Oleh: K.C. Cole
24 April 2015
Sumber: Quanta Magazine

Sebuah ide baru dan berani hendak mempertautkan dua deskripsi alam yang dikenal tidak harmonis. Dalam melakukannya, ia mungkin pula mengungkap bagaimana ruang-waktu berutang eksistensi pada hubungan informasi quantum yang menyeramkan.

Partikel-partikel quantum mungkin terhubung melalui wormhole di struktur ruang-waktu.
(Hannes Hummel untuk Quanta Magazine)

Seratus tahun setelah Albert Einstein mengembangkan teori relativitas umumnya, fisikawan masih terjebak dalam persoalan ketidakserasian terbesar di alam semesta. Lanskap ruang-waktu melengkung halus yang Einstein deskripsikan menyerupai lukisan karya Salvador Dalí—tanpa sambungan, tidak putus-putus, geometris. Tapi partikel-partikel quantum yang menghuni ruang ini lebih menyerupai karya Georges Seurat: pointilis, diskret, dideskripsikan oleh probabilitas. Di intinya, kedua gambaran ini saling bertentangan. Tapi sejenis pemikiran baru dan berani menyatakan korelasi quantum antara bintik-bintik lukisan impresionis sebetulnya bukan menciptakan lanskap Dalí saja, tapi juga kanvas-kanvas yang diduduki keduanya, serta ruang tiga-dimensi di sekeliling mereka. Dan Einstein, sebagaimana seringnya, duduk tepat di tengah-tengah itu semua, masih membolak-balik keadaan dari balik kubur. (Pointilisme adalah teknik lukis impresionis menggunakan bintik-bintik warna murni yang menjadi padu di mata pelihat—penj.)

Seperti inisial yang terukir pada sebatang pohon, ER = EPR, demikian gagasan baru ini dikenal, adalah stenografi yang menggabung dua ide usulan Einstein pada 1935. Ide satu melibatkan paradoks yang diindikasikan oleh, sebutnya, “tindakan menyeramkan dari kejauhan” antara partikel-partikel quantum (paradoks EPR, diambil dari nama para pengarangnya, Einstein, Boris Podolsky, dan Nathan Rosen). Ide kedua menunjukkan bagaimana dua black hole dapat dihubungkan sejauh bentangan ruang melalui “wormhole” (ER, untuk jembatan Einstein-Rosen). Pada waktu Einstein mencetuskan ide-ide ini—dan selama hampir delapan dasawarsa berikutnya—mereka dianggap tidak bersangkutpaut.

Tapi jika ER = EPR benar, berarti ide-ide ini berhubungan—mereka adalah manifestasi dari hal yang sama. Dan keterhubungan pokok ini akan menjadi fondasi segenap ruang-waktu. Keterjeratan quantum—tindakan dari kejauhan yang begitu mengusik Einstein—boleh jadi menciptakan “konektivitas spasial” yang “menjahit ruang”, menurut Leonard Susskind, fisikawan Universitas Stanford dan salah satu arsitek utama gagasan ini. Tanpa koneksi-koneksi ini, seluruh ruang akan “mengatom”, menurut Juan Maldacena, fisikawan Institute for Advanced Study di Princeton, N.J., yang mengembangkan gagasan ini bersama Susskind. “Dengan kata lain, struktur kokoh dan andal ruang-waktu adalah berkat fitur-fitur gaib keterjeratan,” ungkapnya. Lebih dari itu, ER = EPR punya potensi untuk menjawab bagaimana gravitasi pas dengan mekanika quantum.

Ketika Einstein, Podolsky, dan Rosen mempublikasikan makalah rintisan mereka, menjelaskan fitur-fitur ganjil dari apa yang kini disebut keterjeratan, The New York Times memperlakukannya sebagai berita halaman muka.
(The New York Times)

Tentu saja tidak semua orang menerimanya (juga tidak harus; gagasan ini “masih dalam masa pertumbuhan”, kata Susskind). Joe Polchinski, peneliti di Kavli Institute for Theoretical Physics di Universitas California, Santa Barbara, yang paradoks tembok apinya di kerongkongan black hole memicu perkembangan terbaru, bersikap hati-hati, tapi penasaran. “Saya tak tahu ke mana arahnya,” ujarnya, “tapi saat ini mengasyikkan.”

Perang Black Hole

Jalan menuju ER = EPR adalah pita puntiran dan gelungan Möbius yang melipat balik ke dirinya sendiri, seperti gambar buatan M.C. Escher.

Tempat wajar untuk memulai adalah keterjeratan quantum. Jika dua partikel quantum [saling] terjerat, praktisnya mereka menjadi dua bagian dari satu kesatuan. Apa yang menimpa satu partikel terjerat akan menimpa partikel lain, tak peduli seberapa jauh mereka terpisah.

Juan Maldacena di Institute for Advanced Study, Princeton, N.J..
(Andrea Kane/Institute for Advanced Study)

Maldacena kadang mengambil sepasang sarung tangan sebagai analogi: jika Anda menemukan sarung sisi kanan, serta-merta Anda tahu yang satu lagi adalah sarung sisi kiri. Tak ada yang menyeramkan soal ini. Tapi dalam versi quantum, kedua sarung sebetulnya adalah sisi kiri dan kanan (dan segala sesuatu di antara keduanya) sampai Anda mengamati mereka. Yang lebih menyeramkan lagi, sarung sisi kiri tidak menjadi kiri sampai Anda mengamati sarung sisi kanan—yang pada saat itu keduanya seketika memperoleh kebersisian definitif.

Keterjeratan memainkan peran kunci dalam penemuan Stephen Hawking tahun 1974 bahwa black hole dapat menguap. Ini juga melibatkan pasangan partikel terjerat. Di segenap ruang, partikel-partikel “virtual” materi dan anti-materi berumur pendek terus-menerus muncul dan lenyap. Hawking sadar, jika satu partikel jatuh ke dalam black hole dan satu lagi lolos, lubang tersebut akan memancarkan radiasi, berpijar seperti bara api sedang padam. Diberi cukup waktu, lubang akan menguap lenyap, menimbulkan pertanyaan: bagaimana nasib kandungan informasi benda yang jatuh ke dalamnya.

Tapi aturan mekanika quantum melarang penghancuran total informasi. (Sayangnya mengacak informasi adalah cerita lain; ini sebabnya dokumen bisa dibakar dan hard drive bisa diremukkan. Tidak ada dalam hukum fisika yang mencegah rekonstruksi informasi yang hilang dalam asap dan abu buku, minimal secara prinsip.) Maka pertanyaannya menjadi: apakah informasi yang masuk ke dalam black hole cuma teracak? Atau sungguh-sungguh hilang? Perbedaan pendapat meletuskan apa yang Susskind sebut “perang black hole”, yang menghasilkan cukup banyak cerita untuk mengisi banyak buku. (Buku Susskind diberi subjudul “My Battle with Stephen Hawking to Make the World Safe for Quantum Mechanics”.)

Akhirnya Susskind sadar (bersama Gerard ‘t Hooft)—dalam sebuah penemuan yang membuatnya syok—bahwa semua informasi yang jatuh ke lubang sebetulnya terperangkap di horison peristiwa dua-dimensi black hole, permukaan yang menandai point of no return (titik tanpa kembali). Horison menyandi segala sesuatu di dalamnya, mirip hologram. Seakan-akan kepingan yang diperlukan untuk membuat ulang rumah Anda dan segala isinya pas pada tembok. Informasi tidak hilang—ia teracak dan tersimpan di luar jangkauan.

Leonard Susskind di rumah di Palo Alto, California.
(Jeff Singer)

Susskind terus mengerjakan gagasan ini bersama Maldacena, yang dijulukinya “maestro”, dan rekan-rekan lain. Holografi mulai dipakai bukan hanya untuk memahami black hole, tapi juga kawasan ruang manapun yang dapat dideskripsikan oleh perbatasannya. Selama satu dasawarsa terakhir, gagasan gila bahwa ruang adalah sejenis hologram telah menjadi agak lumrah, alat fisika modern yang digunakan dalam segala hal, mulai dari kosmologi hingga materi terkondensasi. “Salah satu hal yang dialami oleh gagasan sains adalah mereka seringkali berangkat dari taksiran liar menuju taksiran logis menuju alat berfungsi,” kata Susskind. “Itu jadi rutin.”

Holografi berurusan dengan apa yang terjadi di perbatasan, termasuk horison black hole. Alhasil pertanyaan “apa yang berlangsung di interior” tetap terbuka, kata Susskind, dan jawabannya “berserakan di peta”. Biar bagaimanapun, karena tak ada informasi yang bisa lolos dari dalam horison black hole, hukum fisika mencegah ilmuwan menguji langsung apa yang berlangsung di sisi dalam.

Lalu pada 2012, Polchinski, bersama Ahmed Almheiri, Donald Marolf, dan James Sully, semuanya di Santa Barbara kala itu, mengemukakan sebuah wawasan mencengangkan, yang pada dasarnya berkata kepada fisikawan: Tahan! Kita tidak tahu apa-apa.

Makalah AMPS itu (diambil dari inisial para pengarangnya) menyajikan paradoks keterjeratan unik—paradoks sedemikian paradoks sampai-sampai mengimplikasikan bahwa black hole, praktisnya, tidak mempunyai sisi dalam, sebab “tembok api” persis di dalam horison akan menggoreng siapapun atau apapun yang berupaya mencaritahu rahasianya.

Menimbang Tembok Api

Berikut adalah jantung argumen mereka: jika horison peristiwa black hole merupakan tempat halus biasa, seperti diprediksi [teori] relativitas (para pengarang makalah ini menyebutnya kondisi “tanpa drama”), partikel-partikel yang keluar dari black hole pasti terjerat dengan partikel-partikel yang jatuh ke dalam black hole. Tapi agar informasi tidak hilang, partikel-partikel yang keluar dari black hole harus pula terjerat dengan partikel-partikel yang sudah lama pergi dan kini tersebar dalam kabut radiasi Hawking. Para pengarang AMPS sadar, ini adalah keterjeratan yang terlalu banyak jenisnya. Salah satu dari mereka harus enyah.

Alasannya, keterjeratan maksimum harus monogami, eksis di antara dua partikel saja. Dua keterjeratan maksium sekaligus—poligami quantum—tidak mungkin terjadi, yang mengindikasikan bahwa ruang-waktu halus malar di dalam kerongkongan black hole tidak mungkin eksis. Perceraian keterjeratan di horison mengimplikasikan ketakmalaran di ruang, setumpuk energi: “tembok api”.

Video: David Kaplan menggali fisika black hole dan persoalan gravitasi quantum dalam video In Theory ini.
(David Kaplan, Petr Stepanek, dan MK12 untuk Quanta Magazine; musik oleh Steven Gutheinz)

Makalah AMPS menjadi “pemicu nyata”, kata Stephen Shenker, fisikawan Stanford, dan “membuat jelas” betapa banyak yang tidak dipahami. Tentu saja, fisikawan cinta paradoks demikian, sebab itu ladang subur untuk penemuan.

Susskind dan Maldacena segera mengolahnya. Mereka sudah memikirkan keterjeratan dan wormhole, dan keduanya terinspirasi oleh karya Mark Van Raamsdonk, fisikawan Universitas British Columbia di Vancouver. Van Raamsdonk pernah menjalankan eksperimen pikiran penting yang mengisyaratkan bahwa keterjeratan dan ruang-waktu terkait erat.

“Lalu suatu hari,” kata Susskind, “Juan mengirimi saya pesan samar berisi persamaan ER = EPR. Sontak saya mengerti apa yang dia maksud, dan dari sana kami bolak-balik mengembangkan gagasan ini.”

Penyelidikan mereka, yang disampaikan dalam makalah tahun 2013, “Cool Horizons for Entangled Black Holes”, berargumen mendukung jenis keterjeratan yang mereka bilang telah diluputkan oleh para pengarang AMPS—keterjeratan yang “menyambung ruang”, menurut Susskind. AMPS berasumsi bahwa bagian-bagian ruang di dalam dan di luar horison peristiwa adalah independen. Tapi Susskind dan Maldacena menyatakan justru partikel-partikel di kedua sisi perbatasan dapat dihubungkan oleh wormhole. Keterjeratan ER = EPR dapat “semacam melangkaui paradoks kentara itu”, kata Van Raamsdonk. Makalah ini memuat grafik yang setengah berkelakar dijuluki oleh sebagian pihak sebagai “gambaran gurita”—di mana banyak wormhole mengarah dari dalam black hole menuju radiasi Hawking di luar.

Gagasan ER = EPR mengusulkan partikel-partikel terjerat di dalam dan di luar horison peristiwa black hole terhubung via wormhole.
(Olene Shmahalo/Quanta Magazine)

Dengan kata lain, tak ada kebutuhan akan keterjeratan yang menciptakan kisut di permukaan halus kerongkongan black hole. Partikel-partikel yang masih di dalam lubang akan terhubung langsung dengan partikel-partikel yang sudah lama pergi. Tak usah menempuh horison, tak usah menempuh tugas sulit. Partikel-partikel di sebelah dalam dan partikel-partikel jauh di luar boleh dianggap satu dan itu-itu juga, jelas Maldacena—seperti -ku, diriku, dan aku. Wormhole “gurita” akan menautkan interior black hole langsung dengan partikel-partikel di awan radiasi Hawking yang sudah lama ditinggalkan.

Lubang di Wormhole

Belum ada yang yakin apakah ER = EPR akan memecahkan persoalan tembok api. John Preskill, fisikawan di California Institute of Technology di Pasadena, mengingatkan pembaca Quantum Frontiers, blog untuk Institute for Quantum Information and Matter di Caltech, bahwa kadangkala fisikawan mengandalkan “indera penciuman” untuk mengendus teori mana saja yang punya prospek. “Pada endusan pertama,” tulisnya, “ER = EPR mungkin berbau segar dan manis, tapi ia harus disimpan sampai matang untuk sementara.”

Apapun yang terjadi, kebersesuaian antara partikel quantum terjerat dan geometri ruang-waktu melengkung halus merupakan “wawasan baru dan besar”, kata Shenker. Ini telah memungkinkan dia dan rekannya, Douglas Stanford, peneliti di Institute for Advanced Study, mengatasi masalah-masalah kompleks dalam balau quantum berkat, sebut Shenker, “geometri sederhana yang dapat dipahami, bahkan oleh saya”.

Tentunya ER = EPR belum berlaku pada jenis ruang apapun, atau jenis keterjeratan apapun. Ia memerlukan tipe keterjeratan khusus dan tipe wormhole khusus. “Lenny dan Juan menyadari hal ini,” kata Marolf, yang baru-baru ini menulis sebuah makalah bersama pengarang lain mengenai wormhole berujung lebih dari dua. ER = EPR bekerja dalam situasi amat spesifik, ungkapnya, tapi AMPS berargumen tembok api menghadirkan tantangan jauh lebih luas.

Seperti Polchinski dan lain-lain, Marolf khawatir ER = EPR memodifikasi mekanika quantums standar. “Banyak orang betul-betul tertarik pada penaksiran ER = EPR,” kata Marolf. “Tapi ada perasaan bahwa tak seorangpun betul-betul memahaminya selain Lenny dan Juan.” Tetap saja, “sekarang adalah saat yang menarik untuk berada di bidang ini.”

Klarifikasi pada 27 April 2015: Artikel ini telah diubah untuk mengklarifikasi bahwa hanya partikel-partikel terjerat maksimal yang harus memiliki keterjeratan monogami.

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