Teori String (Esai)

Oleh: Michael Mohamed
(Sumber: www.scribd.com)

Esai ini berfungsi sebagai pengenalan teori string. Ini dimaksudkan agar non-matematis dan sesederhana mungkin untuk pembaca. Beberapa topik yang dibahas meliputi: relativitas umum, mekanika quantum, string, dimensi jamak, manifold Calabi-Yau, dualitas, supersimetri, bran, teori-M, black hole, dan malaran ruangwaktu. Beberapa konsep tersebut disinggung secara ringkas dan diuraikan terutama dalam rangka menjelaskan hubungan fundamentalnya dengan teori string atau mendemonstrasikan pendekatan berbasis teori string terhadap topik-topik ini.

Gambar 1

1. Pendahuluan: Teori Fisika Jenis Baru
Bagian ini menjadi pendahuluan dan pengantar untuk pembaca berkenaan dengan pokok materi. Ini memperkenalkan tiga gagasan utama yang dijabarkan dalam paragraf-paragraf berikut menyangkut relativitas umum dan mekanika quantum, string teori dan dimensi jamak, berbagai penerapan teori-teori berbasis string, dan ditutup dengan proyeksi masa depan riset fisika.

Sepanjang sejarah sains telah terjadi beragam pergeseran paradigma yang secara radikal mengubah alat sains dalam meninjau dan memprediksi dunia yang ditinggali umat manusia. Teori gravitasi diganti secara radikal dari model Newtonian di awal 1900-an oleh karya Albert Einstein dalam teori relativitas umumnya. Pada masa itu terdapat terobosan besar di bidang mekanika quantum oleh ilmuwan semisal Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, dan Richard Feynman, di antara tak terhitung lainnya.[8] Apa yang dulu dianggap model standar ternyata tidak memadai seiring berjalannya waktu dan para ilmuwan berjuang memikirkan ulang pemahaman mereka akan alam semesta dalam pencarian teori yang dapat menyatukan semua fenomena fisikal. Di zaman modern, cita-cita ini tak kunjung terpenuhi. Namun, riset sains teoritis telah menghasilkan perkembangan sebuah teori baru yang dapat menyusul model standar terkini. Esai ini akan berusaha melukiskan kandidat baru yang dijuluki Teori String ini. Konsep dasar Teori String akan digambarkan pertama-tama melalui ketidakcukupan teori-teori fisika modern, disusul dengan konsep string, dimensi jamak dan supersimetri, dan diakhiri dengan deskripsi teori-M dan penerapan krusialnya dalam persoalan-persoalan fisika, yang sebagiannya belum terpecahkan sampai hari ini.

2. Kekacauan Relativistik Quantum
Di bagian ini disampaikan deskripsi relativitas umum dan mekanika quantum. Dua-duanya dipakai sebagai teori standar dalam fisika modern. Dijelaskan pula mengapa kedua teori tidak serasi. Kebutuhan akan teori baru sangat ditekankan, menggiring kepada pengenalan teori string.

Model standar fisika mutakhir mengandung cacat fundamental: ia sebetulnya terdiri dari dua teori terpisah, teori Relativitas Umum dan teori Mekanika Quantum. Kedua teori menyediakan prediksi akurat dan pantas manakala diterapkan pada titik ekstrim masing-masing; Relativitas Umum bekerja dengan baik saat memprediksi fenomena terkait benda-benda raksasa angkasa, sedangkan Mekanika Quantum bekerja dengan baik saat memprediksi fenomena terkait benda-benda amat kecil seperti proton, elektron, quark, dan foton.[3][8] Meski kedua teori ini akurat bila dipakai secara tepat, setiap upaya untuk menggunakan keduanya secara bersamaan dalam usaha memahami fenomena tertentu menyebabkan mereka mogok. Ini bisa menghasilkan ukuran mustahil secara fisikal (misalnya angka-hasil nol) yang semestinya tidak dijumpai dan juga ketakterhinggaan yang semestinya tidak muncul.[5]

Teori Relativitas Umum memanfaatkan konsep permukaan tiga dimensi halus dan lengkung yang di atasnya semua benda bermassa berada; gravitasi kemudian dipahami lahir sebagai akibat massa-massa besar menekuk ruang-waktu dan membuat massa-massa kecil jatuh ke arah atau ke sekeliling mereka. Salah satu fitur terpenting relativitas adalah kehalusan sempurna malaran ruang-waktu, yang menjadi penyebab keruntuhan teori itu sendiri sebagaimana ditunjukkan nanti. Teori Mekanika Quantum menyatakan bahwa untuk partikel kecil semacam elektron dan foton, tidak bisa dibuat prediksi deterministik menyangkut atribut aksi partikel; maka penaksiran terbaik adalah memanfaatkan berbagai probabilitas yang dapat diprediksi berdasarkan informasi status-status partikel.[8] Ini disebabkan oleh alam partikel-partikel kecil yang bergolak dan sangat bervariasi dalam hal aksi; semakin dekat kita melakukan zooming untuk mengamati aksi partikel-partikel kecil, semakin terdistorsi dan bergolak pergerakan mereka. Memakai konstants G, c, dan ħ, ditemukanlah sebuah konstanta untuk panjang amatan terkecil di mana fenomena masih bisa diamati sebelum fluktuasi quantum tak dapat diprediksi sama sekali: Panjang Planck.[3]

Lalu timbul masalah dalam upaya menyatukan kedua teori: karena malaran ruang-waktu diprediksi halus tak terhingga, secara teoritis seharusnya memungkinkan untuk dilakukan zooming terus-menerus terhadapnya sambil mengamati malaran yang semakin halus; namun gara-gara Mekanika Quantum, zooming semakin dekat akhirnya membuat distorsi fluktuasi quantum semakin nyata.[3] Disturbansi pada malaran ruang-waktu ini paling kelihatan pada [jarak] panjang Planck, sehingga mustahil menyelidiki lebih jauh tanpa menyebabkan salah satu teori mencampakkan teori lain. Ini tidak dapat dimengerti dalam konteks tertentu semisal black hole dan semasa big bang di mana partikel-partikel amat berat dan kecil terlibat, menuntut penggunaan kedua teori. Masalah fundamental ini dapat dipecahkan dalam kerangka Teori String di mana Mekanika Quantum maupun Relativitas Umum mungkin tersatukan.

3. String, Supersimetri, dan Dimensi Jamak
Bagian ini memperkenalkan konsep string sebagai blok penyusun fundamental semua materi. Ini membawa kepada deskripsi dimensi jamak dalam bentuk manifold Calabi-Yau. Konsep supersimetri dan dualitas dalam teori string juga diperkenalkan. Konsep-konsep ini lalu dipakai untuk menjelaskan resolusi atas permasalahan teori-teori fisika mutakhir yang diungkap di atas.

Teori string menyimpang sepenuhnya dari ide-ide fisika terdahulu. Dalam artian, alih-alih bekerja dengan partikel mirip titik di empat dimensi terindera, ia bekerja dengan string serbaguna yang tersusun dari energi di beberapa dimensi tak terindera. String-string dapat mencakup semua partikel di alam semesta, berbasis gaya maupun massa, seraya tetap menghasilkan bukti partikel-partikel baru. Partikel jadi mirip not instrumen musik, mempunyai kekhasan berkat frekuensi dan energi mereka; string-string yang bervibrasi pada frekuensi dan amplitudo bermacam-macam menghasilkan semua blok penyusun partikel dan materi yang kita pahami hari ini sembari memperkenalkan banyak partikelnya sendiri.[3] String bisa tertutup atau terbuka dan tipikalnya berpanjang Planck.

Teori string juga memperkenalkan konsep supersimetri. Supersimetri adalah konsep bahwa setiap partikel gaya memiliki superpartner yang pusingannya ½ dari pusingan partikel asli. Ini dapat membantu menyatukan partikel-partikel dan menunjukkan bahwa fisika quantum dapat dimodelkan tanpa tambahan dari penyesuaian numeris.[2] Supersimetri juga memunculkan graviton, partikel pusingan-2 tak bermassa yang mengangkut gaya gravitasi. Ini berguna karena dapat membantu menyatukan keempat gaya fundamental. Meski tiga mekanika quantum dapat disatukan di bawah teori elektrolemah, gravitasi belum diikutsertakan.[3] Pada jarak semakin pendek, kekuatan gaya-gaya mulai bertemu pada satu harga. Penelitian teoritis dan eksperimental terdahulu menunjukkan kekuatan gaya-gaya hampir saling menyamai pada [besaran] jarak tertentu, namun masuknya supersimetri ke dalam model memungkinkan fluktuasi quantum dihapuskan dan gaya-gaya menjadi setara. Satu kelemahan supersimetri adalah perlipatgandaan semua partikel yang mesti diprediksi lantaran kurangnya superpartner yang ditemukan.

Konsep dualitas dalam teori string pada hakikatnya menyatakan bahwa dua model berbeda yang diterapkan pada persoalan yang sama bisa menimbulkan hasil yang sama dan bahwa dua fenomena dengan pengamatan berbeda bisa benar pada waktu yang sama. Ini sudah dipakai untuk membuktikan Panjang Planck adalah jarak amatan minimum.[3] Karena string tersusun dari energi, maka semakin banyak energinya, semakin panjang ia, dan berkat E = mc2 ia juga akan semakin berat. Energi string dapat dikaitkan dengan jumlah lilitannya, seberapa kali ia dapat membelit sebuah objek. Energi sebanding dengan radius kali jumlah lilitan. Demikian pula, energi sebanding dengan jumlah vibrasi, jumlah yang menggambarkan gerak seragam string, dikalikan dengan balikan radius. Total energi string adalah jumlahan hasil-hasil kali ini. Dalam teori string muncul sebuah pola sedemikian rupa sehingga jika radiusnya dibalik,total energi tetap sama. Karena kedua pandangan terhadap radius ini sama-sama valid, dua jarak berbeda bisa selalu teramati: kedua jarak disebabkan oleh mode string berat atau mode string ringan (karena massa bertalian dengan energi).[3] Ini menghasilkan dua pandangan alam semesta, satu di mana ia jauh lebih kecil dari panjang Planck, dan satu lagi di mana ukurannya sebagaimana yang kita lihat. Jarak yang teramati selalu berkorelasi dengan mode string ringan. Ketika jarak Panjang Planck diselidiki (seperti dalam observasi black hole), kemogokan mekanika quantum dan relativitas umum justru menjadi pergeseran di mana zooming lebih dekat (jarak lebih kecil) terhadap ruang menjadi jauh (jarak lebih besar) akibat dualitas yang timbul dari kesetaraan energi mode string berat dan ringan.

Teori string mencakup pandangan sepuluh dimensi: tiga dimensi ruang teramati, satu dimensi waktu, dan enam dimensi ruang lain. Dimensi-dimensi ini berbentuk manifold Calabi-Yau, bentuk enam dimensi tergulung.[3] Serupa dengan bagaimana selembar kertas tidak mempunyai ketebalan bila dilihat dari jauh, manifold Calabi-Yahu enam dimensi pada dasarnya tidak kelihatan. String memiliki satu dimensi saja. Dengan bertambahnya dimensi alam semesta, bertambah pula dimensi yang menjadi medium vibrasi string. Satu masalah mekanika quantum adalah probabilitas negatif yang timbul dalam kalkulasi tertentu. Memakai kalkulasi yang memasukkan dimensi jamak, probabilitas ini cenderung lenyap, lenyap sama sekali oleh sembilan dimensi ruang. Dimensi-dimensi alam semesta membatasi ketat vibrasi potensial string; karenanya jumlah dimensi bisa dikaitkan dengan berbagai atribut partikel yang kita amati.[9] Mengapa ada 9 dimensi ruang? Ini tidak dapat dijelaskan secara utuh di luar ekspresi matematika. Namun berbagai atribut yang timbul dari teori string cenderung konsisten dengan alam semesta teramati dan menawarkan beraneka alat yang dapat menyatukan relativitas umum dan mekanika quantum.

4. Teori-M: Theori of Everything?
Bagian ini mempelajari lebih dalam riset fisika mutakhir melalui pengenalan teori-M. Teori-M terbukti mempunyai banyak implikasi luas dalam teori-teori fisika berkat kemampuannya menyatukan berbagai persoalan dalam teori terkini yang menjadi masuk akal lewat pemanfaatan bran multidimensi. Beberapa topik ini mencakup: black hole, big bang, dan pembungkusan transisi flop.

Dalam sejarah riset teori string pernah ada lima teori berbeda tipis. Namun semua teori tersebut akhirnya disatukan di bawah teori baru bernama teori-M. Teori ini memperluas ide string satu-dimensi menjadi membran atau bran multidimensi. Contohnya adalah bran-dua, yang pada dasarnya merupakan string dengan satu dimensi tambahan, menghasilkan bentuk mirip pembalut atau pita elastis.[1] Teori-M melahirkan penemuan bahwa kalkulasi multidimensi terdahulu tidak akurat. Untuk menyingkirkan semua probabilitas negatif harus ada sepuluh dimensi ruang, total jadi sebelas dimensi.[3] Begitu pula, jumlah tipe bran berkembang jadi sepuluh, dinamai bran-satu (string), bran-dua, bran-tiga, dll.

Bran diprediksi membungkus sobekan-sobekan di ruang-waktu yang dikenal sebagai transisi flop, dalam prosesnya membentuk sesuatu mirip black hole amat kecil di dalam manifold Calabi-Yau.[10] Black hole kecil bersubpanjang Planck ini akhirnya hancur menjadi foton tak bermassa, menyediakan tautan kokoh antara black hole dan mekanika quantum.[4] Secara teoritis, black hole dapat dikonstruksi dengan bran-bran yang direkayasa secara seksama. Semua konstituen [penyusun] black hole teoritis jenis ini bisa diukur karena ilmuwan sudah tahu apa saja yang menyusunnya. Dengan black hole ini, hubungan tak terjelaskan antara entropi (besaran ketidakteraturan) black hole dan luasnya dapat dikaitkan dengan black hole teoritis dan dijelaskan sepenuhnya dari segi bran.[3]

Berkat banyak kemenangan teori-M dalam hal penggambaran black hole, seraya tetap konsisten dengan teori-teori string lain, para ilmuwan percaya ia kelak dapat menjadi “theory of everything” yang mampu menjelaskan berbagai komponen alam semesta secara akurat termasuk big bang itu sendiri.

5. Kesimpulan: Masa Depan Fisika
Bagian ini berusaha meringkas semua konsep dan diperkenalkan sesederhana mungkin. Di sini disampaikan suatu spekulasi mengenai kemungkinan perkembangan fisika di masa depan dan permasalahan dalam fisika yang mungkin dipecahkan melalui pemanfaatannya.

Sejauh ini sudah diperlihatkan bahwa teori string bukan hanya mampu mendeskripsikan alam semesta dengan cara lazim yang dipahami masyarakat, tapi juga mampu menjelaskan sebagian persoalan yang merundung fisikawan selama berdekade-dekade. Ini membangkitkan kegairahan di bidang fisika bagi periset yang mengerjakan teori string, maupun periset di Large Hadron Collider yang mungkin dapat menyediakan suatu sokongan eksperimental untuk teori string.[3] String teori sendiri hampir seluruhnya teoritis, hanya memanfaatkan persamaan taksiran yang tidak memberi prediksi pasti, sekadar relasi. Beberapa persoalan yang masih perlu ditangani oleh teori string/teori-M: Bisakah informasi muncul kembali dari penguapan black hole? Apa yang terjadi pada masa terawal Big Bang? Mengapa radiasi kosmik latar begitu seragam di seantero alam semesta? Mengapa hanya tiga dimensi ruang yang tampak begitu besar? Adakah alam-alam semesta lain dengan fisika berbeda di belakang mereka yang masih dapat dimodelkan dengan teori string? Secara keseluruhan, masa depan fisika menyimpan banyak penemuan. Jika teori string dikembangkan lebih jauh ke dalam model standar fisika berikutnya, itu akan menjadi satu pergeseran paradigma lain yang membawa umat manusia lebih dekat menuju pemahaman lengkap akan alam semesta.

Daftar Pustaka dan Referensi
[1] Sati, H. (November 2008). A Higher Twist in String Theory. Journal of Geometry and Physics, j.geomphys.2008.11.009. Diperoleh 5 Mei 2009 dari basis data www.sciencedirect.com milik Sheridan College.
[2] Friedan, D., Martinec, E., Shenker, S. (1986). Conformal Invariance, Supersymmetry and String theory. Nuclear Physics B, Issue 271, 0550-3213(86)90356-1. Diperoleh 3 Mei 2009 dari indeks pencarian jurnal milik Google Scholar.
[3] Green, B. (1999, 2003). The Elegant Universe. (Edisi ke-2). New York (NY): Vintage Books.
[4] Horowitz, G. T., Welch, D. L. (Februari 1993). Exact Three Dimensional Black Holes in String Theory. Physical Review Letters, hep-th/9707188, NFS-ITP-93-21. Diperoleh 4 Mei 2009 dari basis data www.arXiv.org milik Cornell University Library.
[5] Sorkin, R. D. (Februari 1993). Impossible Measurements on Quantum Fields. Dalam National Science Foundation, Directions in General Relativity (hal. 293-305). ISBN 0521452678. Cambridge: Cambridge University Press.
[6] Natsuume, M. (Juni 1993). Natural Generalization of Bosonic String Amplitudes. Pracetak arXiv, hep-th/9302131. Diperoleh 4 Mei 2009 dari basis data www.arXiv.org milik Cornell University Library.
[7] Calcagni, G., Nardelli, G. (September 2008). Nonlocal Instantons and Solitons in String Models. Physics Letters B, j.physletb.2008.09.016. Diperoleh 5 Mei 2009 dari basis data www.sciencedirect.com milik Sheridan College.
[8] Feynman, R. (1985, 2006). Quantum Electrodynamics (QED). (Edisi ke-3). Princeton (NJ): Princeton University Press.
[9] Witten, E. (Maret 1995). String Theory Dynamics in Various Dimensions. Nuclear Physics Section-B, hepth-9503124, IASSNS-HEP-95-18. Diperoleh 4 Mei 2009 dari basis data www.citebase.org.
[10] Beccaria, M., Forini, V., Tirziu, A., Tseytlin, A. A. (Desember 2008). Structure of Large Spin Expansion of Anomalous Dimensions at Strong Coupling. Nuclear Physics B, j.nuclphysb.2008.12.013. Diperoleh 5 Mei 2009 dari basis data www.sciencedirect.org.

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