Pemandangan Teori String

Oleh: Raphael Bousso dan Joseph Polchinski
(Sumber: Special Edition Scientific American – The Frontiers of Physics, 2006, hal. 41-49)

Teori string memprediksi bahwa alam semesta mungkin menempati salah satu “lembah” sembarang dari pilihan lembah tak terhingga di sebuah pemandangan kemungkinan yang luas.

Pemandangan teoritis yang didiami sederetan kemungkinan alam semesta tak terhitung diprediksikan oleh teori string. Pemandangan itu memiliki barangkali 10500 lembah, yang masing-masingnya dapat disamakan dengan set hukum fisika yang mungkin beroperasi di gelembung ruang yang luas. Alam semesta tampak kita mungkin adalah sebuah kawasan relatif kecil di dalam gelembung semacam itu.

Menurut teori relativitas umum Albert Einstein, gravitasi timbul dari geometri ruang dan waktu, yang berkombinasi membentuk ruangwaktu. Benda masif apapun meninggalkan jejak pada bentuk ruangwaktu, diatur oleh persamaan Einstein yang dirumuskan pada 1915. Massa Bumi, misalnya, membuat waktu berjalan sedikit lebih cepat bagi apel di dekat puncak pohon dibanding bagi fisikawan yang bekerja di bawah naungan pohon tersebut. Ketika apel jatuh, ia sesungguhnya sedang merespon pelengkungan waktu ini. Lengkungan ruangwaktu menjaga bumi tetap di orbitnya di sekeliling matahari dan mendorong galaksi jauh semakin jauh lagi. Ide mengejutkan dan menawan ini telah dikonfirmasi oleh banyak eksperimen presisi.

Overview

  • Menurut teori string, hukum fisika yang kita lihat sedang beroperasi di dunia tergantung pada bagaimana dimensi ruang tambahan tergulung menjadi bundel kecil.
  • Sebuah peta berisi semua kemungkinan konfigurasi dimensi tambahan menghasilkan “pemandangan” di mana tiap lembah dapat disamakan dengan set hukum stabil.
  • Keseluruhan visible universe eksis di kawasan ruang yang diasosiasikan dengan salah satu lembah pemandangan tersebut yang kebetulan menghasilkan hukum fisika yang cocok untuk evolusi kehidupan.

Dengan adanya keberhasilan mengganti gaya gravitasi dengan dinamika ruang dan waktu, mengapa tidak mencari penjelasan untuk gaya-gaya alam lainnya dan bahkan untuk spektrum partikel unsur? Sungguh, pencarian ini mengisi sebagian besar hidup Einstein. Dia terutama tertarik pada karya Theodor Kaluza (Jerman) dan Oskar Klein (Swedia), yang mengajukan bahwa sementara gravitasi mencerminkan bentuk empat dimensi ruangwaktu familiar, elektromagnetisme timbul dari geometri sebuah dimensi kelima tambahan yang terlampau kecil untuk dilihat langsung (setidaknya sampai sekarang). Pencarian Einstein akan sebuah unified theory (teori terpadu) sering diingat sebagai kegagalan. Nyatanya, itu memang prematur: fisikawan harus terlebih dahulu memahami gaya-gaya nuklir dan peran krusial teori medan quantum dalam menggambarkan fisika—sebuah pemahaman yang baru dicapai pada 1970-an.

Pencarian teori terpadu merupakan aktivitas sentral dalam fisika teoritis hari ini, dan sebagaimana Einstein ramalkan, konsep geometri memainkan peran kunci. Ide Kaluza-Klein telah dihidupkan kembali dan diperluas sebagai fitur teori string, sebuah kerangka menjanjikan untuk unifikasi mekanika quantum, relativitas umum, dan fisika partikel. Menurut penaksiran Kaluza-Klein maupun teori string, hukum fisika yang kita lihat dikendalikan oleh bentuk dan ukuran dimensi-dimensi mikroskopis tambahan. Apa yang menentukan bentuk ini? Perkembangan teoritis dan eksperimen mutakhir mengindikasikan jawaban mengejutkan dan kontroversial yang sangat mengubah gambaran kita akan alam semesta.

Teori Kaluza-Klain dan String
Kaluza dan Klein mecetuskan konsep dimensi kelima mereka pada paruh awal abad 20, ketika ilmuwan mengetahui dua gaya—elektromagnetisme dan gravitasi. Kedua gaya ini berkurang secara berbanding terbalik dengan kuadrat jarak dari sumbernya, jadi berspekulasi bahwa mereka terhubung dalam suatu cara sangatlah menggiurkan. Kaluza dan Klein melihat bahwa teori gravitasi geometris Einstein mungkin menyediakan hubungan ini jika sebuah dimensi ruang tambahan eksis, menjadikan ruangwaktu lima-dimensi.

Ide ini tidak seliar kelihatannya. Jika dimensi ruang tambahan digulung menjadi lingkaran cukup kecil, ia akan terhindar dari mikroskop terbaik kita—yakni, akselerator partikel tercanggih kita [lihat boks Dimensi Tambahan]. Selain itu, kita sudah tahu dari relativitas umum bahwa ruang adalah fleksibel. Tiga dimensi yang kita lihat sedang mengembang dan dahulu jauh lebih kecil, jadi tidaklah berlebihan untuk membayangkan bahwa ada dimensi lain yang masih kecil hari ini.

Walaupun kita tak bisa mendeteksinya langsung, dimensi kecil tambahan akan mempunyai efek penting tak langsung yang bisa diamati. Kalau begitu, relativitas umum menggambarkan geometri ruangwaktu lima-dimensi. Kita dapat membagi geometri ini ke dalam tiga elemen: bentuk empat dimensi besar ruangwaktu, sudut antara dimensi kecil dan dimensi besar, dan keliling dimensi kecil. Ruangwaktu besar berperilaku sesuai relativitas umum empat-dimensi biasa. Di setiap lokasi di dalamnya, sudut dan keliling mempunyai suatu harga, sebagaimana dua medan yang merembesi ruangwaktu dan memangku harga tertentu di tiap lokasi. Yang menakjubkan, medan sudut ternyata menyerupai medan elektrmagnet yang tinggal di dunia empat-dimensi. Dengan kata lain, persamaan yang mengatur perilakunya identik dengan persamaan yang mengatur perilaku elektromagnetisme. Keliling menentukan kekuatan relatif gaya elektromagnet dan gravitasi. Jadi, dari teori gravitasi di lima dimensi saja, kita memperoleh teori gravitasi maupun elektromagnetisme di empat dimensi.

Kemungkinan dimensi tambahan juga memainkan peran vital dalam menyatukan relativitas umum dan mekanika quantum. Dalam teori string, pendekatan utama menuju unifikasi tersebut, partikel-partikel sebetulnya merupakan objek satu-dimensi, loop (ikalan) atau strand (untaian) kecil yang bervibrasi. Ukuran tipikal sebuah string mendekati panjang Planck, atau 10-33 centimeter (kurang dari sepersemiliar miliar ukuran nukleus atom). Konsekuensinya, string terlihat seperti titik di bawah harga yang kurang dari pembesaran Planck.

Agar persamaan teori tersebut konsisten matematis, string harus bervibrasi di sepuluh dimensi ruangwaktu, yang mengimplikasikan bahwa terdapat enam dimensi tambahan yang terlampau kecil untuk dideteksi.  Bersama-sama string, sheet (helaian) yang dikenal sebagai “bran” (diambil dari “membran”) berdimensi beragam dapat terbenam di ruangwaktu. Dalam ide asli Kaluza-Klein, fungsi gelombang quantum partikel-partikel biasa memenuhi dimensi tambahan—praktisnya, partikel-partikel tersebut sendiri melumuri dimensi tambahan. String, sebaliknya, dapat dibatasi agar berada pada bran. Teori string juga memuat fluks, atau gaya yang dapat direpresentasikan oleh garis medan, mirip dengan perepresentasian gaya dalam elektromagnetisme klasik (nonquantum).

Secara keseluruhan, gambaran string terlihat lebih rumit daripada teori Kaluza-Klein, tapi struktur matematis pokoknya betul-betul lebih terpadu dan lengkap. Tema sentral teori Kaluza-Klein tetap sama: hukum fisika yang kita lihat tergantung pada geometri dimensi tambahan tersembunyi.

Terlalu Banyak Solusi?
Pertanyaan kuncinya adalah, apa yang menentukan geometri ini? Jawaban dari relativitas umum adalah bahwa ruangwaktu harus memenuhi persamaan Einstein—dalam kata-kata John A. Wheeler dari Universitas Princeton, materi memberitahu ruangwaktu bagaimana caranya melengkung, dan ruangwaktu memberitahu materi bagaimana caranya bergerak. Tapi solusi untuk persamaan itu tidak unik, begitu banyak geometri berbeda yang diperkenankan. Kasus geometri lima-dimensi Kaluza-Klein menyediakan contoh sederhana ketidakunikan ini. Keliling dimensi kecil dapat mengambil ukuran berapapun: dalam ketiadaan materi, empat dimensi flat besar, plus lingkaran berukuran berapapun, memecahkan persamaan Einstein. (Banyak solusi serupa juga eksis saat materi hadir.)

Dalam teori string, kita punya beberapa dimensi tambahan, yang menghasilkan lebih banyak lagi paramater yang bisa disetel. Satu dimensi tambahan dapat dibungkus hanya dalam lingkaran. Ketika lebih dari satu dimensi tambahan eksis, bundel dimensi-dimensi tambahan tersebut dapat memiliki banyak bentuk berbeda (secara teknis, “topologi”), misalnya, bola, donat, dua donat digabung, dan seterusnya. Masing-masing loop (“gagang”) donat memiliki panjang dan keliling, menghasilkan bermacam-macam kemungkinan geometri untuk semua dimensi kecil. Selain gagang ini, parameter-parameter selanjutnya dapat disamakan dengan lokasi bran dan beraneka fluks yang terlilit di sekeliling tiap loop [lihat boks Status Vakum].

Tapi koleksi besar solusi tersebut tidak semua setara: masing-masing konfigurasi memiliki energi potensial, disumbangkan oleh fluks, bran, dan lengkungan dimensi tergulung itu sendiri. Energi ini disebut energi vakum, sebab ini merupakan energi ruangwaktu ketika empat dimensi besar tidak memiliki materi atau medan sama sekali. Geometri dimensi-dimensi kecil akan mencoba menyesuaikan diri untuk meminimalkan energi ini, persis sebagaimana bola yang ditaruh di lereng akan mulai menggelinding turun bukit ke posisi lebih rendah.

Untuk memahami apa konsekuensi dari peminimalan, pertama-tama fokus pada sebuah parameter: total ukuran ruang tersembunyi. Kita dapat menggambar kurva yang memperlihatkan bagaimana energi vakum berubah seraya parameter ini berubah-ubah. Sebuah contoh diperlihatkan dalam ilustrasi teratas pada boks Pemandangan String. Pada ukuran amat kecil, energinya tinggi, jadi kurva berawal tinggi di kiri. Lalu, dari kiri ke kanan, ia menukik ke dalam tiga lembah, masing-masing lebih rendah daripada yang sebelumnya. Akhirnya, di kanan, setelah mendaki dari lembah terakhir, kurva membuntuti lereng dangkal menuju harga konstan. Dasar lembah terkiri adalah energi di atas nol; bagian tengah adalah persis nol; dan sebelah kanan adalah di bawah nol.

Cara ruang tersembunyi berperilaku tergantung pada kondisi awal—di mana “bola” yang merepresentasikannya bermula di kurva. Jika konfigurasi bermula di kanan (puncak terakhir), bola akan menggelinding lepas menuju ketakterhinggaan, dan ukuran ruang tersembunyi akan meningkat tanpa batas (ia takkan lagi tersembunyi). Jika sebaliknya, ia akan menetap di dasar salah satu palung—ukuran ruang tersembunyi menyesuaikan diri untuk meminimalkan energi. Tiga minimum lokal ini berbeda berdasarkan apakah energi vakum yang dihasilkan adalah positif, negatif, atau nol. Di alam semesta kita, ukuran dimensi-dimensi tersembunyi tidak berubah seiring waktu; seandainya berubah, kita akan melihat konstanta alam berubah. Jadi, kita pasti sedang bertengger di sebuah minimum. Rincinya, kita kelihatannya sedang bertengger di sebuah minimum berenergi vakum agak positif.

Karena ada lebih dari satu parameter, kita mesti menganggap kurva energi vakum ini sebagai satu irisan yang melewati sebarisan gunung kompleks multidimensi, yang digambarkan oleh Suskind dari Universitas Stanford sebagai pemandangan teori string [lihat ilustrasi tengah pada boks Pemandangan String]. Minimum-minimum pemandangan multidimensi ini—dasar depresi di mana bola bisa berhenti—dapat disamakan dengan konfigurasi stabil ruangwaktu (mencakup bran dan fluks), yang disebut vakum stabil.

Pemandangan riil hanya memperkenankan dua arah independen (utara-selatan dan timur-barat), dan hanya inilah yang bisa kita gambar. Tapi pemandangan teori string jauh lebih rumit, dengan ratusan arah independen. Dimensi pemandangan tersebut tidak boleh tertukar dengan dimensi ruang aktual dunia; masing-masing poros bukan mengukur suatu posisi di ruang fisikal melainkan suatu aspek geometri, seperti ukuran gagang atau posisi bran.

Pemandangan teori string jauh dari terpetakan sepenuhnya. Mengkalkulasi energi status vakum merupakan persoalan sulit dan biasanya tergantung pada penemuan penaksiran cocok. Para periset telah membuat kemajuan mantap belakangan ini, terutama pada 2003, ketika Shamit Kachru, Renata Kallosh, dan Andrei Linde, semuanya di Stanford, dan Sandip Trivedi dari Tata Institute of Fundamental Research di Mumbai, India, menemukan bukti kuat bahwa pemandangan tersebut memang memiliki minimum-minimum di mana alam semesta dapat terpaku.

Kita tak bisa yakin seberapa banyak vakum stabil yang ada—dengan kata lain, seberapa banyak titik di mana bola dapat berhenti. Tapi jumlahnya bisa sangat besar. Suatu riset mengindikasikan bahwa ada solusi dengan gagang mencapai sekitar 500, tapi bisa lebih banyak lagi. Kita dapat membelit beraneka garis fluks di sekeliling tiap gagang, tapi tidak terlalu banyak, sebab mereka akan membuat ruang menjadi tak stabil, seperti bagian kanan kurva pada gambar. Jika kita menduga bahwa tiap gagang bisa mempunyai nol sampai sembilan garis fluks (sepuluh kemungkinan harga), maka akan ada 10500 kemungkinan konfigurasi. Meskipun tiap gagang hanya bisa memiliki nol atau satu unit fluks, terdapat 2500, atau 10150, kemungkinan.

Selain mempengaruhi energi vakum, setiap solusi akan menimbulkan fenomena berbeda di dunia makroskopis empat-dimensi dengan menetapkan jenis partikel dan gaya mana yang hadir dan berapa massa dan kekuatan interaksinya. Teori string mungkin menyediakan kita set hukum fundamental unik, tapi hukum fisika yang kita lihat di dunia makroskopis akan tergantung pada geometri dimensi-dimensi tambahan.

Banyak fisikawan berharap bahwa fisika pada akhirnya akan menjelaskan mengapa alam semesta memiliki hukum spesifik. Tapi jika harapan tersebut menjadi kenyataan, banyak pertanyaan mendalam mengenai pemandangan teori string harus dijawab. Vakum stabil mana yang menggambarkan dunia fisikal yang kita alami? Mengapa alam memilih vakum khusus ini dan bukan yang lain? Apakah solusi lain telah diturunkan menjadi kemungkinan matematis belaka, takkan pernah menjadi kenyataan? Teori string, jika benar, akan menjadi kegagalan tertinggi dalam demokrasi: kaya dengan kemungkinan dunia tapi memberi hak istimewa realitas hanya kepada salah satu dari sekian banyak warganya.

Sebagai ganti mereduksi pemandangan menjadi satu vakum stabil, pada tahun 2000 kami mengajukan gambaran amat berbeda berdasarkan dua ide penting. Yang pertama adalah bahwa dunia tidak harus terpaku dengan satu konfigurasi dimensi kecil untuk selama-lamanya, sebab proses quantum langka memperkenankan dimensi kecil untuk melompat dari satu konfigurasi ke konfigurasi lainnya. Yang kedua adalah bahwa teori relativitas umum Einstein, yang merupakan bagian teori string, mengimplikasikan bahwa alam semesta dapat tumbuh begitu pesat sehingga konfigurasi-konfigurasi berbeda akan berkoeksis berdampingan di sub-alam semesta berlainan, masing-masing cukup besar untuk tidak menyadari yang lainnya. Dengan demikian, misteri mengapa vakum khusus kita mesti menjadi satu-satunya vakum yang eksis telah tersingkirkan. Lebih jauh, kami mengajukan bahwa ide kami memecahkan salah satu teka-teki terbesar di alam.

Jejak di Pemandangan
Sebagaimana diuraikan sebelumnya, tiap-tiap vakum stabil dicirikan oleh jumlah gagang, bran, dan quantum fluksnya. Tapi sekarang kita memperhitungkan bahwa tiap-tiap elemen ini dapat diciptakan dan dihancurkan, sehingga setelah periode stabilitas, dunia dapat tiba-tiba beralih ke dalam konfigurasi berbeda. Dalam gambaran pemandangan, kelenyapan garis fluks atau perubahan topologi lain merupakan lompatan quantum di atas punggung gunung menuju lembah rendah.

Konsekuensinya, seraya waktu berjalan, vakum-vakum berbeda dapat muncul. Asumsikan tiap-tiap dari 500 gagang dalam contoh kita tadi bermula dengan sembilan unit fluks. Satu per satu, 4.500 unit fluks akan membusuk dalam suatu sekuens yang diatur oleh prediksi probabilistis teori quantum sampai semua energi yang tersimpan pada fluks terpakai habis. Kita memulai di lembah tinggi gunung dan melompati secara acak punggung-punggung berdampingan, mendatangi 4.500 lembah rendah secara berturut-turut. Kita dituntun melintasi suatu pemandangan bermacam-macam, tapi kita hanya melewati bagian kecil dari 10500 kemungkinan solusi. Kelihatannya kebanyakan vakum tak pernah memperoleh 15 menit popularitas.

Tapi kita meluputkan bagian kunci cerita ini: efek energi vakum terhadap cara alam semesta berkembang. Objek biasa seperti bintang dan galaksi cenderung memperlambat alam semesta mengembang dan bahkan dapat menyebabkannya kolaps kembali. Namun, energi vakum positif bertindak seperti antigravitasi: menurut persamaan Einstein, ia menyebabkan tiga dimensi yang kita lihat tumbuh secara lebih pesat. Perluasan pesat ini mempunyai efek penting dan mengejutkan ketika dimensi-dimensi tersembunyi menerowong ke konfigurasi baru.

Ingat bahwa di setiap titik di ruang tiga-dimensi kita terdapat ruang enam-dimensi kecil, yang tinggal di suatu titik di pemandangan. Ketika ruang kecil ini melompat ke konfigurasi baru, lompatan itu tidak terjadi pada jenak yang sama di setiap tempat. Penerowongan pertama-tama terjadi di satu tempat di alam semesta tiga-dimensi, dan kemudian gelembung konfigurasi low-energy baru mengembang pesat [lihat boks Multiverse]. Seandainya tiga dimensi besar tidak sedang mengembang, gelembung tumbuh ini akhirnya akan menutupi setiap titik di alam semesta. Tapi kenyataannya kawasan lama tersebut juga mengembang, dan perluasan ini bisa lebih cepat daripada perluasan gelembung baru.

Setiap orang menang: baik kawasan lama maupun baru bertambah dalam hal ukuran. Kawasan baru tak pernah menghapuskan kawasan lama sepenuhnya. Yang memungkinkan hasil ini adalah geometri dinamis Einstein. Relativitas umum bukanlah game berjumlah nol—peregangan struktur ruang memperkenankan terciptanya volume baru bagi vakum lama maupun baru. Trik ini juga akan bekerja sebagai zaman vakum baru. Ketika gilirannya tiba untuk membusuk, ia tidak akan lenyap seluruhnya; ia akan menunaskan gelembung yang tumbuh, ditempati oleh vakum berenergi lebih rendah.

Karena konfigurasi asli terus tumbuh, akhirnya ia akan membusuk lagi di lokasi lain, menuju minimum dekat lain di pemandangan. Proses tersebut akan berjalan terus berkali-kali secara tak terhingga, pembusukan terjadi dengan semua kemungkinan cara, kawasan-kawasan terpisah jauh kehilangan fluks dari gagang berlainan. Dengan cara ni, setiap gelembung akan menjadi tuan rumah bagi banyak solusi baru. Bukannya pembusukan sebuah sekuens fluks, alam semesta mengalami semua kemungkinan sekuens, menghasilkan hirarki gelembung, atau sub-alam semesta. Hasilnya sangat mirip dengan skenario inflasi kekal yang diajukan oleh Alan Guth dari Massachusetts Institute of Technology, Alexander Vilenkin dari Universitas Tufts, dan Linde [lihat “Alam Semesta Berinflasi yang Mereproduksi Diri”, tulisan Andrei Linde].

Skenario kami analogis dengan penjelajah berjumlah tak terhingga yang menemukan semua kemungkinan jalur melewati setiap minimum di pemandangan. Masing-masing penjelajah merepresentasikan suatu lokasi di alam semesta, jauh dari satu sama lain. Jalur yang diambil oleh penjelajah tersebut adalah sekuens vakum yang dialami di lokasinya di alam semesta. Sepanjang titik awal penjelajah di pemandangan berada tinggi di gletser, hampir semua minimum akan didatangi. Nyatanya, tiap-tiap minimum akan dicapai berkali-kali tak terhingga melalui setiap kemungkinan jalur turun dari minimum yang lebih tinggi. Riam hanya berhenti di mana ia menetes ke bawah permukaan laut—menuju energi negatif. Geometri khas yang diasosiasikan dengan energi vakum negatif tidak memperkenankan perluasan abadi dan pembentukan gelembung terus berlangsung. Justru terjadi “big crunch” terlokalisir, seperti di interor black hole.

Di tiap gelembung, seorang pengamat yang menjalankan eksperimen low-energy (sebagaimana kita lakukan) akan melihat alam semesta empat-dimensi spesifik dengan hukum fisika khasnya sendiri. Informasi dari bagian luar gelembung kita tak dapat menjangkau kita, sebab ruang antara mengembang terlampau cepat bagi cahaya untuk didahului. Kita hanya melihat satu set hukum, yang dapat disamakan dengan vakum lokal kita, sebab kita tidak melihat amat jauh. Dalam skenario kami, yang kita anggap sebagai big bang (yang memulai alam semesta kita) adalah tak lebih dari lompatan paling akhir menuju konfigurasi string baru di lokasi ini, yang kini telah menyebar bermiliar-miliar tahun-cahaya. Suatu hari nanti (barangkali terlalu jauh untuk dicemaskan) bagian dunia ini mungkin mengalami transisi semacam itu lagi.

Krisis Energi Vakum
Gambaran yang telah kami lukiskan menjelaskan bagaimana semua vakum stabil pemandangan string muncul di berbagai lokasi di alam semesta, hingga membentuk sub-alam semesta tak terhitung. Hasil ini mungkin memecahkan salah satu persoalan paling penting dan lama dalam fisika teoritis—persoalan yang terkait dengan energi vakum. Bagi Einstein, yang kini kita anggap sebagai energi vakum adalah suku matematis sembarang—“konstanta kosmologis”—yang dapat ditambahkan ke persamaan relativitas umumnya untuk membuatnya konsisten dengan keyakinannya bahwa alam semesta itu statis [lihat “Teka-teki Kosmik”, tulisan Lawrence M. Krauss dan Michael S. Turner]. Untuk mendapatkan alam semesta statis, dia mengajukan bahwa konstanta ini memangku harga positif, tapi dia membuang ide tersebut setelah observasi membuktikan alam semesta sedang mengembang.

Dengan kedatangan teori medan quantum, ruang hampa—vakum—menjadi tempat sibuk, penuh dengan partikel virtual dan medan yang muncul dan lenyap, dan tiap-tiap partikel dan medan mengangkut suatu energi positif atau negatif. Menurut komputasi paling sederhana berbasis teori ini, energi ini semestinya berjumlah densitas amat besar, sekitar 1094 gram per centimeter kubik, atau satu massa Planck per panjang Planck kubik. Kita melambangkan harga tersebut dengan ΛP. Hasil ini dijuluki sebagai prediksi keliru paling terkenal dalam fisika sebab eksperimen-eksperimen sudah lama menunjukkan bahwa energi vakum tidak lebih dari 10-120 ΛP. Dengan demikian, fisika teoritis tersandung krisis besar.

Memahami asal-usul diskrepansi besar ini telah menjadi salah satu sasaran sentral fisika teoritis selama lebih, tapi tak satupun dari banyak proposal resolusi itu yang memperoleh penerimaan luas. Seringkali diasumsikan bahwa energi vakum adalah persis nol—tebakan beralasan untuk sebuah bilangan yang diketahui memiliki sekurangnya 120 angka nol setelah tanda desimal. Jadi tugas nyata kita adalah menjelaskan bagaimana fisika bisa menghasilkan harga nol. Banyak upaya berpusat pada ide bahwa energi vakum dapat mencocokkan diri dengan nol, tapi tak ada penjelasan meyakinkan bagaimana pencocokan-diri ini terjadi atau mengapa hasil akhirnya mesti mendekati nol.

Dalam paper kami tahun 2000, kami mengkombinasikan kekayaan solusi teori string dan dinamika kosmologinya dengan gagasan Steven Weinberg (Universitas Texas, Austin) tahun 1987 untuk menjelaskan bagaimana dan mengapanya.

Pertama-tama pertimbangkan kekayaan solusi tersebut. Energi vakum adalah elevasi vertikal sebuah titik di pemandangan. Elevasi ini berkisar antara sekitar +ΛP di puncak gletser sampai -ΛP di dasar samudera. Asumsikan terdapat 10500 minimum, elevasi mereka akan terletak secara acak di antara dua harga ini. Jika kita menggambar semua elevasi ini pada sumbu vertikal, jarak rata-rata di antara mereka akan sebesar 10-500 ΛP. Karenanya, banyak elevasi, walaupun hanya sebagian kecil dari keseluruhan, akan memiliki harga antara nol sampai 10-120 ΛP. Hasil ini menjelaskan bagaimana harga sekecil itu terjadi.

Ide umumnya tidaklah baru. Andrei Sakharov, fisikawan dan pembangkang Soviet, menyatakan pada awal 1984 bahwa geometri rumit dimensi-dimensi tersembunyi mungkin menghasilkan spektrum energi vakum yang mencakup harga-harga dalam jendela eksperimen. Periset lain telah membuat proposal alternatif yang kelihatannya tidak disadari dalam teori string.

Kami telah menjelaskan bagaimana kosmologi mendiami sebagian besar minimum, menghasilkan alam semesta rumit yang mengandung gelembung-gelembung dengan harga energi vakum terbayangkan. Di gelembung mana kita akan menemukan diri kita? Mengapa energi vakum kita mesti begitu dekat dengan nol? Di sinilah gagasan Weinberg masuk ke dalam permainan, Tentu elemen peluang dilibatkan. Tapi banyak tempat yang begitu tak ramah, tak heran kita tak tinggal di sana. Logika ini familiar pada skala kecil—Anda tidak terlahir di Antartika, di dasar Marianas Trench, atau di sampah bulan yang tak berudara. Justru Anda mendapati diri Anda berada di bagian kecil tata surya yang ramah bagi kehidupan. Demikian halnya, hanya sebagian kecil vakum stabil yang ramah bagi kehidupan. Kawasan-kawasan alam semesta berenergi vakum positif besar mengalami perluasan yang begitu mematikan sampai-sampai ledakan supernova akan terasa damai jika dibandingkan. Kawasan-kawasan berenergi vakum negatif besar menghilang cepat dalam kunyahan (crunch) kosmik. Jika energi vakum di gelembung kita lebih besar dari +10-118 ΛP atau kurang dari -10-120 ΛP, kita tidak mungkin tinggal di sini, sebagaimana kita tidak mendapati diri kita terpanggang di Venus atau remuk di Yupiter. Argumentasi tipe ini disebut antropik.

Kelimpahan minimum akan berada di titik manis, tipis di atas atau di bawah garis air. Kita tinggal di mana kita sanggup, jadi kita tak boleh terkejut bahwa energi vakum di gelembung kita amatlah kecil. Tapi kita juga tak boleh menyangkanya persis nol! Sekitar 10380 vakum terdapat di titik manis, tapi paling banter hanya sebagian kecil dari mereka yang akan persis nol. Jika vakum-vakum itu terdistribusi secara acak sepenuhnya, 90 persen dari mereka akan berada di kisaran 0,1 sampai 1,0 x 10-118 ΛP. Jadi jika gambaran pemandangan ini benar, energi vakum non-nol mestinya teramati, kemungkinan besar tidak jauh lebih kecil dari 10-118 ΛP.

Dalam salah satu perkembangan paling mempesona dalam sejarah fisika eksperimen, observasi mutakhir terhadap supernova jauh telah menunjukkan bahwa perluasan visible universe sedang mencepat—tanda yang menunjukkan energi vakum positif [lihat “Mensurvey Ruangwaktu dengan Supernova”, tulisan Craig J. Hogan, Robert P. Kirshner, dan Nicholas B. Suntzeff]. Dari laju akselerasi tersebut, harga energi ditetapkan sekitar 10-120 ΛP, persis cukup kecil untuk menghindari deteksi dalam eksperimen lain dan cukup besar bagi masuk akalnya penjelasan antropik.

Gambaran pemandangan kelihatannya memecahkan krisis energi vakum, tapi dengan beberapa konsekuensi menggelisahkan. Einstein bertanya apakah Tuhan punya pilihan dalam menciptakan alam semesta atau apakah hukumnya ditetapkan sepenuhnya oleh suatu prinsip fundamental. Sebagai fisikawan, kita mungkin mengharapkan yang kedua. Hukum pokok teori string, walaupun masih belum diketahui sama sekali, tampaknya sepenuhnya tetap dan tak terelakkan: matematika tidak memperkenankan pilihan. Tapi hukum yang sebagian besar kita lihat langsung bukanlah hukum pokok. Justru, hukum kita tergantung pada bentuk dimensi-dimensi tersembunyi, dan atas alasan ini pilihannya banyak. Detail segala yang kita lihat di alam bukanlah sesuatu yang tak terelakkan melainkan merupakan konsekuensi dari gelembung khusus yang di dalamnya kita berada.

Apakah gambaran pemandangan string menghasilkan prediksi lain, di luar harga kecil non-nol energi vakum? Untuk menjawab pertanyaan ini dibutuhkan pemahaman yang jauh lebih besar mengenai spektrum vakum-vakum dan merupakan subjek riset aktif di beberapa bidang. Rincinya, kita belum menemukan vakum stabil spesifik yang mereproduksi hukum fisika dikenal di ruangwaktu empat-dimensi kita. Pemandangan string merupakan teritori yang sebagian besar belum dipetakan. Eksperimen dapat membantu. Suatu hari nanti kita mungkin melihat hukum fisika dimensi tinggi secara langsung, via string, black hole, atau partikel Kaluza-Klein memakai akselerator. Atau kita mungkin bahkan melakukan observasi astronomis langsung terhadap string berukuran kosmik, yang mungkin telah dihasilkan dalam big bang dan kemudian mengembang bersama dengan alam semesta.

Gambaran yang kami sajikan jauh dari pasti. Kita masih belum tahu rumusan tepat teori string—tak seperti relativitas umum, di mana kita mempunyai persamaan tepat berbasis prinsip pokok fisika yang dipahami dengan baik, persamaan tepat teori string tidak jelas, dan konsep-konsep fisika penting barangkali masih harus ditemukan. Ini mungkin mengubah atau menyingkirkan sepenuhnya pemandangan vakum string atau riam gelembung yang mendiami pemandangan tersebut. Di sisi eksperimen, eksistensi energi vakum non-nol kini terlihat sebagai kesimpulan yang hampir tak terelakkan menurut observasi, tapi data kosmologis terkenal plin-plan dan kejutan-kejutan masih mungkin terjadi.

Terlalu dini untuk berhenti mencari penjelasan saingan atas eksistensi energi vakum dan ukurannya yang amat kecil. Tapi bodoh juga menolak kemungkinan bahwa kita muncul di salah satu pojok jinak sebuah alam semesta yang lebih beraneka-ragam dibanding seluruh pemandangan planet Bumi.

Penulis
Kerjasama Raphael Bousso dan Joseph Polchinski dimulai dalam sebuah seminar dualitas string di Santa Barbara. Ini tumbuh dari sinergi antara latar belakang Bousso dalam gravitasi quantum dan kosmologi inflasi dan latar belakang Polchinski dalam teori string. Bousso adalah asisten profesor fisika di Universitas California, Berkeley. Risetnya meliputi rumusan umum prinsip holografi, yang mempertalikan geometri ruangwaktu dengan kandungan informasinya. Polchinski adalah profesor di Kavli Institute for Theoretical Physics di Universitas California, Santa Barbara. Kontribusinya terhadap teori string meliputi ide seminal bahwa bran merupakan fitur signifikan teori tersebut.

Untuk Digali Lebih Jauh

  • The Elegant Universe. Brian Greene. W. W. Norton, 1999.
  • The Cosmological Constant Problem. Thomas Banks dalam Physics Today, Vol. 57, No. 3, hal. 46–51; Maret 2004.
  • A First Course in String Theory. Barton Zwiebach. Cambridge University Press, 2004.
  • Website resmi teori string: www.superstringtheory.com.

3 thoughts on “Pemandangan Teori String

  1. NUMPANG INFO YA BOS… bila tidak berkenan silakan dihapus:-)

    LOWONGAN KERJA GAJI RP 3 JUTA HINGGA 15 JUTA PER MINGGU

    1. Perusahaan ODAP (Online Based Data Assignment Program)
    2. Membutuhkan 200 Karyawan Untuk Semua Golongan Individu (SMU, Kuliah, Sarjana, karyawan dll yang memilki koneksi internet. Dapat dikerjakan dirumah, disekolah, atau dikantor.
    3. Dengan penawaran GAJI POKOK 2 JUTA/Bulan Dan Potensi penghasilan hingga Rp3 Juta sampai Rp15 Juta/Minggu.
    4. Jenis Pekerjaan ENTRY DATA(memasukkan data) per data Rp10rb rupiah, bila anda sanggup mengentry hingga 50 data perhari berarti nilai GAJI anda Rp10rbx50=Rp500rb/HARI, bila dalam 1bulan=Rp500rbx30hari=Rp15Juta/bulan
    5. Kami berikan langsung 200ribu didepan untuk menambah semangat kerja anda
    6. Kirim nama lengkap anda & alamat Email anda MELALUI WEBSITE Kami, info dan petunjuk kerja selengkapnya kami kirim via Email >> http://lowonganterbaik2011.blogspot.com/

  2. Alam semesta yang maha luas dan selalu bertambah luas khususnya pada saat ini bermula dari suatu gumpalan dimana semua materi lumat dalam kerapatan tak hingga. Dapatkah dibayangkan berapa besar kerapatan materi dalam sebuah titik yang volumenya nol jika seluruh massa alam semesta yang terdiri dari sekitar 100 milyar kali 100 milyar bintang yang massa tiap-tiap bintang sebesar kira-kira massa matahari dalam tata surya kita dipaksakan masuk ke dalamnya? Materi yang sekian banyak tersebut berkumpul menjadi neutron partikel netral tak bermuatan listrik .

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