Oleh: Jennifer Oullette
10 November 2014
Sumber: www.quantamagazine.org

Di awal sejarah kosmik, alam semesta kita mungkin pernah bertabrakan dengan alam semesta lain—benturan purba yang boleh jadi meninggalkan jejak dalam pijaran susulan Big Bang.

Fisikawan sedang mencari bukti tubrukan kuno dengan alam semesta lain. (Olena Shmahalo/Quanta Magazine)
Fisikawan sedang mencari bukti tubrukan kuno dengan alam semesta lain. (Olena Shmahalo/Quanta Magazine)

Seperti banyak koleganya, Hiranya Peiris, kosmolog di University College London, dahulu sering menolak gagasan bahwa alam semesta kita mungkin cuma salah satu dari banyak alam semesta di multiverse luas. Itu menggelisahkan secara sains, pikirnya, tapi juga tak dapat diuji secara fundamental. Dia lebih suka memusatkan penelitiannya pada persoalan yang lebih konkret, misalnya bagaimana galaksi berevolusi.

Lalu, pada suatu musim panas di Aspen Center for Phyisics, Peiris bercengkerama dengan Matt Johnson dari Perimeter Institute, yang mengutarakan ketertarikannya pada pengembangan alat-alat untuk mempelajari ide tersebut. Dia mengusulkan agar mereka berkolaborasi.

Mulanya Peiris skeptis. “Sebagai pengamat saya berpikir, teori apapun, betapapun menarik dan anggun, sangat tidak sempurna jika ia tidak punya konsekuensi yang dapat diuji,” ungkapnya. Tapi Johnson meyakinkannya, mungkin ada cara untuk menguji konsep ini. Jika alam semesta yang kita huni pernah bertubrukan dengan alam semesta lain di masa lampau, tabrakan itu akan meninggalkan jejak pada gelombang mikro kosmik latar (CMB), pijaran susulan redup dari Big Bang. Dan jika fisikawan mampu mendeteksi tanda tersebut, itu akan menyediakan jendela menuju multiverse.

Erick Weinberg, fisikawan di Universitas Columbia, menjelaskan multiverse ini dengan membandingkannya dengan kuali mendidih, di mana gelembung-gelembung melambangkan alam-alam semesta tersendiri—kantong-kantong ruang-waktu terpisah. Selagi periuk mendidih, gelembung-gelembung mengembang dan adakalanya bertubrukan. Proses serupa mungkin terjadi di momen-momen awal kosmos.

Pada tahun-tahun sejak perjumpaan pertama mereka, Peiris dan Johnson mempelajari bagaimana tubrukan dengan alam semesta lain di momen waktu paling awal akan melepas sesuatu mirip gelombang kejut ke segenap alam semesta kita. Mereka berpikir bisa menemukan bukti tubrukan itu dalam data dari teleskop antariksa Planck, yang memetakan CMB.

Video: Fisikawan University College London, Hiranya Peiris, menjelaskan bagaimana multiverse dapat diuji. (Andrew Testa untuk Quanta Magazine)
Video: Fisikawan University College London, Hiranya Peiris, menjelaskan bagaimana multiverse dapat diuji. (Andrew Testa untuk Quanta Magazine)

Proyek ini mungkin takkan bekerja, aku Peiris. Itu bukan cuma mensyaratkan kita tinggal di sebuah multiverse tapi juga bahwa alam semesta kita harus pernah bertubrukan dengan alam semesta lain dalam sejarah kosmik primitif. Tapi jika fisikawan berhasil, mereka akan punya bukti improbabel pertama mengenai sebuah kosmos di luar kepunyaan kita.

Ketika Gelembung-gelembung Bertubrukan

Teori-teori multiverse pernah diasingkan ke wilayah sains fiksi atau orang gila. “Seolah Anda habis pergi ke negeri sinting,” kata Johnson, yang membuat janji temu gabungan di Perimeter Institute of Theoretical Physics dan York University. Tapi para ilmuwan memajukan banyak versi multiverse, sebagian kurang sinting daripada yang lain.

Multiverse yang mendapat perhatian Peiris dan kolega bukanlah hipotesis kontroversial “banyak dunia” yang pertama kali diusulkan pada 1950-an dan berpandangan bahwa setiap peristiwa quantum menelurkan alam semesta terpisah. Ini bukan pula konsep multiverse yang terkait dengan tropus dunia paralel dalam sains fiksi populer—alam-alam semesta baru yang terjentik dari ruang-waktu kita dan menjadi alam terpisah. Justru, versi ini timbul sebagai konsekuensi dari inflasi, teori yang diakui luas menyangkut momen pertama alam semesta.

Teori inflasi berpandangan, alam semesta kita mengalami perluasan pesat mendadak tak lama pasca Big Bang, berkembang dari bintik amat kecil menjadi sesuatu beradius seperempat miliar tahun-cahaya dalam sepecahan detik saja.

Tapi inflasi, sekali dimulai, cenderung tak pernah berhenti sepenuhnya. Menurut teori ini, sekali alam semesta mulai mengembang, itu akan berakhir di beberapa tempat, menghasilkan kawasan-kawasan seperti alam semesta yang kita lihat hari ini. Sedangkan di tempat lain, inflasi akan terus berlangsung abadi sampai masa depan.

Fitur ini menggiring kosmolog untuk memikirkan skenario bernama inflasi abadi. Dalam gambaran ini, kawasan-kawasan ruang individual berhenti berinflasi dan menjadi “alam semesta gelembung” seperti yang kita huni. Tapi pada skala lebih besar, perluasan eksponensial berlanjut selamanya, dan alam-alam semesta gelembung baru terus-menerus tercipta. Setiap gelembung dianggap sebagai alam semesta itu sendiri, meski bagian dari ruangwaktu yang sama, sebab pengamat tidak bisa bepergian dari satu gelembung ke gelembung selanjutnya tanpa bergerak lebih cepat daripada cahaya. Dan setiap gelembung mungkin punya hukum fisika khasnya sendiri. “Jika Anda mengakui inflasi abadi, [ketahuilah] itu meramalkan multiverse,” kata Peiris.

Pada 2012, Peiris dan Johnson bekerjsasama dengan Anthony Aguirre dan Max Wainwright—keduanya fisikawan Universitas California, Santa Cruz—untuk membangun multiverse simulasi dengan dua gelembung saja. Mereka mempelajari apa yang terjadi sesudah gelembung-gelembung bertubrukan untuk menentukan apa yang akan dilihat seorang pengamat. Tim berkesimpulan, tubrukan dua alam semesta gelembung akan tampak sebagai cakram pada CMB dengan profil suhu yang khas.

Tubrukan kuno dengan alam semesta gelembung akan mengubah suhu gelombang mikro kosmik latar (kiri), menciptakan cakram redup di langit (kanan) yang berpotensi dapat diamati. (Olena Shmahalo/Quanta Magazine; sumber: S.M. Freeney dkk, Physical Review Letters)
Tubrukan kuno dengan alam semesta gelembung akan mengubah suhu gelombang mikro kosmik latar (kiri), menciptakan cakram redup di langit (kanan) yang berpotensi dapat diamati. (Olena Shmahalo/Quanta Magazine; sumber: S.M. Freeney dkk, Physical Review Letters)

Untuk berjaga-jaga terhadap kesalahan manusia—kita cenderung melihat pola yang ingin kita lihat—mereka merancang set algoritma agar secara otomatis mencari cakram-cakram ini dalam data Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), sebuah observatorium berbasis antariksa. Program ini mengidentifikasi empat kawasan potensial yang fluktuasi suhunya konsisten dengan apa yang mungkin merupakan tanda tubrukan gelembung. Bila data dari satelit Planck tersedia akhir tahun ini, para peneliti seharusnya dapat memperbaiki analisa terdahulu.

Tapi mendeteksi tanda-tanda multiverse yang meyakinkan tidaklah mudah. Untuk mengetahui seperti apa perjumpaannya saja perlu pemahaman seksama akan dinamika tubrukan gelembung—sesuatu yang cukup sulit dimodelkan pada komputer, berhubung rumitnya interaksi demikian.

Ketika menangani persoalan baru, fisikawan umumnya menemukan model bagus yang sudah mereka pahami lalu mengadaptasinya dengan membuat tweak kecil yang disebut “perturbasi”. Sebagai contoh, untuk memodelkan trayektori satelit di angkasa, fisikawan dapat memakai hukum gerak klasik yang diuraikan oleh Isaac Newton di abad 17 dan kemudian membuat perbaikan kecil dengan mengkalkulasi efek faktor-faktor lain yang mungkin mempengaruhi geraknya, misalnya tekanan dari angin surya. Untuk sistem sederhana, seharusnya tidak berselisih besar dari model tanpa perturbasi. Namun, cobalah kalkulasikan pola aliran udara sebuah sistem rumit semisal tornado; maka taksiran-taksiran itu mogok. Perturbasi memperkenalkan perubahan mendadak dan besar kepada sistem asli, alih-alih perbaikan kecil terprediksi.

Pemodelan tubrukan gelembung di periode inflasi alam semesta awal menyerupai pemodelan tornado. Berdasarkan karakternya, inflasi meregangkan ruang-waktu pada laju eksponensial—tipe lompatan harga yang besar yang menjadikan pengkalkulasian dinamikanya sangat menantang.

“Bayangkan Anda memulai dengan sebuah kisi, tapi dalam sekejap kisi itu mengembang jadi berukuran raksasa,” kata Peiris. Bersama rekan-rekannya, dia memakai teknik-teknik seperti perbaikan kasa adaptif (adaptive mesh refinement)—proses penampian seluk-beluk paling relevan di kisi tersebut dengan skala semakin halus—dalam simuasi inflasinya untuk mengatasi kerumitan. Eugene Lim, fisikawan di King’s College London, menemukan bahwa sebuah jenis gelombang aneh dapat membantu menyederhanakan masalah lebih lanjut.

Gelombang Translasi

Pada Agustus 1834, insinyur Skotlandia bernama John Scott Russell melakukan eksperimen di sepanjang Union Canal dengan maksud memperbaiki efisiensi perahu-perahu kanal. Sebuah perahu yang sedang ditarik oleh serombongan kuda mendadak berhenti, dan Russell melihat satu gelombang tersendiri (solitary wave) yang terus-menerus bergulung ke depan pada kecepatan tetap tanpa kehilangan bentuknya. Perilaku ini berbeda dari gelombang tipikal, yang cenderung mendatar atau memuncak dan tumbang cepat-cepat. Tergugah, Russell mengikuti gelombang itu di atas kuda sejauh dua mil sebelum akhirnya melesap di perairan kanal. Ini adalah observasi soliton yang pertama kali tercatat.

Saking tergugah oleh gelombang gigih itu, Russell membangun tangki gelombang 30 kaki di taman miliknya untuk memperdalam fenomena tersebut, memperhatikan karakteristik utama dari apa yang dijulukinya “gelombang translasi”. Gelombang ini dapat mempertahankan ukuran, bentuk, dan kecepatan sejauh jarak lebih panjang daripada biasa. Kecepatan gelombang tergantung pada ukurannya, dan lebarnya tergantung pada kedalaman air. Dan jika gelombang tersendiri besar menyusul gelombang tersendiri kecil, gelombang lebih besar dan lebih cepat tersebut akan menembus.
Observasi Russell sebagian besar ditolak oleh kawan sebaya karena temuannya terasa bertentangan dengan apa yang diketahui dari fisika gelombang air di zaman itu. Baru pada pertengahan 1960-an gelombang semacam ini dijuluki soliton dan fisikawan menyadari kegunaannya dalam memodelkan persoalan di beragam bidang semisal serat optik, protein biologis, dan DNA. Soliton juga muncul dalam konfigurasi tertentu teori medan quantum. Ulurkan medan quantum, maka Anda akan menciptakan osilasi yang biasanya berdisipasi ke arah luar; tapi jika dikonfigurasi dengan tepat, osilasi akan mempertahankan bentuk—persis seperti gelombang translasi milik Russell.

Karena soliton begitu stabil, Lim percaya itu dapat berfungsi sebagai model mainan sederhana untuk dinamika tubrukan gelembung di multiverse, menyediakan prediksi lebih baik tentang jenis tanda apa saja yang mungkin muncul dalam CMB. Jika firasatnya benar, maka dinding mengembang alam semesta gelembung kepunyaan kita sangat mirip soliton.

Namun, meski pemodelan gelombang tegak tersendiri (solitary standing wave) relatif mudah, dinamikanya jadi lebih rumit dan sulit untuk dikalkulasi ketika soliton-soliton bertubrukan dan berinteraksi, memaksa fisikawan mengandalkan simulasi komputer. Di masa lalu, peneliti memakai golongan soliton bersolusi matematika tepat dan men-tweak model tersebut agar cocok dengan tujuan mereka. Tapi pendekatan ini hanya bekerja jika sistem sasaran yang dipelajari sudah cukup mirip dengan model mainan; kalau tidak, perubahannya terlalu besar untuk dikalkulasi.

Guna menghindari rintangan itu, Lim merancang trik apik berdasarkan fitur unik tubrukan soliton. Ketika membayangkan dua objek bertubrukan, umumnya kita beranggapan bahwa semakin cepat mereka bergerak, semakin besar benturannya dan semakin rumit dinamikanya. Dua mobil yang saling menyeruduk pada kecepatan tinggi, contohnya, akan menghasilkan pencaran puing, panas, bising, dan efek-efek lain. Hal yang sama berlaku untuk tubrukan soliton—minimal di awal. Benturkan dua soliton pelan-pelan, maka takkan ada banyak interaksi, menurut Lim. Seiring kecepatan bertambah, soliton-soliton berinteraksi lebih kuat.

Video: Model komputer untuk tubrukan antara dua alam semesta gelembung. Tubrukan akan mengubah pola-pola pada gelombang mikro kosmik latar.
Video: Model komputer untuk tubrukan antara dua alam semesta gelembung. Tubrukan akan mengubah pola-pola pada gelombang mikro kosmik latar.

Tapi Lim mendapati bahwa seiring kecepatan terus bertambah, polanya lama-kelamaan berbalik: interaksi soliton mulai berkurang. Pada waktu mereka melaju dengan kecepatan cahaya, tidak ada interaksi sama sekali. “Mereka justru saling berpapasan,” kata Lim. “Semakin cepat Anda menubrukkan dua soliton, semakin sederhana mereka jadinya.” Kurangnya interaksi mempermudah pemodelan dinamika tubrukan antar soliton, serta tubrukan antar alam semesta gelembung di mana soliton [berperan] sebagai “tepi” mereka, lantaran kedua sistem ini kurang-lebih mirip.

Menurut Johnson, Lim telah menyingkap kaidah sederhana yang dapat diterapkan secara luas: interaksi multiverse ternyata lemah pada saat tubrukan berkecepatan tinggi, mempermudah kita untuk mensimulasikan dinamika perjumpaan tersebut. Kita tinggal menciptakan model baru multiverse, memakai soliton sebagai alat pemetaan tanda-tanda model tersebut pada data gelombang mikro kosmik, dan menyingkirkan teori-teori yang tidak cocok dengan apa yang dilihat peneliti. Proses ini akan membantu fisikawan mengidentifikasi model-model multiverse paling layak, yang—kendati masih spekulatif—akan konsisten dengan data observasi teranyar maupun teori inflasi.

Argumen Multiverse yang Mendukung Teori String

Satu alasan kenapa semakin banyak fisikawan menyeriusi gagasan multiverse adalah karena beberapa modelnya dapat membantu memecahkan tantangan signifikan dalam teori string. Salah satu tujuan teori string adalah menyatukan mekanika quantum dan relativitas umum, dua “buku aturan” terpisah dalam fisika yang mengatur skala-skala ukuran berbeda, ke dalam solusi tunggal sederhana.

Tapi sekitar 10 tahun silam, “impian teori string agak meledak,” kata Johnson—dan bukan dengan cara yang bagus. Para peneliti mulai sadar, teori string tidak menyediakan solusi unik. Justru, itu “memberi Anda teori dunia berjumlah dahsyat,” ujar Weinberg. Estimasi umum—yang dinilai konservatif oleh Weinberg—adalah 10500 kemungkinan. Pameran dunia-dunia ini mengisyaratkan teori string dapat memprediksi setiap hasil potensial.

Multiverse akan menjadi sarana untuk menggabung kesemua dunia berlainan yang diprediksi oleh teori string. Setiap versi bisa terwujud di alam semesta gelembungnya sendiri. “Segalanya tergantung pada bagian alam semesta yang Anda tinggali,” kata Lim.

Peiris mengakui, argumen ini mendapat pengkritik. “Itu bisa memprediksi apapun, dan karenanya tidak valid,” kata Peiris perihal penalaran yang umumnya dipakai untuk menolak gagasan multiverse dan mencelanya sebagai tautologi, ketimbang teori ilmiah sejati. “Tapi saya kira keliru memikirkannya dengan cara seperti itu.” Teori evolusi, dalih Peiris, juga menyerupai tautologi dalam hal-hal tertentu—“sebuah organisme eksis karena bertahan hidup”—tapi ia punya daya penjelasan hebat. Ia adalah model sederhana yang perlu sedikit masukan awal untuk menghasilkan keanekaragaman spesies yang kita saksikan hari ini.

Model multiverse yang terikat pada inflasi abadi boleh jadi memiliki daya penjelasan serupa. Dalam hal ini, alam-alam semesta gelembung berfungsi mirip spesiasi. Alam-alam semesta yang kebetulan mempunyai hukum fisika tepat pada akhirnya akan “berhasil”—dengan kata lain, mereka akan menjadi rumah bagi pengamat sadar seperti diri kita. Jika alam semesta kita adalah satu dari banyak alam semesta di multiverse yang jauh lebih besar, eksistensi kita rasanya semakin mungkin.

Sinyal Tak Pasti

Akan tetapi, pada akhirnya keberatan awal Peiris tetap berlaku: tanpa sarana pengumpulan bukti eksperimen, hipotesis multiverse takkan bisa diuji secara definisi. Itu akan bersembunyi di pinggiran fisika terhormat—dan karenanya menghasilkan minat kuat untuk mendeteksi tanda-tanda tubrukan gelembung dalam CMB.

Tentu saja, “hanya karena tubrukan gelembung ini bisa meninggalkan tanda bukan berarti ia memang meninggalkan tanda,” tegas Peiris. “Kita perlu alam bersikap baik pada kita.” Sinyal yang teramati mungkin temuan langka, mengingat betapa cepatnya ruang mengembang selama inflasi. Tubrukan-tubrukan mungkin tidak langka, tapi inflasi berikutnya “cenderung menipiskan efek-efek tubrukan sebagaimana ia menipiskan semua ‘struktur’ terdahulu di alam semesta awal, menyisakan peluang kecil untuk Anda melihat sinyal di langit CMB,” kata Peiris.

“Firasat saya bilang, Anda perlu menyesuaikan angka-angka lebih halus agar itu bekerja,” kata Weinberg. Laju pembentukan alam-alam semesta gelembung adalah kunci. Jika mereka terbentuk perlahan-lahan, tubrukan takkan mungkin terjadi karena ruang sudah mengembang dan mendorong gelembung-gelembung saling berpisahan, jauh sebelum tubrukan apapun dapat terjadi. Sebaliknya, jika gelembung-gelembung terbentuk terlalu cepat, mereka akan telah bergabung sebelum ruang bisa mengembang secukupnya untuk membentuk kantong-kantong terputus. Di tengah adalah laju Goldilocks, laju “pokoknya tepat” ketika gelembung-gelembung harus terbentuk agar tubrukan memungkinkan.

Para peneliti juga cemas terhadap penemuan “positif palsu” (false positive). Jikapun tubrukan demikian betul-betul terjadi dan buktinya tercetak pada CMB, penemuan pola petunjuk tidak otomatis menjadi bukti multiverse. “Anda bisa temukan sebuah efek dan bilang itu konsisten dengan hitungan prediksi tubrukan [gelembung] ini,” kata Weinberg. “Tapi mungkin juga itu konsisten dengan banyak hal lain.” Sebagai contoh, CMB terdistorsi bisa saja merupakan bukti [eksistensi] entitas teoritis bernama string kosmik. Mereka seperti retakan yang terbentuk di es ketika danau membeku, hanya saja di sini esnya berupa struktur ruang-waktu. Ekakutub magnet adalah cacat hipotetis lain yang bisa mempengaruhi CMB, demikian pula simpul atau pilin di ruang-waktu yang disebut tekstur.

Weinberg tidak yakin kita dapat menyebutkan perbedaan antara kemungkinan-kemungkinan ini, terutama karena ada banyak model inflasi abadi. Tanpa tahu seluk-beluk teori, upaya identifikasi multiverse secara positif akan mirip dengan upaya membedakan komposisi dua meteorit yang mengenai atap sebuah rumah hanya berdasarkan bunyi benturannya, tanpa tahu bagaimana rumah dibangun dan dengan material apa.

Andaikata tanda tubrukan gelembung terkonfirmasi, menurut Peiris tidak ada cara untuk mempelajari alam semesta gelembung lain lebih lanjut karena sekarang ia akan putus hubungan sebab-akibat dari alam semesta kita. Tapi itu akan jadi pengesahan mempesona bahwa gagasan multiverse layak mendapat kursi di meja fisika—fisika yang dapat diuji.

Dan andaikata sinyal tersebut menjadi bukti string kosmik atau ekakutub magnet, itu tetap melambangkan fisika baru yang merangsang di perbatasan kosmologi. Dalam hal ini, “radiasi gelombang mikro kosmik latar adalah tiang fondasi kosmologi modern,” kata Peiris. “Itu pemberian yang terus memberi.”

Advertisements

One thought on “Bukti Multiverse Dari Tubrukan Antar Semesta

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