dekat satu sama lain. Dan tahukah Anda, Anda dengan sangat cepat membuat efek ini terlalu kecil untuk dapat dideteksi, jika Anda memisahkannya.

Strogatz (17:05): Begitu. Oh, kekuatan keempat, Anda mengatakan kekuatan keempat terbalik?

Garcia Garcia: Itu benar.

Strogatz (17:08): Hah. Oh, itu menarik. Saya tidak terbiasa melihat kekuatan keempat terbalik. Yang terkenal, Anda tahu, gravitasi, benar, bujur sangkar terbalik dalam teori klasik. Dipol akan menjadi kubus terbalik. Kekuatan keempat terbalik itu menarik. Oh, saya sebenarnya ingin mundur sebentar saja. Karena saya sangat kagum dengan gagasan tentang energi tak terbatas dari ruang hampa yang diprediksi. Apakah itu ada hubungannya dengan ruang itu sendiri yang diasumsikan luasnya tak terbatas? Atau bahkan di wilayah ruang yang terbatas, apakah kita masih memiliki energi yang tidak terbatas menurut prediksi ini?

Garcia Garcia (17:39): Itu pertanyaan yang bagus. Dan itu ada hubungannya, sampai batas tertentu, dengan keduanya. Tetapi sebenarnya bahkan dalam volume yang terbatas, Anda akan memiliki prediksi ini. Alasannya adalah pada prinsipnya, Anda tahu, fluktuasi kuantum dalam konteks teori medan kuantum dapat memiliki jumlah energi yang sangat besar. Dan semacam, itulah yang pada akhirnya jenis ini memberi kita kutipan-tanda kutip \”tak terhingga\”.

(18:00) Sekarang, teori medan kuantum bukanlah deskripsi lengkap tentang alam. Ia melewatkan bagian yang sangat penting, yaitu interaksi gravitasi. Dan kita tahu bahwa, melalui pengalaman kita sehari-hari dan selama ribuan tahun, kita tahu bahwa gravitasi jelas merupakan bagian yang sangat penting dalam deskripsi alam. Jadi sungguh, kita harus melampaui teori medan kuantum ke dalam apa yang disebut gravitasi kuantum — sebuah teori yang menggabungkan teori relativitas umum yang menjelaskan gravitasi pada tingkat klasik dengan mekanika kuantum. Dan pertama-tama, dalam lompatan dari teori medan kuantum ke gravitasi itulah energi vakum berhenti menjadi kuantitas nonfisik yang hanya dapat kita ukur secara relatif terhadap energi lain, tetapi energi tersebut memiliki makna absolut. Dan itu memiliki arti mutlak karena dalam konteks teori gravitasi, energi adalah sesuatu yang bersifat gravitasi. Bukan hanya massa, tetapi seperti yang kita pelajari dari Einstein, energi juga tertarik dan itu berarti ia dapat membengkokkan jalinan ruang-waktu. Juga bereaksi terhadap adanya energi dan khususnya, ia juga akan bereaksi terhadap adanya energi vakum.

(19:04) Sekarang, jika nilai sebenarnya dari energi vakum tidak terhingga, itu akan membengkokkan ruang-waktu dengan sangat kuat sehingga akan mereduksinya menjadi titik tanpa ukuran, oke? Yang jelas bukan itu masalahnya.

Strogatz: Terima kasih!

Garcia Garcia (19:20): Jadi kita tahu bahwa memang, Anda tahu, energi vakum tidak terbatas. Dan faktanya, kita tahu dari pengamatan eksperimental seberapa cepat alam semesta kita mengembang, kita tahu bahwa alam semesta mengembang dengan cara yang dipercepat, sehingga mengembang semakin cepat. Itu memberi tahu kita bahwa secara eksperimental, kepadatan energi vakum alam semesta kita adalah kuantitas positif. Dan besarnya sangat kecil. OKE?

(19:46) Maksud saya sangat kecil dibandingkan dengan skala energi lainnya yang relevan dengan deskripsi fisika yang kita ketahui. Jadi hanya untuk memberi Anda beberapa angka, nilai energi vakum yang dapat kita simpulkan dari eksperimen — melalui, sekali lagi, perluasan alam semesta — adalah antara 0,1 dan 1 milielektron-volt. Itu adalah jumlah yang sangat kecil. Ini jauh lebih kecil daripada massa elektron. Bahkan lebih kecil dari massa proton. Jauh di bawah skala lain, seperti skala QCD, skala interaksi elektrolemah. Dan jauh, jauh, jauh di bawah skala terbesar dari semua yang menurut kami relevan untuk deskripsi alam, yaitu skala Planck. Jadi itulah angka yang kita tahu adalah fakta alam. Kita tahu dari pengamatan eksperimental bahwa densitas energi vakum bukanlah nol, tetapi sebenarnya sangat kecil.

Strogatz (20:42): Saya mendengar orang terkadang berbicara tentang 10 pangkat 120. Apakah Anda memberi tahu saya bahwa energi vakum dibandingkan dengan energi Planck, apakah itu faktor yang sedang kita bicarakan sekarang?

Garcia Garcia (20:54): Ya.

Strogatz: 10 ke minus 120, atau semacamnya?

Garcia Garcia (20:57): Ya. Jadi ketika orang berbicara tentang angka 10120 ini, itu adalah rasio yang disebut kepadatan energi. Jadi jika saya mengambil skala Planck, yaitu 1018, kira-kira gigaelektron-volt, dibagi dengan angka yang baru saja saya katakan, kira-kira cenderung seperti satu milielektron-volt, Dan saya menaikkan rasio itu menjadi pangkat empat . Di situlah angka 10120 ini muncul.

Strogatz (21:23): Uh huh. Menaikkan ke kekuatan keempat, mengapa? Karena empat dimensi dalam ruang-waktu?

Garcia Garcia (21:27): Ya, empat dimensi ruang-waktu, itulah yang kami maksud dengan kepadatan energi vakum.

Strogatz (21:30): Oke.

Garcia Garcia (21:31): Ya. Jadi di situlah kekuatan keempat muncul. Dan ketika kami mencoba untuk menghitung dalam konteks teori kuantum, kontribusi dinamis dari semua bidang yang kami miliki di sekitar energi vakum ini — di mana kami benar-benar menghitung kerapatan energi ini dalam teori medan kuantum, kami menemukan bahwa energi vakum tidak terbatas — bahwa dapat disempurnakan. Dan faktanya, dalam teori yang sebenarnya, di mana ada energi maksimum yang dapat kita buktikan bahwa pendulum kecil kita dapat bergerak, jawabannya sebenarnya tidak terbatas. Ternyata terbatas. Tapi dalam segala hal yang kita tahu tentang bagaimana melakukan perhitungan itu, jawaban yang kita temukan terlalu besar secara naif.

(22:10) Jadi misalnya, bahkan dalam konteks Model Standar fisika partikel, kita memiliki banyak sekali partikel dan medan di sekitarnya. Anda sebenarnya dapat menghitung dengan pena dan kertas apa yang akan menjadi kontribusi fluktuasi medan tersebut terhadap kepadatan energi ruang hampa. Dan itu menjadi sesuatu yang sebanding dengan semacam skala yang relevan dalam masalah kekuatan keempat. Jadi elektron akan memberikan kontribusi energi vakum sebagai massa keempat elektron. Tetapi bahkan itu banyak, banyak kali lipat dari apa yang kami temukan secara observasi. Jadi ada teka-teki ini dengan nama masalah konstanta kosmologis, yaitu bahwa nilai terukur sebenarnya dari densitas energi vakum jauh lebih kecil daripada semua skala energi relevan lainnya yang kita tahu ada di alam. Dan kerangka kalkulasi kami untuk memahami perbedaan itu tidak memberi kami jawaban.

Strogatz (23:04): Hmm. Mari berhenti sejenak untuk membiarkan, semacam, meresapinya, karena acara kami adalah tentang pertanyaan besar yang belum terjawab dalam matematika dan sains. Dan sepertinya Anda baru saja menyentuh salah satunya. Jadi konstanta kosmologis, kekecilannya, adalah salah satu misteri raksasa dalam fisika saat ini, jika saya tidak salah dengar.

Garcia Garcia (23:22): Benar. Jadi konstanta kosmologis persis seperti yang kita maksud saat kita mengatakan kerapatan energi ruang hampa. Dan fakta bahwa secara pengamatan kita melihatnya sangat kecil dibandingkan dengan semua skala energi relevan lainnya yang kita ketahui di alam, itu tetap menjadi masalah yang paling membingungkan secara konseptual dalam fisika partikel.

Strogatz (23:42): Lalu, bisakah Anda meringkas, mengapa ruang hampa begitu penting untuk dipelajari fisikawan?

Garcia Garcia (23:47): Dalam arti tertentu, ruang hampa itu seperti titik awal dari teori apa pun. Itu adalah bagian dari definisi di mana teori Anda berada. Anda mendefinisikan keadaan vakum Anda sebagai sesuatu di mana tidak ada yang dapat dihilangkan darinya. Dalam istilah teknis, terkadang kami mengatakan seperti ruang hampa tidak dapat dimusnahkan, tidak ada yang tersisa untuk dihilangkan. Dan di atas semua itu, Anda membangun yang lainnya. Jadi properti dari keadaan vakum ini memengaruhi properti dari semua hal lain yang akan Anda bangun di atasnya. Mereka memengaruhi sifat-sifat teori Anda, pada skala energi lainnya. Jadi ini seperti pilar dari sisa teori Anda yang akan Anda gunakan untuk mendeskripsikan alam.

Strogatz (24:24): Jadi apakah masalah dengan konstanta kosmologis ini begitu kecil, apakah itu masalah utama yang ditimbulkan oleh ruang hampa? Atau ada masalah besar lain yang harus kita diskusikan juga?

Garcia Garcia (24:34): Ada berbagai teka-teki tentang ruang hampa yang ditemukan alam semesta. Fakta bahwa kerapatan energi vakum yang dimiliki konstanta kosmologis, nilai yang sangat kecil ini tentu saja merupakan salah satu yang paling membingungkan. Dan secara kuantitatif angka 10120 ini memperjelas bahwa besarnya itu melampaui apa pun yang dapat kita bayangkan. Jadi itu adalah salah satu masalah yang paling serius. Tapi itu sama sekali bukan satu-satunya misteri kekosongan kita. Ada sifat lain dari ruang hampa kita yang juga agak misterius. Dan asal usulnya, kami tidak mengerti.

Strogatz (25:09): Anda pasti memberi saya perasaan bahwa masih banyak yang harus ditemukan dalam fisika. Bahwa ada banyak masalah yang sangat serius dengan Model Standar dan pemahaman kita saat ini. Dan saya kira ini adalah pandangan konsensus bahwa kurang lebih semua fisikawan yang mempelajari pertanyaan mendasar seperti yang Anda kerjakan, akan setuju. Ada banyak hal untuk…

(25:30) Oke, jadi mari kita mulai membicarakan beberapa pekerjaan Anda. Saya ingin tahu apakah kita harus mulai dengan membicarakan hal-hal seperti peluruhan vakum, gagasan tentang vakum sejati, vakum palsu. Bisakah kita mulai dari sana? Apakah itu tempat yang baik untuk memulai?

Garcia Garcia (25:40): Ya. Jadi sekali lagi, dalam kerangka fisika klasik, hanya ada yang namanya “ruang hampa”. Jika Anda terjebak dalam keadaan ini yang tidak memiliki energi dan tidak ada cara lain – seperti ini adalah keadaan yang meminimalkan energi dan ke mana pun Anda pergi dari sana, energi keadaan Anda meningkat. Pada dasarnya, Anda akan terjebak di sana secara efektif selamanya.

(26:03) Nah, itu adalah sesuatu yang tidak lagi benar dalam konteks mekanika kuantum. Dan di situlah ide seperti tunneling dan peluruhan vakum ini pertama kali muncul. Jadi Anda dapat membayangkan Anda berada dalam sistem di mana Anda berada dalam ruang hampa dengan beberapa potensi, Anda seperti menghapus semua yang mungkin dapat Anda hapus. Dan Anda berada dalam keadaan ini yang memiliki energi vakum tertentu. Jadi itulah yang kami sebut vakum Anda. Tapi bisa jadi ada beberapa wilayah lain dari ruang parameter dalam teori Anda yang ternyata, Anda juga bisa menghilangkan sesuatu dengan cara yang agak berbeda, dan energi ruang hampa itu sebenarnya lebih kecil.

(26:43) Sekarang, dalam fisika klasik, Anda sebenarnya tidak dapat benar-benar beralih dari satu ke yang lain sambil menghemat energi secara keseluruhan. Tapi dalam mekanika kuantum, Anda bisa. Anda dapat membuat terowongan dari ruang hampa yang memiliki energi sedikit lebih besar ke ruang hampa lain ini, yang dalam bahasa sehari-hari akan kita sebut sebagai ruang hampa sejati, yang memiliki energi ruang hampa yang bahkan lebih kecil, agak lebih kecil. Dan kami menyebutnya vakum sejati karena, Anda tahu, jika Anda memulai dalam vakum palsu yang memiliki energi vakum agak lebih besar, jika Anda menunggu cukup lama, kemungkinan mekanika kuantum bahwa Anda benar-benar membuat terowongan sendiri ke vakum energi rendah lainnya ini , probabilitas itu akan menjadi lebih dari satu. Dan pada akhirnya, Anda hanya perlu menunggu cukup lama, di situlah Anda akan berakhir.

Strogatz (27:24): Hanya untuk memastikan bahwa kita semua memiliki gambaran yang tepat di kepala kita. Gagasan bahwa ada ruang hampa yang tidak unik, Anda dapat berbicara tentang dua yang berbeda – saya berasumsi lebih dari dua, mungkin, tetapi setidaknya dua: ruang hampa yang salah dan benar. Dalam hal pembuatan terowongan, dan seterusnya, mungkin Anda bisa memberi kami gambaran klasik di mana kami memikirkan lanskap dengan sumur, lalu punuk, lalu sumur yang lebih dalam, dan Anda tahu, seperti itu. Bisakah Anda menggambarkan ide semacam itu?

Garcia Garcia (27:50): Ya. Sebelum kita membahasnya, izinkan saya memberi Anda contoh yang mungkin lebih akrab bagi kita dalam konteks fisika termal. Jadi kita terbiasa, misalnya, peristiwa yang agak mirip, ketika kita, misalnya, Anda tahu, jika Anda memasukkan sepanci air ke dalam kompor, Anda memanaskannya, akhirnya akan muncul gelembung di air yang berisi uap dan kemudian air akan menguap dengan cara ini, bukan? Jadi, dalam arti tertentu, sistem Anda, yang dalam hal ini adalah air, seperti alam semesta Anda adalah air, telah beralih ke keadaan lain ini, yang pada suhu tinggi adalah keadaan yang lebih disukai, yaitu uap, benar, seperti gas. . Jadi itu terjadi akibat fluktuasi termal, bukan akibat fluktuasi mekanika kuantum. Tetapi pada dasarnya, bahkan pada suhu nol, mekanika kuantum memiliki cara untuk memunculkan proses seperti itu, di mana sistem yang tidak dalam keadaan yang disukai sebenarnya dapat mengurutkan terowongan kuantum secara mekanis dengan membuat semacam nukleasi, seperti, gelembung vakum baru ini. ke dalam keadaan baru ini, yang akan menjadi kehampaan sejati.

Strogatz (28:55): Itu sangat membantu. Itu menarik. Saya tidak memiliki gambaran itu di kepala saya. Tapi saya suka itu, terutama dengan kata \”nucleate\”. Karena saya sadar, dalam kasus fisika termal, Anda dapat memiliki cairan yang tidak ingin menjadi cairan lagi. Ia ingin menjadi…

Garcia Garcia (29:07): Benar. Jadi terjebak dalam kekosongan palsu.

Strogatz (29:10): Oke, macet. Dan kemudian dibutuhkan peristiwa nukleasi untuk memicunya. Gelembung itulah yang perlu kita bicarakan, seperti gelembung kehampaan yang mengembang. Agak, kecuali dalam pengaturan termal ini, bukan pengaturan kuantum.

Garcia Garcia (29:22): Ya. Jadi itu semacam analogi tetapi dinamikanya, semacam gambaran yang harus Anda pikirkan seperti sistem dalam keadaan tertentu dengan energi tertentu dan kemudian harus melintasi penghalang energi ini agar dapat menempatkan dirinya sendiri pada vakum yang lebih rendah ini. Dalam kasus fisika termal, ini terjadi sebagai akibat dari fluktuasi termal yang memungkinkan Anda melompati punuk. Dalam kasus mekanika kuantum, mekanika kuantum memiliki cara yang memungkinkan Anda untuk hanya membuat terowongan melalui punuk dan masuk ke ruang hampa yang dekat.

Strogatz (29:48): Wah. Jadi sekarang mengapa kita tidak mulai berbicara tentang dimensi ekstra, karena sebelumnya Anda menyinggung gagasan bahwa sampai kita memasukkan gravitasi ke dalam cerita ini, Anda seharusnya tidak memikirkan ruang hampa dalam fisika modern tanpa memasukkan gravitasi. Kami membutuhkan gravitasi untuk menjadi bagian dari cerita.

Garcia Garcia (30:04): Ya, gravitasi adalah unsur penting dalam memahami semua konsep ini. Apa kekosongan teori itu, khususnya apa energi vakum itu, secara konseptual juga apa efek kuantitatifnya. Jadi gravitasi jelas merupakan bagian yang penting.

Strogatz (30:16): Jadi haruskah kita berbicara tentang gagasan teori string dan dimensi tambahan? Saya akan membiarkan Anda memimpin tentang konsep apa yang perlu kita ketahui terlebih dahulu.

Garcia Garcia (30:24): Sebagaimana diketahui, teori terkemuka, dan sebenarnya satu-satunya teori yang kita ketahui tentang jenis yang berhasil memahami mekanika kuantum dan relativitas umum secara bersamaan, adalah teori string. Dan merupakan sifat dari teori string bahwa teori tersebut hanya dapat didefinisikan secara konsisten dalam ruang-waktu yang memiliki dimensi lebih dari empat. Hal-hal dapat sedikit berbeda, tetapi biasanya teori string harus dirumuskan dalam 10 dimensi ruang-waktu.

(30:52) Nah, itu aneh karena jelas dalam pengalaman kita sehari-hari, kita tahu bahwa kita hidup di alam semesta di mana ruang-waktu adalah empat dimensi. Kita memiliki tiga dimensi dalam ruang ditambah waktu, sehingga membuat ruang-waktu kita menjadi empat dimensi. Jadi, apa yang terjadi dengan enam dimensi spasial ekstra yang disertakan dalam teori string? Dan jawabannya adalah bahwa untuk deskripsi alam yang berhasil, dimensi ruang tambahan itu perlu apa yang kita sebut dipadatkan. Jadi, dengan dipadatkan, yang kami maksud hanyalah cara mewah untuk mengatakan bahwa dimensi ekstra itu harus super, super kecil. Sangat kecil sehingga tidak hanya kita tidak melihatnya, kita tidak dapat mengalaminya dalam kehidupan kita sehari-hari. Mereka seperti benar-benar tersembunyi dari pandangan kita, dari pengalaman kita.

Strogatz (31:46): Baiklah, ke mana selanjutnya?

Garcia Garcia (31:48): Jadi, izinkan saya mengatakan sedikit lagi. Ya, izinkan saya mengatakan sedikit lagi. Eksperimen, dengan cara berbeda, mencari dimensi tambahan. Sejauh ini, kami belum menemukan bukti bahwa ada, tetapi kemungkinan logis bahwa mungkin ada lebih banyak dimensi spasial di alam semesta kita daripada yang kami amati. Dan terlebih lagi, itu adalah fitur dari teori gravitasi kuantum ini, satu-satunya teori gravitasi kuantum yang kita miliki adalah teori string. Jadi, jika dimensi ekstra ini ada, mereka perlu dipadatkan. Sangat kecil.

(32:16) Dan itu, omong-omong, adalah sifat lain dari ruang hampa tempat kita hidup. Jadi bisa saja ada, dan mungkin ada dalam teori umum, kekosongan lain di mana dimensi tambahan itu mungkin tidak terbatas. Mereka tidak kompak, seperti yang kita alami. Pasti sifat dari ruang hampa kita adalah bahwa semua dimensi ekstra itu dipadatkan. Sekarang, jika Anda memulai dengan sebuah teori, seperti teori string yang memiliki 6 dimensi tambahan. Dan pada semua dimensi yang berbeda itu, ada banyak bidang lain di luar bidang yang kita miliki di Model Standar tempat bidang ini menyebar. Saat kita memadatkan teori dari 10 dimensi ini ke ruang-waktu empat dimensi kita, ternyata ada banyak cara untuk melakukan ini. Jumlah kombinasi di mana Anda dapat memadatkan sesuatu dan, Anda tahu, bidang dapat berperilaku seperti ini saat Anda memadatkan ke 4D adalah sesuatu yang tumbuh sangat cepat. Ini mengarah ke gambaran ini yang dibuat lebih tepat di awal tahun 2000-an oleh Raphael Bousso dan Joe Polchinski bahwa teori string hadir dengan lanskap luas kemungkinan vakum empat dimensi yang muncul sebagai hasil dari semua cara yang memungkinkan Anda dapat membawa teori string sampai empat dimensi.

Strogatz (33:37): Jadi ini semua adalah alam semesta yang bisa dibayangkan, menurut saya, yang konsisten dengan teori string. Hanya saja kita kebetulan – maksud saya, dengan asumsi teorinya benar, kita tinggal di salah satunya secara lokal, saya kira, benar?

Garcia Garcia (33:51): Itulah idenya. Pada prinsipnya, alih-alih memprediksi satu teori alam, yaitu, Anda tahu, sesuatu yang terlihat seperti alam semesta kita, teori string tampaknya akan memprediksi sesuatu seperti lanskap kemungkinan alam semesta yang luas ini, yang sebagian besar tidak terlihat seperti alam semesta kita. semesta.

Strogatz (34:09): Jadi pekerjaan Anda sendiri: Apakah beberapa dari teori ini tidak stabil?

Garcia Garcia (34:13): Ya. Jadi, saya ingin menekankan bahwa penemuan itu, jika saya boleh mengatakannya, seperti penemuan teoretis, lebih tepatnya, lanskap teori string, itu merupakan kejutan besar, menurut saya, bagi komunitas fisika teoretis. Dan itu benar-benar seperti tour de force, saya pikir itu benar-benar mengubah perspektif tentang apa yang sebenarnya kita harapkan dari teori string bagi banyak orang. Dan dalam banyak hal, ini sangat meresahkan. Sepertinya kita memiliki teori yang tidak memprediksi apa pun, karena memprediksi segalanya.

(34:39) Jadi bagaimana kita memilih? Seperti, bagaimana kita bisa menjelaskan ciri-ciri alam semesta tempat kita tinggal? Seperti, mengapa kita hidup dalam satu ruang hampa tertentu dan bukan ruang hampa lainnya? Ketika Anda memiliki 10.500 kemungkinan, itu sepertinya permintaan yang sangat sulit.

(34:53) Sebelum penemuan lanskap string, kami tidak dapat menjelaskan ukuran konstanta kosmologis dan orang-orang mencoba mencari argumen mengapa ukurannya bisa sebesar itu. Dan semacam argumen terkenal oleh mendiang pemenang Hadiah Nobel Steve Weinberg yang mungkin pernah Anda dengar dengan nama argumen antropik adalah sebagai berikut: Jika konstanta kosmologis adalah nilai lain, alam semesta seperti milik kita, di mana galaksi ada dan orang-orang seperti kami ada, dan di mana orang-orang seperti kami dapat melakukan fisika, dan sebenarnya, Anda tahu, membuat teleskop dan melakukan pengamatan yang memungkinkan kami mengukur energi vakum dan karena itu memperdebatkannya, bahwa alam semesta tidak akan ada jika energi vakum akan menjadi apa pun selain kira-kira nilai yang telah kami amati.

(35:37) Seperti, misalnya, jika jumlahnya jauh lebih besar, alam semesta akan mengembang jauh lebih cepat, dengan cara yang akan mencegah, misalnya, galaksi terbentuk dan planet terbentuk, dll. Jadi dia membuat argumen antropik yang memiliki sesuatu untuk itu di satu sisi. Tetapi pada saat yang sama, hal itu membuat banyak fisikawan merasa tidak nyaman karena kita menginginkan teori alam semesta, dan kita tidak suka merujuk pada diri kita sendiri, menempatkan diri kita, manusia, di tengah-tengah suatu argumen besar. mengapa hal-hal harus seperti ini. Benar? Rasanya, rasanya mundur, rasanya, fisika harus melampaui ini. Seperti, kami memiliki gagasan bahwa, Anda tahu, kami tidak istimewa, seperti tempat kami di alam semesta tidak istimewa sama sekali. Jadi mengapa kita harus mengacu pada keberadaan kita sendiri untuk menjelaskan pengamatan ini?

(36:22) Lalu penemuan lanskap string benar-benar membuat argumen antropik itu lebih tepat, karena sebenarnya, sekarang, ada lanskap vakum, di mana Anda dapat membayangkan memindai nilai, seperti, konstanta kosmologis dan semacamnya membuat argumen lebih tepat dan berkata, “Ya, sebenarnya ada semua kemungkinan lain di mana alam semesta seperti kita tidak ada. Jadi pastilah kita hidup di tempat di mana alam semesta seperti milik kita memungkinkan.” Ada orang di bidang kami yang berdamai dengan gagasan yang mungkin merupakan satu-satunya cara kami untuk memahami ukuran konstanta kosmologis. Tetapi banyak orang juga merasa sangat tidak nyaman.

(36:59) Dan saya pikir – saya pasti salah satu dari orang-orang itu, karena saya merasa ini memberi tahu kita bahwa kita benar-benar kehilangan sesuatu yang konseptual tentang keseluruhan gambar. Jadi, Anda tahu, salah satu jalan keluar yang mungkin dari keharusan membuat argumen antropis ini tetapi yang masih bisa hidup berdampingan dengan keberadaan lanskap teori string adalah, jika, pada kenyataannya, banyak dari kekosongan lain itu sebenarnya tidak cocok untuk tidak hanya hidup seperti kita tapi, seperti, apapun. Setiap kehidupan.

(37:09) Jadi di situlah pentingnya memahami stabilitas semua vakum yang berbeda itu. Jika banyak dari vakum lain itu berumur sangat pendek, itu hanya ada untuk waktu yang sangat singkat — jadi Anda tahu, jumlah waktu yang lebih kecil dari usia alam semesta kita saat ini — maka itu tidak akan membiarkan kekosongan bagi kita untuk hidup.

Strogatz (37:54): Benar, kedengarannya seperti jenis kriteria yang sangat masuk akal untuk dipikirkan, dari 10.500 kemungkinan ini, yang mana… Tidak terlalu ramah terhadap kehidupan, seperti yang Anda katakan, tetapi hanya ramah terhadap apa pun , untuk memiliki struktur apa pun atau apa pun di dalamnya selain hanya… Apakah itu intinya? Bahwa alam semesta yang dapat mempertahankan apa pun, bukan seperti langsung runtuh ke dalam ruang hampa tanpa apa pun di dalamnya?

Garcia Garcia (38:20): Ya. Jadi ada berbagai jenis ketidakstabilan yang rentan terhadap vakum ini. Anda tahu, mereka dapat beralih dari ruang hampa saat ini menjadi seperti ruang hampa lain yang terlihat serupa, tetapi sedikit berbeda dari yang sebelumnya. Tapi kemudian ada kemungkinan luar biasa yang ditemukan oleh [Edward] Witten di awal tahun 80-an, bahwa dalam teori yang memiliki dimensi ekstra, ruang hampa sebenarnya dapat meluruh menjadi sesuatu yang benar-benar tidak ada. Dan sebenarnya tidak ada, yang kami maksud sebenarnya, wilayah di mana bahkan ruang-waktu tidak ditentukan. Seperti, bahkan ruang-waktu tidak ada lagi dalam ruang hampa itu. Jadi itu akan menjadi kandidat untuk ketiadaan yang sebenarnya dalam konteks, Anda tahu, teori kuantum.

Strogatz (39:04): Wow, haruskah saya membayangkan semacam lubang? Apakah ini akhir dari ruang-waktu atau sesuatu di sisi lain?

Garcia Garcia (39:09): Ya. Izinkan saya menjelaskan terlebih dahulu contoh paling sederhana di mana kemungkinan dramatis seperti itu dapat terjadi. Jenis ketidakstabilan ini hanya dapat terjadi pada teori yang mengandung dimensi tambahan. Dan seperti yang telah kita bahas sebelumnya, dimensi ekstra tersebut harus dipadatkan. Jadi kita bisa membayangkan alam semesta empat dimensi dengan dimensi kelima yang mungkin Anda tahu, sebuah lingkaran kecil. Gelembung ketiadaan dapat bernukleasi dalam ruang hampa empat dimensi ini dan itu akan terlihat sangat mirip gelembung bola yang di dalamnya tidak ada apa-apa, ruang-waktu tidak ada lagi. Jadi dengan cara yang agak teliti, permukaan gelembung ini adalah akhir dari ruang-waktu. Jadi gelembung semacam ini akan berinti. Dan kemudian akan mulai mengembang dengan sangat cepat, sangat cepat mendekati kecepatan cahaya. Dan pada akhirnya, sejauh yang kami tahu, Anda benar-benar memakan seluruh alam semesta.

Strogatz (40:05): Dan ini adalah sesuatu yang Anda dan kolega Anda perhitungkan dalam makalah yang cukup baru,

Garcia Garcia (40:10): Benar. Jadi Witten menemukan ketidakstabilan ini di awal tahun 80-an. Dan dia menghitung kemungkinan terjadinya proses itu, tergantung pada ukuran dimensi ekstra. Apa yang saya lakukan dengan kolaborator saya, Patrick Draper dan Ben Lillard, kami benar-benar mengajukan pertanyaan, dalam teori yang lebih realistis di mana dimensi ekstra itu distabilkan secara dinamis, apakah ada bidang lain yang bertanggung jawab atas ukuran dimensi ekstra itu? Tampaknya naif seperti itu akan membuat sangat sulit dalam praktiknya untuk jenis ketidakstabilan itu tetap relevan. Jadi kami mengajukan pertanyaan, dalam model realistis, dalam situasi realistis, seberapa besar kemungkinan hal ini terjadi? Atau apakah ini hanya pengamatan matematis yang tidak dapat benar-benar terjadi dalam teori fisika? Dan yang kami sadari adalah, faktanya, kelas ketidakstabilan ini lebih kuat dari yang diyakini sebelumnya. Mereka sebenarnya bisa eksis dalam keadaan yang lebih umum daripada yang dilakukan sebelumnya.

Strogatz (41:10): Dan apakah dengan syarat dimensi yang digulung itu seperti lingkaran kecil Anda yang ditambahkan ke ruang-waktu di setiap titik? Apa, lingkaran itu harus di bawah ambang ukuran tertentu? Apakah itu idenya, atau di atas, atau bagaimana cara kerjanya?

Garcia Garcia (41:23): Ya, jadi laju nukleasi secara dominan bergantung pada ukuran dimensi ekstra. Jadi jika dimensi ekstra terlalu besar, proses ini menjadi terlalu sulit untuk dilakukan. Tapi itu sudah diketahui. Namun terlebih lagi, detail sektor apa saja yang bertanggung jawab atas pemadatan dimensi ekstra ini? Di bawah asumsi umum, detail tersebut sebagian besar tidak relevan. Jadi kami juga menentukan dalam keadaan apa dinamika sektor yang menentukan ukuran dimensi ekstra itu dapat mematikan jenis ketidakstabilan ini dan dalam keadaan apa itu tetap menjadi cara yang layak di mana alam semesta dapat menghancurkan dirinya sendiri.

(41:23) Bagi kami, itu adalah cara untuk mulai menjelajahi lanskap empat dimensi umum dari ruang hampa, mencoba menghitung apakah sebagian dari ruang hampa lain ini benar-benar peka terhadap pembusukan ini menjadi gelembung kehampaan, sebagai lawan untuk meluruh menjadi keadaan akhir lain yang lebih masuk akal.

Strogatz (42:25): Jadi permainan besar yang Anda coba bahas di sini, kembali ke poin tentang prinsip antropik dan argumen Weinberg, adalah jenis pekerjaan ini — belum lagi pekerjaan Anda persisnya – tetapi semangat pekerjaan Anda mungkin merupakan jalan keluar dari argumen antropik ini untuk menjawab misteri besar ini.

Garcia Garcia (42:43): Tepat sekali. Dengan tepat.

Strogatz (42:45): Kecilnya energi vakum.

Garcia Garcia (42:47): Memang, itu akan menjadi semacam, masih mengambil konsep lanskap vakum besar yang diprediksi oleh teori gravitasi kuantum, seperti teori string, tetapi mampu memilah dari memilih ruang hampa yang benar-benar menjadi tuan rumah alam semesta kita dengan cara yang tidak memerlukan argumen seleksi antropik yang begitu, dalam arti tertentu, tidak seperti fisika dalam banyak hal.

Strogatz (43:13): Tepat sekali. Nah, ini sangat menyenangkan, Isabel. Terima kasih. Kami telah berbicara dengan fisikawan teoretis Isabel Garcia Garcia. Sekali lagi, terima kasih banyak karena telah menjelaskan tentang ketiadaan.

Garcia Garcia (43:24): Terima kasih sudah menerima saya.

Penyiar (43:25): Perjalanan ruang angkasa bergantung pada matematika yang cerdas. Temukan tata surya yang belum dijelajahi di game matematika harian baru Quanta Magazine, Hyperjumps. Hyperjumps menantang Anda untuk menemukan kombinasi angka sederhana untuk membawa roket Anda dari satu planet ekstrasurya ke planet berikutnya. Peringatan spoiler: Selalu ada lebih dari satu cara untuk menang. Uji aritmatika astral Anda di hyperjumps.quantamagazine.org.

Strogatz (43:54): “The Joy of Why” adalah podcast dari Quanta Magazine, publikasi independen editorial yang didukung oleh Simons Foundation.

Terjemahan Podcast dari Quantamagazine