Bertaruh Pada Masa Depan Gravitasi Quantum

Oleh: Natalie Wolchover
14 Maret 2014
Sumber: www.quantamagazine.org

Zvi Bern sedang menunggangi kemenangan beruntun yang lebih cocok untuk pemain poker di Vegas ketimbang fisikawan partikel teoritis di Universitas California, Los Angeles. Dia tenar di bidangnya berkat pertaruhan dengan kolega bahwa dirinya mampu mengkalkulasi perilaku graviton dengan presisi terus meningkat—graviton adalah partikel hipotetis yang dipercaya menanamkan gaya gravitasi. Yang menjadi taruhan masing-masing petaruh adalah sebotol anggur berkualitas. Meski sangat tidak probabel, koleksi anggur Bern terus bertambah.

Einstein menjelaskan gravitasi adalah lengkungan di ruang dan waktu, tapi fisikawan sudah lama mencari teori graviton, tersangka sumber skala quantumnya. (Sam Chivers untuk Quanta Magazine)
Einstein menjelaskan gravitasi adalah lengkungan di ruang dan waktu, tapi fisikawan sudah lama mencari teori graviton, tersangka sumber skala quantumnya. (Sam Chivers untuk Quanta Magazine)

“Sialnya, saya ada di pihak yang kalah dalam pertaruhan ini,” kata Kelly Stelle, profesor fisika partikel di Imperial College London dan lawan rutin Bern. Namun, setiap kekalahan ada hadiah hiburannya. Selama Bern dan timnya melakukan kalkulasi semakin rumit, bertambah kemungkinan mereka memperoleh kerangka teori gravitasi quantum, yang akan mendeskripsikan sumber skala quantum gaya penambat planet pada bintang dan penahan kaki di tanah.

“Saya terus-terusan bilang padanya, dia tak boleh kalah,” kata Bern.

Sudah 80 tahun fisikawan mencari teori gravitasi quantum. Kendati graviton secara individual terlalu lemah untuk dideteksi, mayoritas fisikawan percaya partikel-partikel tersebut menjelajahi alam quantum berbondong-bondong, dan perilaku mereka secara kolektif melahirkan gaya gravitasi makroskopis, sebagaimana cahaya adalah efek makrokopis partikel-partikel bernama foton. Tapi setiap teori perilaku partikel gravitasi berhadapan dengan masalah yang sama: ketika diperiksa lebih cermat, itu tidak masuk akal secara matematis. Kalkulasi interaksi graviton mungkin tampak bekerja pada awalnya, tapi begitu fisikawan berupaya membuatnya lebih akurat, hasilnya adalah omong-kosong—jawaban “tak terhingga”. “Ini penyakit gravitasi yang diquantisasi,” kata Stelle.

Tapi sekarang Bern sedang bertaruh besar pada teori yang dulu dipinggirkan bernama supergravitasi; teori ini mengusulkan eksistensi partikel gravitasi baru yang mencerminkan efek-efek graviton. Dikembangkan pada 1970-an, supergravitasi sudah lama dikira mengidap persoalan ketakterhinggaan, yang mengindikasikan teori ini cacat secara matematis. Tapi kalkulasinya sangat sulit sehingga tak seorangpun bisa tahu pasti—“sampai Bern dan kawan-kawan datang,” kata Stelle. Memakai alat dan jalan pintas temuan baru, Bern dan timnya sedang mengkalkulasi interaksi gravitasi ini dengan presisi terus meningkat. Alih-alih meledak, teori ini semakin masuk akal.

Supergravitasi itu sendiri tidak dapat mendeskripsikan alam, sebab ia dirancang untuk dunia teoritis yang lebih simetris. Tapi jika teori tersebut bertahan dalam taruhan terbaru Bern dengan Stelle, maka ia bisa menjadi perancah yang dibutuhkan fisikawan untuk membangun teori lebih realistis. “Itu artinya supergravitasi punya struktur amat istimewa,” kata Bern. “Saya percaya ia akan jadi kunci pembuka teori gravitasi.”

Fisikawan partikel UCLA Zvi Bern pada 2009 dengan sebotol anggur yang dia menangkan dalam taruhan melawan Paul Howe, kala itu di King’s College London. (Courtesy Zvi Bern)
Fisikawan partikel UCLA Zvi Bern pada 2009 dengan sebotol anggur yang dia menangkan dalam taruhan melawan Paul Howe, kala itu di King’s College London. (Courtesy Zvi Bern)

Kalkulasi Bern adalah bagian dari upaya besar untuk memahami sifat utuh gravitasi. Dia sedang mengurus sejumlah graviton bertubrukan, tapi teori final gravitasi quantum juga harus memahami kawanan kuat yang menyusun black hole. Teka-teki konseptual mendalam yang ditimbulkan black hole mengindikasikan bahwa teori sejati akan menuntut perspektif baru dan radikal tentang alam semesta—perspektif di mana ruang dan waktu sekadar ilusi. Sebuah pendekatan alternatif memanfaatkan amplituhedron, objek yang menyederhanakan kalkulasi interaksi tertentu dan dapat membantu fisikawan memecahkan beberapa teka-teki.

“Sedikit-banyak kita ada di jalur yang benar,” kata Steve Giddings, profesor fisika teoritis di Universitas California, Santa Barbara, pakar terkemuka di bidang paradoks black hole. “Kita bisa lihat garis besar black hole dalam kalkulasi-kalkulasi itu.”

Menjadi Quantum

Albert Einstein berteori, gravitasi adalah konsekuensi dari lengkungan di ruang dan waktu. Seiring struktur ruang-waktu meregang akibat bobot objek-objek berat, objek-objek kecil jatuh ke arah mereka. Teori Einstein bekerja sempurna untuk mendeskripsikan gravitasi pada skala makroskopis, di mana apel jatuh ke tanah dan Bumi mengorbit matahari. Tapi saat persamaannya untuk mengkalkulasi hasil interaksi gravitasi diterapkan pada riak-riak terkecil di struktur ruang-waktu—bundel energi yang dikenal sebagai graviton—kalkulasi menjadi rusak. “Gravitasi Einstein dicemari ketakterhinggaan,” kata Stelle.

Masalahnya, secara teoritis graviton dapat berinteraksi dalam banyak cara tak terhingga. Fisikawan mengkalkulasi “amplitudo hamburan”, bilangan yang melambangkan probabilitas berbagai hasil interaksi partikel, dengan menggambar beragam cara partikel berubah bentuk atau berkocok selama interaksi, dan kemudian menyimpulkan probabilitas gambar-gambar berlainan. (Gambar-gambar ini disebut “diagram Feynman”, diambil dari nama penemu mereka, Richard Feynman.) Jumlah diagram kusut dan mustahil jauh melampaui diagram lurus dan probabel. Ini berarti, komputasi amplitudo hamburan untuk tiap tingkat presisi baru mensyaratkan penggambaran diagram Feynman yang semakin banyak dan pemecahan rumus matematika yang semakin rumit. Dalam beberapa kasus, rumus-rumus ini menjadi sederhana secara apik. Untuk interaksi graviton yang didefinisikan oleh persamaan Einstein, tidak demikian.

Supergravitasi mencoba menolong dengan menambahkan “supersimetri” baru pada teori Einstein. Seperti cermin, supersimetri-supersimetri ini mensyaratkan bahwa jika satu tipe partikel eksis, maka lawannya juga harus eksis. Dalam varian teori bernama supergravitasi N = 8, yang memiliki delapan penggandaan demikian, partikel-partikel cerminan baru tersebut memungkinkan fisikawan menghapus sebagian komponen rumus yang merepotkan. Pendekatan ini bekerja untuk empat tingkat pertama presisi. Tapi para ahli sudah lama curiga bahwa ketakterhinggaan akan timbul lagi jika mereka berusaha membuat kalkulasinya lebih akurat. “Anda sampai pada titik di mana diagram-diagram begitu rumit sehingga supersimetri tak dapat lagi menghapusnya,” jelas Kristan Jensen, fisikawan di Universitas Stony Brook.
Menurut Bern, asumsi lama itu “mungkin tidak benar”.

Pada 1990-an, Bern, Lance Dixon dari SLAC National Accelerator Laboratory di Menlo Park, California, dan David Kosower dari CEA Sclay di Prancis mengembangkan teknik-teknik manjur baru untuk mengkomputasi amplitudo hamburan; berkat ini mereka akan menerima J.J. Sakurai Prize 2014 bidang Fisika Partikel Teoritis pada bulan April. Jalan pintas mereka mempersingkat kalkulasi tentang partikel-partikel dikenal, memungkinkan para teoris memprediksi hasil-hasil benturan di Large Hadron Collider (Swiss) dengan presisi mempesona, dan kemudian mencari “fisika baru” dalam bentuk penyimpangan dari prediksi ini. Pada pertengahan 2000-an, Bern, Dixon, Kosower, dan rekan-rekan lain juga mulai menerapkan teknik-teknik ini pada kalkulasi supergravitasi jauh lebih teoritis—dan berat—yang ditinggalkan berdekade-dekade silam. Ketika kalkulasi mulai membuahkan hasil terhingga, “itu goncangan hebat,” kata John Joseph Carrasco, fisikawan di Universitas Stanford yang bekerja dengan Bern.

Jalan pintas paling manjur untuk melengkapi kalkulasi supergravitasi datang dari penemuan Bern, Carrasco, dan Henrik Johansson (Laboratorium CERN) bahwa graviton berperilaku seperti dua salinan gluon, pengangkut gaya nuklir kuat, yang “merekatkan” (glue) quark-quark di dalam nukleus atom. Hubungan “salinan ganda” antara graviton dan gluon ini muncul dalam setiap varian supergravitasi yang dipelajari oleh para peneliti, dan mereka menduga itu berlaku dalam teori gravitasi quantum juga, tanpa menghiraukan apakah supersimetri eksis di alam. Prakteknya, penemuan ini mengandung arti bahwa, sekali amplitudo hamburan gluon telah terkomputasi dalam bentuk tertentu sampai tingkat presisi tertentu, “penyulingan amplitudo gravitasi jadi mudah,” kata Dixon.

Pada tahun 2008, Henrik Johannson dari CERN, Zvi Bern dari UCLA, dan John Joseph Carrasco dari Stanford (kiri ke kanan) menemukan bahwa graviton berperilaku seperti dua gluon yang ditumpuk. (Courtesy John Joseph Carrasco)
Pada tahun 2008, Henrik Johannson dari CERN, Zvi Bern dari UCLA, dan John Joseph Carrasco dari Stanford (kiri ke kanan) menemukan bahwa graviton berperilaku seperti dua gluon yang ditumpuk. (Courtesy John Joseph Carrasco)

Atribut salinan ganda lebih dari sekadar alat kalkulasi. “Itu juga merupakan pergeseran filosofis dalam cara kita memandang teori-teori gravitasi,” kata Bern. “Ini sangat konkret dan memperjelas bahwa [graviton dan gluon] memang saling memiliki. Mereka memang seharusnya bagian dari teori terpadu.”

Dalam kata-kata Giddings, “itu amat sugestif”. Karena fisikawan punya satu teori quantum fungsional yang mendeskripsikan gluon, disebut kromodinamika quantum, atribut salinan ganda mengisyaratkan bahwa supergravitasi (atau teori terkait) mungkin berfungsi pula.

Untuk mengkalkulasi atribut benturan graviton (merah), fisikawan bisa memanfaatkan dua salinan interaksi ekuivalen pada gluon (biru), yang jauh lebih mudah ditangani.
Untuk mengkalkulasi atribut benturan graviton (merah), fisikawan bisa memanfaatkan dua salinan interaksi ekuivalen pada gluon (biru), yang jauh lebih mudah ditangani.

Untuk taruhan teranyar dengan Stelle, Bern dan rekan-rekannya akan menguji supergravitasi N = 8 secara tak biasa. Jika mereka dapat mengkalkulasi apa yang terjadi ketika graviton-graviton berbenturan sampai tingkat presisi “lima simpal” di dunia fiksi berdimensi ruang-waktu 4,8, maka Bern menang. Dalam hal itu Stelle harus memberinya sebotol Flint Dry dari Chapel Down Winery di Inggris. “Ini anggur yang dihidangkan di pernikahan William dan Kate,” jelas Stelle.

Jika, di sisi lain, kalkulasi menghasilkan ketakterhinggaan di 4,8 dimensi, berarti Stelle menang. Dalam hal itu Bern harus membayar dengan sebotol anggur dari Stag’s Leap di Napa Valley.

Tentu saja, dimensi-dimensi pecahan tidak betul-betul eksis. Tapi Stelle dan kolega telah menunjukkan bahwa kalkulasi lima simpal untuk 4,8 dimensi kurang-lebih ekuivalen dengan kalkulasi tujuh simpal yang jauh lebih sulit di dimensi-dimensi dunia riil. (Kalkulasi tujuh simpal utuh menjadi subjek taruhan lain antara Bern dan peraih Hadiah Nobel David Gross dari Universitas California, Santa Barbara.) Jika teori tetap terhingga sampai derajat demikian, “itu akan jadi mukjizat sungguhan,” kata Stelle. Hubungan harmonis saling mempengaruhi antara partikel-partikel dalam supergravitasi N = 8 akan melampaui pemahaman fisikawan.

Terlalu dini untuk berkata bagaimana hasil taruhan antara Bern dan Stelle. Namun, dalam karya yang tampil di Physical Review Letters bulan Desember, tim Bern menemukan “jauh lebih baik dari perilaku yang diperkirakan” di dalam varian teori lain bernama supergravitasi N = 4, dan temuan ini telah mengubah peluang. “Rasanya pantas jika disebut keadaan sedang memihak saya,” kata Bern.

Kutukan Black Hole

Teori gravitasi quantum apapun pasti berurusan dengan black hole, yang dideskripsikan oleh teori Einstein sebagai lengkungan curam tak terhindari di ruang-waktu. Tapi, pada tingkat lebih fundamental, ia merupakan sistem quantum ruwet yang melampaui deskripsi graviton sekalipun. Menjelaskan sistem ini butuh perspektif baru nan radikal perihal cara kerja alam.

Black hole terbentuk ketika partikel-partikel berbenturan dengan [besaran] total energi lebih dari 10 miliar miliar proton (disebut “energi Planck”). Pada energi setinggi itu, dibutuhkan diagram berjumlah tak terhingga untuk membuat taksiran kasar amplitudo hamburan. Ini melumpuhkan upaya fisikawan untuk secara langsung mengkalkulasi atribut-atribut quantum black hole, termasuk black hole di dunia amat simetris yang diatur oleh supergravitasi N = 8. Mengekstrapolasi energi tinggi dari kalkulasi graviton energi rendah milik Bern cs ternyata mereproduksi gambaran familiar black hole—gambaran lengkungan curam di ruang-waktu. Tapi ekstrapolasi ini tidak cukup rinci untuk menjawab pertanyaan terdalam mengenai black hole: apa yang terjadi pada informasi tentang partikel yang jatuh ke dalam (disebut paradoks informasi).

Menurut prinsip-prinsip mekanika quantum, informasi seputar status partikel tak pernah bisa dihancurkan. Maka, ketika partikel terjun ke dalam black hole, informasi pasti masuk bersamanya. Tapi mekanika quantum juga menyebut black hole menguap dan lama-kelamaan lenyap sama sekali. Ke mana perginya informasi tadi?

Fisikawan masih ramai memperdebatkan paradoks informasi, tapi tumbuh konsensus bahwa resolusinya kelak akan memaksa mereka membuang asumsi lama yang disebut lokalitas, gagasan bahwa partikel-partikel hanya berinteraksi dari posisi berdekatan di ruang dan waktu. Jika partikel di dalam dan di luar black hole bisa bertukar informasi, maka informasi dari black hole yang menguap dapat diselamatkan. “Lokalitas adalah landasan deskripsi fundamental fisika kita hari ini,” ujar Giddings, “tapi dalam benak saya, hal paling wajar untuk dilakukan adalah memodifikasinya dengan suatu cara.”

Menyingkirkan lokalitas dari fisika partikel akan butuh perumusan ulang metode Bern dan fisikawan lain dalam mengkalkulasi amplitudo hamburan, sebab diagram Feynman digambar atas asumsi bahwa partikel-partikel berinteraksi dari titik-titik berdekatan di ruang-waktu. Termotivasi oleh persoalan ini, sebuah kelompok pimpinan Nima Arkani-Hamed, profesor fisika di Institute for Advanced Study di Princeton, New Jersey, baru-baru ini menemukan pendekatan lebih sederhana untuk mengkalkulasi amplitudo hamburan—minimal untuk fisika quantum versi supersimetris. Dalam pendekatan baru ini, amplitudo hamburan gluon dapat dikomputasi dengan mengukur volume sebuah amplituhedron, objek geometris yang bentuknya ditentukan oleh jumlah dan atribut gluon yang terlibat dalam suatu interaksi. Lokalitas tidak masuk ke dalam kalkulasi sama sekali; kesan bahwa benturan terjadi di ruang dan waktu hanyalah sebuah fitur dari hasil kalkulasi.

“Amplituhedron punya sentuhan yang tepat,” kata Giddings. “Orang-orang ini, yang menggali struktur indah ini untuk mendeskripsikan amplitudo, mungkin sedang menggali suatu cara baru dalam memandang gravitasi yang akan membawa ke rezim black hole.”

Bern dan kolega tidak memakai amplituhedron dalam kalkulasi supergravitasi mereka, tapi “kami tentu memikirkan bagaimana mengimpor ide-ide milik mereka, dan sebaliknya,” ungkapnya. Amplituhedron dapat disamakan dengan interaksi antar gluon, sehingga fakta bahwa graviton berperilaku seperti dua salinan gluon dapat menunjukkan jalan ke sebuah geometri yang menggabungkan kedua partikel unsur tersebut.

“Jika ada objek mirip amplituhedron untuk gravitasi,” kata Arkani-Hamed, “gagasannya adalah, objek ini bercokol di luar ruang-waktu dan memberi Anda jawaban untuk peristiwa hamburan apapun.” Terkadang jawabannya lokal, menghadirkan kesan bahwa ruang dan waktu eksis. Untuk interaksi dengan sistem-sistem quantum tak dikenal yang menyusun black hole, jawabannya tidak bergantung pada ruang dan waktu.

“Isu sesungguhnya adalah memahami bagaimana itu bekerja,” kata Giddings. “Bagaimana bisa fisika kita berperilaku amat lokal dalam banyak keadaan padahal terdapat penyimpangan dari lokalitas secara nyata dengan adanya black hole? Bagaimana kita memikirkan dari mana lokalitas berasal dan kenapa ia tidak presisi?”

Fisikawan sedang giat membahas bagaimana aspek-aspek penelitian gravitasi quantum dapat bersatu. Boleh jadi sedang muncul gambaran samar—gambaran graviton, gluon, dan partikel lain yang beraksi bersamaan, mungkin sebagai komponen suatu geometri akbar nonlokal—tapi mereka memperingatkan butuh upaya besar untuk membuat ide-ide goyah ini konkret secara matematis, dan untuk mengadaptasikannya ke dunia riil. Seperti kata Jensen, “Ada cerita dan kemudian ada kalkulasi.”

Bern melaporkan, dirinya dan rekan-rekan sedang “mendorong cukup keras” kalkulasi supergravitasi terbaru. Jika dalam beberapa bulan ke depan mereka mendapat jawaban terhingga untuk hamburan graviton di 4,8 dimensi, maka supergravitasi N = 8 akan mendekati teori gravitasi quantum yang dapat dipertahankan dan dapat dikalkulasi lebih daripada sebelumnya, memotivasi fisikawan partikel untuk berusaha menyetel halus teori agar mendeskripsikan dunia kurang simetris tempat kita tinggal. “Kami harus mengambil langkah ke mundur dan mencoba menemukan cara-cara memelintir teori ini dan mempertahankan atribut keterhinggaannya,” kata Dixon.

Jika, di sisi lain, supergravitasi N = 8 retak di bawah tekanan, maka pasti ada faktor-faktor penting yang luput dari teori, sebagaimana luput dari gravitasi Einstein. Banyak fisikawan partikel berpikir, faktor-faktor yang hilang ini adalah bagian dari teori string, teori alam lebih rumit lagi yang mencakup supergravitasi dan menyatakan graviton dan semua partikel lain adalah garis satu-dimensi, atau “string”. Penggabungan efek-efek vibrasi string memperbaiki kalkulasi. Tapi teori string tidak memprediksi sehimpunan unik amplitudo hamburan (justru mengandung lanskap solusi potensial amat luas), sehingga pencarian teori graviton yang dapat dikalkulasi dan berdaya prediksi akan membentur rintangan.

Berdasarkan keberhasilannya dan pertambahan koleksi anggurnya, Bern optimis supergravitasi akan bertahan. Bila demikian, dia akan mendapat anggur pernikahan kerajaan, tuturnya, “saya dan Kelly akan sama-sama merayakan.”

Advertisements

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