Oleh: Frank Wilczek
7 Januari 2016
Sumber: www.quantamagazine.org

Hukum fisika bekerja ke waktu depan maupun ke waktu belakang. Lantas kenapa waktu bergerak ke satu arah saja? Satu jawaban potensial dapat turut menyingkap rahasia massa alam semesta yang hilang.

(Matthew DiVito, dimodifikasi untuk Quanta Magazine)
(Matthew DiVito, dimodifikasi untuk Quanta Magazine)

I

Tidak banyak fakta pengalaman yang sejelas dan selebar perbedaan antara masa lalu dan masa depan. Kita mengingat yang satu [masa lalu], tapi menanti yang lain [masa depan]. Jika Anda putar mundur sebuah film, itu terlihat tidak realistis. Kita katakan ada anak panah waktu, yang menunjuk dari masa lalu ke masa depan.

Orang mungkin menduga bahwa fakta sefundamental eksistensi anak panah waktu tertanam dalam hukum fundamental fisika. Padahal tidak demikian. Jika Anda bisa merekam peristiwa-peristiwa subatomik, Anda akan dapati versi waktu mundur terlihat betul-betul masuk akal. Atau, lebih tepatnya: hukum fundamental fisika—hingga beberapa pengecualian esoterik kecil, sebagaimana akan kita kupas—tampak dipatuhi, entah kita ikuti aliran waktu ke depan atau ke belakang. Dalam hukum fundamental, anak panah waktu bersifat reversibel (dapat dibalik).

Quantized
Kolom bulanan di mana para peneliti papan atas menjelajahi proses penemuan. Kolumnis bulan ini, Frank Wilczek, adalah fisikawan peraih Hadiah Nobel di Massachusetts Institute of Technology.

Secara logika, alihragam/transformasi yang membalik arah waktu dapat mengubah hukum fundamental. Akal sehat akan bilang seharusnya begitu. Tapi nyatanya tidak. Fisikawan memakai stenografi nyaman—juga disebut jargon—untuk mendeskripsikan fakta ini. Mereka sebut alihragam yang membalik anak panah waktu sebagai “time reversal”, atau sederhananya T. Dan mereka merujuk pada fakta (kiraan) bahwa T tidak mengubah hukum fundamental seperti “invariansi T”, atau “simetri T”.

Pengalaman sehari-hari melanggar invariansi T, sementara hukum fundamental mematuhinya. Kesenjangan blak-blakan ini menimbulkan pertanyaan menantang. Bagaimana dunia aktual, yang hukum fundamentalnya mematuhi simetri T, berhasil terlihat begitu asimetris? Mungkinkah suatu hari nanti kita akan menjumpai makhluk-makhluk beraliran terbalik—makhluk-makhluk yang semakin muda, sementara kita semakin tua? Mungkinkah kita, dengan suatu proses fisikal, memutar balik anak panah waktu tubuh kita sendiri?

Video: David Kaplan menjelaskan bagaimana pencarian kesimetrian tersembunyi menghasilkan penemuan semisal boson Higgs. (David Kaplan, Petr Stepanek, dan Ryan Griffin untuk Quanta Magazine; musik oleh Kevin MacLeod)
Video: David Kaplan menjelaskan bagaimana pencarian kesimetrian tersembunyi menghasilkan penemuan semisal boson Higgs. (David Kaplan, Petr Stepanek, dan Ryan Griffin untuk Quanta Magazine; musik oleh Kevin MacLeod)

Itu semua pertanyaan besar, dan saya berharap menulis tentangnya dalam postingan mendatang. Namun di sini saya ingin pertimbangkan satu pertanyaan pelengkap. Ini muncul saat kita berangkat dari ujung lain, dalam fakta pengalaman lumrah. Dari perspektif tersebut, teka-tekinya adalah begini:

Kenapa hukum fundamental mesti mempunyai atribut janggal dan pembawa masalah itu, yakni invariansi T?

Jawaban yang bisa kita sodorkan hari ini jauh lebih dalam dan lebih rumit daripada 50 tahun silam. Pemahaman hari ini timbul dari hubungan gemilang saling mempengaruhi antara penemuan eksperimen dan analisa teoritis, yang membuahkan beberapa hadiah Nobel. Tapi jawaban kita masih mengandung celah serius. Sebagaimana akan saya jelaskan, penutupan celah ini mungkin pula akan menuntun kita, sebagai bonus tak terduga, untuk mengidentifikasi “dark matter” kosmologis.

II

Sejarah modern invariansi T berawal pada 1956. Tahun itu, T.D. Lee dan C.N. Yang mempertanyakan sebuah fitur hukum fisika yang berbeda tapi berkaitan, yang sampai saat itu diterima begitu saja. Lee dan Yang tidak mengurusi T tersebut, melainkan analog spasialnya, alihragam paritas, “P”. Sementara T melibatkan penontonan film-film yang diputar mundur, P melibatkan penontonan film-film yang terpantul di cermin. Invariansi paritas adalah hipotesis bahwa peristiwa-peristiwa yang Anda lihat dalam film pantulan mengikuti hukum yang sama sebagaimana film aslinya. Lee dan Yang mengidentifikasi bukti tak langsung yang menentang hipotesis ini dan mereka mengusulkan eksperimen krusial untuk mengujinya. Dalam kurun beberapa bulan, eksperimen-eksperimen membuktikan bahwa invariansi P kandas dalam banyak keadaan. (Invariansi P berlaku untuk interaksi gravitasi, elektromagnetik, dan kuat, tapi umumnya kandas dalam interaksi lemah.)

Perkembangan dramatis seputar (non)invariansi P itu merangsang fisikawan untuk mempersoalkan invariansi T, asumsi serupa yang juga mereka terima begitu saja. Tapi hipotesis invariansi T bertahan terhadap penyelidikan cermat selama beberapa tahun. Baru pada 1964 kelompok pimpinan James Cronin dan Valentine Fitch menemukan satu efek khas kecil dalam peluruhan meson-meson K yang melanggar invariansi T.

III

Hikmah Joni Mitchell—bahwa “Anda tak tahu apa yang Anda peroleh sampai itu lenyap”—terbukti kemudian.

Jika, seperti anak kecil, kita terus bertanya “Kenapa?”, mungkin kita akan dapat jawaban lebih dalam untuk beberapa lama, tapi pada akhirnya kita akan mencapai bagian dasar, di mana kita sampai pada fakta bahwa kita tidak bisa menjelaskan apapun yang lebih sederhana. Pada titik itu kita harus berhenti, praktisnya mendeklarasikan kemenangan: “Ia begitu adanya.” Tapi jika kelak kita temukan pengecualian untuk fakta ini, jawaban tersebut takkan lagi memadai. Kita harus terus lanjut.

Selama invariansi T terlihat sebagai fakta universal, belum tentu pertanyaan yang ditulis miring tadi berguna. Kenapa alam semesta bersifat invarian T? Pokoknya begitu. Tapi pasca temuan Cronin dan Fitch, misteri invariansi T tak bisa dihindari.

Banyak fisikawan teoritis bergulat dengan tantangan menjengkelkan: memahami bagaimana invariansi T bisa sangat akurat, tapi tidak betul-betul tepat. Di sini karya Makoto Kobayashi dan Toshihide Maskawa terbukti menentukan. Pada 1973, mereka mengusulkan bahwa invariansi T kiraan adalah konsekuensi kebetulan dari prinsip lain yang lebih dalam.

Waktunya sudah matang. Tidak lama sebelumnya, garis besar Standard Model modern fisika partikel telah muncul beserta tingkat kejernihan baru mengenai interaksi fundamental. Menjelang 1973 terdapat satu kerangka teoritis kuat—dan sukses secara empiris!—berlandaskan segelintir “prinsip sakral”. Prinsip-prinsip ini adalah relativitas, mekanika quantum, dan kaidah matematis keseragaman yang disebut “simetri tolok”.

Ternyata cukup sulit membuat semua ide itu bekerjasama. Bersama-sama, mereka memaksakan kemungkinan adanya interaksi dasar.

Frank Wilczek. (Kenneth C. Zirkel)
Frank Wilczek. (Kenneth C. Zirkel)

Kobayashi dan Maskawa, dalam beberapa paragraf ringkas, melakukan dua hal. Pertama-tama mereka menunjukkan bahwa seandainya fisika terbatas pada partikel-partikel yang dikenal kala itu (bagi para ahli: seandainya hanya ada dua keluarga yakni quark dan lepton), maka semua interaksi yang diperkenankan oleh prinsip-prinsip sakral juga mematuhi invariansi T. Andaikan Cronin dan Fitch tidak mendapat penemuan, maka temuan [Kobayashi dan Maskawa] ini akan jadi kemenangan telak. Tapi Cronin dan Fitch membuat penemuan, sehingga Kobayashi dan Maskawa beranjak selangkah lebih jauh dan krusial. Mereka menunjukkan bahwa jika kita perkenalkan seperangkat partikel baru (keluarga ketiga), maka partikel-partikel tersebut mendatangkan interaksi baru yang membawa pada pelanggaran kecil terhadap invariansi T. Sepintas, itu persis sesuai kebutuhan.

Pada tahun-tahun selanjutnya, karya deteksi teoritis mereka yang gemilang terkonfirmasi sepenuhnya. Partikel-partikel baru yang eksistensinya diperkirakan oleh Kobayashi dan Maskawa telah teramati semuanya, dan interaksi mereka persis sebagaimana diusulkan Kobayashi dan Maskawa.

Sebelum menyudahi bab ini, saya ingin tambahkan sebuah penutup filosofis. Apakah prinsip-prinsip sakral memang sakral? Tentu saja tidak. Jika eksperimen memaksa illmuwan memodifikasi prinsip-prinsip tersebut, mereka akan lakukan itu. Tapi pada saat ini, prinsip-prinsip sakral tampak bagus sekali. Dan mempertimbangkan mereka dengan serius telah terbukti bermanfaat.

IV

Sejauh ini saya menceritakan kisah kemenangan. Pertanyaan cetak miring di atas, salah satu teka-teki paling mencolok perihal bagaimana dunia bekerja, telah mendapat sebuah jawaban dalam, indah, dan subur.

Tapi ada ulat pada bunga mawar.

Beberapa tahun pasca karya Kobayashi dan Maskawa, Gerard ‘t Hooft menemukan celah dalam penjelasan invariansi T mereka. Prinsip-prinsip sakral memperkenankan satu jenis interaksi tambahan. Interaksi baru ini cukup halus, dan penemuan ‘t Hooft menjadi kejutan besar bagi mayoritas fisikawan teoritis.

Interaksi baru ini, andai hadir dengan kekuatan substansial, akan melanggar invariansi T secara lebih nyata daripada efek temuan Cronin, Fitch, dan kawan-kawan. Rincinya, itu akan memungkinkan pusingan sebuah neutron menghasilkan medan listrik, selain medan magnet yang disebabkannya. (Medan magnet sebuah neutron yang berpusing boleh dibilang analogis dengan medan magnet Bumi berotasi, meski tentu saja pada skala berbeda jauh.) Para pelaku eksperimen telah bersusah-payah mencari medan listrik demikian, tapi sejauh ini hasilnya nihil.

Alam memilih tidak mengeksploitasi celah milik ‘t Hooft. Itu hak prerogatifnya, tentu saja, tapi ini menimbulkan pertanyaan cetak miring di atas sekali lagi: Kenapa Alam menegakkan invariansi T begitu akurat?

Beberapa penjelasan telah diajukan, tapi hanya satu yang tahan ujian waktu. Gagasan pokoknya berasal dari Roberto Peccei dan Helen Quinn. Proposal mereka, seperti halnya proposal Kobayashi dan Maskawa, melibatkan perluasan model standar secara cukup rinci. Kita perkenalkan sebuah medan penetral, yang perilakunya terutama sensitif terhadap interaksi baru milik ‘t Hooft. Kalau memang interaksi baru itu hadir, medan penetral akan menyesuaikan harganya sendiri, sehingga membatalkan pengaruh interaksi tersebut. (Proses penyesuaian ini boleh dibilang serupa dengan bagaimana elektron bermuatan negatif dalam benda padat berkumpul di sekitar impuritas bermuatan positif dan dengan begitu menyaring pengaruhnya.) Dengan begitu medan penetral menutup celah kita.

Peccei dan Quinn melewatkan konsekuensi penting dan dapat diuji dari gagasan mereka. Partikel-partikel yang dihasilkan oleh medan penetral—quantumnya—diprediksi mempunyai atribut luar biasa. Karena tidak memperhatikan partikel ini, mereka tidak memberinya nama. Itu memberi saya kesempatan untuk memenuhi impian remaja saya.

Deterjen cuci axion. (Courtesy Frank Wilczek)
Deterjen cuci axion. (Courtesy Frank Wilczek)

Beberapa tahun sebelumnya, etalase kotak-kotak cerah sebuah deterjen cuci bernama Axion menarik mata saya di supermarket. Terbersit dalam benak saya bahwa “axion” terdengar seperti nama partikel dan memang harusnya menjadi nama partikel. Jadi ketika menyadari sebuah partikel baru yang “membersihkan” masalah arus “aksial”, saya melihat peluang. (Saya segera tahu bahwa Steven Weinberg juga menyadari partikel ini, secara terpisah. Dia menjulukinya “Higglet”. Dengan ramahnya, dan saya kira dengan bijaknya, dia setuju untuk membuang nama itu.) Demikianlah awal sebuah hikayat yang kesimpulannya masih harus ditulis.

Dalam tarikh Particle Data Group, Anda akan jumpai beberapa halaman, membahas lusinan eksperimen, mendeskripsikan pencarian-pencarian axion yang gagal.

Tapi ada alasan untuk optimisme.

Teori axion memprediksi, secara umum, bahwa axion semestinya partikel amat ringan dan amat panjang umur yang interaksinya dengan materi biasa sangat lemah. Tapi untuk membandingkan teori dan eksperimen kita perlu bersikap kuantitatif. Dan di sini kita menjumpai keambiguan, berhubung teori yang ada tidak menetapkan harga massa axion. Jika kita tahu massa axion, kita dapat memprediksi semua atributnya yang lain. Tapi [harga] massanya sendiri bisa bervariasi dengan kisaran lebar. (Persoalan dasar serupa timbul pada quark charm, partikel Higgs, quark top, dan beberapa lainnya. Sebelum partikel-partikel ini ditemukan, teori memprediksi semua atributnya kecuali harga massa.) Ternyata kekuatan interaksi axion sebanding dengan massanya. Jadi, seiring harga kiraan massa axion menurun, axion semakin sulit dimengerti.

Mulanya fisikawan fokus pada model-model di mana axion terkait erat dengan partikel Higgs. Ide-ide tersebut mengindikasikan bahwa massa axion harusnya sekitar 10 keV—dengan kata lain, sekitar seperlimapuluh massa elektron. Kebanyakan eksperimen yang saya singgung di atas mencari axion berkarakter demikian. Sekarang kita bisa yakin axion seperti itu tidak eksis.

Oleh karenanya, perhatian beralih ke arah harga massa jauh lebih kecil (dan konsekuensinya keberpasangan lebih lemah), yang tidak dikesampingkan oleh eksperimen. Axion jenis ini muncul secara alami dalam model-model yang menyatukan interaksi-interaksi Standard Model. Mereka juga muncul dalam teori string.

Axion, menurut perhitungan, seharusnya diproduksi secara berlimpah pada momen-momen terawal Big Bang. Jika axion memang eksis, maka zalir axion akan merembesi alam semesta. Sumber zalir axion kurang-lebih sama dengan sumber radiasi gelombang mikro kosmik latar (CMB) yang terkenal, tapi ada tiga perbedaan utama di antara kedua entitas ini. Pertama: radiasi mikro kosmik latar sudah terobservasi, sementara zalir axion masih hipotetis. Kedua: karena axion mempunyai massa, zalirnya berkontribusi signifikan pada densitas massa alam semesta secara keseluruhan. Bahkan, kita hitung mereka berkontribusi kurang-lebih sebesar massa dark matter! Ketiga: karena interaksi axion begitu lemah, mereka jauh lebih sulit diobservasi ketimbang foton dari CMB.

Eksperimen pencarian axion berlanjut di beberapa front. Dua dari eksperimen-eksperimen paling menjanjikan diarahkan pada pendeteksian zalir axion. Salah satunya, ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), memakai antena-antena khusus ultrasensitif untuk mengkonversi axion latar menjadi denyut elektromagnetik. Satu lagi, CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment), mencari liukan kecil pada gerak pusingan nukleus, yang akan terangsang oleh zalir axion. Di antara mereka, dua eksperimen sulit ini menjanjikan mencakup hampir seluruh rentang [harga] massa potensial axion.
Apakah axion eksis? Kita belum tahu pasti. Eksistensi mereka akan membawa kisah anak panah waktu reversibel ke kesimpulan dramatis dan memuaskan, dan kemungkinan besar memecahkan teka-teki dark matter. Perburuan sedang berlangsung.

Advertisements

3 thoughts on “Anak Panah Waktu yang (Hampir) Dapat Dibalik

  1. Terimakasih buat terjemahan artikelnya yang sangat bermanfaat. Sebelum saya baca artikel yang ini, tadi saya sudah sempat baca artikel terkait bertema waktu yang judulnya “Keterjeratan Quantum Dorong Anak Panah Waktu”.

    Sedikit yang bisa saya simpulkan setelah baca dua artikel tersebut. Kurang lebih, dari keduanya ini terdapat satu kesamaan yang menarik, yaitu bicara soal anak panah waktu reversibel atau waktu yang bisa berjalan terbalik. Tapi yang spesifik disitu cuma dibahas dengan pendekatan termodinamika dan mekanika kuantum. Karena yang relevan secara eksak, bahwa waktu itu bisa dimungkinkan dapat berjalan terbalik, ya memang cuma bisa berlaku di alam mikro. Bukan di alam makro dunia sehari-hari kita. Jadi, karena itu pembahasannya cuma terbatas pada pendekatan mekanika kuantum.

    Nah, sehubungan dengan itu saya dengan sangat berharap ingin request terjemahan artikel tentang Closed Timelike Curve. Ini solusi dari Kurt Godel untuk Teori Relativitas-nya Albert Einstein. Yang bicara tentang kemungkinan perjalanan waktu ke masa lalu, secara makro. Tanpa bersinggungan dengan mekanika kuantum maupun hukum termodinamika.

    Tolong dengan sangat ya.. semoga bisa diterjemahkan. Soalnya biar pas pemahaman antara mikro dan makronya. 🙂

      1. Sebelumnya, terimakasih banyak. Tapi ada satu hal lagi untuk mempermudah pemahaman, yaitu konsep Relativity of simultaneity dan kerucut cahaya. Kalau bisa, tolong ini juga dicarikan bahannya.

        Karena konsep revolusioner Einstein soal “waktu” secara mendasar bisa ditelusuri mulai dari situ yang juga menghasilkan berbagai konsekuensi anehnya, khususnya perjalanan waktu ke masa lalu.

        Untuk relativity of simultaneity, ini fokus pembahasan untuk relativitas khusus. Yang berkorelasi dengan kerucut cahaya di bawah tekanan gravitasi, ini kita bisa masuk ke relativitas umum.

        Jadi, gampangnya bisa dibuat pertanyaan begini, bentuk kerucut cahaya di bawah tekanan gravitasi itu persisnya seperti apa ? Dan bagaimana itu bisa berpengaruh pada peristiwa-peristiwa simultan ?

        Saya yakin orang Indonesia yang paling berkompeten sekalipun cuma beberapa yang mau membahas hal ini secara detail. Saya sudah cari-cari jurnal fisika, skripsi, bahkan sampai disertasi. Gak ada satu pun yang mampu menjelaskan hal ini dengan gamblang dan sederhana terlepas dari rumus dan matematika.

        Seringkali saya tanya profesor dan doktor baik yang ngajar di itb atau ugm yang ada di grup facebook itu, mereka terkesan ogah menjelaskan hal begini ke orang awam. Merasa ilmunya udah tingkat gunung dan dianggapnya orang awam itu gak mampu dan gak perlu belajar ginian. Padahal sebenarnya mereka ini gak paham. Kalau mereka paham, seharusnya bisa dong menjelaskan fisika serumit apapun ke orang awam.

        Seperti orang-orang Barat, Eropa sana. Michio Kaku, Brian Greene, dan ribuan fisikawan lain yang mau dengan besar hati menjelaskan hal-hal rumit nan kompleks topik-topik fisika modern itu dengan bahasa yang sangat mudah dicerna khalayak awam. Berbeda sekali dengan fisikawan Indonesia yg angkuh dan memandang rendah orang awam. Pantas saja IPTEK di indonesia gak maju-maju.

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