Fizik merupakan satu bidang sains yang pesat membangun sejak 500 tahun lepas. Banyak persoalan yang terjawab melalui kajian fizik sama ada di angkasa seperti orbit planet mengelilingi matahari dan kejadian bintang atau yang wujud di bumi seperti medan magnet bumi.
Namun alam semesta ini sangat luas dan dipenuhi khazanah-khazanah ilmu yang masih kekal misteri. Banyak ahli fizik berlumba-lumba mencari jawapan bagi misteri-misteri ini. Dalam artikel ini, berikut adalah 10 misteri besar dalam fizik yang masih belum terjawab.
Tenaga Gelap (Dark Energy)
Sejurus Einstein memperkenalkan Teori Kerelatifan Am kepada dunia fizik, beberapa ahli kosmologi termasuklah Einstein sendiri telah mengaplikasikan teori ini kepada alam semesta. Mereka merumuskan bahawa alam semesta ini berkembang, dan akan menguncup kembali disebabkan kesan daya tarikan graviti oleh galaksi, bintang dan bahan-bahan yang wujud di alam semesta. Namun kajian pada tahun 1998 oleh dua kumpulan kosmologi telah mendapati bahawa alam semesta tidak menguncup, bahkan ia sedang berkembang semakin pantas . Kedua-dua kumpulan ini memenangi hadiah Nobel atas penemuan mereka.
Perkembangan alam semesta yang semakin pantas ini merunsingkan ahli kosmologi kerana alam semesta seolah-olah menghasilkan tenaga sendiri untuk mempercepatkan perkembangannya. Ahli kosmologi menamakan tenaga ini sebagai tenaga gelap. Tenaga gelap ini menyebabkan alam semesta berkembang dengan semakin pantas. Kesannya dapat dilihat berdasarkan pergerakan galaksi-galaksi yang jauh, namun asal-usulnya masih kekal misteri.
Jirim Gelap (Dark Matter)
Gerakan planet mengelilingi bintang dapat dihitung dengan jitu menggunakan hukum Kepler. Ahli astronomi kemudiannya cuba menggunakan hukum Kepler bagi menghitung orbit bintang-bintang dalam galaksi. Namun, pergerakan bintang mengelilingi pusat galaksi tidak dapat ditentukan berdasarkan hukum Newton. Ahli astronomi sejak awal abad ke-20 sehingga sekarang mendapati bahawa galaksi ini sepatutnya mengandungi jirim yang lebih banyak berbanding yang dapat dilihat menggunakan teleskop. Jirim yang tidak kelihatan ini diberi nama jirim gelap.
Jirim gelap ini juga dapat dikesan secara tidak langsung berdasarkan kesan gravitinya yang melengkungkan cahaya daripada galaksi dibelakangnya. Lengkungan cahaya ini tidak dapat dijelaskan oleh ahli astronomi berdasarkan teori graviti sedia ada kecuali jika terdapat jirim yang tidak dapat dikesan, iaitu jirim gelap
Identiti sebenar jirim gelap masih belum diketahui sehingga kini. Pelbagai pencarian telah dilakukan di makmal-makmal fizik zarah, namun asal-usul jirim gelap masih kekal misteri.
Inflasi Kosmologi
Persoalan yang kerap kali ditanya oleh ahli kosmologi adalah berkenaan asal usul alam semesta ini. Ramai ahli kosmologi berpegang bahawa asal usul alam semesta bermula daripada letupan besar (Big Bang). Namun apabila penemuan demi penemuan baru ditemui, beberapa masalah telah timbul dalam teori ini. Alan Guth, Andrei Linde dan Alexei Starobinsky telah menambahbaik teori letupan besar ini dengan mengusulkan teori inflasi sejurus berlakunya letupan besar
Teori inflasi kosmologi menyebut bahawa alam semesta berkembang pada kadar yang sangat tinggi pada awal kejadian alam semesta. Teori ini berjaya menjelaskan beberapa permasalahan yang timbul dalam teori letupan besar tanpa inflasi seperti masalah ufuk (horizon problem), masalah kerataan (flatness problem) dan masalah magnet ekakutub (magnetic monopole problem).
Namun teori ini juga menimbulkan persoalan yang baharu iaitu apakah inflasi benar-benar berlaku, dan jika ia berlaku, apakah yang mencetuskan inflasi selepas letupan besar?
Arah gerakan masa
Masa adalah suatu kuantiti yang kita ambil peduli setiap hari. Masa merupakan salah satu daripada dua unsur bagi menentukan sesuatu kejadian. Unsur yang kedua ialah ruang. Kita mampu bergerak dalam ruang pada semua arah, ke kiri, ke kanan, ke atas, ke bawah, ke depan dan ke belakang. Namun, masa pula hanya mempunyai satu arah iaitu ke hadapan. Kita terbatas dalam gerakan merentasi masa. Memori yang tersimpan dalam ingatan kita hanya terdiri daripada kejadian masa lalu, dan kita langsung tidak mempunyai memori kejadian akan datang.
Arah gerakan masa ini menimbulkan persoalan dalam kalangan ahli fizik iaitu ‘mengapa masa hanya bergerak pada satu arah?’.
Sebahagian ahli fizik telah menjawab persoalan ini dengan menyebut hukum termodinamik yang ke dua. Ini kerana entropi bagi sesuatu sistem tertutup akan bertambah atau malar. Ia tidak mungkin berkurang. Namun apakah yang menyebabkan entropi meningkat? Mengapa entropi sangat rendah ketika letupan besar?
Lohong Hitam
Antara objek yang paling menggerunkan di angkasa lepas ialah lohong hitam. Lohong hitam terhasil daripada kematian sesebuah bintang yang berjisim tinggi. Disebabkan jisimnya yang tersangat tinggi, tiada daya lain yang mampu melawan daya tarikan graviti oleh jisim lohong hitam tersebut. Bahkan daya gravitinya terlalu kuat sehingga cahaya pun tidak dapat keluar darinya.
Kewujudan lohong hitam telah pun diramal melalui teori kegravitian Newton dan teori kerelatifan am Einstein. Malah banyak lohong hitam telah berjaya dikesan secara langsung dan tidak langsung sejak tahun 2015 . Namun lohong hitam ini mengandungi misteri yang merunsingkan ahli fizik kerana ia merupakan gabungan dua teori terbesar fizik iaitu kerelatifan am dan mekanik kuantum.
Tarikan graviti oleh lohong hitam dapat dihitung menggunakan kerelatifan am. Kemudian, lohong hitam juga melibatkan mekanik kuantum kerana mempunyai titik kesinggularan di pusatnya. Oleh itu, pemahaman mengenai kegravitian pada skala kuantum diperlukan bagi menjelaskan situasi di dalam lohong hitam.
Namun sehingga hari ini, ahli fizik masih belum mengetahui realiti sebenar di dalam lohong hitam. Apakah yang wujud di dalam lohong hitam? Persoalan ini akan kekal misteri dan mungkin hanya terjawab jika teori kerelatifan am dan mekanik kuantum berjaya disatukan kelak.
Kuasar
Berdasarkan kajian ahli astronomi, boleh dikatakan hampir kesemua galaksi yang dapat dilihat mempunyai lohong hitam supermasif di pusatnya. Jika lohong hitam ini aktif menarik masuk bintang-bintang dan gas di sekitarnya, lohong hitam ini akan mengeluarkan sinaran yang dipanggil jet. Galaksi-galaksi yang mempunyai lohong hitam yang aktif disebut sebagai galaksi nukleus aktif. Jika galaksi tersebut menghasilkan sinaran yang sangat tinggi, galaksi ini dipanggil sebagai kuasar. Banyak kuasar telah ditemui melalui teleskop-teleskop di Bumi dan di angkasa. Namun kebanyakan kuasar ini berada sangat jauh dari Bumi. Malah kuasar yang paling hampir adalah pada jarak 1.7 bilion tahun cahaya . Oleh sebab jaraknya yang jauh, ini juga bermakna kuasar tersebut telah wujud berbilion tahun yang lalu. Kewujudan kuasar ini telah merunsingkan ahli astronomi kerana terdapat kuasar yang wujud ketika alam semesta ini masih muda sekitar 700 juta tahun (sekarang umur alam semesta sekitar 13.8 bilion tahun).
Masalah yang timbul adalah berkenaan asal usul pembentukan kuasar ini. Berdasarkan teori hari ini, lohong hitam wujud apabila sesebuah bintang meletup. Namun jangka masa untuk sesebuah bintang ini meletup adalah sekitar 20 juta tahun . Kemudian lohong-lohong hitam ini juga perlu bergabung bagi membentuk lohong hitam supermasif. Jangka masa proses pembentukan lohong hitam ini melebihi umur kuasar yang diukur.
Persoalannya, ‘bagaimanakah kuasar ini terbentuk?’. Jika misteri ini terjawab, ia juga akan membantu untuk menjawab lebih banyak persoalan lain mengenai pembentukan bintang pertama dan pembentukan galaksi.
Supernova
Bintang dikategorikan kepada pelbagai kelas, dan salah satu kriteria pengkelasan bintang ialah jisim bintang. Bintang yang berlainan jisim, mempunyai jangka hayat dan pengakhiran yang berbeza. Bagi bintang berjisim rendah, bintang tersebut akan menjadi bintang kerdil putih pada pengakhiran hidupnya. Manakala bagi bintang berjisim tinggi, bintang tersebut akan meletup dalam satu fenomena yang disebut sebagai supernova.
Bintang-bintang ini mempunyai tarikan graviti kerana bintang-bintang ini mempunyai jisim. Ia berada dalam keadaan stabil kerana terdapat tekanan yang dihasilkan daripada pelakuran nuklear oleh bahan api bintang tersebut. Apabila bintang yang berjisim besar mengakhiri riwayat hidupnya, tekanan daripada pelakuran nuklear akan berkurangan dan tarikan graviti akan terus memampatkan teras bintang ini. Namun kemudiannya bintang ini meletup dalam supernova.
Hal ini menjadi persoalan kepada ahli astronomi berkenaan mekanisma supernova ini. Apakah daya tolakan yang menyebabkan sesebuah bintang meletup sedangkan model yang diterima pakai menunjukkan bahawa daya terkuat di teras bintang ialah tarikan graviti? Jawapan bagi persoalan ini akan menghasilkan model baharu hayat sesebuah bintang dan meningkatkan lagi pemahaman berkenaan struktur bintang.
Superkonduktor
Konduktor adalah suatu bahan yang dapat mengalirkan aliran elektrik. Arus elektrik yang dibawa oleh konduktor ini secara umumnya mematuhi hukum Ohm ( V = IR). Walaupun sesebuah konduktor dapat mengalirkan arus elektrik, ia tetap mengandungi rintangan yang mencacatkan aliran arus elektrik. Kemudian pada awal abad ke 20, para saintis telah menemukan sejenis konduktor baharu iaitu superkonduktor. Superkonduktor ini wujud pada suhu yang sangat rendah berbanding suhu bilik.
Superkonduktor mempunyai beberapa ciri yang sangat berguna. Ia merupakan sebuah konduktor yang mempunyai rintangan sifar (konduktor unggul). Ini bermakna, arus yang mengalir di dalamnya akan terus mengalir selama-lamanya tanpa berkurang sedikit pun. Superkonduktor juga merupakan sebuah diamagnet unggul. Ini bermakna medan magnet tidak dapat mengalir di dalam sesebuah superkonduktor. Medan magnet akan ditolak mengelilingi sesebuah superkonduktor. Kesan ini dinamakan sebagai kesan Meissner.
Mekanisma superkonduktor telah diterangkan oleh tiga orang saintis iaitu John Bardeen, Leon Cooper dan John Robert Schrieffer. Teori berkenaan mekanisma superkonduktor ini diberi nama sempena tiga saintis ini iaitu teori BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer). Teori ini menyatakan bahawa pada suhu rendah, akan wujud dua pasang elektron yang diberi nama pasangan Cooper. Pasangan Cooper ini yang menghasilkan aliran arus tanpa sebarang rintangan.
Superkonduktor pada awalnya, ditemukan pada suhu yang sangat rendah (-269 °C). Namun setelah teknologi berkembang, ahli fizik bahan berjaya mewujudkan superkonduktor pada suhu yang lebih tinggi. Yang terbaru ialah superkonduktor pada -23 °C.
Penemuan superkonduktor pada suhu tinggi menimbulkan persoalan kepada ahli fizik kerana teori BCS hanya dapat menerangkan mekanisma superkonduktor pada suhu rendah . Hal ini menjadi misteri kepada ahli fizik bahan iaitu ‘apakah mekanisma yang menyebabkan wujudnya ciri-ciri superkonduktor pada suhu tinggi?’
Saiz sebenar alam semesta
Langit malam yang kita lihat seolah-olah tidak mempunyai penghujung. Apabila ahli astronomi menggunakan teleskop, mereka dapat melihat galaksi-galaksi yang lebih jauh daripada mata boleh memandang. Berdasarkan teori dan kajian sedia ada, alam semesta yang dapat dilihat mempunyai saiz jejari sebesar 90 bilion tahun cahaya. Ini bermaksud cahaya paling jauh yang dapat dicerap adalah pada jarak 45 bilion tahun cahaya dari kita.
Namun saiz ini hanya menunjukkan luas alam semesta yang dapat dilihat. Bagaimana pula ruang di sebalik alam semesta ini? Apakah saiz alam semesta sebenar?
Pelbagai model alam semesta telah dikemukakan. Sebahagiannya menyatakan bahawa alam semesta ini seperti sfera dalam 4 dimensi. Alam ini tertutup. Kita akan kembali semula ke tempat asal kerana kita bergerak dalam bulatan. Namun ada juga model alam semesta terbuka. Ini bermaksud alam semesta ini mempunyai keluasan infiniti.
Realiti sebenarnya, hanya Allah yang tahu.
Teori Segala-galanya
Setakat ilmu fizik yang diketahui hari ini, terdapat 4 daya asas dalam alam semesta iaitu daya graviti, daya elektromagnet, daya nuklear lemah dan daya nuklear kuat. Daya graviti dapat difahami melalui teori kerelatifan am oleh Einstein. Daya elektromagnet dan daya nuklear lemah diterangkan oleh teori elektrolemah. Manakala daya nuklear kuat pula diterangkan oleh Kuantum Kromodinamik.
Sebuah teori telah diusulkan mengenai gabungan dua daya nuklear dan daya elektromagnet. Teori ini dikenali sebagai teori kesatuan agung (Grand Unified Theory). Teori ini masih lagi menghadapi masalah kerana terdapat ramalan oleh teori ini yang tidak dibuktikan seperti pereputan proton dan magnet ekakutub (magnetic monopole). Oleh itu, salah satu misteri bagi ahli fizik zarah ialah ‘adakah teori kesatuan agung ini tepat?’ dan ‘adakah tiga daya ini bersatu pada tenaga tinggi?’
Namun ada lagi satu teori yang merangkumi keempat-empat daya iaitu teori segalanya. Banyak ahli fizik teori telah berhempas pulas mencari jawapan bagi penyatuan kesemua daya ini. Antara teori yang dikemukakan ialah teori tetangsi (string theory) dan teori kuantum graviti gegelung (loop quantum gravity). Sehingga hari ini, masih belum ada satu teori yang mampu menerangkan segala-galanya.
Inilah misteri terbesar dalam kalangan ahli fizik. Adakah teori tetangsi ini tepat? Adakah teori segalanya ini akan ditemui? Yang pastinya, teori segalanya ini perlulah sejajar dengan teori-teori yang telah diterima pada hari ini. Begitulah realiti hari ini. Semakin banyak yang dikaji, semakin banyak misteri yang menghantui kita.
