Menanti Revolusi

Oleh: Peter Byrne
24 Mei 2013
(Sumber: www.quantamagazine.org)

Wawancara dengan fisikawan peraih Hadiah Nobel David J. Gross.

Di awal 1970-an, David J. Gross membongkar struktur tersembunyi nukleus atom. Dia membantu menemukan ulang teori string pada 1980-an. Pada 2004, dia berbagi Hadiah Nobel Fisika. Dan hari ini dia berjuang mati-matian untuk mendeskripsikan gaya-gaya dasar alam pada skala Planck (miliaran kali lebih kecil dari proton), di mana, para teoris string berharap, persamaan gravitasi dan mekanika quantum bertautan.

Gross berbagi Hadiah Nobel Fisika 2004 dengan H. David Politzer dan Frank Wilczek atas penemuan kebebasan asimtotik. (Foto: Volker Steger)
Gross berbagi Hadiah Nobel Fisika 2004 dengan H. David Politzer dan Frank Wilczek atas penemuan kebebasan asimtotik. (Foto: Volker Steger)

Gross, H. David Politzer, dan Frank Wilczek dianugerahi Nobel atas penemuan kebebasan asimtotik, sehari-hari lebih dikenal sebagai gaya [nuklir] kuat yang mengikat komponen-komponen nukleus atom, yaitu proton dan neutron. Empat puluh tahun silam, kalkulasi kontraintuitif mereka menyumbat sebuah celah penting dalam fisika Standard Model, yang mendeskripsikan 61 partikel unsur dikenal. Penelitian teoritis ini merevitalisasi teori medan quantum yang hampir mati dan melahirkan QCD (kromodinamika quantum), teori interaksi kuat.

Dewasa ini, Gross gemar menantang fisikawan muda selagi mereka menulis persamaan-persamaan di Kavli Institute for Theoretical Physics, lembaga think tank yang didanai National Science Foundation, dipimpinnya sejak 1997 sampai dia mengundurkan diri tahun lalu. Dia ingin sekali para ilmuwan muda melampaui pencapaiannya, memecah kebuntuan underdetermination yang sedang menyusahkan fisika partikel. Melalui jalan [underdetermination] inilah teori-teori yang bersaing memprediksi temuan fisikal yang sama dan karenanya kebal terhadap verifikasi eksperimen dalam seumur hidup alam semesta. (Underdetermination adalah situasi di mana bukti yang ada tidak memadai untuk mengidentifikasi keyakinan mana yang sebaiknya kita pegang mengenai bukti tersebut—penj.)

Gross melukiskan fisika teoritis penuh dengan spekulasi esoterik, superposisi aneh ketahanan praktis dan kekacauan teoritis. Dia bermasalah dengan pemopuleran “multiverse” dan “lanskap” dunia-dunia [berjumlah] tak terhingga, yang dipamerkan sebagai lambang realitas fisikal. Terkadang, tuturnya, sains tak dapat bergerak sampai data baru, atau gagasan revolusioner, mendobrak status quo. Tapi dia optimistis: pengalaman memberitahunya bahwa objek-objek yang dahulu tidak dapat diamati langsung, seperti quark dan gluon, dapat dibuktikan eksis. Kelak, mungkin hal yang sama akan berlaku pada gagasan string, bran, dan perbatasan holografis yang mengisyaratkan masa depan fisika.

Reduksionisme belum mati, kukuhnya.

Simons Science News mengunjungi Gross di KITP, di mana dia senantiasa membuka pintu kantornya dan memanaskan mesin espresso. Berikut wawancara versi suntingan ringkas.

Kenapa fisika, David?
Di usia 13, saya membaca buku hebat karya Albert Einstein dan Leopold Infeld berjudul The Evolution of Physics. Saya terangsang oleh kemungkinan mengatasi persoalan fundamental tentang alam semesta.

Dipercepat ke pertengahan 1960-an: Saya mahasiswa pascasarjana di Universitas California, Berkeley, yang menjadi pusat teori matriks-S, teori string di masa itu. Di Rad Lab milik universitas, para pelaku eksperimen terus-menerus menemukan partikel atom baru dengan peralatan mereka. Tapi para teoris kesulitan mengejar langkah penemuan: kami tak punya petunjuk tentang struktur nukleus atom.

Bagian dari masalah tersebut adalah: kendati teori medan quantum telah mendamaikan relativitas khusus dan mekanika quantum secara spektakuler, ia gagal menunaikan pekerjaan sulit dalam fisika partikel. Ia tidak memberitahu kita apakah partikel adalah entitas komposit ataukah satuan dasar.

Di lab, kami tak bisa melihat atau menggambarkan secara fisik objek-objek matematis yang kita sebut quark, yang kita duga merupakan kunci untuk membongkar dinamika gaya kuat yang mengikat gumpalan proton dan neutron di inti atom. Dan teori medan quantum gagal mengkalkulasi bagaimana ini bisa demikian.

Banyak orang jadi frustasi, berseru, “Teori medan quantum tidak berfungsi. Itu tidak fisikal. Buang saja!”

Apa yang mereka maksud dengan “tidak fisikal”?
Bahwa ilmuwan tidak boleh membahas sesuatu yang tidak dapat diamati secara fisik. Jika teori medan quantum tak mampu memprediksi perilaku partikel berdasarkan pengamatan eksperimen terdahulu, yakni menurut pengukuran fisikal atas objek-objek quantum yang bergerak, maka teori medan tidak bermanfaat sebagai alat.

Medan adalah objek dinamis yang mempunyai harga di setiap titik di ruang yang ditempatinya. Ia boleh dianggap sebagai objek yang memiliki posisi dan struktur internal. Contoh, garis-garis gaya yang kita lihat saat menabur kikiran besi ke sekitar magnet melukiskan bentuk medan di ruang fisik.

Agar teori-teori mekanika quantum konsisten dengan batasan relativitas, kami menggambarkan interaksi antar partikel bermuatan mengalir di medan mekanika quantum, medan ruang. Riak-riak di medan dapat diperlakukan sebagai gelombang elektromagnetik atau radiasi atau cahaya. Dan riakan ini bisa pula dideskripsikan sebagai partikel yang mentransmisikan gaya-gaya alam di ruang.

Sewaktu saya di Berkeley, kerangka teori medan quantum dapat meng-kalkulasi dinamika elektromagnetisme. Ia dapat kurang-lebih mendeskripsikan gerakan gaya nuklir lemah, radiasi. Tapi untuk interaksi kuat, gaya pengikat, ia membentur dinding kokoh.

Apakah waktu itu para teoris mencari teori partikel unsur yang lebih efektif?
Penasehat saya, Geoffrey Chew, melangkah lebih jauh lagi: dia mendeklarasikan tidak ada partikel unsur, yang ada hanyalah interaksi terkoneksi sepintas yang mematuhi hukum probabilistik. Jadi, dalam kerangka matriks-S, partikel menciptakan partikel, tanpa ada tipe partikel yang lebih dasar dibanding tipe lain. Chew menyebut non-teori ini sebagai “demokrasi nukleus” atau “proses mandiri”.

Bagi sebagian orang, proses mandiri adalah pendekatan revolusioner—filosofi fisika yang baru. Kita dapat memulai dengan proton dan menghasilkan partikel lain atau sebaliknya. Dan pola-pola yang mengkonkretkan gagasan ini mulai bermunculan dalam wujud data yang dihasilkan oleh benturan proton di akselerator linier di California.

Apakah revolusi itu terbatas pada Berkeley saja?
Sejak pendirian mekanika quantum pada 1920-an, fisika teoritis telah memelihara tradisi radikal. Karena relativitas dan mekanika quantum sudah merevolusi fisika, waktu itu kami semua menantikan penggulingan berikutnya, dan kami bersedia mengorbankan teori-teori yang ada seketika itu juga.

Apa revolusi adalah mainan anak muda?
Tidak sama sekali. Fisikawan tua paling radikal! Para pendiri mekanika quantum—Werner Heisenberg, Paul Dirac, Niels Bohr—semuanya yakin bahwa dalam rangka menjelaskan gaya nuklir, harus ada revolusi lain dalam fondasi fisika. Ada segala macam ide gila: ruang bercerai-berai pada skala nukleus, mekanika quantum sebetulnya non-linier.

Yang luar biasa, bangunan Standard Model—teori tentang bagaimana partikel dan gaya berinteraksi—merupakan keberhasilan kaum konservatif. Itu tidak butuh revolusi di tingkat dasar. Fisika normal, jenis yang berpegang pada eksperimen demi eksperimen, menghasilkan Standard Model.

Apa yang menunjuki Anda kepada eksistensi kebebasan asimtotik?
Kenekatan. Saya sudah berniat menyangkal teori medan quantum—dan yang terjadi justru sebaliknya! Saya tercengang.

Ceritanya, para pelaku eksperimen sedang menghantamkan proton-proton, berharap menemukan bukti langsung “quark” fana. Proton merupakan kantong quark, tapi tak ada yang namanya quark individual. Kami hanya melihat mereka secara tidak langsung, dengan mengukur energi dan momentum yang timbul dari benturan proton.

Dengan teori medan quantum, saya dan kolega berhasil memprediksi ketimbulan pola-pola tertentu pada puing benturan proton. Kami kaget, kalkulasi menunjukkan bahwa quark-quark tak nampak bukanlah abstraksi matematis murni, melainkan objek, partikel, yang dapat bergerak bebas di dalam proton ketika mereka berimpitan. Dan, herannya, kami jadi tahu bahwa seiring meningkatnya jarak antar quark, gaya pengikat mereka turut meningkat. Mirip dengan meregangkan karet gelang.

Apa prediksi Anda berada dalam batas ketidakpastian?
Ketidakpastian yang dahsyat, tapi meskipun begitu prediksi-prediksi saya benar, dan sejak saat itu sudah berulangkali divalidasi lewat eksperimen. Penemuan baru cenderung intuitif, persis berada di garis batas kedapatdipercayaan. Kemudian mereka menjadi nyata.

Berapa lama sampai teori baru tersebut diterima?
Bagi sebagian orang, itu seketika. Cepat. Sebab itu satu-satunya penjelasan gaya kuat yang dapat dikalkulasi. Sebagian lain merasa keberatan secara filosofis untuk mendasarkan sebuah teori pada objek-objek yang tak bisa dilihat. Ada dua kelompok: fisikawan muda, seperti Steve Weinberg dan Lenny Susskind, yang langsung mempercayainya, dan sekelompok ilmuwan tua, yang tidak begitu paham teori medan quantum, berhubung terlalu teknis. Perlu waktu bagi mereka untuk betul-betul menerima sebuah teori berdasarkan observasi tak langsung.

Apa saat itu mereka menanti revolusi?
Mekanika quantum tetap revolusi teranyar kita. Dengan kata lain, sebagian ilmuwan sedang menanti teori final yang tak dapat direduksi lagi. Reduksionisme telah terbukti sebagai metode penyelidikan luar biasa dan sukses. Standard Model adalah teori reduksionis amat presisi. Tapi ia tidak radikal.

Pada waktu mengetuai Konferensi Solvay ke-35 tahun 2011, Anda menyatakan dalam kalimat pembukaan bahwa terdapat “kekacauan di batas fisika”. Kenapa?
“Batas” sains didefinisikan sebagai status kekacauan. Meski demikian, kita punya masalah besar: fisika menjelaskan dunia sekeliling kita dengan presisi dan lebar luar biasa. Tapi penjelasan lanjutan sangat dibatasi oleh pengetahuan kita. Teori-teori gravitasi quantum, contohnya, melambangkan tantangan serius terhadap kerangka teoritis mutakhir kita.

Teori string berusaha menyatukan keempat gaya fundamental: elektro-magnetisme, radiasi (gaya lemah), gaya nuklir (gaya kuat), dan gravitasi.
Pertama-tama, teori string bukanlah teori. Standard Model adalah teori. Teori string adalah model, kerangka, bagian dari teori medan quantum. Ia merupakan seperangkat kaidah dan kiat untuk mengkonstruksi banyak status quantum konsisten.

Di Solvay, Anda bilang, harapan agar teori string menghasilkan deskripsi unik dan dinamis tentang realitas hanyalah “fatamorgana”.
Teori string tidak serevolusioner yang pernah kita harapkan. Prinsip-prinsipnya tidak baru: mereka merupakan prinsip-prinsip mekanika quantum. Teori string adalah bagian penting dari teori medan quantum.

Struktur teoritis fisika modern jauh lebih besar dan lebih kaya dari yang kita pikirkan, sebab ia merupakan teori ruang-waktu dinamis, yang harus memasukkan gravitasi, gaya yang belum terintegrasikan ke dalam Standard Model.

Terdapat masalah teoritis mengesalkan di dalam teori medan quantum yang menuntut solusi, tapi “lanskap” 10500 solusi ala teori string tidak masuk akal bagi saya. Begitupun konsep multiverse atau prinsip antropik, yang mengaku menjelaskan kenapa alam semesta kita mempunyai parameter fisikal tertentu. Model-model ini beranggapan kita terperangkap, secara konseptual.

Adakah krisis dalam fisika?
Saya tak memandang situasi sekarang sebagai krisis, tapi sebagai semacam kekacauan sains wajar yang akhirnya dilampaui oleh penemuan.

Apa artinya menyebut ruang-waktu adalah fenomena timbul?
[Terkikih.] Itu konsep rumit sekali. Perlu waktu dari baru lahir hingga usia dua tahun untuk mencernanya. Kita sebetulnya tak mengalami ruang-waktu; ini sebuah model. Ini menggambarkan bagaimana caranya mendapatkan makanan di atas permadani sebelah sana: merangkak.

Model ruang-waktu kita, sebagaimana diperbaiki oleh Einstein, sangat bermanfaat, tapi barangkali tidak fundamental. Mungkin itu konsep turunan. Kelihatannya itu timbul dari proses fisikal lebih fundamental yang memberitahukan gambaran-gambaran matematis teori string dan teori medan quantum.

Mungkinkah untuk memfalsifikasi teori string/teori medan quantum? Ataukah itu murni persoalan filosofis?
Soal cara menentukan apakah teori-teori kita benar atau salah atau dapat difalsifikasi pada dasarnya mengandung aspek filosofis. Tapi dengan ketiadaan data empiris, bisakah kita menilai validitas teori? Boleh jadi. Bisakah filsafat memecahkan dilema ontologis semacam itu sendirian? Saya ragu. Dengan demikian filsuf yang berkontribusi pada penyusunan fisika termasuk fisikawan!

Nah, di abad lalu, para fisikawan besar semacam Ernst Mach, Bohr, dan Einstein juga merupakan filsuf yang menaruh perhatian pada pengembangan teori-teori pengetahuan. Einstein terkenal mengkritik Heisenberg lantaran fokus pada entitas teramati saja, padahal boleh jadi ada bukti tak langsung untuk entitas yang tak dapat dilihat. Mungkin demikian halnya dengan teori string.

Apakah revolusi sudah dekat?
Orang-orang dalam permainan ini percaya bahwa kita dapat melangkah sangat jauh jika berusaha konsisten secara logika di dalam kerangka teoritis yang ada. Seberapa jauh metode tersebut akan berhasil? Ini pertanyaan terbuka.

Apakah masyarakat luas paham peran ketidakpastian dalam sains?
Masyarakat umumnya menyamakan ketidakpastian dengan tebakan liar. Sedangkan, bagi seorang ilmuwan, teori semacam Standard Model sangat presisi dan probabilistik. Dalam sains, penting sekali untuk tidak pernah pasti sepenuhnya. Dan pelajaran ini tertanam pada setiap ilmuwan dan pembaca sejarah. Ilmuwan mengukur ketidakpastian dengan teori probabilitas dan ilmu statistik. Dan kami punya zona nyaman ketika membuat prediksi, error bar (batang ralat). Hidup dengan ketidakpastian adalah bagian penting dari sains, dan itu gampang disalahpahami.

Adakah realitas objektif yang independen dari kesadaran manusia?
Saya yakin ada dunia riil di luar sana, dan saya yakin kita melihat bayangannya: model-model kita, teori-teori kita. Saya yakin matematika eksis. Mungkin ia riil sepenuhnya dalam pengertian fisik; mungkin juga mengandung “hal-hal” yang ideal. Tapi, yang jelas, pikiran manusia adalah objek fisik. Ia disatukan oleh molekul riil dan quark.

2 thoughts on “Menanti Revolusi

  1. Topik pembahasan serumit ini hanya efektif dipahami oleh mereka yang serius dan berkompeten di bidangnya saja. Kalau dipaksakan untuk khalayak umum dengan orang-orang awam yang cuma berbekal rasa penasaran karena terkesan topik bahasannya hebat, saya yakin banyak yang miskonsepsi atau kurang menarik minat. Tapi kalau pun ini semua didasari atas keinginan agar orang bertambah wawasan dan ilmunya, paling tidak ada kajian khusus atau arahan sebagai pengantar sebelum sampai pada bahasan serumit ini atau minimal ada diskusi terbuka agar semua orang bisa turut rembug untuk bertukar pikiran atau memberikan pendapatnya seputar topik, dan saya kira ini akan lebih produktif.

    1. Terimakasih nasehatnya.

      Di sini kami tidak punya pilihan lebih realistis. Sejak awal memulai blog ini (dan juga blog lainnya), kami berusaha komentari bahwa tak satupun dari kami adalah pakar, dan perlu ditekankan bahwa kami bukan lulusan bidang ini. Kami hanya menerjemahkan dan kemudian mempublikasikan semua materi. (Belakangan ini, kami berusaha meregulerkan materi cukup 3 judul, karena tidak semua pengunjung membaca apa yang sudah kami terbitkan sejak awal. Dan kami pun sedang berusaha memperbaiki rilisan kami yang lama, agar pembaca tertarik.)

      Lagipula bila diperhatikan, setiap publikasi yang dikeluarkan oleh majalah sains di Amerika dan Eropa, itu pun menyasar orang-orang yang bahkan tak pernah memperhatikan sains. Tapi mereka tetap publikasikan. Dan itu menurut kami sudah pada batas “selera” masyarakat awam. Ini semua terbuka di internet dan majalah mereka. Tak satupun dari mereka merasa termundurkan dengan status keawaman masyarakat.

      Kelebihan mereka, menurut kami, para pakarnya punya itikad menulis untuk masyarakat awam dan dilakukan secara telaten. Mohon garisbawahi: “menulis untuk masyarakat awam”. Dan orang awamnya punya rasa penasaran ilmiah atas hal itu. Terbuka.

      Kesiapan kita atas konsep terbuka ini, tidak seriang dan seheboh teriakan kita tentang keterbukaan dan “celah” demokrasi, dan malah menggiring setiap peselancar di internet untuk sama-sama menelan istilah “netizen” secara kuantitas.

      Sekarang, itu terserah kepada setiap pembaca. Apakah materi kami bisa menjadi bahan rasa penasaran ilmiah atau tidak. Setidaknya, materi kami bisa menjadi bahan dan referensi bagi kalangan mahasiswa secara terbatas, yang tidak mungkin bisa kami lakukan tertutup, karena, sekali lagi, tak satupun dari kami merupakan ahli.

      Bila ingin melangkah lebih serius, maka tentu ini adalah salah satu unsur tugas sebuah negara: menerjemahkan ilmu untuk kemajuan masyarakat. Bukan hanya menerjemahkan hiburan dari Amerika, Eropa, Jepang, Korea, India, atau bahkan Turki. Inilah yang menurut kami keliru, kita mengagumi dan selalu menyebut-nyebut kemajuan Amerika, Jepang, Korea, Eropa, Turki. Tapi tak ada satupun yang dipetik. Bila untuk resiko tersebut mereka ambil demi uang, hiburan, atau cerita kekaguman semata, kami pikir, mengapa kami tak ambil resiko untuk tujuan yang lebih bermanfaat.

      Dan, kami tak pernah ragu untuk mempersilakan para pembaca menilai setiap kekeliruan teknis, seperti istilah, atau bahkan maksud pemilihan artikel. Kami bukan partisan, kami berusaha independen, dan tidak mengambil keuntungan finansial sedikitpun. Secara ideologis, kami memegang Islam atas seluruh urusan, baik yang dapat dibicarakan ataupun tidak sama sekali.

      Semoga ini bisa meluruskan prasangka atas posisi kami. Mohon maaf jika ada kalimat tendensius atau kurang berkenan, dan kami yakin saudara paham bahwa kami tidak punya maksud melakukannya.

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