[Buku Bahasa Indonesia stephen hawking] Grand Design
Keberhasilan renormalisasi dalam QED mendorong upaya untuk mencari teori medan kuantum yang menggambarkan tiga gaya alam lainnya. Namun pembagian gaya-gaya alam ke dalam empat kelas barangkali bersifat artifisial dan merupakan akibat dari keterbatasan pemahaman kita. Karena itu, para ilmuwan berupaya menemukan suatu teori tentang segalanya yang akan menyatukan keempat kelas tersebut ke dalam satu hukum tunggal yang selaras dengan teori kuantum. Inilah cawan suci fisika.
Salah satu petunjuk bahwa penyatuan adalah pendekatan yang benar datang dari teori gaya lemah. Teori medan kuantum yang menggambarkan gaya lemah secara tersendiri tidak dapat direnormalisasi; artinya, ia memiliki ketakterhinggaan yang tidak dapat dihapus hanya dengan mengurangkan sejumlah hingga besaran seperti massa dan muatan. Namun pada tahun 1967, Abdus Salam dan Steven Weinberg masing-masing secara independen mengusulkan teori yang menyatukan elektromagnetisme dengan gaya lemah, dan mereka mendapati bahwa penyatuan tersebut menyembuhkan wabah ketakterhinggaan itu. Gaya yang telah disatukan ini disebut gaya elektrolemah. Teorinya dapat direnormalisasi, dan ia meramalkan tiga partikel baru yang disebut W+, W–, dan Z0. Bukti keberadaan Z0 ditemukan di CERN, Jenewa, pada tahun 1973. Salam dan Weinberg dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 1979, meskipun partikel W dan Z baru diamati secara langsung pada tahun 1983.
Gaya kuat dapat direnormalisasi secara tersendiri dalam suatu teori yang disebut QCD, atau kromodinamika kuantum. Menurut QCD, proton, neutron, dan banyak partikel elementer materi lainnya tersusun atas quark, yang memiliki sifat luar biasa yang oleh para fisikawan disebut warna (karena itu istilah “kromodinamika,” meskipun warna quark hanyalah label bantu—tidak ada kaitannya dengan warna yang terlihat). Quark hadir dalam tiga apa yang disebut warna: merah, hijau, dan biru. Selain itu, setiap quark memiliki pasangan antipartikel, dan warna partikel-partikel tersebut disebut anti-merah, anti-hijau, dan anti-biru. Gagasannya adalah bahwa hanya kombinasi tanpa warna bersih yang dapat eksis sebagai partikel bebas.
Ada dua cara untuk mencapai kombinasi quark netral semacam itu. Suatu warna dan anti-warnanya saling meniadakan, sehingga sebuah quark dan anti-quark membentuk pasangan tanpa warna, suatu partikel tak stabil yang disebut meson. Selain itu, ketika ketiga warna (atau anti-warna) dicampurkan bersama, hasilnya tidak memiliki warna bersih. Tiga quark, masing-masing satu dari setiap warna, membentuk partikel stabil yang disebut baryon, yang di antaranya proton dan neutron adalah contohnya (dan tiga anti-quark membentuk antipartikel dari baryon). Proton dan neutron adalah baryon yang menyusun inti atom dan menjadi dasar seluruh materi normal di alam semesta.
QCD juga memiliki sifat yang disebut kebebasan asimtotik, yang telah kita singgung, tanpa menamakannya, dalam Bab 3. Kebebasan asimtotik berarti bahwa gaya kuat di antara quark kecil ketika quark-quark itu berdekatan, tetapi meningkat jika mereka saling menjauh, seolah-olah mereka dihubungkan oleh pita karet. Kebebasan asimtotik menjelaskan mengapa kita tidak melihat quark terisolasi di alam dan mengapa kita tidak mampu memproduksinya di laboratorium. Meskipun kita tidak dapat mengamati quark secara individual, kita menerima model ini karena ia bekerja dengan sangat baik dalam menjelaskan perilaku proton, neutron, dan partikel materi lainnya.
Setelah menyatukan gaya lemah dan elektromagnetik, para fisikawan pada tahun 1970-an mencari cara untuk memasukkan gaya kuat ke dalam teori tersebut. Terdapat sejumlah teori yang disebut teori penyatuan agung atau GUT yang menyatukan gaya kuat dengan gaya lemah dan elektromagnetisme, tetapi sebagian besar meramalkan bahwa proton—bahan penyusun diri kita—seharusnya meluruh, rata-rata, setelah sekitar 10³² tahun. Itu adalah masa hidup yang sangat panjang, mengingat alam semesta baru berusia sekitar 10¹? tahun. Namun dalam fisika kuantum, ketika kita mengatakan bahwa masa hidup rata-rata suatu partikel adalah 10³² tahun, yang dimaksud bukanlah bahwa kebanyakan partikel hidup kira-kira selama itu, sebagian sedikit lebih lama dan sebagian sedikit lebih singkat. Sebaliknya, yang kita maksud adalah bahwa setiap tahun partikel tersebut memiliki peluang 1 banding 10³² untuk meluruh.
Akibatnya, jika Anda mengamati sebuah tangki yang berisi 10³² proton selama beberapa tahun saja, Anda seharusnya melihat sebagian proton meluruh. Tidak terlalu sulit membangun tangki semacam itu, karena 10³² proton terkandung hanya dalam seribu ton air. Para ilmuwan telah melakukan eksperimen semacam itu. Ternyata mendeteksi peluruhan dan membedakannya dari peristiwa lain yang disebabkan oleh sinar kosmik yang terus-menerus menghujani kita dari angkasa bukanlah perkara mudah. Untuk meminimalkan gangguan, eksperimen dilakukan jauh di dalam tempat-tempat seperti tambang milik Kamioka Mining and Smelting Company, sedalam 3.281 kaki di bawah sebuah gunung di Jepang, yang agak terlindung dari sinar kosmik. Berdasarkan pengamatan pada tahun 2009, para peneliti menyimpulkan bahwa jika proton meluruh sama sekali, maka masa hidup proton lebih dari sekitar 10³? tahun, yang merupakan kabar buruk bagi teori penyatuan agung.
Karena bukti pengamatan sebelumnya juga gagal mendukung GUT, sebagian besar fisikawan mengadopsi teori ad hoc yang disebut model standar, yang mencakup teori terpadu gaya elektrolemah dan QCD sebagai teori gaya kuat. Namun dalam model standar, gaya elektrolemah dan gaya kuat bekerja secara terpisah dan tidak benar-benar disatukan. Model standar sangat berhasil dan selaras dengan seluruh bukti pengamatan saat ini, tetapi pada akhirnya tidak memuaskan karena, selain tidak menyatukan gaya elektrolemah dan gaya kuat, ia juga tidak memasukkan gravitasi.
Mungkin terbukti sulit memadukan gaya kuat dengan gaya elektromagnetik dan lemah, tetapi persoalan itu tidak seberapa dibandingkan dengan masalah menyatukan gravitasi dengan ketiga gaya lainnya, atau bahkan menciptakan teori kuantum gravitasi yang berdiri sendiri. Alasan mengapa teori kuantum gravitasi begitu sulit diwujudkan berkaitan dengan prinsip ketidakpastian Heisenberg, yang telah kita bahas dalam Bab 4. Meskipun tidak tampak jelas, ternyata dalam kaitannya dengan prinsip tersebut, nilai suatu medan dan laju perubahannya memainkan peran yang sama seperti posisi dan kecepatan suatu partikel. Artinya, semakin akurat salah satunya ditentukan, semakin kurang akurat yang lain dapat ditentukan.
Konsekuensi penting dari hal itu adalah bahwa tidak ada yang disebut ruang kosong. Sebab ruang kosong berarti bahwa baik nilai medan maupun laju perubahannya sama-sama tepat nol. (Jika laju perubahan medan tidak nol, ruang tersebut tidak akan tetap kosong.) Karena prinsip ketidakpastian tidak mengizinkan nilai medan dan laju perubahannya keduanya eksak, ruang tidak pernah benar-benar kosong. Ia dapat berada dalam keadaan energi minimum, yang disebut vakum, tetapi keadaan itu tunduk pada apa yang disebut getaran kuantum, atau fluktuasi vakum—partikel dan medan yang bergetar masuk dan keluar dari keberadaan.
Fluktuasi vakum dapat dipandang sebagai pasangan partikel yang muncul bersama pada suatu waktu, saling menjauh, lalu kembali mendekat dan saling memusnahkan. Dalam istilah diagram Feynman, mereka bersesuaian dengan loop tertutup. Partikel-partikel ini disebut partikel virtual. Berbeda dengan partikel nyata, partikel virtual tidak dapat diamati secara langsung dengan detektor partikel. Namun efek tidak langsungnya, seperti perubahan kecil pada energi orbit elektron, dapat diukur, dan selaras dengan prediksi teoritis dengan tingkat ketelitian yang luar biasa. Masalahnya adalah bahwa partikel virtual memiliki energi, dan karena terdapat jumlah pasangan virtual yang tak terhingga, mereka akan memiliki energi yang tak terhingga pula. Menurut relativitas umum, ini berarti mereka akan melengkungkan alam semesta menjadi ukuran yang sangat kecil secara tak terhingga, yang jelas tidak terjadi.
Wabah ketakterhinggaan ini serupa dengan masalah yang muncul dalam teori gaya kuat, lemah, dan elektromagnetik, kecuali bahwa dalam kasus-kasus tersebut renormalisasi menghapus ketakterhinggaan itu. Namun loop tertutup dalam diagram Feynman untuk gravitasi menghasilkan ketakterhinggaan yang tidak dapat diserap oleh renormalisasi, karena dalam relativitas umum tidak terdapat cukup parameter yang dapat direnormalisasi (seperti nilai massa dan muatan) untuk menghilangkan seluruh ketakterhinggaan kuantum dari teori tersebut. Karena itu kita dihadapkan pada teori gravitasi yang meramalkan bahwa besaran-besaran tertentu, seperti kelengkungan ruang-waktu, bernilai tak terhingga—yang jelas bukan cara untuk menjalankan alam semesta yang layak huni. Itu berarti satu-satunya kemungkinan untuk memperoleh teori yang masuk akal adalah agar seluruh ketakterhinggaan tersebut entah bagaimana saling meniadakan, tanpa bergantung pada renormalisasi.
Pada tahun 1976 ditemukan suatu kemungkinan solusi terhadap masalah itu. Ia disebut supergravitasi. Awalan “super” tidak ditambahkan karena para fisikawan menganggap teori kuantum gravitasi ini “super” dalam arti luar biasa. Sebaliknya, “super” merujuk pada suatu jenis simetri yang dimiliki teori tersebut, yang disebut supersimetri.
Dalam fisika, suatu sistem dikatakan memiliki simetri jika sifat-sifatnya tidak berubah oleh suatu transformasi tertentu, seperti memutarnya dalam ruang atau mengambil bayangan cerminnya. Sebagai contoh, jika Anda membalik sebuah donat, ia tampak persis sama (kecuali jika memiliki lapisan cokelat, dalam hal itu lebih baik langsung dimakan saja). Supersimetri adalah jenis simetri yang lebih halus yang tidak dapat dikaitkan dengan transformasi ruang biasa. Salah satu implikasi penting supersimetri adalah bahwa partikel gaya dan partikel materi—dan dengan demikian gaya dan materi—sebenarnya hanyalah dua sisi dari hal yang sama.
Secara praktis, itu berarti bahwa setiap partikel materi, seperti quark, seharusnya memiliki partikel pasangan yang merupakan partikel gaya, dan setiap partikel gaya, seperti foton, seharusnya memiliki partikel pasangan yang merupakan partikel materi. Ini berpotensi menyelesaikan masalah ketakterhinggaan karena ternyata ketakterhinggaan dari loop tertutup partikel gaya bersifat positif, sedangkan ketakterhinggaan dari loop tertutup partikel materi bersifat negatif, sehingga ketakterhinggaan dalam teori yang timbul dari partikel gaya dan partikel materi pasangannya cenderung saling meniadakan.
Sayangnya, perhitungan yang diperlukan untuk mengetahui apakah masih ada ketakterhinggaan yang tersisa tanpa terhapus dalam supergravitasi begitu panjang dan sulit serta memiliki potensi kesalahan yang besar sehingga tak seorang pun bersedia melakukannya. Meskipun demikian, sebagian besar fisikawan percaya bahwa supergravitasi mungkin merupakan jawaban yang tepat untuk masalah penyatuan gravitasi dengan gaya-gaya lainnya.
Anda mungkin berpikir bahwa keabsahan supersimetri mudah diuji—cukup periksa sifat partikel-partikel yang ada dan lihat apakah mereka berpasangan. Tidak ada partikel pasangan semacam itu yang telah diamati. Namun berbagai perhitungan yang dilakukan para fisikawan menunjukkan bahwa partikel pasangan yang bersesuaian dengan partikel yang kita amati seharusnya seribu kali lebih masif daripada proton, bahkan mungkin lebih berat lagi. Itu terlalu berat untuk dapat terlihat dalam eksperimen apa pun hingga saat ini, tetapi ada harapan bahwa partikel semacam itu pada akhirnya akan diciptakan di Large Hadron Collider di Jenewa.
Gagasan supersimetri merupakan kunci bagi lahirnya supergravitasi, tetapi konsep tersebut sebenarnya telah muncul bertahun-tahun sebelumnya di kalangan teoretikus yang mempelajari teori yang masih muda kala itu, yang disebut teori string. Menurut teori string, partikel bukanlah titik, melainkan pola getaran yang memiliki panjang tetapi tidak memiliki tinggi maupun lebar—seperti potongan tali yang sangat tipis tak terhingga. Teori string juga menghasilkan ketakterhinggaan, tetapi diyakini bahwa dalam versi yang tepat semuanya akan saling meniadakan. Teori ini memiliki ciri lain yang tidak biasa: ia konsisten hanya jika ruang-waktu memiliki sepuluh dimensi, bukan empat seperti biasanya.
Sepuluh dimensi mungkin terdengar mengasyikkan, tetapi akan menimbulkan masalah nyata jika Anda lupa di mana Anda memarkir mobil. Jika dimensi-dimensi tambahan itu ada, mengapa kita tidak menyadarinya? Menurut teori string, dimensi-dimensi tersebut melengkung ke dalam ruang berukuran sangat kecil. Untuk membayangkannya, bayangkan sebuah bidang dua dimensi. Kita menyebutnya dua dimensi karena Anda memerlukan dua angka (misalnya koordinat horizontal dan vertikal) untuk menentukan lokasi suatu titik di atasnya. Ruang dua dimensi lainnya adalah permukaan sedotan. Untuk menentukan suatu titik pada ruang itu, Anda perlu mengetahui posisi sepanjang panjang sedotan, dan juga posisi sepanjang dimensi melingkarnya. Namun jika sedotan itu sangat tipis, Anda akan memperoleh perkiraan posisi yang sangat baik hanya dengan menggunakan koordinat sepanjang panjang sedotan, sehingga Anda mungkin mengabaikan dimensi melingkarnya. Dan jika diameter sedotan itu seper sejuta miliar miliar miliar miliar inci, Anda sama sekali tidak akan menyadari dimensi melingkar tersebut.
Demikianlah gambaran para teoretikus string mengenai dimensi-dimensi tambahan—dimensi-dimensi itu sangat melengkung atau tergulung pada skala yang begitu kecil sehingga kita tidak melihatnya. Dalam teori string, dimensi-dimensi tambahan tergulung ke dalam apa yang disebut ruang internal, berbeda dari ruang tiga dimensi yang kita alami dalam kehidupan sehari-hari. Seperti yang akan kita lihat, keadaan-keadaan internal ini bukan sekadar dimensi tersembunyi yang disapu ke bawah karpet—mereka memiliki makna fisik yang penting.
Selain persoalan dimensi, teori string menghadapi isu lain yang canggung: tampaknya terdapat setidaknya lima teori berbeda dan jutaan cara untuk menggulung dimensi-dimensi tambahan itu, yang merupakan kelimpahan kemungkinan yang memalukan bagi mereka yang menyatakan bahwa teori string adalah teori tunggal tentang segalanya. Kemudian, sekitar tahun 1994, para ilmuwan mulai menemukan dualitas—bahwa teori-teori string yang berbeda, dan cara-cara berbeda dalam menggulung dimensi tambahan, hanyalah cara-cara berbeda untuk menggambarkan fenomena yang sama dalam empat dimensi. Lebih jauh lagi, mereka menemukan bahwa supergravitasi juga berhubungan dengan teori-teori lainnya dengan cara ini. Para teoretikus string kini yakin bahwa lima teori string yang berbeda dan supergravitasi hanyalah pendekatan-pendekatan berbeda terhadap suatu teori yang lebih mendasar, masing-masing berlaku dalam situasi yang berbeda.
Baca Juga: [Buku Bahasa Indonesia] Cosmos - Carl Sagan
Teori yang lebih mendasar itu disebut teori-M, sebagaimana telah kita sebutkan sebelumnya. Tak seorang pun tampaknya mengetahui apa arti huruf “M” itu, tetapi mungkin berarti “master,” “miracle,” atau “mystery.” Tampaknya ia adalah ketiganya sekaligus. Orang-orang masih berusaha menguraikan hakikat teori-M, tetapi hal itu mungkin tidak mungkin dilakukan. Bisa jadi harapan tradisional para fisikawan akan satu teori tunggal tentang alam tidak dapat dipertahankan, dan tidak ada satu formulasi tunggal yang eksis. Mungkin untuk menggambarkan alam semesta, kita harus menggunakan teori-teori berbeda dalam situasi yang berbeda. Setiap teori mungkin memiliki versinya sendiri tentang realitas, tetapi menurut realisme bergantung-model, hal itu dapat diterima selama teori-teori tersebut sepakat dalam prediksinya setiap kali mereka tumpang tindih, yakni ketika keduanya dapat diterapkan.
Apakah teori-M eksis sebagai satu formulasi tunggal atau hanya sebagai suatu jejaring, kita mengetahui beberapa sifatnya. Pertama, teori-M memiliki sebelas dimensi ruang-waktu, bukan sepuluh. Para teoretikus string telah lama menduga bahwa prediksi sepuluh dimensi mungkin perlu disesuaikan, dan penelitian terbaru menunjukkan bahwa satu dimensi memang telah terlewatkan. Selain itu, teori-M dapat memuat bukan hanya string yang bergetar, tetapi juga partikel titik, membran dua dimensi, gumpalan tiga dimensi, dan objek lain yang lebih sulit dibayangkan serta menempati lebih banyak dimensi ruang, hingga sembilan. Objek-objek ini disebut p-brane (dengan p berkisar dari nol hingga sembilan).
Bagaimana dengan jumlah cara yang sangat besar untuk menggulung dimensi-dimensi kecil itu? Dalam teori-M, dimensi ruang tambahan tersebut tidak dapat digulung sembarang cara. Matematika teori ini membatasi cara dimensi ruang internal dapat digulung. Bentuk tepat ruang internal menentukan nilai konstanta fisika, seperti muatan elektron, dan sifat interaksi antara partikel elementer. Dengan kata lain, ia menentukan hukum-hukum alam yang tampak. Kita mengatakan “tampak” karena yang kita maksud adalah hukum-hukum yang kita amati di alam semesta kita—hukum empat gaya, serta parameter seperti massa dan muatan yang mencirikan partikel elementer. Namun hukum yang lebih mendasar adalah hukum teori-M.
Hukum-hukum teori-M dengan demikian memungkinkan adanya alam semesta yang berbeda dengan hukum-hukum tampak yang berbeda pula, bergantung pada bagaimana ruang internal digulung. Teori-M memiliki solusi yang memungkinkan banyak ruang internal berbeda, mungkin sebanyak 10???, yang berarti ia memungkinkan 10??? alam semesta berbeda, masing-masing dengan hukumnya sendiri. Untuk mendapatkan gambaran betapa besarnya jumlah itu, bayangkan ini: jika suatu makhluk dapat menganalisis hukum-hukum yang diramalkan untuk masing-masing alam semesta itu hanya dalam satu milidetik dan telah mulai bekerja sejak dentuman besar, saat ini makhluk itu baru mempelajari 10²? di antaranya. Dan itu tanpa jeda minum kopi.
Berabad-abad lalu Newton menunjukkan bahwa persamaan matematika dapat memberikan gambaran yang sangat akurat tentang cara objek berinteraksi, baik di bumi maupun di langit. Para ilmuwan pun terdorong untuk percaya bahwa masa depan seluruh alam semesta dapat dipaparkan jika saja kita mengetahui teori yang tepat dan memiliki daya komputasi yang cukup. Lalu datanglah ketidakpastian kuantum, ruang melengkung, quark, string, dan dimensi tambahan, dan hasil bersih dari jerih payah mereka adalah 10??? alam semesta, masing-masing dengan hukum yang berbeda, hanya satu di antaranya yang bersesuaian dengan alam semesta sebagaimana kita kenal.
Harapan awal para fisikawan untuk menghasilkan satu teori tunggal yang menjelaskan hukum-hukum tampak alam semesta kita sebagai konsekuensi unik yang mungkin dari beberapa asumsi sederhana mungkin harus ditinggalkan. Lalu di mana posisi kita? Jika teori-M memungkinkan 10??? himpunan hukum tampak, bagaimana kita berakhir di alam semesta ini, dengan hukum-hukum yang tampak bagi kita? Dan bagaimana dengan dunia-dunia lain yang mungkin itu?
Comments (0)