“String theory is twenty-first century physics that fell accidentally into the twentieth century” (Edward Witten).
Semua materi, termasuk Anda dan saya, diciptakan dari dawai-dawai yang bergetar! Lebih mengejutkan lagi, dawai-dawai ini bergetar dalam suatu ruangwaktu berdimensi 10 – dan bahkan berdimensi 26! Ini penyataan baru ilmu fisika modern tentang ruang hiper.
Teori adidawai dipandang sebagai pengganti Teori Segala Sesuatu (Theory of Everything). Meskipun demikian, teori adidawai tidak berkembang secara logis atau berkesinambungan dari ilmu fisika modern abad ke-20 dan abad sebelumnya. Menurut Edward Witten, seorang fisikawan teoritis pada Kajian Tingkat Maju Universitas Princeton di New Jersey, AS, teori adidawai adalah suatu potongan ilmu fisika abad ke-21 yang ditemukan secara sangat kebetulan pada abad ke-20. Ia, karena itu, berbeda secara radikal dengan, ia terpisah dari, jenis ilmu fisika lain apa pun.
Sejauh ini, teori adidawai boleh dibilang adalah Holy Grail yang lama dicari para fisikawan tapi yang tiba-tiba “jatuh” ke tangan mereka. Ia dipandang suatu teori pamungkas yang mampu menyatukan teori relativitas Einstein dengan teori kuantum.
Ada tiga petunjuk kuat bahwa dawai-dawai tadi ada dalam alam semesta. Ada riak-riak gelombang sangat kecil dalam radiasi latarbelakang mikrogelombang, ada materi gelap, dan ada “peninggalan” sisa radiasi dari Dentuman Besar.
* * * * * * * *
Teori adidawai adalah suatu upaya untuk menjelaskan semua zarah dan forsa fundamental alami dalam satu teori dengan membayangkannya sebagai getaran dawai-dawai adisimetrik.
Teori Adidawai
Teori adidawai menyatakan bahwa unsur-unsur dasar dari alam semesta adalah dawai-dawai sangat halus dari materi. Dawai-dawai ini bergetar dalam suatu ruangwaktu bermatra atau berdimensi 10. Keuntungan besar gagasan ini ialah bahwa ia mampu memersatukan, atau “menyatukan”, teori kuantum dan teori relativitas (yang mencakup teori gravitasi).
Hubungan teori adidawai dengan Penciptaan
Bagaimanakah ilmu fisika teoritis modern menjelaskan Penciptaan dalam hubungannya dengan teori adidawai, model terbaru Teori Segala Sesuatu yang pernah dijelaskan dalam suatu tulisan sebelumnya? Ada kaitan antara keduanya karena ada dasa matra atau dasa dimensi pada awal Penciptaan.
Apa jadinya kalau Teori Segala Sesuatu yang baru ini suatu waktu akan terbukti benar? Teori ini akan memberi kita kemampuan untuk “membaca pikiran Allah,” kata Stephen Hawking, ahli kosmologi pada Universitas Cambridge, Inggris.
Tapi hampir mustahil untuk menguji teori adidawai. Energi yang memungkinkan peleburan keempat forsa fundamental dalam alam semesta menjadi suatu forsa tunggal terjadi pada energi Planck yang menakjubkan. Energi itu miliaran kali lebih besar daripada energi yang ditemukan dalam sebuah proton, suatu zarah keunsuran yang mantap dan terdapat dalam semua inti atom! Sekalipun semua bangsa di bumi bergabung untuk membangun mesin peremuk atom terbesar sepanjang sejarah, alat itu tidak akan memadai untuk menguji teori adidawai. Sesungguhnya, teori ini tidak bisa diuji.
Alasan bahwa teori ini tidak bisa diuji agak sederhana. Teori Segala Sesuatu adalah teori Penciptaan. Teori ini harus menjelaskan segala sesuatu: dari asal-usul Dentuman Besar ke bunga mawar di halaman rumah ke atom-atom dalam tubuh kita. Kekuatan teori ini paling nyata pada saat Dentuman Besar ketika semua simetrinya utuh. Karena itu, menguji teori ini di Bumi berarti menciptakan kembali Penciptaan di Bumi. Ini mustahil dilakukan dengan teknologi masa kini.
Sekurang-kurangnya, beberapa gagasan dari saat Penciptaan itu bisa diuji melalui Superconducting Supercollider (SSC). Ini adalah mesin peremuk atom terbesar sedunia yang, menurut rencana beberapa tahun yang lalu, akan dibangun di kota Austin, Texas, Amerika Serikat. Pembangunan SSC diperkirakan akan membutuhkan biaya antara 8 dan 10 miliar dolar AS. Menurut para perancangnya, SSC akan terdiri dari sebuah cincin magnet-magnet yang berkekuatan tinggi dan merentang dalam sebuah tabung sepanjang lebih daripada 50 mil (sekitar 80 kilometer). SSC bisa menolong ribuan fisikawan dan insinyur yang akan dipekerjakan di sana. Mereka tidak akan menguji teori adidawai secara langsung tapi akan berupaya menemukan gaung-gaung dari teori itu. Caranya? Dengan mempercepat proton-proton pada energi luar biasa, yaitu sebanyak puluhan triliun volt elektron. Ketika zarah-zarah keunsuran bertabrakan pada energi luar biasa ini, SSC akan menciptakan suhu yang tidak dilihat sejak Penciptaan (meskipun suhu ini tentu lemah untuk menguji teori adidawai). Itulah sebabnya pengujian melalui SSC terkadang disebut suatu “jendela dari Penciptaan.” Diharapkan pengujian ini akan menghasilkan gaung-gaung dari teori adidawai sebagai akibat peremukan proton-proton secara serentak. Sayang, rencana ini belum terlaksana karena SSC kekurangan dana.
Teori adidawai: menyatukan teori gravitasi dan kuantum
Deteksi gaung-gaung dari teori adidawai tadi penting. Teori adidawai dipandang penting karena bisa menyatukan dua formalisme ilmu fisika modern yang sejauh ini belum mampu disatukan.
Salah satu prestasi puncak abad ke-20 ialah bahwa semua hukum ilmu fisika, pada suatu tingkat fundamental, bisa diringkaskan oleh cuma dua formalisme. Pertama, teori gravitasi – suatu bagian dari teori relativitas – Einstein; dan, kedua, teori kuantum. Yang pertama memberi kita suatu pemerian tentang benda-benda sangat besar seperti galaksi, lubang hitam, dan Dentuman Besar. Yang kedua memberi kita suatu pemerian tentang benda-benda sangat kecil: mikrokosmos dari zarah-zarah subatomik – seperti proton, neutron, dan kuark – dan radiasi.
Akan tetapi, kedua teori ini saling bertolak belakang. Bahkan fisikawan-fisikawan terbesar sedunia sekalipun, termasuk Einstein dan Heisenberg, gagal menyatukan kedua teori ini menjadi teori tunggal. Kedua teori tersebut memakai matematika dan asas-asas ilmu fisika yang berbeda-beda untuk memerikan alam semesta menurut bidangnya masing-masing. Teori gravitasi memerikan bidang makrokosmik sementara teori kuantum memerikan bidang mikrokosmik dari alam semesta.
Untungnya, kita punya suatu calon untuk Teori Segala Sesuatu. Itulah teori adidawai. Teori ini menyatukan teori gravitasi dengan teori kuantum. Penggabungan ini diperlukan untuk memecahkan masalah lubang-lubang cacing kuantum. Jelaslah, teori adidawai menjadi calon Teori Segala Sesuatu.
Suatu Teori Segala Sesuatu harus memenuhi dua tolok-ukur penting. Pertama, pada jarak-jarak besar, ia harus mereproduksi teori gravitasi dari Einstein. Tapi pada jarak-jarak yang kecil, ia harus mereproduksi teori kuantum dari zarah-zarah keunsuran. Kedua, Teori Segala Sesuatu harus sederhana secara konseptual.
Kedua syarat ini begitu keras sehingga hanya ada satu pemecahan bagi kedua kriteria tadi. Teori adidawai adalah pemecahannya.
Teori adidawai dipandang cukup gila
Teori adidawai dipandang cukup gila. Teori ini menyatakan bahwa zarah-zarah dalam alam semesta, termasuk atom-atom dalam tubuh kita, disusun dari dawai-dawai yang bukan saja sangat kecil melainkan juga bergetar. Gaung atau “not-not” dari dawai-dawai sangat kecil ini menetapkan apa yang diistilahkan particle “zoo” atau “kebun binatang” zarah-zarah. “Kebun” ini berisi elektron, kuark, proton, dan zarah-zarah keunsuran lainnya sebagai “binatang-binatang” di dalamnya. Jadi, alam semesta pada intinya adalah suatu simfoni dari dawai-dawai yang bergetar, dan hukum-hukum harmoni adalah hukum-hukum yang dikenal dalam ilmu fisikal!
Akan tetapi, yang mengejutkan ialah bahwa teori adidawai sangat dipaksakan. Ia begitu dipaksakan sehingga ia memperbaiki dimensi ruang dan waktu menjadi 10 dimensi! Ciri-ciri menonjol dan unik dari teori adidawai ialah bahwa dawai-dawai berukuran sekitar 100 miliar kali lebih kecil daripada sebuah proton bisa bergetar hanya dalam ruangwaktu dasadimensional!
Sekarang, kita mempunyai suatu alasan matematik untuk percaya akan ruang dasadimensional. Hanya dalam dimensi inilah kita mempunyai “ruang yang cukup” untuk mengakomodasi teori Einstein dan teori kuantum.
Mengapa ruang dasadimensional saja yang memadai? Kalau kita mencatat teori adidawai dalam, katakanlah, 11 dimensi atau 12 dimensi, teori ini secara matematik tidak konsisten. Suatu alam semesta yang mulai dalam matra 11 atau matra 12 tampak tidak stabil dan akan ambruk menjadi 10 matra.
Teori adidawai dan hukum-hukum kuantum yang misterius
Teori adidawai bisa menjelaskan hukum-hukum kuantum yang misterius. Teori ini mendalilkan bahwa zarah-zarah subatomik memang adalah gaung-gaung atau vibrasi-vibrasi dari suatu dawai sangat kecil. Getaran-getaran dawai sebuah biola bisa disamakan dengan not-not musikal. Serupa dengan itu, getaran-getaran adidawai bisa disamakan dengan zarah-zarah yang ditemukan dalam alam semesta. Jadi, jagad raya pada intinya adalah suatu simfoni dari dawai-dawai yang bergetar!
Sejauh ini, semua materi – termasuk, Anda dan saya – disusun dari zarah-zarah subatomik. Sekarang, teori adidawai mengatakan semua materi dibentuk oleh dawai-dawai yang bergetar. Jadi, semuanya – termasuk, Anda dan saya – diciptakan dari dawai-dawai yang bergetar!
Tiga Macam Petunjuk tentang Dawai-Dawai
Berbagai dugaan yang cerdas sudah diberikan tentang adanya dawai-dawai dalam alam semesta. Berbagai hipotesis ini memberi tiga macam petunjuk: riak-riak gelombang sangat kecil dalam radiasi latar belakang mikrogelombang (microwave background radiation), materi gelap (dark matter), dan “peninggalan” sisa radiasi dari Dentuman Besar.
Riak-riak gelombang sangat kecil
Petunjuk pertama adalah riak-riak gelombang sangat kecil dalam radiasi latar belakang mikrogelombang.” Apa yang dimaksud dengan “radiasi latar belakang mikrogelombang”? Radiasi latar belakang mengacu pada sinaran di dalam lingkungan alami manusia, termasuk sinar kosmik dan radiasi unsur-unsur radioaktif alami. Sementara itu, mikrogelombang adalah gelombang elektromagnetik dengan riak-gelombang antara 0,3 dan 30 sentimeter. Jadi radiasi latar belakang mikrogelombang adalah radiasi di dalam lingkungan alami manusia ditambah gelombang elektromagnetik yang disertai riak-gelombang.
Sebuah satelit bernama satelit COBE sudah mendeteksi riak-riak gelombang sangat kecil dalam radiasi latar belakang mikrogelombang yang biasanya seragam. Penemuan ini penting karena riak-riak gelombang ini boleh jadi cocok dengan fluktuasi kuantum yang ada pada saat Dentuman Besar. Dengan demikian, kita sebenarnya adalah “anak-anak” dari riak-riak gelombang yang sangat kecil ini. Kemudian, fluktuasi kuantum di awal waktu berangsur-angsur bertumbuh selama miliaran tahun menjadi jumlah yang sangat banyak dari galaksi, bintang, dan planet yang kita lihat sekarang.
Apa itu “fluktuasi kuantum”? Ia adalah jumlah energi takpasti, turun-naiknya bervariasi, dari sistem tertentu apa pun. Semakin singkat kita mengukur energi ini, semakin besar peluangnya untuk bervariasi.
Energi kekal karena jumlahnya selalu sama dalam jangka panjang. Tanpa kekekalan energi, pengalihragaman (transformation) dari satu keadaan dalam suatu atom ke keadaan lain sulit dibayangkan.
Akan tetapi, dalam jangka pendek, jumlah energi yang sama sulit dipertahankan. Suatu zarah bisa memperoleh energinya untuk suatu maksud begitu saja; energi ini muncul begitu saja sebagai suatu fluktuasi kuantum. Fluktuasi adalah suatu akibat dari ketakpastian Heisenberg (Heisenberg uncertainty relation), suatu istilah yang artinya berbeda dengan istilah lain: asas ketakpastian Heisenberg. Menurut ketakpastian Heisenberg, jumlah energi jangka pendek takpasti. Semakin singkatnya waktu konservasi energi, semakin takpastinya jumlah energi yang tersedia.
Ketakpastian Heisenberg adalah suatu istilah untuk memerikan pencampuran yang aneh dari energi dan waktu, dari posisi dan momentum, yang terjadi dalam sistem kuantum. Dalam teori kuantum, mempertimbangkan energi dan momentum sama pentingnya dengan mempertimbangkan posisi dan waktu. Mengukur energi suatu atom lebih mudah daripada menetapkan tempat (posisi) atom itu. Dalam pengertian klasik, energi adalah “kemampuan untuk melakukan pekerjaan". Dalam artian ini, energi muncul dalam banyak bentuk. Ia muncul sebagai energi massa rihat, energi kinetik yang melibatkan gerak benda apa pun, dan sebagai berbagai jenis energi potensial. Salah satu bentuk energi potensial ialah energi potensial gravitasional suatu benda; energi ini berkurang ketika suatu benda jatuh. Zarah-zarah membutuhkan energi untuk melakukan pengalihragaman dari suatu keadaan ke keadaan lain. Momentum adalah suatu jumlah yang mirip kecepatan. Momentum ialah menempuh suatu arah khusus sementara energi memiliki hanya suatu ukuran. Ketika kita berbicara tentang berapa banyak energi yang ada, kita sebenarnya ingin mengatakan tidak ada apa pun yang tersisa untuk dibicarakan. Elektron yang bergerak dari kanan ke kiri dan dari kiri ke kanan pada kecepatan yang sama memiliki energi kinetik yang sama, tapi momentum yang berbeda. Pencampuran yang aneh seperti inilah yang diperikan berdasarkan konsep ketakpastian Heisenberg.
Akan tetapi, konsep ketakpastian Heisenberg dinilai kurang tepat dibanding konsep fluktuasi kuantum. Ini pandangan Robert Gilmore, seorang fisikawan zarah asal Inggris, dalam bukunya, Alice in Quantumland An Allegory of Quantum Physics (New York, Inc.: Springer-Verlag, 1995, hal. 25).
Frasa “fluktuasi kuantum” ada hubungannya dengan sifat energi dari materi atomik dan subatomik. Energi bisa dialihragamkan (transformed) dari satu bentuk ke bentuk lain, tapi energi total suatu sistem bersifat konstan (tergantung pada apakah sistem itu mengalihragamkan energi ke atau dari lingkungannya atau tidak). Dalam jangka panjang, ini berlaku benar dalam sistem kuantum, tapi dalam jangka pendek energi berfluktuasi. Kata fluktuasi lebih baik daripada kata ketakpastian (dalam istilah ketakpastian Heisenberg) karena ada akibat-akibat fisikal yang nyata.
Lanjut Gilmore, konsep ilmu fisika tentang penembusan sawar (barrier penetration) yang terjadi selama pererasan alfa (alpha decay) dari inti atom bisa menjelaskan akibat-akibat fisikal dari fluktuasi kuantum. Penembusan sawar menyangkut distribusi probabilitas dari perilaku zarah, menurut teori kuantum. Pengamatan sesungguhnya dari zarah-zarah individual akan terjadi secara acak di dalam distribusi probabilitas. Probabilitas ini bisa mencakup proses-proses yang, dalam ilmu fisika klasik, dilarang, seperti penembusan zarah melewati suatu sawar energi yang tipis. Inti atom yang besar yang memiliki banyak nukleon dan bisa menjadi tidak stabil bisa mengalami rerasan radioaktif. Dalam rerasan ini, inti atom memancarkan zarah alfa; zarah ini adalah suatu kelompok yang terikat secara kuat dan terdiri dari dua neutron dan dua proton yang menembus lewat sejenis sawar yang disebut “sawar Coulomb”, suatu sawar yang mengelilingi inti atom dan (normalnya) mencegah kehadiran proton dan inti lain.
Sejauh ini, pembicaraan secara khusus tentang fluktuasi kuantum masih menjadi bagian dari petunjuk pertama. Apa petunjuk kedua?
Materi gelap
Materi gelap, suatu bahan yang belum diketahui, membentuk sekitar 90 persen massa alam semesta. Materi ini dipandang mengelilingi kebanyakan galaksi dan memengaruhinya melalui gravitasinya.
Petunjuk kedua tentang adanya dawai-dawai subatomik dalam alam semesta bisa datang dari materi gelap (dark matter). Banyak pengamatan secara kuat mengukuhkan adanya suatu bentuk materi yang baru dan misterius yang membentuk sekitar 90 persen massa dalam alam semesta. Misalnya, Bima Sakti kita begitu ringan sehingga ia akan hancur miliaran tahun yang lalu seandainya ia tidak ditahan bersama-sama oleh semacam tabung bulat panjang sejauh beberapa ratus ribu tahun cahaya di luar tepi cakram galaktik kita. Bentuk tabung bulat panjang itu beratnya 10 kali lebih besar daripada sekitar 100 miliar bintang yang ada dalam Bima Sakti kita! (Tahun cahaya adalah jarak yang ditempuh laju atau rambatan cahaya dalam satu tahun, yaitu 9.46 triliun kilometer.) Salah satu calon utama dari materi gelap itu adalah suatu bentuk materi baru yang disebut spartikel, singkatan dari super partikel atau zarah adi. Spartikel adalah beberapa di antara adidawai dengan vibrasi frekuensi yang paling rendah.
Radiasi latar belakang neutrino
Petunjuk ketiga bisa diperoleh dari radiasi “peninggalan” yang tersisa dari Dentuman Besar. Peninggalan itu disebut (radiasi) latar belakang neutrino. Radiasi ini terkenal sulit dideteksi. Tapi kalau berhasil dideteksi, kita akan mulai memahami alam semesta ketika ia baru saja berusia 3 detik! Maka “riak-riak gelombang” dari latar belakang neutrino ini akan memberi kita suatu pemahaman tentang Dentuman Besar itu sendiri.
Neutrino adalah nama salah satu zarah subatomik dari keluarga zarah lepton. Ia muncul dalam tiga bentuk zarah: elektron, muon, dan tau. Setiap bentuk memiliki antizarahnya. Neutrino tanpa muatan, memiliki massa, dan melaju pada kecepatan cahaya. Neutrino sulit dideteksi, di antaranya karena zarah ini hampir tidak berinteraksi dengan materi lain. Sejauh yang diamati, zarah subatomik ini mampu menembus bumi seakan-akan bumi tidak ada sama sekali. Sesungguhnya, trilunan neutrino yang dipancarkan matahari selalu menembus tubuh kita, bahkan pada malam hari sekalipun.
"Perilaku" Dawai-Dawai
Bagaimanakah “perilaku” dawai-dawai itu ketika teori gravitasi dan teori kuantum menyatu? Sementara seutas dawai bergerak dalam waktu, dawai itu melengkungkan susunan ruang di sekitarnya dan menghasilkan lubang-lubang hitam, lubang-lubang cacing, dan pemecahan-pemecahan aneh yang lain dari persamaan-persamaan Einstein. Jadi, dengan satu sapuan kuas, teori adidawai menggabungkan teori Einstein dan ilmu fisika kuantum menjadi suatu gambaran yang utuh.
Suatu ciri menonjol adidawai-adidawai adalah bahwa unsur-unsur subatomik sangat kecil ini bisa bergetar hanya dalam 10 dimensi. Sesungguhnya, ini adalah satu alasan dari kemampuan adidawai-adidawai untuk menyatukan semua forsa yang diketahui di alam semesta dalam 10 dimensi: ada “ruang lebih banyak” untuk mengakomodasi teori gravitasi Einstein dan ilmu fisika subatomik. Dalam artian tertentu, upaya-upaya sebelumnya untuk menyatukan foirsa-forsa dalam alam gagal karena suatu teori caturdimensional baku “terlalu kecil” untuk memenuhi semua forsa ke dalam suatu kerangka kerja matematik.
Anda masih ingat ilustrasi tentang ikan-ikan gurame di dalam kolamnya? Bagi ikan-ikan gurame, dunia di atas permukaan kolam disadari secara samar-samar. Bagi seekor ikan gurame ilmuwan, jagad raya terdiri dari 2 dimensi: ukuran panjang dan lebar. Tidak ada ukuran “tinggi.” Sesungguhnya, ikan-ikan gurame itu tidak mampu membayangkan suatu dimensi ketiga di luar kolamnya. Kata “ke atas,” “di atas,” atau “atas” tidak bermakna baginya. (Bayangkan kegelisahan mereka kalau kita tiba-tiba mengangkat mereka ke luar dari alam dwidimensionalnya ke dalam “ruang hiper,” yaitu, dunia kita!)
Michio Kaku, penulis Hyperspace, digambarkan sebagai seorang makhluk tridimensional yang berada di dalam kolam ikan gurame yang hanya mengalami dunia dwidimensional.
Akan tetapi, kalau turun hujan, maka permukaan kolamnya beriak-riak. Meskipun dimensi ketiga di luar pemahaman mereka, ikan-ikan gurame itu bisa melihat dengan jelas gelombang-gelombang yang merambat di permukaan.
Serupa dengan itu, kita, penduduk Bumi, tidak bisa “melihat” dimensi-dimensi lebih tinggi ini. Meskipun demikian, kita bisa melihat riak-riaknya ketika riak-riak itu bergetar. Menurut teori ini, “cahaya” tidak lain adalah getaran-getaran yang beriak-riak sepanjang dimensi ke-5 (yang sudah kita tahu dari tulisan sebelumnya). Dengan menambahkan dimensi yang lebih tinggi, kita bisa dengan mudah mengakomodasi lebih banyak forsa, termasuk forsa-forsa nuklir. Secara ringkas, semakin banyak dimensi yang kita miliki, semakin banyak forsa yang bisa kita akomodasi.
0 komentar:
Posting Komentar