"Keanehan" Semesta

Alam semesta kadang akan terlihat sangat aneh. Meskipun ide-ide inovatif seperti teori kuantum, relativitas dan bahkan bumi yang mengelilingi Matahari, sekarang secara umum diterima, ilmu pengetahuan masih terus menunjukkan bahwa alam semesta berisi hal-hal yang mungkin akan sulit untuk percaya. Hal ini sangat normal, karena cara berpikir kita terbentuk dari pengalaman kita, dan dari apa yg kita lihat, kita baca dan kita rasakan. Jadi apa-apa yang kita belum pernah punya pengalaman tentangnya, dan belum pernah kita lihat, baca dan rasakan, pasti akan terasa sangat aneh bin ajaib bagi kita.

ENERGI NEGATIF

Secara teori, suhu terendah yang bisa dicapai adalah nol mutlak, tepatnya -273,15 derajat celcius, di mana gerakan semua partikel benar-benar berhenti. Namun, anda tak pernah dapat mendinginkan sesuatu pada suhu ini karena, dalam kuantum mekanik, tiap partikel mempunyai energi minimum, disebut “energi titik nol”, yang tak dapat anda tembus. Hebatnya, energi minimum ini tidak hanya berlaku untuk partikel, tetapi juga pada ruang hampa sembarang, yang energinya disebut “energi hampa”. Untuk membuktikan bahwa energi ini memang ada memerlukan percobaan sederhana – ambil dua lempeng besi dalam ruang hampa, letakkan berdekatan, maka keduanya akan tarik-menarik. Ini disebabkan oleh energi di antara lempeng-lempeng yang dapat bergetar hanya dalam frekuensi tertentu, sedangkan di luar lempeng-lempeng ini energi hampa dapat bergetar pada sembarang frekuensi. Karena energi di luar lempeng lebih besar daripada energi di antara lempeng-lempeng maka lempeng-lempeng terdorong mendekati satu sama lain. Karena lempeng-lempeng makin mendekat, gaya membesar, dan pada jarak 10 nm efek ini (disebut efek Casimir) menciptakan lingkungan tekanan di antara keduanya. Karena lempeng-lempeng mengurangi energi hampa di antara keduanya menjadi di bawah energi titik nol, ruang kosong ini dikatakan memiliki energi negatif, yang sifatnya aneh.

Salah satu sifat ruang hampa berenergi negatif adalah cahaya bergerak lebih cepat di dalamnya daripada di ruang hampa normal, sesuatu di masa depan yang dapat membuat orang bergerak melebihi kecepatan cahaya melalui semacam gelembung hampa berenergi negatif. Energi negatif juga dapat dipakai untuk menahan lubang-cacing perantara terbuka, yang meskipun secara teori memungkinkan, akan runtuh segera setelah tercipta sebab tiada alat untuk menahannya terbuka. Energi negatif juga membuat lubang-hitam menguap. Energi hampa sering dimodelkan seperti partikel semu yang meledak menjadi ada dan hancur. Hal ini tidak melanggar hukum kekekalan energi sepanjang partikel ini segera hancur. Namun, bila dua partikel dibuat pada horison peristiwa (event horizon) sebuah lubang hitam, salah satu akan menjauhi lubang hitam, sedangkan lainnya terperosok ke dalamnya. Hal ini berarti keduanya tidak bisa hancur, sehingga keduanya akhirnya memiliki energi negatif. Ketika partikel berenergi negatif terperosok ke dalam lubang hitam, dia akan mengurangi massa lubang hitam alih-alih menambahnya sehingga lambat laun partikel seperti ini akan menguapkan lubang hitam sepenuhnya. Karena teori ini diungkapkan pertama kali oleh Stephen Hawking, partikel yang menjauh karena efek ini (yang tidak terperosok ke dalam lubang hitam) disebut radiasi Hawking. Ini adalah teori pertama yang menyatukan teori kuantum dengan relativitas umum sehingga merupakan penemuan ilmiah terbesar Hawking yang terkini.

FRAME DRAGGING

Salah satu prediksi teori relativitas umum einstein adalah bahwa ketika sebuah benda yang sangat besar bergerak, dia akan menyeret ruang-waktu di sekitarnya, menyebabkan objek2 terdekat ikut terseret bersama. Hal ini dapat terjadi jika benda besar bergerak dalam garis lurus atau berputar, dan, meskipun efeknya sangat kecil, secara eksperimental telah diverifikasi. Satelit Gravity Probe B yang diluncurkan pada tahun 2004, dirancang untuk mengukur distorsi ruang-waktu di dekat Bumi. Meskipun sumber gangguan lebih besar dari yang diharapkan, efek frame dragging ini telah diukur dengan ketidakpastian 15%, diharapkan analisis lebih lanjut dapat mereduksi ketidakpastian ini.

Efek yang diharapkan sangat dekat dengan prediksi: karena rotasi Bumi, satelit itu ditarik dari orbitnya sekitar 2 meter per tahun, efek ini murni disebabkan oleh massa Bumi yang mendistorsi ruang-waktu di sekitarnya. Satelit itu sendiri tidak akan merasakan percepatan ekstra ini karena tidak disebabkan oleh percepatan pada probe, tetapi lebih pada ruang-waktu dimana satelit itu melintas - analoginya sama dengan menarik karpet dibawah meja, daripada memindahkan meja itu sendiri .

Relativitas Keserentakan

Relativitas simultanitas adalah gagasan bahwa apakah dua peristiwa terjadi bersamaan atau tidak adalah relatif dan tergantung pada pengamat. Ini adalah konsekuensi aneh dari teori relativitas khusus, dan berlaku untuk setiap peristiwa yang terjadi yang dipisahkan oleh suatu jarak. Sebagai contoh, jika ada dua buah kembang api yang satu dilepaskan di Mars dan yang lain di Venus, salah seorang pengamat yang bergerak ke suatu arah ruang bisa mengatakan kedua kembang api tersebut dilepaskan pada waktu yang sama (karena kompensasi untuk waktu yang dibutuhkan cahaya untuk menjangkau mereka), sementara pengamat lain yg bepergian dengan kearah yang lain mungkin mengatakan kembang api di Mars lah yang dilepaskan pertama, dan bisa jadi pula pengamat yang lain lagi mengatakan yang di Venus lah yang dilepaskan terlebih dulu. Hal ini disebabkan oleh sudut pandang yang berbeda menjadi terdistorsi dibandingkan satu sama lain dalam relativitas khusus. Dan karena mereka semua relatif, tak seorangpun pengamat dapat dikatakan memiliki sudut pandang yang benar. atau tak seorangpun pengamat dapat dikatakan memiliki sudut pandang yang salah.

Hal ini dapat menyebabkan skenario yang sangat tidak biasa, seperti seorang pengamat menyaksikan akibat sebelum dia menyaksikan penyebab (misalnya, melihat bom meledak, kemudian dia melihat seseorang yg mengaktifkan bom yg meledak tadi). Namun, setelah pengamat melihat efeknya, mereka tidak dapat berinteraksi dengan penyebabnya tanpa bepergian lebih cepat dari kecepatan cahaya, inilah yang merupakan salah satu alasan utama bahwa berjalan lebih cepat dari cahaya itu tidak mungkin dilakukan, karena mirip dengan perjalanan waktu , dan alam semesta di mana Anda dapat berinteraksi dengan penyebabnya setelah efek adalah alam semesta yang tidak masuk akal.

DAWAI HITAM (Black String)

Salah satu misteri terlama yang tersisa di bidang fisika adalah bagaimana gravitasi berhubungan dengan gaya-gaya dasar lain misalnya elektromagnetik. Salah satu teori, diajukan pertama kali pada tahun 1919, menunjukkan bahwa jka sebuah dimensi tambahan ditambahkan ke alam semesta, gravitasi tetap ada pada empat dimensi yang pertama (tiga dimensi ruang dan waktu), namun cara empat dimensi ini melengkung terhadap dimensi kelima, secara alami menghasilkan gaya dasar lain. Namun, kita tak dapat melihat atau mendeteksi dimensi kelima ini, maka dimensi tambahan ini diduga terlipat sehingga tak terlihat oleh kita. Teori ini mengarah ke teori senar, dan masih termasuk hal penting dalam sebagian besar analisa teori senar.

Karena dimensi tambahan amat kecil, hanya benda mungil, misalnya partikel. Yang dapat bergerak di sepanjang dimensi ini. Dalam kasus-kasus ini, benda-benda ini segera berakhir tepat pada saat mereka baru saja mulai karena dimensi tambahan terlipat dalam dirinya sendiri. Namun, salah satu benda yang jauh lebih rumit dalam lima dimensi adalah sebuah lubang hitam. Ketika diperpanjang menjadi lima dimensi, lubang bitam menjadi sebuah “senar hitam,” dan tidak seperti lubang hitam 4 dimensi, yang ini tidak stabil (ini mengabaikan kenyataan bahwa lubang hitam 4 dimensi akhirnya menguap). Senar hitam ini akan berubah menjadi senar utuh lubang hitam, terhubung dengan senar hitam berikutnya, hingga senar-senar ini terlepas semuanya dan menyisakan serangkaian lubang hitam. Lubang hitam 4 dimensi ini kemudian bergabung menjadi satu lubang hitam yang lebih besar. Yang paling menarik dari hal ini adalah, dengan memakai model yang ada, lubang hitam akhir adalah sebuah ketunggalan “bugil” (“naked” singularity). Yaitu, tidak ada cakrawala kejadian yang mengelilinginya. Ini melanggar Hipotesa Cosmic Censorship yang menyebutkan bahwa semua ketunggalan harus dikelilingi oleh sebuah cakrawala kejadian, untuk menghindari pengaruh perjalanan waktu yang dipercaya terjadi di dekat ketunggalan. Pengaruh perjalanan waktu ini dapat mengubah sejarah seluruh alam semesta, sebab pengaruh ini tak dapat lolos di belakang cakrawala kejadian.

GEON

Seperti yang telah ditunjukkan dalam persamaan E = MC2, energi dan materi terhubung secara fundamental. Salah satu efek dari hal ini adalah bahwa energi, serta massa, menciptakan medan gravitasi. Sebuah Geon, pertama diselidiki oleh John Wheeler, pada tahun 1955, adalah gelombang elektromagnetik atau gravitasi yang energinya menciptakan medan gravitasi, yang pada gilirannya memegang gelombang itu sendiri bersama-sama di ruang tertutup. Wheeler berspekulasi bahwa mungkin ada hubungan antara geons mikroskopis dan partikel dasar, dan bahwa mereka bahkan mungkin adalah sesuatu yang sama. Sebuah contoh yang lebih ekstrim adalah "kugelblitz" (Jerman untuk "bola petir"), yaitu cahaya yang sangat intens terkonsentrasi pada titik tertentu, sehingga gravitasi yang disebabkan oleh energi cahaya tadi menjadi cukup kuat untuk runtuh ke dalam lubang hitam, menjebak cahaya didalamnya. Meskipun tidak ada yang dapat mencegah pembentukan suatu kugelblitz, geons sekarang hanya diyakini mampu terbentukk sementara, karena mereka pasti akan kebocoran energi dan runtuh. Sayangnya hal ini menunjukkan bahwa dugaan awal Wheeler tidak benar, tapi ini belum terbukti secara definitif.

Antimateri Retrocausality

Antimateri adalah lawan dari materi. Mereka memiliki massa yang sama tetapi dengan muatan listrik yang berlawanan. Satu teori tentang mengapa ada antimateri dikembangkan oleh John Wheeler dan pemenang Nobel Richard Feynman didasarkan pada gagasan bahwa sistem fisik harus time reversibel. Sebagai contoh, orbit tata surya kita, jika diputar mundur, masih harus mematuhi semua aturan yang sama seperti ketika mereka bergerak ke depan. Hal ini menyebabkan gagasan bahwa antimateri hanya materi biasa yang mundur dalam waktu, dan ini menjelaskan mengapa antipartikel memiliki muatan yang berlawanan, karena jika sebuah elektron bersifat menolak saat berjalan kedepan dalam waktu, maka jika mundur dalam waktu bersifat menarik. Hal ini juga menjelaskan mengapa materi dan antimateri salingmemusnahkan. Kondisi ini bukanlah dari dua partikel yang bertabrakan dan menghancurkan satu sama lain; tetapi ini adalah partikel yang sama tiba-tiba berhenti dan mundur dalam waktu. Dalam vakum, di mana sepasang partikel virtual diproduksi dan kemudian dimusnahkan, ini sebenarnya hanyalah satu partikel yang bergerak dalam loop tak berujung, maju dalam waktu, kemudian mundur, kemudian maju lagi, dan seterusnya.

Sementara akurasi teori ini masih bisa diperdebatkan, memperlakukan antimateri sebagai materi yang mundur dalam waktu secara matematis menghasilkan solusi identik dengan lainnya, yaitu teori-teori yang lebih konvensional. Ketika pertama kali diteorikan, John Wheeler mengatakan bahwa mungkin hal ini menjawab pertanyaan mengapa semua elektron di alam semesta memiliki sifat identik, sebuah pertanyaan yang secara umum sering diabaikan. Dia menyarankan bahwa sebenarnya hanya satu elektron lah yang terus menerus melesat di seluruh alam semesta, dari Big Bang sampai akhir waktu dan kembali lagi, begitu seterusnya hingga tak terhingga. Meskipun ide ini melibatkan perjalanan mundur dalam waktu, tetapi tidak dapat digunakan untuk mengirim informasi ke masa lalu, karena model matematika tidak mengijinkan hal itu. Anda tidak dapat memindahkan sepotong antimateri untuk mempengaruhi masa lalu, karena dalam pemindahan itu Anda hanya mempengaruhi masa lalu dari antimateri itu sendiri, yaitu, masa depan Anda.

Kerr Black Hole

Jenis lubang hitam yang kebanyakan orang tahu adalah, yang memiliki horison cakrawala di luar yang bertindak sebagai "point of no return" dan titik singularitas kepadatan tak terbatas di dalam, inilah yang disebut lubang hitam Schwarzschild . Karena Karl Schwarzschild, yang menemukan solusi matematika dari persamaan medan Einstein untuk sebuah massa, bulat tidak-berputar pada 1915, hanya sebulan setelah Einstein menerbitkan teorinya relativitas umum. Namun, tidak sampai 1963 matematika Roy Kerr menemukan solusi untuk sebuah massa yang bola berputar. Oleh karena itu, sebuah lubang hitam yang berputar disebut lubang hitam Kerr, dan memiliki beberapa sifat yang tidak biasa.

Di pusat lubang hitam Kerr, tidak ada singularitas titik, melainkan sebuah singularitas-cincin satu-dimensi yang berputar dipegang terbuka oleh momentumnya sendiri. Ada juga dua horison peristiwa, satu bagian dalam dan satu bagian luar, dan ellipsoid yang disebut ergosphere, di dalam mana ruang-waktu itu sendiri berputar dengan lubang hitam (karena menyeret frame) lebih cepat daripada kecepatan cahaya. Saat memasuki lubang hitam, dengan melewati horison peristiwa luar, spacelike menjadi time-like, yang berarti bahwa adalah mustahil untuk menghindari singularitas di pusat, seperti dalam lubang hitam Schwarzschild. Namun, ketika Anda melewati horison peristiwa dalam, jalan Anda menjadi spacelike lagi. Perbedaannya adalah: ruang-waktu itu sendiri dibalik. Ini berarti gravitasi singularitas dekat cincin menjadi repulsif, benar-benar mendorong Anda jauh dari pusat. Bahkan, jika Anda tidak memasuki lubang hitam tepatnya di equator, adalah mustahil untuk mencapail singularitas cincin itu sendiri. Selain itu, singularitas cincin dapat dihubungkan melalui ruang-waktu, sehingga mereka dapat bertindak sebagai lubang cacing, meskipun keluar dari lubang hitam di sisi lain akan tidak mungkin (kecuali itu adalah singularitas "telanjang", yang mungkin terjadit ketika singularitas cincin berputar cukup cepat). Bepergian melalui singularitas cincin mungkin membawa Anda ke titik dalam ruang-waktu, seperti alam semesta lain, di mana Anda bisa melihat cahaya yang jatuh dari luar lubang hitam, tetapi tidak meninggalkan lubang hitam itu sendiri. Bahkan mungkin membawa Anda ke "lubang putih" dalam alam semesta yang negatif, makna yang tepat dari hal tersebut tidak diketahui.

Quantum Tunneling

Quantum tunneling is an effect where a particle can pass through a barrier it would not normally have the energy to overcome. It can allow a particle to pass through a physical barrier that should be impenetrable, or can allow an electron to escape from the pull of the nucleus without having the kinetic energy to do so. According to quantum mechanics, there is a finite probability that any particle can be found anywhere in the universe, although that probability is astronomically small for any real distance from the particles expected path.

However, when the particle is faced with a small-enough barrier (around 1-3 nm wide), one which conventional calculations would indicate is impenetrable by the particle, the probability that the particle will simply pass through that barrier becomes fairly noticeable. This can be explained by the Heisenberg uncertainty principle, which limits how much information can be known about a particle. A particle can “borrow” energy from the system it is acting in, use it to pass through the barrier, and then lose it again.

Quantum tunneling is involved in many physical processes, such as radioactive decay and the nuclear fusion that takes place in the Sun. It is also used in certain electrical components, and it has even been shown to occur in enzymes in biological systems. For example, the enzyme glucose oxidase, which catalyses the reaction of glucose into hydrogen peroxide, involves the quantum tunneling of an entire oxygen atom. Quantum tunneling is also a key feature of the scanning tunneling microscope, the first machine to enable the imaging and manipulation of individual atoms. It works by measuring the voltage in a very fine tip, which changes when it gets close to a surface due to the effect of electrons tunneling through the vacuum (known as the “forbidden zone”) between them. This gives the device the sensitivity necessary to make extremely high resolution images. It also enables the device to move atoms by deliberately putting a current through the conducting tip.

Cosmic Strings

Shorty after the Big Bang, the universe was in a highly disordered and chaotic state. This means that small changes and defects didn’t change the overall structure of the universe. However, as the universe expanded, cooled, and went from a disorderly state to an orderly one, it reached a point where very small fluctuations created very large changes.

This is similar to arranging tiles evenly on a floor. When one tile is placed unevenly, this means that the subsequent tiles placed will follow its pattern. Therefore, you have a whole line of tiles out of place. This is similar to the objects called cosmic strings, which are extremely thin and extremely long defects in the shape of space-time. These cosmic strings are predicted by most models of the universe, such as the string theory wherein two kinds of “strings” are unrelated. If they exist, each string would be as thin as a proton, but incredibly dense. Thus, a cosmic string a mile long can weigh as much as the Earth. However, it would not actually have any gravity and the only effect it will have on matter surrounding it would be the way it changes the form and shape of space-time. Therefore, a cosmic string is, in essence, just a “wrinkle” in the shape of space-time.

Cosmic strings are thought to be incredibly long, up to the order of the sizes of thousands of galaxies. In fact, recent observations and simulations have suggested that a network of cosmic strings stretches across the entire universe. This was once thought to be what caused galaxies to form in supercluster complexes, although this idea has since been abandoned. Supercluster complexes consist of connected “filaments” of galaxies up to a billion light-years in length. Because of the unique effects of cosmic strings on space-time as you bring two strings close together, it has been shown that they could possibly be used for time travel, like with most of the things on this list. Cosmic strings would also create incredible gravitational waves, stronger than any other known source. These waves are what those current and planned gravitational wave detectors are designed to look for.

Gödel’s incompleteness theorems

It is not strictly science, but rather a very interesting set of mathematical theorems about logic and the philosophy that is definitely relevant to science as a whole. Proven in 1931 by Kurt Gödel, these theories say that with any given set of logical rules, except for the most simple, there will always be statements that are undecidable, meaning that they cannot be proven or disproven due to the inevitable self-referential nature of any logical systems that is even remotely complicated. This is thought to indicate that there is no grand mathematical system capable of proving or disproving all statements. An undecidable statement can be thought of as a mathematical form of a statement like “I always lie.” Because the statement makes reference to the language being used to describe it, it cannot be known whether the statement is true or not. However, an undecidable statement does not need to be explicitly self-referential to be undecidable. The main conclusion of Gödel’s incompleteness theorems is that all logical systems will have statements that cannot be proven or disproven; therefore, all logical systems must be “incomplete.”

The philosophical implications of these theorems are widespread. The set suggests that in physics, a “theory of everything” may be impossible, as no set of rules can explain every possible event or outcome. It also indicates that logically, “proof” is a weaker concept than “true”; such a concept is unsettling for scientists because it means there will always be things that, despite being true, cannot be proven to be true. Since this set of theorems also applies to computers, it also means that our own minds are incomplete and that there are some ideas we can never know, including whether our own minds are consistent (i.e. our reasoning contains no incorrect contradictions). This is because the second of Gödel’s incompleteness theorems states that no consistent system can prove its own consistency, meaning that no sane mind can prove its own sanity. Also, since that same law states that any system able to prove its consistency to itself must be inconsistent, any mind that believes it can prove its own sanity is, therefore, insane.

Tweet