Teori String – Tantangan dan Prospek

Oleh: John H. Schwarz
Oktober 2008

I. APA ITU TEORI STRING?
Teori string muncul di akhir 1960-an dalam upaya memahami gaya nuklir kuat. Ini adalah gaya yang menjaga kesatuan neutron dan proton di dalam nukleus. Teori string harus menggabungkan relativitas dan mekanika quantum. Jika objek fundamental dalam teori ini berupa simpal atau segmen garis, dinamai string, ketimbang partikel mirip titik, maka itu dapat menerangkan fitur-fitur gaya nuklir kuat.

Ide dasarnya adalah, beraneka gerak string ekuivalen dengan beraneka tipe partikel. Jadi, teori string memiliki objek fundamental unik (yaitu string). Teori string asli (1968-1969), bernama teori string bosonik, mengandung kelemahan fatal. Teori yang jauh lebih baik, teori superstring (1971), mengatasi permasalahan ini.

Teori String Bosonik

  • Teori ini mendeskripsikan boson, bukan fermion. Mereka adalah dua kelas partikel dasar dalam teori-teori quantum.
  • Konsistensi mensyaratkan 26 dimensi (25 ruang dan 1 waktu).
  • Ia mempunyai beragam kelemahan matematis dan fisikal lain, tapi bermanfaat sebagai latihan pemanasan.

Teori Superstring
Teori string lain yang memuat fermion maupun boson diperkenalkan di tahun 1971 oleh Ramond, Naveu, dan saya sendiri. Ia mensyaratkan 10 dimensi (9 ruang + 1 waktu). Perkembangannya membawa kepada penemuan supersimetri, sebuah kesimetrian yang mempertalikan boson dan fermion. String berkesimetrian ini dinamai superstring.

Unifikasi
Kedua teori string memuat partikel tak bermassa. Salah satu dari mereka mempunyai atribut yang tepat untuk menjadi graviton—partikel yang bertanggungjawab atas gaya gravitasi. Pada 1974, saya dan Scherk mengusulkan penggunaan teori string untuk menyatukan semua gaya (termasuk gravitasi).

Impian Einstein
Teori terpadu merupakan fokus Einstein di tahun-tahun terakhirnya. Namun, pendekatan yang dia tempuh mencoba mengkombinasikan elektromagnetisme dan gravitasi saja (relativitas umum). Gaya nuklir belum dipahami, dan Einstein resah dengan mekanika quantum, walaupun dia termasuk pendirinya. Jadi usahanya menemui ajal sejak awal.

Ukuran String
Bila string dianggap melambangkan partikel-partikel nuklir interaksi kuat (hadron), maka ukuran tipikal mereka harus:

L ∼ 10-13 cm

Untuk melambangkan graviton ia harus kurang-lebih sama dengan panjang Planck:

L ∼ [hG/c3]1/2 ∼ 10-33 cm

Atau 20 orde magnitudo Lebih kecil!

Keunggulan Teori String untuk Unifikasi

  • Jumlah koreksi quantum terhadap teori gravitasi Einstein sangat tak terhingga dalam teori-teori partikel titik. Sebaliknya, teori string memberikan hasil terhingga.
  • Dimensi-dimensi ruang tambahan dalam teori gravitasi dapat menggulung dan menjadi amat kecil, di mana geometri ruang dan waktu ditentukan oleh dinamikanya.

Lima Teori
Menyusul berbagai terobosan di tahun 1984, kita memperoleh lima teori superstring konsisten:

Tipe I, Tipe IIA, Tipe IIB,
Heterotik: HE
dan HO

Masing-masingnya unik (tanpa parameter bebas apapun) dan mensyaratkan sepuluh dimensi.

Dualitas
Teori string menyimpan banyak fakta mengagetkan. Salah satunya adalah bahwa geometri-geometri berlainan untuk dimensi tambahan bisa ekuivalen secara fisikal! Ini disebut dualitas T.

Contoh: lingkaran beradius R bisa ekuivalen dengan lingkaran beradius L2/R, di mana L merupakan skala panjang string. Dua kasus demikian adalah:

HE ↔ HO dan IIA ↔ IIB

Dualitas S
Temuan mengejutkan lain adalah dualitas S. Ia mempertalikan teori berkekuatan interaksi g dengan teori berkekuatan interaksi g’ = 1/g. Dua contohnya adalah:

I ↔ HO dan IIB ↔ IIB

Jadi, karena kita tahu cara menghitung kuantitas-kuantitas fisikal bilamana g sangat kecil, maka kita tahu bagaimana ketiga teori ini bereaksi bilamana g sangat besar.

Teori-M
Apa yang terjadi pada dua teori lain (IIA dan HE) bilamana g-nya besar?

Jawaban: Mereka menumbuhkan dimensi ke-11 berukuran gL. Dimensi baru ini berupa lingkaran dalam kasus IIA dan interval garis dalam kasus HE.

Bersama dualitas-dualitas tersebut, ini mengisyaratkan kelima teori superstring sebetulnya adalah aspek berbeda-beda dari satu teori unik pokok.

Hanya satu teori!
Hanya satu teori!

Bran
Selain string fundamental, teori superstring memprediksi eksistensi objek berdimensi ruang p, disebut bran-p. (String fundamental adalah bran-1.) Harga p tergantung pada teori. Karena dimensi ruangnya besar (9 atau 10), maka harga p yang diperkenankan bisa besar pula. Contoh, teori-M mengakui bran-2 dan bran-5.

Dunia Bran
Bran-p tertentu dinamai bran-D. Mereka mempunyai atribut: string fundamental dapat berakhir di [permukaan] mereka. Konsekuensinya, teori-teori medan quantum, contoh Standard Model, dapat hidup di permukaan bran-D ini. Dalam susunan ini, partikel unsur dan semua gaya kecuali gravitasi terkurung di bran, sedangkan gravitasi beraksi di kesepuluh dimensi.

II. TANTANGAN DAN PROSPEK
1. Penjelasan Fisika Partikel
Teori pokoknya bersifat unik, tapi persamaannya mempunyai banyak sekali solusi. Salah satu dari mereka seharusnya mendeskripsikan dunia quantum mikroskopis fisika partikel. Dapatkah kita menemukannya? Apakah ia dipilih oleh suatu prinsip indah, atau cuma terpilih secara sembarang oleh pojok Alam Semesta kita?

Fakta yang Harus Dijelaskan

  • Ruangwaktu empat-dimensi.
  • Teori medan quantum Yang-Mills dengan simetri tolok SU(3) x (SU(2) x U(1).
  • Tiga keluarga quark dan lepton.
  • Simetri SU(2) x U(1) rusak menjadi simetri elektromagnetik U(1) oleh mekanisme Higgs. Ini memberi massa kepada quark dan lepton.

2. Memahami Peran Supersimetri
Supersimetri, fitur dasar teori superstring, mengimplikasikan setiap partikel mempunyai superpartner.

  • Berapa massa mereka?
  • Apakah LSP (Lightest Supersymmetric Particle) bertanggungjawab atas dark matter?
  • Dapatkah superpartner dihasilkan dalam tubrukan?
  • Bagaimana supersimetri rusak?

Gambar 2

Pembentur proton 7 TeV dengan proton 7 TeV
Pembentur proton 7 TeV dengan proton 7 TeV
Detektor
Detektor

3. Kosmologi: Awal-mula dan Evolusi Alam Semesta
Usaha memahami keseluruhan Alam Semesta melahirkan jenis-jenis pertanyaan serupa. Seberapa banyak asal-usulnya, struktur, dan evolusinya dapat disimpulkan dari prinsip pertama? Kosmologi superstring telah menjadi bidang riset yang sangat aktif.

Gambar 5

4. Memahami Ruang Hampa
Ruang hampa (atau “vakum”) memuat zat misterius bernama dark energy. Ia menyusun sekitar 70% dari total energi Alam Semesta, dan ia menyebabkan perluasan Alam Semesta mencepat. Densitas energi ini adalah 10-120 bila diekspresikan dalam satuan Planck. Bagaimana kita dapat memahami bilangan ini?

5. Menemukan Rumusan Teori yang Kuat
Kita tak punya rumusan teori pokok dan lengkap yang mendesak. Ini mungkin menuntut suatu prinsip baru. Kemungkinan besar eksistensi ruang dan waktu adalah fitur solusi tertentu yang tidak termasuk ke dalam teori pokok.

Hasil Sampingan

  • Temuan matematika
  • Atribut materi nuklir suhu tinggi
  • Sistem materi terkondensasi, misalnya superkonduktor suhu tinggi

Kesimpulan

  • Teori string menyatukan berbagai disiplin serta gaya dan partikel.
  • Kita telah menggali teori string selama 40 tahun, tapi jalan masih panjang.
  • Yang mengagumkan, kita mungkin mampu menjawab pertanyaan-pertanyaan dasar di atas.

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