[BUKU BAHASA INDONESIA] A BRIEF HISTORY OF TIME - STEPHEN HAWKING

BAB 11 : PENYATUAN FISIKA

Sebagaimana dijelaskan dalam bab pertama, akan sangat sulit untuk membangun suatu teori terpadu lengkap tentang segala sesuatu di alam semesta sekaligus dalam satu langkah. Oleh karena itu, kita justru membuat kemajuan dengan menemukan teori-teori parsial yang menggambarkan rentang peristiwa yang terbatas serta dengan mengabaikan efek-efek lain atau mendekatinya melalui angka-angka tertentu. (Kimia, misalnya, memungkinkan kita menghitung interaksi atom tanpa mengetahui struktur internal inti atom.)

Namun pada akhirnya, orang berharap dapat menemukan suatu teori terpadu yang lengkap, konsisten, dan menyeluruh yang mencakup semua teori parsial ini sebagai pendekatan, serta tidak perlu disesuaikan dengan fakta dengan memilih nilai-nilai angka sewenang-wenang dalam teori tersebut. Pencarian terhadap teori semacam itu dikenal sebagai “penyatuan fisika.” Einstein menghabiskan sebagian besar tahun-tahun terakhir hidupnya tanpa berhasil mencari teori terpadu, tetapi saat itu belumlah waktunya: sudah ada teori parsial untuk gravitasi dan gaya elektromagnetik, tetapi sangat sedikit yang diketahui tentang gaya nuklir. Selain itu, Einstein menolak untuk percaya pada realitas mekanika kuantum, meskipun ia memainkan peran penting dalam pengembangannya. Namun tampaknya prinsip ketidakpastian merupakan ciri mendasar dari alam semesta yang kita huni. Karena itu, teori terpadu yang berhasil haruslah memasukkan prinsip tersebut.

Seperti yang akan saya uraikan, prospek untuk menemukan teori semacam itu kini tampak jauh lebih baik karena kita mengetahui jauh lebih banyak tentang alam semesta. Tetapi kita harus berhati-hati terhadap rasa percaya diri yang berlebihan—kita pernah mengalami fajar palsu sebelumnya. Pada awal abad ini, misalnya, orang mengira bahwa segala sesuatu dapat dijelaskan melalui sifat-sifat materi kontinu seperti elastisitas dan konduksi panas. Penemuan struktur atom dan prinsip ketidakpastian secara tegas mengakhiri anggapan tersebut.

Kemudian lagi, pada tahun 1928, fisikawan dan peraih Hadiah Nobel Max Born mengatakan kepada sekelompok pengunjung di Universitas Göttingen, “Fisika, sebagaimana yang kita kenal, akan berakhir dalam enam bulan.” Keyakinannya didasarkan pada penemuan terbaru oleh Dirac tentang persamaan yang mengatur elektron. Diperkirakan bahwa persamaan serupa akan mengatur proton, satu-satunya partikel lain yang dikenal saat itu, dan dengan demikian fisika teoretis akan selesai. Namun penemuan neutron dan gaya nuklir kembali menggugurkan anggapan tersebut.

Meski demikian, saya tetap percaya bahwa ada alasan untuk bersikap optimistis secara hati-hati bahwa kita kini mungkin sudah mendekati akhir pencarian hukum-hukum dasar alam.

Distributor pusat penjualan segala alat listrik tenaga surya. Toko online jual listrik tenaga matahari. Produsen Produk solar sel murah.www.tokosolarcell.net . daftar Paket harga penjualan listrik tenaga matahari

Dalam bab-bab sebelumnya saya telah menjelaskan relativitas umum, teori parsial tentang gravitasi, serta teori-teori parsial yang mengatur gaya lemah, gaya kuat, dan gaya elektromagnetik. Tiga yang terakhir dapat digabungkan dalam apa yang disebut teori terpadu agung, atau GUT, yang sebenarnya belum memuaskan karena tidak mencakup gravitasi dan karena mengandung sejumlah besaran—seperti massa relatif berbagai partikel—yang tidak dapat diprediksi oleh teori, melainkan harus dipilih agar sesuai dengan pengamatan.

Kesulitan utama dalam menemukan teori yang menyatukan gravitasi dengan gaya-gaya lain adalah bahwa relativitas umum merupakan teori “klasik”; artinya, ia tidak memasukkan prinsip ketidakpastian mekanika kuantum. Sebaliknya, teori-teori parsial lainnya bergantung secara esensial pada mekanika kuantum. Karena itu, langkah pertama yang diperlukan adalah menggabungkan relativitas umum dengan prinsip ketidakpastian. Seperti yang telah kita lihat, penggabungan ini dapat menghasilkan konsekuensi luar biasa, seperti lubang hitam yang ternyata tidak benar-benar hitam, dan alam semesta yang tidak memiliki singularitas melainkan sepenuhnya mandiri dan tanpa batas.

Masalahnya, seperti dijelaskan dalam Bab 7, prinsip ketidakpastian berarti bahwa bahkan ruang “kosong” pun dipenuhi pasangan partikel dan antipartikel virtual. Pasangan-pasangan ini akan memiliki jumlah energi tak terhingga dan, berdasarkan persamaan terkenal Einstein E = mc², juga memiliki massa tak terhingga. Tarikan gravitasi mereka akan melengkungkan alam semesta menjadi ukuran yang sangat kecil tak terhingga.

Ketakterhinggaan yang serupa, yang tampak tidak masuk akal, juga muncul dalam teori-teori parsial lainnya. Namun dalam semua kasus tersebut, ketakterhinggaan itu dapat dibatalkan melalui proses yang disebut renormalisasi. Proses ini melibatkan pembatalan ketakterhinggaan dengan memperkenalkan ketakterhinggaan lain. Walaupun teknik ini secara matematis agak meragukan, dalam praktiknya ia tampak berhasil dan telah digunakan untuk membuat prediksi yang sangat sesuai dengan pengamatan dengan tingkat ketelitian luar biasa.

Namun renormalisasi memiliki kelemahan serius dalam upaya menemukan teori lengkap, karena berarti bahwa nilai sebenarnya dari massa dan kekuatan gaya tidak dapat diprediksi oleh teori, melainkan harus dipilih agar sesuai dengan pengamatan.

Dalam upaya memasukkan prinsip ketidakpastian ke dalam relativitas umum, hanya ada dua besaran yang dapat disesuaikan: kekuatan gravitasi dan nilai konstanta kosmologis. Namun penyesuaian ini tidak cukup untuk menghilangkan semua ketakterhinggaan. Dengan demikian kita memiliki teori yang tampaknya memprediksi bahwa besaran tertentu—seperti kelengkungan ruang-waktu—benar-benar tak terhingga, padahal besaran tersebut dapat diamati dan diukur sebagai sangat terbatas.

Masalah dalam menggabungkan relativitas umum dan prinsip ketidakpastian ini telah lama dicurigai, tetapi akhirnya dikonfirmasi melalui perhitungan rinci pada tahun 1972. Empat tahun kemudian, suatu kemungkinan solusi yang disebut “supergravitasi” diajukan. Gagasannya adalah menggabungkan partikel spin-2 yang disebut graviton, pembawa gaya gravitasi, dengan partikel-partikel lain yang memiliki spin 3/2, 1, ½, dan 0. Dengan cara tertentu, semua partikel ini dapat dianggap sebagai berbagai aspek dari satu “superpartikel” yang sama, sehingga menyatukan partikel materi dengan spin ½ dan 3/2 dengan partikel pembawa gaya spin 0, 1, dan 2.

Pasangan partikel/antipartikel virtual dengan spin ½ dan 3/2 akan memiliki energi negatif dan dengan demikian cenderung membatalkan energi positif dari pasangan virtual spin 2, 1, dan 0. Hal ini akan menyebabkan banyak kemungkinan ketakterhinggaan saling meniadakan, tetapi dicurigai bahwa beberapa ketakterhinggaan mungkin masih tersisa. Namun perhitungan yang diperlukan untuk memastikan apakah masih ada ketakterhinggaan yang tidak terhapus begitu panjang dan sulit sehingga tak seorang pun bersedia melakukannya. Bahkan dengan komputer, diperkirakan akan memakan waktu setidaknya empat tahun, dan kemungkinan besar akan terjadi setidaknya satu kesalahan, mungkin lebih. Seseorang hanya akan yakin jawabannya benar jika orang lain mengulang perhitungan dan memperoleh hasil yang sama, dan itu tampaknya tidak terlalu mungkin.

Terlepas dari masalah-masalah ini, dan kenyataan bahwa partikel dalam teori supergravitasi tidak tampak cocok dengan partikel yang teramati, sebagian besar ilmuwan percaya bahwa supergravitasi mungkin merupakan jawaban yang tepat bagi penyatuan fisika. Namun pada tahun 1984 terjadi perubahan pandangan yang luar biasa yang mendukung apa yang disebut teori string.

Dalam teori-teori ini, objek dasarnya bukanlah partikel yang menempati satu titik ruang, melainkan sesuatu yang memiliki panjang tetapi tidak memiliki dimensi lain, seperti seutas tali yang sangat tipis. String-string ini dapat memiliki ujung (string terbuka) atau dapat menyatu dengan dirinya sendiri membentuk lingkaran tertutup (string tertutup) Figure 11:1 dan Figure 11:2.

Sebuah partikel menempati satu titik ruang pada setiap saat waktu. Dengan demikian riwayatnya dapat digambarkan sebagai sebuah garis dalam ruang-waktu (“garis dunia”). Sebaliknya, sebuah string menempati suatu garis dalam ruang pada setiap saat, sehingga riwayatnya dalam ruang-waktu merupakan permukaan dua dimensi yang disebut “lembar dunia.” (Setiap titik pada lembar dunia tersebut dapat dijelaskan dengan dua angka, satu menunjukkan waktu dan yang lain menunjukkan posisi titik pada string.)

Lembar dunia string terbuka berbentuk pita: tepinya mewakili lintasan ujung-ujung string melalui ruang-waktu Figure 11:1. Lembar dunia string tertutup berbentuk silinder atau tabung Figure 11:2: potongan melintang tabung tersebut adalah lingkaran yang mewakili posisi string pada satu waktu tertentu.

Dua potong string dapat bergabung menjadi satu string; dalam kasus string terbuka mereka bergabung di ujungnya Figure 11:3, sedangkan dalam kasus string tertutup menyerupai dua kaki yang menyatu pada sepasang celana Figure 11:4.

Figure 11:3

Figure 11:4

Demikian pula, seutas string tunggal dapat terbelah menjadi dua string. Dalam teori string, apa yang sebelumnya dianggap sebagai partikel kini dipandang sebagai gelombang yang merambat sepanjang string, seperti gelombang pada tali layang-layang yang bergetar. Emisi atau penyerapan satu partikel oleh partikel lain bersesuaian dengan pembelahan atau penggabungan string. Sebagai contoh, gaya gravitasi matahari terhadap bumi dalam teori partikel digambarkan sebagai akibat emisi graviton oleh partikel di matahari dan penyerapannya oleh partikel di bumi Figure 11:5.

Dalam teori string, proses ini bersesuaian dengan tabung atau pipa berbentuk huruf H Figure 11:6 (teori string dalam hal ini agak mirip perpipaan). Dua sisi vertikal huruf H mewakili partikel di matahari dan bumi, sedangkan palang horizontalnya mewakili graviton yang bergerak di antara keduanya.

Teori string memiliki sejarah yang unik. Awalnya ia dikembangkan pada akhir 1960-an dalam upaya menemukan teori untuk menjelaskan gaya kuat. Gagasannya adalah bahwa partikel seperti proton dan neutron dapat dianggap sebagai gelombang pada string. Gaya kuat di antara partikel-partikel tersebut bersesuaian dengan potongan string yang menghubungkan bagian-bagian string lain, seperti jaring laba-laba. Agar teori ini menghasilkan nilai gaya kuat yang teramati di antara partikel, string harus seperti karet gelang dengan tarikan sekitar sepuluh ton.