Teori String Bertemu Loop Quantum Gravity

Oleh: Sabine Hossenfelder
12 Januari 2016
Sumber: www.quantamagazine.org

Dua calon utama “theory of everything”, yang sudah lama dianggap tidak serasi, mungkin merupakan dua sisi mata uang yang sama.

(Olena Shmahalo/Quanta Magazine)
(Olena Shmahalo/Quanta Magazine)

Delapan dekade telah berlalu sejak fisikawan menyadari teori mekanika quantum dan teori gravitasi tidak cocok, dan teka-teki penggabungan keduanya belum juga terpecahkan. Dalam beberapa dekade terakhir, para peneliti mengejar persoalan ini dalam dua program terpisah—teori string dan loop quantum gravity—yang umumnya dianggap tidak serasi oleh praktisinya. Tapi sekarang beberapa ilmuwan berargumen, penggabungan kekuatan adalah jalan ke depan.

Di antara banyak upaya untuk menyatukan teori quantum dan gravitasi, teori string paling menarik perhatian. Premis yang dimilikinya sederhana. Segala sesuatu terbuat dari string kecil. String bisa tertutup ke dirinya sendiri atau berujung lepas; mereka bisa bervibrasi, meregang, bergabung, atau membelah. Dan pada bentuk-bentuk manifold ini terdapat penjelasan untuk semua fenomena yang kita lihat, mencakup materi maupun ruang-waktu.

Loop quantum gravity, sebaliknya, lebih mengurusi atribut quantum ruang-waktu itu sendiri ketimbang materi yang menghuninya. Dalam loop quantum gravity, atau LQG, ruang-waktu adalah jejaring. Latar halus dalam teori gravitasi Einstein digantikan oleh node dan tautan yang dengannya atribut-atribut quantum dipertalikan. Dengan demikian, ruang dibangun dari bongkah-bongkah diskret. Secara umum LQG adalah studi bongkahan ini.

Pendekatan ini sudah lama dianggap tidak serasi dengan teori string. Malah, perbedaan konseptualnya gamblang dan mendalam. Sebagai pengantar, LQG mempelajari keping-keping ruang-waktu, sedangkan teori string menyelidiki perilaku objek-objek di dalam ruang-waktu. Masalah teknis spesifik memisahkan bidang-bidang ini. Teori string mensyaratkan ruang-waktu memiliki 10 dimensi; LQG tidak bekerja di dimensi tinggi. Teori string juga mengisyaratkan eksistensi supersimetri, di mana semua partikel mempunyai partner yang belum kita temukan. Supersimetri bukanlah fitur LQG.

Perbedaan ini dan lainnya telah memecah komunitas fisika teoritis ke dalam kubu-kubu terpencar. “Konferensi berlangsung sendiri-sendiri,” kata Jorge Pullin, fisikawan di Louisiana State University dan salah satu pengarang buku teks LQG. “Kelompok loop datang ke konferensi loop. Kelompok string datang ke konferensi string. Mereka bahkan tidak lagi datang ke konferensi ‘fisika’. Saya pikir, sayang sekali jadi begini.”

Video interaktif: Peta Theory of Everything. Klik tautan untuk memulai. Pelajari lebih jauh tentang peta ini. (Emily Fuhrman untuk Quanta Magazine, teks oleh Natalie Wolchover dan arahan seni oleh Olena Shmahalo)
Video interaktif: Peta Theory of Everything. Klik tautan untuk memulai. Pelajari lebih jauh tentang peta ini. (Emily Fuhrman untuk Quanta Magazine, teks oleh Natalie Wolchover dan arahan seni oleh Olena Shmahalo)

Tapi sejumlah faktor dapat merapatkan kubu-kubu ini. Penemuan teoritis baru telah mengungkap kemiripan potensial antara LQG dan teori string. Generasi baru teoris string mulai mencari metode dan alat di luar teori string yang mungkin berguna dalam usaha memahami bagaimana menciptakan “theory of everything”. Dan sebuah paradoks mentah terkait black hole dan hilangnya informasi telah memberi dosis kebersahajaan baru kepada setiap orang.

Lebih jauh, di tengah ketiadaan bukti eksperimen untuk teori string ataupun LQG, bukti matematis kebersebelahan keduanya dalam satu mata uang akan menopang argumen bahwa fisikawan sedang maju ke arah theory of everything yang tepat. Penggabungan LQG dan teori string akan betul-betul menjadikannya satu-satunya permainan di kota.

Tautan Tak Terduga

Usaha penyelesaian beberapa masalah internal LQG telah menghasilkan tautan mengejutkan pertama dengan teori string. Fisikawan yang mempelajari LQG tidak punya pemahaman jernih bagaimana beranjak dari jejaring bongkahan ruang-waktu mereka dan tiba pada deskripsi ruang-waktu skala besar yang pas dengan teori relativitas umum Einstein—teori gravitasi terbaik kita. Yang lebih merisaukan lagi, teori mereka tidak bisa rukun dengan teori relativitas khusus di mana gravitasi dapat diabaikan. Ketidaknyamanan ini menimpa pendekatan apapun yang bersandar pada ruang-waktu membongkah: dalam teori relativitas khusus Einsten, sebuah objek akan tampak berkontraksi/menciut tergantung seberapa cepat seorang pengamat bergerak relatif terhadapnya. Kontraksi ini turut mempengaruhi ukuran bongkah-bongkah ruang-waktu, yang kemudian diindera secara berlainan oleh pengamat-pengamat berkecepatan berlainan. Diskrepansi ini menimbulkan persoalan dengan ajaran pokok teori Einstein—bahwa hukum fisika seharusnya berlaku [sama] tanpa peduli kecepatan pengamat.

“Sulit sekali memperkenalkan struktur diskret tanpa bermasalah dengan relativitas khusus,” kata Pullin. Dalam makalah ringkas yang ditulis pada 2014 bersama rekan langganan, Rodolfo Gambini, fisikawan di Universitas Republic di Montevideo, Uruguay, Pullin berargumen bahwa penyerasian LQG dengan relativitas khusus memerlukan interaksi-interaksi yang mirip dengan yang dijumpai dalam teori string.

Bahwa kedua pendekatan memiliki suatu kesamaan, ini terasa mungkin bagi Pullin sejak temuan rintisan di akhir 1990-an oleh Juan Maldacena, fisikawan Institute for Advanced Study, Princeton, New Jersey. Maldacena mencocokkan sebuah teori gravitasi di ruang-waktu anti-de Sitter (AdS) dengan sebuah teori medan (CFT—“C” untuk “conformal”) di perbatasan ruang-waktu. Dengan memakai identifikasi AdS/CFT ini, teori gravitasi dapat dideskripsikan oleh teori medan yang lebih dimengerti.

Versi utuh dualitas ini hanya penaksiran, tapi ia memuat argumen pembatas yang dipahami dengan baik yang di dalamnya teori string tidak punya peran. Karena string tidak penting dalam argumen pembatas ini, seharusnya argumen ini dibagi pakai oleh teori gravitasi quantum manapun. Pullin memandang ini adalah titik temu.

Video: Dalam gambaran seniman ini, jejaring yang mendasari ruang-waktu dalam loop quantum gravity diperlihatkan sebagai serangkaian muka berwarna. Video ini menunjukkan perilaku ruang-waktu pada skala Planck, luas terkecil. Andai kita lakukan zoom out, detil-detil quantum akan lenyap, dan ruang-waktu akan mulai menyerupai geometri halus malar fisika klasik. (T. Thiemann/Albert Einstein Institute/Milde Marketing/Exozet)
Video: Dalam gambaran seniman ini, jejaring yang mendasari ruang-waktu dalam loop quantum gravity diperlihatkan sebagai serangkaian muka berwarna. Video ini menunjukkan perilaku ruang-waktu pada skala Planck, luas terkecil. Andai kita lakukan zoom out, detil-detil quantum akan lenyap, dan ruang-waktu akan mulai menyerupai geometri halus malar fisika klasik. (T. Thiemann/Albert Einstein Institute/Milde Marketing/Exozet)

Herman Verlinde, fisikawan teoritis di Universitas Princeton yang sering mengerjakan teori string, merasa masuk akal jika metode-metode dari LQG dapat membantu menerangi sisi gravitasi dualitas tersebut. Dalam makalah anyar, Verlinde meninjau AdS/CFT dalam model sederhana berisi dua dimensi ruang dan satu waktu, atau “2+1” kata fisikawan. Dia mendapati ruang AdS dapat dideskripsikan oleh jejaring seperti yang dipakai dalam LQG. Sekalipun konstruksinya hanya bekerja di 2+1, itu menawarkan cara baru dalam memikirkan gravitasi. Verlinde ingin memperumum model ini ke dimensi lebih tinggi. “Kita terlalu sempit memandang loop quantum gravity. Pendekatan milik saya akan bersifat inklusif. Ini jauh lebih berpandangan ke depan secara intelektual,” tukasnya.

Tapi setelah sukses menggabung metode LQG dengan teori string hingga memperoleh kemajuan di ruang anti-de Sitter, tetap tersisa pertanyaan: seberapa berguna penggabungan itu? Ruang-waktu anti-de Sitter memiliki konstanta kosmologis negatif (bilangan yang mendeskripsikan geometri skala besar alam semesta); alam semesta kita berkonstanta kosmologis positif. Kita tidak menghuni konstruk matematis berupa ruang AdS.

Verlinde bersikap pragmatis. “Gagasannya adalah [untuk konstanta kosmologis positif] kita butuh teori baru sama sekali,” katanya. “Lalu pertanyaannya adalah seberapa berbeda teori itu nantinya. Saat ini AdS merupakan petunjuk terbaik untuk struktur yang sedang kita cari, dan kemudian kita harus temukan trik guna memperoleh konstanta kosmologis positif.” Dia anggap itu baik untuk mengisi waktu: “Kendati [AdS] tidak mendeskripsikan dunia kita, itu akan memberi kita beberapa pelajaran yang akan membimbing ke mana kita harus pergi.”

Bersatu di Black Hole

Verlinde maupun Pullin menunjuk satu peluang lain untuk persatuan komunitas teori string dan loop quantum gravity: nasib misterius informasi yang jatuh ke dalam black hole. Pada 2012, empat peneliti yang bermarkas di Universitas California, Santa Barbara, menyoroti kontradiksi internal dalam teori mutakhir. Mereka berargumen, tuntutan pelolosan informasi dari black hole akan menghancurkan struktur peka ruang hampa di sekitar horison black hole, dengan begitu menciptakan rintangan amat energetik—“tembok api” black hole. Namun tembok api ini tidak serasi dengan prinsip ekuivalensi yang mendasari relativitas umum, yang berpendapat bahwa para pengamat tidak bisa yakin apakah mereka sudah menyeberangi horison. Ketidakserasian ini mengacaukan para teoris string, yang merasa sudah memahami informasi black hole dan kini harus meninjau ulang buku catatan mereka.

Tapi ini bukan teka-teki untuk teoris string semata. “Seluruh pembahasan tembok api black hole ini berlangsung kebanyakan di dalam komunitas teori string, yang mana tidak saya pahami,” kata Verlinde. “Persoalan-persoalan ini, informasi quantum, keterjeratan, dan cara mengkonstruksi ruang [matematis] Hilbert—ini persis apa yang sudah lama dikerjakan oleh kelompok loop quantum gravity.”

Sementara itu, dalam perkembangan yang tak dihiraukan oleh mayoritas komunitas string, rintangan yang pernah dihadirkan oleh supersimetri dan dimensi tambahan juga telah runtuh. Kelompok Thomas Thiemann di Universitas Friedrich-Alexander di Erlangen, Jerman, telah memperluas LQG ke dimensi lebih tinggi dan memasukkan supersimetri, yang dua-duanya dulu merupakan wilayah teori string.

Lebih belakangan, Norbert Bodendorfer, bekas mahasiswa Thiemann yang kini di Universitas Warsawa, menerapkan metode-metode quantisasi simpal milik LQG pada ruang anti-de Sitter. Dia berargumen, LQG bisa bermanfaat untuk dualitas AdS/CFT dalam situasi-situasi di mana para teoris string tidak tahu cara melakukan komputasi gravitasi. Bodendorfer merasa jurang antara teori string dan LQG sedang memudar. “Pada beberapa kesempatan saya mendapat kesan bahwa teoris string tidak tahu banyak soal LQG dan tidak mau membahasnya,” katanya. “Tapi kaum muda di [kelompok] teori string, mereka berpikiran terbuka sekali. Mereka sangat tertarik pada apa yang berlangsung di permukaan.”

“Perbedaan terbesar ada dalam cara mendefinisikan pertanyaan kita,” kata Verlinde. “Sialnya, ini lebih bersifat sosiologis ketimbang ilmiah.” Dia tidak menganggap kedua pendekatan berselisih: “Saya selalu memandang [teori string dan loop quantum gravity] sebagai bagian-bagian dari deskripsi yang sama. LQG adalah metode, bukan teori. Ia adalah metode untuk memikirkan mekanika quantum dan geometri. Ia adalah metode yang bisa dipakai dan sebetulnya sedang dipakai oleh teoris string. Keduanya tidak cekcok.”

Tidak semua orang seyakin itu. Moshe Rozali, teoris string di Universitas British Columbia, tetap skeptis terhadap LQG: “Alasan kenapa saya pribadi tidak mengerjakan LQG adalah isu relativitas khusus,” ungkapnya. “Jika pendekatan Anda tidak mematuhi kesimetrian-kesimetrian dalam relativitas khusus sedari awal, berarti pada dasarnya Anda butuh mukjizat pada salah satu langkah menengah.” Tapi tetap, kata Rozali, beberapa alat matematika yang dikembangkan dalam LQG mungkin bermanfaat. “Saya tidak berpikir ada kemungkinan teori string dan LQG akan bertemu di suatu jalan tengah,” katanya. “Tapi metode-metodenya adalah apa yang lazim dipertimbangkan orang-orang, dan cukup mirip; metode-metode matematisnya boleh jadi mengandung persinggungan.”

Pun tidak setiap orang di pihak LQG mengira keduanya akan bergabung. Carlo Rovelli, fisikawan di Universitas Marseille dan bapak pendiri LQG, percaya bidangnya lebih unggul. “Planet string tidak terlalu congkak dibanding sepuluh tahun silam, apalagi setelah kekecewaan pahit ketidakmunculan partikel supersimetris,” katanya. “Mungkin saja kedua teori adalah bagian dari solusi yang sama…tapi saya sendiri berpendapat itu mustahil. Bagi saya teori string telah gagal mengantarkan apa yang dijanjikannya di tahun 80-an, dan ia salah satu dari banyak ‘ide-bagus-tapi-alam-tidak-seperti-itu’ yang membintiki sejarah sains. Saya tidak habis pikir bagaimana bisa orang-orang masih berharap padanya.”

Bagi Pullin, terlalu dini mendeklarasikan kemenangan: “Ada orang-orang LQG yang kini berkata, ‘Kami satu-satunya permainan di kota.’ Saya tidak setuju dengan cara argumentasi ini. Saya kira kedua teori sama-sama tidak lengkap.”

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