Bukti Pendukung Teori String di Alam Semesta Palsu

Oleh: Natalie Wolchover
18 Februari 2015
Sumber: www.quantamagazine.org

Para peneliti menunjukkan bahwa dalam konteks tertentu, teori string adalah satu-satunya teori gravitasi quantum yang konsisten. Mungkinkah ini menjadi kenyataan?

Di alam-alam semesta bergeometri mata ikan yang dikenal sebagai ruang anti-de Sitter, teori string telah terbukti menyediakan satu-satunya jalan konsisten untuk merukunkan gravitasi dan mekanika quantum. (Glen Faught untuk Quanta Magazine)
Di alam-alam semesta bergeometri mata ikan yang dikenal sebagai ruang anti-de Sitter, teori string telah terbukti menyediakan satu-satunya jalan konsisten untuk merukunkan gravitasi dan mekanika quantum. (Glen Faught untuk Quanta Magazine)

Tiga puluh tahun telah berlalu sejak sepasang fisikawan, yang bekerjasama di suatu malam musim panas berbadai di Aspen, Colorado, menyadari bahwa teori string mungkin memenuhi persyaratan untuk menjadi “theory of everything”.

“Kita pasti sudah sangat dekat,” kenang Michael Green akan ucapannya kepada John Schwarz sementara guruh mengamuk, dan mereka mengupas habis bukti konsistensi internal teori, “karena para dewa sedang berusaha mencegah kami menyelesaikan kalkulasi ini.”

Matematika mereka malam itu mengisyaratkan bahwa semua fenomena di alam, termasuk gaya gravitasi dan mekanika quantum yang seolah tak bisa dirukunkan, timbul dari harmonik simpal-simpal energi berukuran kecil dan bervibrasi, atau “string”. Penelitian ini mencetuskan revolusi teori string dan menelurkan satu generasi spesialis yang merasa sedang menggedor-gedor pintu teori alam final. Tapi hari ini, masih tak ada jawaban. Karena string yang konon menggigil di inti partikel unsur terlampau kecil untuk dideteksi—mungkin untuk selamanya—teori ini tak bisa dikonfirmasi secara eksperimen. Tidak pula bisa disanggah: hampir semua fitur alam semesta serasi dengan repertoar nada-nada string, repertoar yang tak ada habisnya.

Penerbitan makalah Green dan Schwarz “menginjak usia 30 tahun pada bulan ini,” tulis teoris string dan pengarang sains populer Brian Greene dalam Smithsonian Magazine pada Januari, “menjadikan momen ini matang untuk melakukan tinjauan: apakah teori string menyingkap hukum realitas yang mendalam? Atau, sebagaimana klaim beberapa pencela, apakah ia fatamorgana matematika yang telah menggelincirkan satu generasi fisikawan?” Greene tak punya jawaban, ragu bahwa teori string akan “berhadapan dengan data” dalam sisa hidupnya.

Namun dewasa ini beberapa teoris string mulai mengembangkan siasat baru yang memberi mereka harapan untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan tersebut suatu hari kelak. Tidak ada pengujian tradisional, mereka mengusahakan validasi teori string lewat rute berbeda. Memakai kamus matematika aneh yang menerjemahkan antara hukum gravitasi dan hukum mekanika quantum, para peneliti telah mengidentifikasi atribut-atribut bernama “syarat konsistensi” yang, kata mereka, harus dipenuhi oleh setiap teori penyatu mekanika quantum dan gravitasi. Dan di dunia-dunia imajiner sederhana tertentu, mereka klaim telah menemukan bukti bahwa satu-satunya teori “gravitasi quantum” yang konsisten melibatkan string.

Menurut banyak peneliti, karya ini menyediakan dukungan lemah tapi konkret untuk kecurigaan berumur puluhan tahun bahwa teori string adalah satu-satunya teori gravitasi quantum konsisten secara matematis yang mampu meniru bentuk lumrah gravitasi pada skala galaksi, bintang, dan planet, sebagaimana ditangkap oleh teori relativitas umum Albert Einstein. Dan jika teori string adalah satu-satunya kemungkinan pendekatan, berarti, kata para penganjurnya, ia pasti benar—dengan atau tanpa bukti fisik. Teori string, berdasarkan keterangan ini, adalah “satu-satunya permainan di kota.”

“Membuktikan bahwa segolongan besar model mirip string adalah satu-satunya hal yang konsisten dengan relativitas umum dan mekanika quantum akan menjadi jalan untuk mengkonfirmasinya sampai taraf tertentu,” kata Tom Hartman, fisikawan teoritis di Universitas Cornell yang memantau penelitian anyar ini.

Jika mereka berhasil, para peneliti mengakui bukti demikian akan dianggap sebagai bukti kontroversial bahwa teori string benar. “‘Benar’ adalah kata bermuatan,” ungkap Mukund Rangamani, profesor di Universitas Durham, Inggris, dan salah satu pengarang makalah yang dipostingkan baru-baru ini ke situs pracetak fisika arXiv.org yang menemukan bukti “universalitas string” pada segolongan alam semesta imajiner.

Sejauh ini, para teoris telah menunjukkan bahwa teori string adalah satu-satunya “permainan” yang memenuhi syarat tertentu di “kota-kota” yang sangat berbeda dari alam semesta kita, tapi mereka optimis teknik mereka akan mengumum ke dunia-dunia fisikal yang lebih realistis. “Kami akan terus mengumpulkan bukti penaksiran ‘universalitas string’ dalam konfigurasi berbeda dan untuk golongan teori berbeda,” kata Alex Maloney, profesor fisika di Universitas McGill, Montreal, dan salah satu pengarang makalah anyar lain yang menggembar-gemborkan bukti penaksiran ini, “dan pada akhirnya gambaran lebih besar akan menjadi jernih.”

(Olena Shmahalo/Quanta Magazine. Sumber: Kavli IPMU/Shigeki Sugimoto)
(Olena Shmahalo/Quanta Magazine. Sumber: Kavli IPMU/Shigeki Sugimoto)

Sementara itu, pakar-pakar luar memperingatkan agar tidak melompat ke kesimpulan berdasarkan penemuan yang sudah ada. “Jelas, makalah-makalah ini adalah upaya menarik,” kata Matt Strassler, profesor tamu di Universitas Harvard yang telah mengerjakan teori string dan fisika partikel. “Tapi mereka bukan betul-betul bukti; mereka adalah argumen. Mereka adalah kalkulasi, tapi terdapat kata-kata ambigu di beberapa tempat.”

Para penganjur saingan teori string, sebuah pendekatan underdog yang disebut “loop quantum gravity”, berpendapat bahwa penelitian tersebut tak mengajarkan banyak hal tentang dunia riil. “Mereka harusnya berusaha memecahkan permasalahan teori mereka, yang mana banyak sekali,” kata Carlo Rovelli, peneliti loop quantum gravity di Center for Theoretical Physics di Marseille, Prancis, “alih-alih berusaha mencetak angka dengan berceramah ke mana-mana bahwa mereka ‘satu-satunya permainan di kota’.”

Teori Misterius

Dalam seabad terakhir, fisikawan sudah mengusut tiga dari empat gaya alam—kuat, lemah, dan elektromagnetik—hingga ke sumber mereka dalam bentuk partikel unsur. Cuma gravitasi yang masih bebas berkeliaran. Albert Einstein, dalam teori relativitas umumnya, memberi gravitasi peran sebagai lengkungan halus di ruang dan waktu: satu buah apel jatuh ke Bumi karena struktur ruang-waktu melengkung akibat bobot planet. Gambaran ini menangkap gravitasi secara sempurna pada skala makroskopis.

Tapi dalam kenaikan [skala] cukup kecil, ruang dan waktu kehilangan makna, dan hukum mekanika quantum—di mana partikel tidak mempunyai atribut definitif seperti “lokasi”, hanya ada probabilitas—mengambil alih. Fisikawan memakai kerangka matematis bernama teori medan quantum untuk mendeskripsikan interaksi probabilistik di antara partikel-partikel. Sebuah teori gravitasi quantum akan mendeskripsikan sumber gravitasi partikel-partikel bernama “graviton” dan mengungkap bagaimana perilaku mereka meningkat secara proporsional hingga menghasilkan lengkungan ruang-waktu dalam relativitas umum. Tapi menyatukan hukum alam dengan cara ini terbukti sulit sekali.

Teori string pertama kali muncul di tahun 1960-an sebagai penjelasan potensial kenapa partikel-partikel unsur bernama quark tak pernah eksis secara terkucil tapi justru saling mengikat untuk membentuk proton, neutron, dan “hadron” lain. Teori ini berpandangan, quark-quark tak mampu berpisah karena mereka adalah ujung string, bukan titik mengambang bebas. Tapi argumen ini mengandung cacat: meski beberapa hadron memang terdiri dari sepasang quark dan anti-quark dan sudah sewajarnya menyerupai string, proton dan neutron mengandung tiga quark, menimbulkan gambaran jelek dan tak pasti yakni string berujung tiga. Segera, muncul satu teori quark berbeda. Tapi gagasan sulit mati, dan sebagian peneliti, termasuk Green, kala itu di Universitas London, dan Schwarz, di California Institute of Technology, terus mengembangkan teori string.

Masalah bertumpuk dengan cepat. Agar vibrasi string masuk akal secara fisika, teori ini menuntut lebih banyak dimensi ruang selain panjang, lebar, dan kedalaman, memaksa para teoris string untuk berpostulat bahwa enam dimensi tambahan tersimpul di setiap titik di struktur realitas, mirip gundukan karpet. Dan karena setiap cara tak terhitung untuk ketersimpulan dimensi tambahan dapat disamakan dengan pola makroskopis berbeda, maka penemuan apapun tentang alam semesta kita dapat terasa cocok dengan teori string, melumpuhkan daya prediksinya. Lebih jauh, sebagaimana keadaan di tahun 1984, semua versi teori string mencakup sebuah suku matematis tak masuk akal yang dikenal sebagai “anomali”.

Di sisi positif, para peneliti menyadari, mode vibrasi tertentu pas dengan profil graviton, penyetor gravitasi quantum yang dirindukan. Dan pada malam berbadai di Aspen itu, Green dan Schwarz menemukan bahwa graviton menyumbang sebuah suku yang, untuk versi teori string tertentu, persis menghapus anomali bermasalah tadi. Temuan ini mengangkat kemungkinan bahwa versi ini adalah teori gravitasi quantum yang benar dan konsisten secara matematis, dan itu turut mengantarkan lonjakan aktivitas yang dikenal sebagai “revolusi superstring pertama”.

(Olena Shmahalo/Quanta Magazine. Sumber: Kavli IPMU/Shigeki Sugimoto)
(Olena Shmahalo/Quanta Magazine. Sumber: Kavli IPMU/Shigeki Sugimoto)

Tapi baru setahun berlalu, sebuah teori string versi lain juga dinyatakan bebas anomali. Total, lima teori string konsisten ditemukan di pengujung dekade. Sebagian teori membayangkan partikel sebagai string tertutup, yang lain mendeskripsikan mereka sebagai string terbuka berujung terjuntai, dan yang lain lagi memperumum konsep string ke objek berdimensi tinggi, dikenal sebagai “bran-D”, yang menyerupai membran bergetar di bilangan dimensi berapapun. [Keberadaan] lima teori string rasanya seperti kelimpahan memalukan.

Terobosan penting berikutnya terjadi pada 1995 ketika Edward Witten dari Institute for Advanced Study di Princeton, New Jersey, berargumen dalam sebuah kuliah terkenal bahwa kelima teori string terhubung secara matematis dan merupakan kepingan dari teori induk yang sama yang mencakup semua. Witten menamainya teori-M. Tampaknya semula M mengacu pada membran, tapi Witten mengisyaratkan bahwa makna sejati M menanti pemahaman lebih baik terhadap teori ini, yang sepertinya melampaui jumlah komponennya. “Beredar sendagurau bahwa itu singkatan dari ‘misteri’,” kata Steve Carlip, spesialis gravitasi quantum di Universitas California, Davis. Apapun singkatan M, induk semua manifestasi teori string ini mengembalikan impian unifikasi.

Video: Edward Witten memberi kuliah pada 1995. Dalam kesempatan itu dia berargumen, kelima teori string adalah kepingan berbeda-beda dari satu kerangka induk yang sama, kemudian dijuluki “teori-M”.
Video: Edward Witten memberi kuliah pada 1995. Dalam kesempatan itu dia berargumen, kelima teori string adalah kepingan berbeda-beda dari satu kerangka induk yang sama, kemudian dijuluki “teori-M”.

“Orang-orang sudah menghabiskan berdekade-dekade mempelajari berbagai jenis teori string dan menemukan segelintir teori konsisten dan semuanya itu-itu juga,” kata Strassler. “Anda bisa katakan, barangkali itu satu-satunya yang dapat eksis. Barangkali cuma ada satu teori gravitasi quantum, dan teori-M-lah orangnya.”

Alam Semesta Mata Ikan

Dua tahun pasca proposal teori-M milik Witten, fisikawan Argentina-Amerika Juan Maldacena menemukan hubungan mencengangkan lain lagi, kali ini antara string dan partikel titik. Karya Maldacena mengisyaratkan bahwa di bawah kondisi tertentu, sebuah teori yang mengikutsertakan gravitasi, entah itu teori string atau lainnya, dapat langsung diterjemahkan menjadi teori medan quantum yang tidak memiliki gravitasi.

Dalam manifestasi paling sederhana dari teori ini, “kondisi tertentu” mensyaratkan lanskap imajiner yang dikenal sebagai ruang anti-de Sitter (AdS), menyerupai kertas grafik yang dipandang melalui lensa mata ikan, di mana persegi ke arah perbatasan semakin mengecil. Sebuah teori yang mendeskripsikan bagaimana gravitasi bekerja di ruang AdS dapat diterjemahkan menjadi “teori medan konformal” (CFT) ekuivalen yang melambangkan partikel-partikel titik di perbatasan alam semesta tersebut. Hubungan ini memungkinkan peneliti mempelajari gravitasi quantum dengan menyelidiki CFT ekuivalen. Sebagai contoh, mereka bisa bermain-main dengan CFT untuk mengkalkulasi atribut teori-teori gravitasi quantum di ruang “AdS3”—alam semesta mata ikan dengan dua dimensi ruang plus waktu. “Sasaran pencarian gravitasi quantum di AdS3 dapat diterjemahkan menjadi pencarian teori medan konformal tepat,” kata Rangamani.

Dalam dua makalah terbaru, diposting dalam kurun dua hari di bulan Desember, kelompok-kelompok terpisah pimpinan Rangamani dan Maloney bermaksud mempelajari objek fundamental (entah string atau yang lain) di segolongan alam semesta AdS3 sederhana. Mereka mendapati, selagi alam-alam semesta ini memanas hebat, objek-objek di dalamnya akan mengalami “status” yang jumlahnya bertambah secara eksponensial.

Perilaku ini persis sama dengan yang kita perkirakan seandainya string merupakan objek fundamental di alam-alam semesta ini. Alam semesta lebih panas memungkinkan string bervibrasi dan mengatur diri dengan cara baru, sehingga alam semesta panas berstring akan punya banyak status. Partikel titik, sebaliknya, memperagakan variasi sangat sedikit pada suhu tinggi. “Kita sedang mendapatkan status-status dalam jumlah string,” kata Christoph Keller, mahasiswa pascadoktoral fisika di Universitas Rutgers dan pengarang sebuah makalah bersama Maloney dan Alex Belin. “Secara prinsip, masuk akal ada satu teori lain di luar sana yang juga memiliki banyak status, selain teori string. Kita tidak tahu contoh demikian.”

Sebagian berargumen orkestra status pada suhu tinggi ini memperkuat dalih penunjang universalitas string atau teori-teori gravitasi quantum “mirip string” di AdS3. “Tak ada yang sampai mengatakan bahwa teori string adalah satu-satunya yang bisa keluar dari syarat konsistensi ini, tapi ada bukti itu mirip string,” kata Hartman.

“Kata-kata ambigu” dalam argumen para pengarang ini, menurut Strassler, menghindari fakta bahwa mereka tidak mengkalkulasi densitas status secara tepat dalam beberapa kasus yang lebih kompleks, tapi sekadar menunjukkan bahwa angkanya lebih tinggi daripada yang diperkirakan untuk alam semesta berkomposisi partikel titik. “Dan cuma penemuan densitas status string—saya tidak tahu apa ada bukti di dalamnya,” kata Strassler. “Ini cuma satu atribut.”

Sementara itu, para peneliti loop quantum gravity keberatan terhadap premis bahwa temuan seputar AdS3 memberi suatu petunjuk tentang sifat gravitasi quantum di alam semesta kita sendiri. Mereka mencatat, korespondensi AdS/CFT sendiri belum terbukti—itu cuma penaksiran (sekalipun dukungannya luas). Yang lebih penting, ruang AdS berbeda jauh dari ruang flat, dan alam-alam semesta berdimensi ruang dua jauh lebih sederhana daripada alam semesta berdimensi ruang tiga. “Dunia [kita] bukanlah 2+1 dimensi,” kata Lee Smolin, anggota pendiri dan pengajar senior di Perimeter Institute di Waterloo, Ontario, dan salah satu pendiri loop quantum gravity. “Dan jikapun itu benar, sudah lama terdapat kontracontoh untuk penaksiran universalitas string, dalam bentuk rumusan gravitasi quantum tersusun lengkap yang tak ada kaitannya dengan teori string.” (Para teoris string beragumen, teori-teori gravitasi 2+1 ini berbeda signifikan dari gravitasi quantum di dunia riil.)

Tapi peneliti juga telah menerapkan korespondensi AdS/CFT pada gravitasi quantum di AdS4—alam semesta mata ikan, tapi jumlah dimensinya sama dengan alam semesta kita. Pada 2011, Maldacena, kini profesor di Institute for Advanced Study, dan mahasiswanya saat itu, Alexander Zhiboedov, menemukan bukti bahwa teori-teori string adalah satu-satunya teori gravitasi quantum berfitur khusus yang mereproduksi relativitas umum pada skala besar. Para peneliti ini beranjak lebih jauh dalam makalah tahun 2014. Mereka berargumen, di bilangan dimensi berapapun dan geometri ruang-waktu apapun, hanya teori-teori beratribut mirip string yang memenuhi kausalitas, atau konsep bahwa sebab mendahului akibat. “Ini yang akan Anda perkirakan berdasarkan hipotesis bahwa teori string adalah satu-satunya permainan di kota,” kata Zhiboedov, kini peneliti pascadoktoral di Universitas Harvard.

Mukund Rangamani (kiri) dan Felix Haehl dari Universitas Durham berargumen, semua teori gravitasi quantum konsisten di alam-alam semesta 2-dimensi tertentu merupakan teori mirip string. (Courtesy Mukund Rangamani)
Mukund Rangamani (kiri) dan Felix Haehl dari Universitas Durham berargumen, semua teori gravitasi quantum konsisten di alam-alam semesta 2-dimensi tertentu merupakan teori mirip string. (Courtesy Mukund Rangamani)

Hasil-hasil temuan hingga hari ini tampak mendukung eksistensi teori “mirip string”, minimal secara tak langsung. Menurut para teoris string, teori-teori mirip string kemungkinan adalah teori string, sebab sulit sekali membayangkan sebuah objek yang bervibrasi seperti string tapi bukan string. Tapi kalau demikian, apa yang digolongkan sebagai teori string? Apa itu teori-M? Kritikus sudah menguraikan, tak seorangpun tahu cara memakai teori-M untuk menjawab semua pertanyaan seputar gravitasi quantum, atau untuk menunjukkan bagaimana alam bekerja dalam semua situasi. Para teoris string barangkali menjadi yakin bahwa mereka sedang menggedor pintu yang tepat, tanpa tahu ada apa di baliknya.

Sejauh ini mereka sudah memilih landasan uji khusus yang mudah dikerjakan secara matematis untuk kalkulasi mereka. “Tak ada yang salah dengan itu,” kata Carlip, yang menganggap dirinya spesialis gravitasi quantum “tak berpihak”. Dalam fisika eksperimen, “Anda melakukan eksperimen yang bisa Anda lakukan dan bukan yang tidak bisa Anda lakukan.” Masalahnya adalah, kata Carlip, “sampai sejauh mana hasil-hasilnya merupakan atribut umum gravitasi quantum, dan sampai sejauh mana mereka merupakan hasil dari penyederhanaan khusus ini.”

Para teoris string menduga, hasil-hasil string akan terus bermunculan bila mereka menerapkan alat AdS/CFT pada golongan-golongan dunia imajiner yang lebih umum. (Mereka bilang, mereka akan sama-sama terangsang untuk menemukan bukti penentang universalitas string.) Bukti penuh bahwa setiap teori gravitasi quantum di ruang AdS adalah teori berstring, kata Maloney, akan menjadi “bukti amat kuat” bahwa hal yang sama berlaku di alam-alam semesta bergeometri flat seperti milik kita.

Namun, bukti di alam semesta flat akan memerlukan alat-alat baru sama sekali. Alam semesta kita tidak punya perbatasan ruang sebagaimana yang dimiliki ruang AdS; perbatasannya terletak di ujung waktu depan. Perkembangan alat mirip AdS/CFT untuk geometri alam semesta kita masih dalam masa pertumbuhan. Jalan menuju bukti penuh—atau sangkalan penuh—atas universalitas string masih panjang. Saat ini, kata Zhiboedov, “ia menjadi keyakinan, impian, harapan. Ia adalah perasaan berlandaskan penelitian di bidang ini.”

Koreksi: Artikel ini direvisi pada 21 Februari 2015 untuk meralat gelar Lee Smolin. Dia adalah anggota pendiri dan pengajar senior di Perimeter Institute di Waterloo, Ontario.

Catatan: Artikel ini dimutakhirkan pada 1 Maret 2015 untuk menyediakan konteks tambahan seputar teori-teori gravitasi quantum 2+1.

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