Atom Ruang dan Waktu

Oleh: Lee Smolin
(Sumber: Special Edition Scientific American – A Matter of Time, 2006, hal. 82-92)

Kita merasa ruang dan waktu bersifat continuous (terhubung/tersambung), tapi bila teori loop quantum gravity yang mengagumkan itu benar, ruang dan waktu sebetulnya tersusun dari kepingan discrete (diskret/terpisah).

Lebih dari 100 tahun lalu kebanyakan orang—dan kebanyakan ilmuwan—menganggap materi bersifat continuous. Walaupun sejak zaman kuno beberapa filsuf dan ilmuwan telah berspekulasi bahwa jika materi dipecah menjadi potongan-potongan cukup kecil, ia mungkin tersusun dari atom-atom amat kecil, hanya segelintir yang berpikir bahwa eksistensi atom bisa dibuktikan. Hari ini kita telah melukiskan atom-atom tersendiri dan telah mempelajari partikel yang menyusunnya. Kebutiran (granularity) materi adalah berita lama.

Pada dekade belakangan, fisikawan dan matematikawan bertanya-tanya apakah ruang juga terbuat dari kepingan diskret. Apakah ia continuous, sebagaimana kita pelajari di sekolah, ataukah lebih mirip sepotong kain, ditenun dari serat-serat tersendiri? Jika kita bisa menyelidiki sampai skala ukuran yang cukup kecil, akankah kita melihat “atom” ruang, kepingan volume tak tereduksi yang tidak bisa dipecah menjadi sesuatu yang lebih kecil? Dan bagaimana dengan waktu: apakah alam terus-menerus berubah, atau apakah dunia berkembang dalam serangkaian langkah sangat kecil, bertindak lebih mirip komputer digital?

Dua dekade terakhir telah menyaksikan kemajuan besar terkait pertanyaan-pertanyaan ini. Sebuah teori bernama aneh, “loop quantum gravity”, memprediksi bahwa ruang dan waktu memang terbuat dari kepingan diskret. Gambaran yang diungkap oleh kalkulasi dalam kerangka teori ini amat sederhana dan menawan. Teori tersebut telah memperdalam pemahaman kita akan fenomena membingungkan yang berkaitan dengan black hole dan big bang. Di atas semua itu, ia bisa diuji; ia membuat prediksi-prediksi untuk eksperimen yang bisa dilakukan dalam waktu dekat yang akan memungkinkan kita mendeteksi atom-atom ruang, jika mereka betul-betul ada.

Quantum
Saya dan kolega mengembangkan teori loop quantum gravity sambil bergulat dengan persoalan lama dalam fisika: apakah mungkin untuk mengembangkan teori gravitasi quantum? Untuk menjelaskan mengapa ini merupakan pertanyaan penting—dan apa kaitannya dengan kebutiran ruang dan waktu—saya harus pertama-tama menceritakan sedikit soal teori quantum dan teori gravitasi.

Teori mekanika quantum dirumuskan di perempat pertama abad 20, sebuah perkembangan yang terkait erat dengan konfirmasi bahwa materi terbuat dari atom. Persamaan-persamaan mekanika quantum mensyaratkan bahwa kuantitas tertentu, seperti energi sebuah atom, hanya bisa tersusun dari unit-unit diskret spesifik. Teori quantum berhasil memprediksikan atribut dan perilaku atom dan partikel unsur dan gaya yang menyusunnya. Tak ada teori dalam sejarah sains yang lebih sukses daripada teori quantum. Ia mendasari pemahaman kita akan kimia, fisika atom dan subatom, elektronika, dan bahkan biologi.

Pada dekade yang sama ketika mekanika quantum sedang dirumuskan, Albert Einstein mengkonstruksi teori relativitas umumnya, yakni teori gravitasi. Menurut teorinya, gaya gravitasi timbul sebagai konsekuensi ruang dan waktu (yang bersama membentuk “ruangwaktu”) yang dilengkungkan oleh kehadiran materi. Analogi longgarnya adalah bola bowling yang ditempatkan di atas tilam karet bersama dengan kelereng yang menggelinding di sekelilingnya. Bola-bola tersebut dapat merepresentasikan matahari (sebagai bola bowling) dan bumi sebagai (kelereng), dan tilam itu adalah ruang. Bola bowling menciptakan lekukan dalam di tilam karet, dan lereng lekukan ini menyebabkan kelereng terbelokkan ke arah bola yang lebih besar, seolah-olah suatu gaya—gravitasi—menariknya ke arah tersebut. Demikian halnya, suatu keping materi atau konsentrasi energi mendistorsi geometri ruangwaktu, menyebabkan partikel lain dan sinar cahaya terbelokkan ke arahnya, sebuah fenomena yang kita sebut gravitasi.

Teori quantum dan teori relativitas umum Einstein telah dikonfirmasikan secara terpisah dan fantastis melalui eksperimen—tapi belum ada eksperimen yang menggali aturan di mana kedua teori memprediksikan efek-efek signifikan. Persoalannya adalah bahwa efek-efek quantum mencolok pada skala ukuran kecil, sedangkan efek relativitas umum mensyaratkan massa besar, sehingga perlu keadaan luar biasa untuk mengkombinasikan kedua kondisi.

Overview

  • Untuk memahami struktur ruang pada skala ukuran terkecil, kita harus beralih ke teori gravitasi quantum. Gravitasi dilibatkan karena teori relativitas umum Einstein mengungkap bahwa gravitasi disebabkan oleh pelengkungan ruang dan waktu.
  • Dengan mengkombinasikan prinsip-prinsip fundamental mekanika quantum dan relativitas umum secara hati-hati, fisikawan tertuntun menuju teori loop quantum gravity. Dalam teori ini, status quantum ruang yang diperkenankan ternyata terkait dengan diagram garis dan node yang disebut spin network. Ruangwaktu quantum dapat disamakan dengan diagram serupa yang disebut spin foam.
  • Loop quantum gravity memprediksi bahwa ruang tersusun dari bongkahan diskret, yang terkecilnya adalah sekitar satu panjang Planck kubik, atau 10-99 cm3. Efek-efek struktur diskret ini mungkin akan terlihat dalam eksperimen-eksperimen di waktu dekat.

Bersatu dengan lubang dalam data eksperimen ini adalah persoalan konseptual besar: teori relativitas umum Einstein adalah klasik sepenuhnya, atau nonquantum. Agar fisika secara keseluruhan bersifat konsisten logis, harus ada teori yang menyatukan mekanika quantum dan relativitas umum. Teori yang lama dicari-cari ini disebut gravitasi quantum. Karena relativitas umum berurusan dengan geometri ruangwaktu, teori gravitasi quantum akan menjadi teori ruangwaktu quantum.

Ruang ditenun dari benang-benang berlainan

Fisikawan telah mengembangkan banyak prosedur matematis untuk mengubah sebuah teori klasik menjadi teori quantum. Banyak fisikawan teoritis dan matematikawan telah mengerjakan penerapan teknik-teknik standar itu pada relativitas umum. Hasil awalnya mengecilkan hati. Kalkulasi yang dijalankan pada 1960-an dan 1970-an menunjukkan bahwa teori quantum dan relativitas umum tidak bisa dikombinasikan. Konsekuensinya, diperlukan sesuatu yang sama sekali baru, misalnya postulat atau prinsip tambahan yang tidak tercakup dalam teori quantum dan relativitas umum, atau partikel atau medan baru, atau suatu jenis entitas baru. Barangkali dengan penambahan tepat atau struktur matematis baru, bisa dikembangkan sebuah teori mirip quantum yang akan berhasil mendekati relativitas umum dalam aturan nonquantum. Agar tidak merusak prediksi sukses teori quantum dan relativitas umum, keeksotisan yang terkandung dalam teori utuh itu akan tetap tersembunyi dari eksperimen kecuali dalam keadaan luar biasa di mana teori quantum maupun relativitas umum memiliki efek besar. Banyak pendekatan berbeda sepanjang subjek ini telah dicoba, dengan nama-nama seperti twistor theory, noncommutative geometry, dan supergravity.

Sebuah pendekatan yang sangat populer di antara fisikawan adalah teori string, yang berpostulat bahwa ruang mempunyai enam atau tujuh dimensi—yang sejauh ini semuanya belum teramati sama sekali—selain tiga dimensi yang kita kenal. Teori string juga memprediksikan eksistensi banyak partikel unsur dan gaya baru, yang sejauh ini belum ada bukti teramati. Beberapa periset percaya bahwa teori string termasuk ke dalam teori bernama teori-M [lihat “The Theory Formerly Known as Strings”, tulisan Michael J. Duff, Scientific American, Februari 1998], tapi sayangnya belum pernah ada definisi tepat teori taksiran ini. Karenanya, banyak fisikawan dan matematikawan yakin bahwa mereka harus mempelajari banyak alternatif. Teori loop gravity quantum kami merupakan alternatif yang berkembang terbaik.

Jalan Keluar Besar
Pada pertengahan 1980-an, beberapa dari kami—meliputi Abhay Ashtekar (kini di Pennsylvania State University), Ted Jacobson dari Universitas Maryland, dan Carlo Rovelli (kini di Universitas Mediterranean, Marseille)—memutuskan untuk memeriksa ulang pertanyaan tentang apakah mekanika quantum bisa dikombinasikan secara konsisten dengan relativitas umum memakai teknik standar. Kami tahu bahwa hasil negatif dari tahun 1970-an memiliki jalan keluar penting. Kalkulasi-kalkulasi itu berasumsi bahwa geometri ruang adalah continuous dan halus, tak peduli seberapa seksama kita memeriksanya, persis sebagaimana sangkaan orang sebelum penemuan atom. Beberapa guru dan pembimbing kami menguraikan bahwa jika asumsi ini salah, kalkulasi lama itu tidak bisa dipercaya.

Jadi kami mulai menyelidiki sebuah cara untuk mengerjakan kalkulasi tanpa berasumsi bahwa ruang bersifat halus dan continuous. Kami bersikeras tidak membuat asumsi apapun di luar prinsip-prinsip relativitas umum dan teori quantum yang telah teruji secara eksperimen. Terutama, kami mempertahankan dua prinsip kunci relativitas umum di jantung kalkulasi kami.

Yang pertama dikenal sebagai background independence. Prinsip ini menyatakan bahwa geometri ruangwaktu tidaklah tetap. Justru, geometrinya merupakan kuantitas dinamis yang berkembang. Untuk menemukan geometri tersebut, seseorang harus memecahkan persamaan-persamaan tertentu yang mencakupi semua efek materi dan energi. Kebetulan, teori string, sebagaimana dirumuskan sekarang, tidak bersifat background independent; persamaan-persamaan yang menggambarkan string diset di ruangwaktu klasik yang sudah ditetapkan (dengan kata lain, nonquantum).

Prinsip kedua, dikenal dengan nama mengesankan yakni diffeomorphism invariance, terkait erat dengan background independence. Prinsip ini mengimplikasikan bahwa, tak seperti teori-teori sebelum relativitas umum, seseorang bebas memilih set koordinat manapun untuk memetakan ruangwaktu dan mengekspresikan persamaan. Sebuah titik di ruangwaktu tidak ditetapkan oleh apa yang terjadi secara fisikal semata, bukan oleh lokasinya menurut suatu set koordinat istimewa (tak ada koordinat yang istimewa). Diffeomorphism invariance sangat powerful dan sangat fundamental dalam relativitas umum.

Dengan mengkombinasikan dua prinsip ini dengan teknik-teknik standar mekanika quantum secara hati-hati, kami mengembangkan bahasa matematis yang memperkenankan kami mengerjakan komputasi untuk menetapkan apakah ruang bersifat continuous atau diskret. Kalkulasi tersebut mengungkap, sampai menggembirakan kami, bahwa ruang itu terquantisasi. Kami telah menaruh fondasi teori loop quantum gravity kami. Ngomong-ngomong, istilah “loop” timbul dari bagaimana beberapa komputasi dalam teori tersebut melibatkan loop­loop kecil yang tertandai di ruangwaktu.

Kalkulasi tersebut telah dikerjakan ulang oleh sejumlah fisikawan dan matematikawan memakai sederetan metode. Bertahun-tahun sejak saat itu, studi loop quantum gravity telah tumbuh menjadi bidang riset yang sehat, dengan banyak kontribusi di seluruh dunia; upaya gabungan kami memberi kami keyakinan terhadap gambaran ruangwaktu yang akan saya uraikan.

Teori kami adalah teori struktur ruangwaktu quantum pada skala ukuran terkecil, jadi untuk menjelaskan bagaimana teori tersebut bekerja kita perlu mempertimbangkan prediksinya untuk kawasan atau volume kecil. Dalam berurusan dengan fisika quantum, adalah penting untuk menspesifikasi secara tepat kuantitas fisikal apa saja yang akan diukur. Untuk itu, kita mempertimbangkan sebuah kawasan yang ditandai oleh sebuah perbatasan, B [lihat boks di bawah]. Perbatasan itu bisa ditetapkan oleh suatu materi, seperti cangkang besi cor, atau bisa ditetapkan oleh geometri ruangwaktu itu sendiri, sebagaimana pada horizon peristiwa black hole (permukaan yang dari cengkeraman gravitasinya cahaya sekalipun tidak bisa melepaskan diri).

Apa yang terjadi jika kita mengukur volume kawasan? Apa hasil potensial yang diperkenankan oleh teori quantum maupun diffeomorphism invariance. Jika geometri ruang bersifat continuous, kawasan itu boleh jadi berukuran tertentu dan hasil pengukuran mungkin berupa bilangan riil positif; rincinya, mungkin hampir bervolume nol. Tapi jika geometri berbentuk butiran (granular), maka hasil pengukurannya bisa datang dari satu set bilangan diskret dan tidak mungkin lebih kecil dari volume minimum tertentu. Pertanyaan ini serupa dengan menanyakan berapa banyak energi yang dimiliki oleh elektron yang mengorbit nukleus atom. Mekanika klasik memprediksi bahwa sebuah elektron bisa memiliki energi dalam jumlah berapapun, sedangkan mekanika quantum hanya memperkenankan energi spesifik (besaran yang tidak terdapat di antara harga-harga itu). Perbedaannya adalah seperti antara mengukur sesuatu yang mengalir terus-menerus (seperti konsepsi air di abad 19) dan sesuatu yang bisa dihitung (seperti atom pada air tersebut).

Teori loop gravity quantum memprediksi bahwa ruang adalah seperti atom: terdapat set bilangan diskret yang bisa dihasilkan oleh eksperimen pengukuran volume. Volume tersusun dari kepingan berlainan. Kuantitas lain yang bisa kita ukur adalah luas perbatasan B. Lagi-lagi, kalkulasi memakai teori tersebut menghasilkan hasil terang: luas permukaan bersifat diskret pula. Dengan kata lain, ruang tidaklah continuous. Ia tersusun dari unit-unit quantum luas dan volume yang spesifik.

Harga potensial volume dan luas diukur dalam satuan sebuah kuantitas yang disebut panjang Planck. Panjang ini terkait dengan kekuatan gravitasi, ukuran quantum, dan kecepatan cahaya. Ia mengukur skala yang padanya geometri ruang tak lagi continuous. Panjang Planck sangatlah kecil: 10-33 centimeter. Luas terkecil potensial non-nol adalah sekitar panjang Planck persegi, atau 10-66 cm2. Volume terkecil non-nol adalah kurang-lebih satu panjang Planck kubik, 10-99 cm3. Jadi, teori ini memprediksi bahwa terdapat sekitar 1099 atom volume di setiap cm3 ruang. Quantum volume begitu kecil sehingga ada lebih banyak quantum semacam itu di satu cm3 dibanding bercentimeter-centimeter kubik volume yang ada di alam semesta tampak (1085).

Spin Network
Apa lagi yang diberitahukan oleh teori kami tentang ruangwaktu? Pertama-tama, terlihat seperti apa status quantum volume dan luas ini? Apakah ruang terbuat dari banyak kubus atau bola kecil? Jawabannya tidak—tidak sesederhana itu. Namun demikian, kita bisa menggambar diagram yang merepresentasikan status quantum volume dan luas. Bagi orang-orang yang bekerja di bidang ini, diagram ini sangat indah lantaran keterkaitannya dengan sebuah cabang elegan matematika.

Untuk memahami bagaimana diagram ini bekerja, bayangkan kita mempunyai bongkahan ruang berbentuk mirip kubus, sebagaimana diperlihatkan di boks bawah. Dalam diagram kita, kita melukiskan kubus ini sebagai dot, yang merepresentasikan volume, dengan enam garis menjulur, yang masing-masingnya merepresentasikan satu muka kubus. Kita harus menulis sebuah bilangan di sebelah dot untuk menspesifikasi kuantitas volume, dan di tiap garis kita menulis sebuah bilangan untuk menspesifikasi luas muka yang direpresentasikan oleh garis.

Selanjutnya, asumsikan kita menaruh piramida di puncak kubus. Dua polihedron ini, yang berbagi muka bersama, dilukiskan sebagai dua dot (dua volume) yang terhubung oleh salah satu garis (muka yang menghubungkan dua volume). Kubus memiliki lima muka lain (lima garis menjulur), dan piramida mempunyai empat muka lain (empat garis menjulur). Jelas betapa lebih rumitnya susunan yang melibatkan polihedron selain kubus dan piramida untuk dilukiskan degan diagram dot dan garis ini: tiap polihedron volume menjadi dot, atau node, dan tiap muka flat polihedron menjadi garis, dan garis-garis itu menghubungkan node-node sebagaimana muka menghubungkan polihedron. Matematikawan menyebut ini grafik diagram garis.

Materi eksis di node-node spin network

Nah, dalam teori kami, kami membuang gambar polihedron dan mempertahankan grafik. Matematika yang menggambarkan status quantum volume dan luas memberi kami satu set aturan tentang bagaimana node-node dan garis-garis bisa dihubungkan dan bilangan berapa yang boleh terdapat di diagram. Setiap status quantum dapat disamakan dengan salah satu grafik ini, dan setiap grafik yang mematuhi aturan dapat disamakan dengan satu status quantum. Grafik merupakan stenografi tepat untuk semua kemungkinan status quantum ruang. (Matematika tersebut dan detail status quantum lainnya terlampau rumit untuk dibahas di sini; cara terbaik yang bisa kita lakukan adalah memperlihatkan beberapa diagram bersangkutan.)

Grafik merupakan representasi status quantum yang lebih baik dibanding polihedron. Rincinya, beberapa grafik terhubung dengan cara aneh yang tidak bisa dikonversi menjadi gambaran rapi polihedron. Contoh, kapanpun ruang melengkung, polihedron tidak akan cocok tepat dalam gambar apapun yang kita buat, sedangkan kita masih bisa menggambar grafik. Betul, kita bisa mengambil grafik dan darinya mengkalkulasi berapa banyak ruang yang terdistorsi. Karena distorsi ruang adalah yang menghasilkan gravitasi, inilah cara diagram membentuk teori gravitasi quantum.

Untuk kesederhanaan, kami sering menggambar grafik dalam dua dimensi, tapi adalah lebih baik untuk membayangkan mereka mengisi ruang tiga-dimensi, sebab itulah yang mereka representasikan. Tapi ada satu jebakan konseptual di sini: garis dan node sebuah grafik tidak tinggal di lokasi spesifik di ruang. Tiap grafik ditetapkan oleh bagaimana kepingan-kepingannya terhubung dan bagaimana kepingan itu berhubungan dengan perbatasan jelas seperti perbatasan B. Ruang tiga-dimensi continuous yang menurut bayangan Anda ditempati oleh grafik tidaklah eksis sebagai entitas terpisah. Yang eksis hanyalah garis dan node; mereka adalah ruang, dan cara mereka terhubung menetapkan geometri ruang.

Grafik-grafik ini disebut spin network sebab bilangan pada mereka terkait dengan kuantitas yang disebut spin. Roger Penrose dari Universitas Oxford pertama kali mengajukan di awal 1970-an bahwa spin network mungkin memainkan peran dalam teori gravitasi quantum. Kami sangat senang saat menemukan, pada 1994, bahwa kalkulasi presisi mengkonfirmasi intuisi Penrose. Pembaca yang familiar dengan diagram Feynman mesti mencatat bahwa spin network kami bukanlah diagram Feynman, meski dari luar terdapat keserupaan. Diagram Feynman merepresentasikan interaksi quantum di antara partikel, yang beralih dari satu status quantum ke status lainnya. Diagram kami merepresentasikan status quantum tetap volume ruang dan luas.

Masing-masing node dan tepi diagram merepresentasikan kawasan ruang yang amat kecil: node tipikalnya merupakan volume sekitar satu panjang Planck kubik, sedangkan garis tipikalnya merupakan luas sekitar satu panjang Planck persegi. Tapi secara prinsip, tak ada yang membatasi seberapa besar dan rumit sebuah spin network. Jika kita bisa membuat gambar detail status quantum alam semesta kita—geometri ruangnya, sebagaimana dibengkokkan dan dilengkungkan oleh gravitasi galaksi dan black hole dan segala hal lainnya—itu akan berupa spin network raksasa dengan kompleksitas tak terbayangkan, dengan kira-kira 10184 node.

Spin network ini menggambarkan geometri ruang. Tapi bagaimana dengan semua materi dan energi yang terkandung dalam ruang tersebut? Bagaimana kita merepresentasikan partikel dan medan yang menempati posisi dan kawasan ruang? Partikel, seperti elektron, dapat disamakan dengan tipe node tertentu, yang direpresentasikan oleh penambahan lebih banyak label pada node. Medan, seperti medan elektromagnet, direpresentasikan dengan label tambahan pada garis grafik. Kami merepresentasikan partikel dan medan yang bergerak di ruang dengan label ini, yang bergerak dalam langkah diskret pada grafik.

Gerakan dan Buih
Partikel dan medan bukan satu-satunya yang bergerak. Menurut relativitas umum, geometri ruang berubah seiring waktu. Tekukan dan lengkungan ruang berubah sewaktu materi dan energi bergerak, dan gelombang bisa melintas seperti riakan di danau [lihat “Ripples in Space and Time”, tulisan W. Wayt Gibbs, Scientific American, April 2002]. Dalam loop quantum gravity, proses-proses ini direpresentasikan oleh perubahan pada grafik. Mereka berkembang seiring waktu lewat rangkaian “gerakan” tertentu di mana konektivitas grafik berubah [lihat boks Evolusi Geometri Seiring Waktu].

Ketika fisikawan menggambarkan secara mekanis quantum, mereka mengkomputasi probabilitas proses-proses berbeda. Kami melakukan hal yang sama saat menerapkan teori loop quantum gravity untuk menggambarkan fenomena, entah itu partikel dan medan yang bergerak di spin network ataupun geometri ruang itu sendiri yang berkembang seiring waktu. Rincinya, Thomas Thiemann dari Perimeter Institute for Theoretical Physics di Waterloo, Ontario, telah memperoleh probabilitas quantum akurat untuk gerakan-gerakan spin network. Dengan ini, teori dispesifikasi secara menyeluruh: kami mempunyai prosedur jelas untuk mengkomputasi probabilitas suatu proses yang bisa terjadi di sebuah dunia yang mematuhi aturan teori kami. Cuma tinggal melakukan komputasi dan mengerjakan prediksi atas apa yang bisa diamati dalam eksperimen jenis lain.

Waktu maju dengan detakan diskret banyak jam

Teori relativitas khusus dan umum Einstein menghubungkan ruang dan waktu menjadi satu entitas tergabung yang dikenal sebagai ruangwaktu. Spin network yang merepresentasikan ruang dalam teori loop gravity quantum mengakomodasi konsep ruangwaktu dengan menjadi apa yang kami sebut “buih” spin. Dengan penambahan dimensi lain—yakni waktu—garis-garis spin network tumbuh menjadi permukaan dua-dimensi, dan node-node tumbuh menjadi garis-garis. Transisi di mana spin network berubah (gerakan yang dibahas tadi) kini direpresentasikan oleh node di mana garis-garis bertemu pada buih. Gambaran buih spin ruangwaktu diajukan oleh beberapa orang, meliputi Carlo Rovelli, Mike Reisenberger (kini di Universitas Monte video), John Barrett dari Universitas Nottingham, Louis Crane dari Kansas State University, John Baez dari Universitas California (Riverside), dan Fotini Markopoulou dari Perimeter Institute for Theoretical Physics.

Di ruangwaktu tersebut, satu potret pada satu waktu spesifik adalah seperti irisan yang melintasi ruangwaktu. Pembuatan irisan demikian melewati buih spin menghasilkan spin network. Tapi adalah keliru jika menganggap irisan demikian bergerak terus-menerus, seperti aliran waktu yang halus. Justru, sebagaimana ruang yang ditetapkan oleh geometri diskret spin network, waktu ditetapkan oleh sekuens gerakan berlainan yang menyusun ulang network, sebagaimana diperlihatkan dalam boks Evolusi Geometri Seiring Waktu. Dengan cara ini, waktu juga menjadi diskret. Aliran waktu bukanlah seperti sungai melainkan seperti detakan jam, dengan “detakan” yang sepanjang kira-kira waktu Planck: 10-43 detik. Atau, lebih tepatnya, waktu di alam semesta kita mengalir dengan detakan banyak jam—dalam arti, di setiap lokasi pada buih spin di mana sebuah “gerakan” quantum terjadi, sebuah jam di lokasi tersebut berdetak sekali.

Prediksi dan Ujian
Saya telah menguraikan apa yang diberitahukan oleh loop quantum gravity mengenai ruang dan waktu pada skala Planck, tapi kami tidak bisa memverifikasi teori secara langsung dengan memeriksa ruangwaktu pada skala tersebut. Itu terlampau kecil. Lantas bagaimana kita bisa menguji teori? Ujian penting adalah apakah seseorang dapat memperoleh relativitas umum klasik sebagai penaksiran terhadap loop quantum gravity. Dengan kata lain, jika spin network adalah seperti benang-benang yang ditenun menjadi sepotong kain, ini sama dengan menanyakan apakah kita bisa mengkomputasi atribut elastis yang benar untuk sehelai material dengan merata-ratakan ribuan benang. Demikian halnya, saat merata-ratakan banyak panjang Planck, apakah spin network menggambarkan geometri ruang dan evolusi yang cocok secara kasar dengan “kain halus” teori klasik Einstein? Ini persoalan yang sulit, tapi belakangan para periset telah membuat kemajuan untuk beberapa kasus—untuk konfigurasi pasti material, boleh dikatakan demikian. Contoh, gelombang gravitasi berpanjang gelombang panjang yang menjalar di permukaan ruang flat (tidak melengkung) bisa digambarkan sebagai penstimulasian status quantum spesifik yang digambarkan oleh teori loop quantum gravity.

Ujian berbuah lainnya adalah melihat apa yang dikatakan loop quantum gravity tentang salah satu misteri terlama dalam fisika gravitasi dan teori quantum: termodinamika black hole, khususnya entropinya, yang terkait dengan kekacauan/ketidakteraturan. Fisikawan telah mengkomputasi prediksi menyangkut termodinamika black hole memakai teori penaksiran hibrid di mana materi diperlakukan secara mekanis quantum tapi ruangwaktu tidak. Teori gravitasi quantum utuh, seperti loop quantum gravity, semestinya mampu mereproduksi prediksi-prediksi ini. Rincinya, pada 1970-an, Jacob D. Bekenstein (kini di Universitas Hebrew, Yerusalem) menyimpulkan bahwa black hole harus diatributi entropi yang proporsional dengan luas permukaannya [lihat “Informasi di Alam Semesta Holografis”, tulisan Jacob D. Bekenstein, Scientific American, Agustus 2003]. Tak lama kemudian, Stephen W. Hawking dari Universitas Cambridge menyimpulkan bahwa black hole, terutama yang kecil, pasti memancarkan radiasi. Prediksi ini adalah di antara hasil terbesar fisika teoritis dalam 30 tahun terakhir.

Untuk mengerjakan kalkulasi dalam loop quantum gravity, kami mengambil perbatasan B sebagai horizon peristiwa black hole. Saat kami menganalisis entropi status quantum relevan, kami persis memperoleh prediksi Bekenstein. Demikian pula, teori tersebut mereproduksi prediksi Hawking soal radiasi black hole. Nyatanya, teori kami membuat prediksi lebih jauh untuk struktur halus radiasi Hawking. Seandainya sebuah black hole mikroskopis diobservasi, prediksi ini bisa diuji dengan mempelajari spektrum radiasi yang dipancarkannya. Namun, hal itu mungkin terlalu jauh saat ini, sebab kita tak punya teknologi untuk membuat black hole, yang kecil ataupun besar.

Memang, uji eksperimen loop quantum gravity mulanya akan terlihat sebagai tantangan teknologi yang besar. Persoalannya adalah bahwa efek khas yang digambarkan oleh teori tersebut hanya menjadi signifikan pada skala Planck, ukuran quantum luas dan volume yang amat kecil. Skala Planck adalah 16 orde magnitudo di bawah skala yang diselidiki di akselerator-akselerator partikel high-energy yang sedang direncanakan (energi tinggi dibutuhkan untuk menyelidiki skala jarak yang lebih pendek). Karena kita tidak bisa menjangkau skala Planck dengan sebuah akselerator, banyak orang kehilangan banyak harapan untuk konfirmasi teori-teori gravitasi quantum.

Namun, dalam beberapa tahun belakangan, segelintir periset belia yang imajinatif telah menemukan cara-cara baru untuk menguji prediksi-prediksi loop quantum gravity yang bisa dikerjakan sekarang. Metode-metode ini tergantung pada penjalaran cahaya di alam semesta. Saat cahaya bergerak melintasi sebuah medium, panjang gelombangnya mengalami beberapa distorsi, menimbulkan efek-efek seperti penekukan pada air dan pemisahan panjang gelombang, atau warna, berbeda-beda. Efek ini juga terjadi untuk cahaya dan partikel yang bergerak melintasi ruang diskret yang digambarkan oleh spin network.

Sayangnya, magnitudo efek ini proporsional dengan rasio panjang Planck terhadap panjang gelombang. Untuk cahaya tampak, rasio ini lebih kecil dari 10-28; bahkan untuk sinar kosmik terkuat yang pernah diobservasi pun, [rasionya] adalah sekitar sepermiliar. Untuk suatu radiasi yang bisa kita observasi, efek-efek struktur butiran ruang sangatlah kecil. Apa yang periset-periset belia tangkap adalah bahwa efek-efek ini berakumulasi saat cahaya menempuh jarak panjang. Dan kita mendeteksi cahaya dan partikel yang berasal dari miliaran tahun-cahaya jauhnya, dari persitiwa-peristiwa seperti semburan sinar gamma [lihat “The Brightest Explosions in the Universe”, tulisan Neil Gehrels, Luigi Piro, dan Peter J. T. Leonard, Scientific American, Desember 2002].

Semburan sinar gamma memuntahkan photon berenergi dalam ledakan amat singkat. Kalkulasi dalam loop quantum gravity, oleh Rodolfo Gambini dari Universitas Republic di Uruguay, Jorge Pullin dari Louisiana State University, dan yang lainnya, memprediksi bahwa photon-photon berenergi berlainan semestinya berjalan dengan kecepatan yang sedikit berbeda dan karenanya tiba pada waktu yang sedikit berbeda [lihat boks di atas]. Kita bisa mencari efek ini dalam data dari satelit pengobservasi semburan sinar gamma. Sejauh ini, presisinya adalah sekitar faktor 1.000 di bawah yang dibutuhkan, tapi sebuah satelit observatorium bernama GLAST, direncanakan untuk tahun 2007, akan memiliki presisi yang disyaratkan.

Pembaca mungkin bertanya apakah hasil ini akan berarti bahwa teori relativitas khusus Einstein salah padahal ia memprediksi kecepatan universal cahaya. Beberapa orang, meliputi Giovanni Amelino-Camelia dari Universitas Rome “La Sapienza” dan João Magueijo dari Imperial College London, juga saya sendiri, telah mengembangkan versi modifikasi teori Einstein yang akan mengakomodasi photon-photon high-energy yang berjalan pada kecepatan berbeda-beda. Teori-teori kami mengajukan bahwa kecepatan universal adalah kecepatan photon-photon berenergi sangat rendah atau, sama artinya, cahaya berpanjang gelombang panjang.

Efek potensial ruangwaktu diskret lainnya melibatkan sinar kosmik berenergi sangat tinggi. Lebih 30 tahun silam para periset memprediksi bahwa proton sinar kosmik berenergi lebih dari 3 x 1019 eV akan memencarkan gelombang mikro kosmik latar yang memenuhi ruang angkasa dan karenanya semestinya tak pernah menjangkau bumi. Yang menimbulkan teka-teki, sebuah eksperimen Jepang bernama AGASA telah mendeteksi lebih dari 10 sinar kosmik dengan energi di atas batas ini. Tapi ternyata struktur diskret ruang bisa menaikkan energi yang dibutuhkan untuk reaksi pemencaran, memperkenankan proton sinar kosmik berenergi lebih tinggi untuk menjangkau bumi. Jika observasi AGASA benar, dan jika tak ditemukan penjelasan lain, maka kemungkinan kita telah mendeteksi kediskretan ruang.

Kosmos
Selain membuat prediksi tentang fnomena spesifik seperti sinar kosmik berenergi tinggi, loop quantum gravity telah membuka jendela baru yang dengannya kita bisa mempelajari pertanyaan-pertanyaan kosmologi mendalam, misalnya yang berkaitan dengan awal-mula alam semesta kita. Kita bisa menggunakan teori tersebut untuk mempelajari momen-momen waktu terawal persis setelah big bang. Relativitas umum memprediksi bahwa ada momen waktu pertama, tapi kesimpulan ini mengabaikan fisika quantum (sebab relativitas umum bukan sebuah teori quantum). Kalkulasi mutakhir loop quantum gravity oleh Martin Bojowald dari Max Planck Institute for Gravitational Physics di Golm, Jerman, mengindikasikan bahwa big bang sebetulnya merupakan big bounce (pelantingan besar); sebelum bounce tersebut, alam semesta menyusut pesat. Para teoris kini bekerja keras mengembangkan prediksi untuk alam semesta awal yang mungkin bisa diuji dalam observasi kosmologis mendatang. Tak mustahil bahwa dalam sisa hidup kita, kita bisa melihat bukti [adanya] waktu sebelum big bang.

Bagaimana realitas klasik muncul dari ruangwaktu quantum, ini masih sedang dipecahkan

Sebuah pertanyaan dengan kedalaman serupa bersangkutan dengan konstanta kosmologis—densitas energi positif atau negatif yang dapat merembes ruang “hampa”. Observasi mutakhir terhadap supernova-supernova jauh dan gelombang mikro kosmik latar mengindikasikan dengan kuat bahwa energi ini memang eksis dan positif, yang mengakselerasi perluasan alam semesta [lihat “The Quintessential Universe”, tulisan Jeremiah P. Ostriker dan Paul J. Steinhardt, Scientific American, Januari 2001]. Loop quantum gravity tidak punya masalah untuk memasukkan densitas energi positif. Fakta ini didemonstrasikan pada 1990, saat Hideo Kodama dari Universitas Kyoto menulis persamaan-persamaan yang menggambarkan sebuah status quantum tepat alam semesta yang memiliki konstanta kosmologis positif.

Banyak pertanyaan terbuka yang masih harus dijawab dalam loop quantum gravity. Beberapanya adalah masalah teknis yang perlu diklarifikasi. Kita juga ingin memahami bagaimana relativitas khusus harus dimodifikasi pada energi amat tinggi. Sejauh ini, spekulasi kita dalam topik ini tidak terjalin erat dengan kalkulasi loop quantum gravity. Selain itu, kita ingin tahu apakah relativitas umum klasik merupakan deskripsi penaksiran yang baik atas teori ini untuk jarak yang lebih besar dari panjang Planck, dalam semua keadaan. (Saat ini kita hanya tahu bahwa penaksiran tersebut bagus untuk status-status tertentu yang menggambarkan gelombang gravitasi agak lemah yang menjalar di permukaan ruangwaktu flat.) Terakhir, kita ingin memahami apakah loop quantum gravity mempunyai sesuatu untuk dikatakan atau tidak tentang unifikasi: apakah berbagai gaya itu, termasuk gravitasi, hanya merupakan aspek-aspek dari gaya fundamental tunggal? Teori string didasarkan pada ide khusus tentang unifikasi, tapi kita juga memiliki ide untuk mencapai unifikasi dengan loop quantum gravity.

Loop quantum gravity menduduki posisi sangat penting dalam perkembangan fisika. Ia merupakan teori relativitas umum quantum yang dapat diperdebatkan, sebab tidak membuat asumsi tambahan di luar prinsip-prinsip dasar teori quantum dan teori relativitas. Permulaan luar biasa yang ia buat—mengajukan ruangwaktu discontinuous yang digambarkan lewat spin network dan buih spin—muncul dari matematikanya sendiri, ketimbang disisipkan sebagai postulat khusus.

Tapi, segala hal yang saya bahas masih teoritis. Bisa saja bahwa, mengesampingkan semua uraian saya di atas, ruang memang continuous, tak peduli seberapa kecil skala yang kita selidiki. Kalau demikian, fisikawan akan harus beralih ke postulat yang lebih radikal, seperti postulat teori string. Karena ini adalah sains, pada akhirnya eksperimenlah yang akan memutuskan. Kabar baiknya adalah bahwa keputusan itu mungkin segera tiba.

Penulis
Lee Smolin adalah periset di Perimeter Institute for Theoretical Physics di Waterloo, Ontario, dan asisten profesor fisika di Universitas Waterloo. Dia mendapat gelar B.A. dari Hampshire College dan Ph.D. dari Universitas Harvard dan menjadi staf pengajar di Universitas Yale, Syracuse, dan Pennsylvania State. Selain meneliti gravitasi quantum, dia tertarik pada fisika partikel unsur, kosmologi, dan fondasi teori quantum. Bukunya tahun 1997, The Life of the Cosmos (Oxford University Press), menggali implikasi filosofis perkembangan fisika dan kosmologi kontemporer.

Untuk Digali Lebih Jauh

  • Three Roads to Quantum Gravity. Lee Smolin. Basic Books, 2001.
  • The Quantum of Area? John Baez dalam Nature, Vol. 421, hal. 702–703; Februari 2003.
  • How Far Are We from the Quantum Theory of Gravity? Lee Smolin. Maret 2003. Pracetak tersedia di www.arxiv.org/hep-th/0303185.
  • Welcome to Quantum Gravity. Bagian khusus. Physics World, Vol. 16, No. 11, hal. 27–50; November 2003.
  • Loop Quantum Gravity. Lee Smolin. Online di www.edge.org/3rd–culture/smolin03/smolin03–index.html.

2 thoughts on “Atom Ruang dan Waktu

  1. saya mengalami distorsi ruangwaktu itu saat memakai buddha’s stick (salah satu jenis ganja). efeknya serupa dengan teori ini. ada yg bisa memberika penjelasan?

    thanks

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s