Apakah Alam Tidak Alami?

Suatu siang mendung di ujung April, para profesor fisika dan mahasiswa berdesakan ke dalam aula berpanel kayu di Universitas Columbia untuk mendengarkan ceramah Nima Arkani-Hamed, teoris kenamaan yang bertandang dari Institute for Advanced Study di Princeton, New Jersey. Dengan rambut gelap sebahu yang disisipkan ke belakang telinga, Arkani-Hamed memaparkan dua implikasi kontradiktif dari hasil-hasil eksperimen mutakhir di Large Hadron Collider Eropa. “Alam semesta adalah niscaya,” umumnya. “Alam semesta adalah mustahil.”

Dalam Pola Misterius, Matematika dan Alam Bertemu

Pada 1999, saat duduk di sebuah halte bus di Cuernavaca, Meksiko, seorang fisikawan Ceko bernama Petr Šeba melihat anak-anak muda menyerahkan carikan kertas kepada para sopir bus dengan imbalan uang tunai. Itu bukan kejahatan terorganisir, setahu dia kemudian, melainkan salah satu profesi bayangan: setiap sopir membayar seorang “mata-mata” untuk mencatat kapan bus di depannya meninggalkan halte. Jika bus itu berangkat baru-baru ini, dia akan memperlambat kendaraan, agar penumpang bertumpuk di halte berikutnya. Jika bus itu berangkat sudah lama, dia akan mempercepat kendaraan agar bus-bus lain tidak menyusulnya. Sistem ini memaksimalkan laba para sopir. Dan ini memberi Šeba ide.

Permata di Jantung Fisika Quantum

Pengungkapan bahwa interaksi partikel, peristiwa terdasar di alam, adalah konsekuensi dari geometri betul-betul memajukan upaya puluhan tahun untuk merumuskan ulang teori medan quantum, kumpulan hukum yang mendeskripsikan partikel-partikel unsur dan interaksi mereka. Interaksi yang tadinya dikalkulasi dengan rumus-rumus matematika sepanjang ribuan suku kini dapat dideskripsikan dengan mengkomputasi volume “amplituhedron” mirip permata, yang menghasilkan ekspresi satu suku sepadan.

Fisikawan Bongkar “Ruang Teori” yang Geometris

Pada 1960-an, fisikawan karismatik Geoffrey Chew mengadopsi visi alam semesta radikal, serta cara baru mengerjakan fisika. Para teoris di masa itu sedang berjuang menemukan tatanan di hutan partikel-partikel temuan baru yang amburadul. Mereka ingin tahu partikel mana saja yang menjadi blok dasar penyusun alam dan partikel mana saja yang komposit. Tapi Chew, profesor di Universitas California, Berkeley, berargumen menentang pembedaan demikian. “Alam begini adanya karena ini satu-satunya alam potensial yang konsisten dengan dirinya sendiri,” tulisnya saat itu. Dia yakin dirinya dapat menyimpulkan hukum alam semata-mata dari persyaratan bahwa mereka harus swa-konsisten.

Bagaimana Pasangan Quantum Menjahit Ruang-Waktu

Tensor muncul di seluruh fisika—mereka adalah objek matematis yang bisa mewakili banyak bilangan pada waktu bersamaan. Contoh, vektor kecepatan merupakan tensor sederhana: ia menangkap harga untuk kecepatan dan arah gerak. Tensor-tensor lebih rumit, tertaut menjadi jejaring, dapat dipakai untuk menyederhanakan kalkulasi sistem kompleks yang terbuat dari banyak bagian berlainan yang berinteraksi—termasuk interaksi rumit banyak partikel subatom yang menyusun materi.

Bertaruh Pada Masa Depan Gravitasi Quantum

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.

Memahami Dimensi

Adakah suatu alasan mengapa saya tidak bisa terus beranjak ke dimensi lebih tinggi? Apa yang begitu istimewa dengan angka tiga sampai kita harus berhenti di situ? Jawabannya adalah, tentu saja, kita hidup di alam semesta yang mempunyai tiga dimensi ruang; kita mempunyai kebebasan untuk bergerak ke depan/ke belakang, ke kiri/ke kanan, dan ke atas/ke bawah, tapi mustahil bagi kita untuk menunjuk ke arah baru yang siku-siku terhadap tiga arah lain tersebut. Dalam matematika, ketiga arah ke mana kita bebas bergerak ini disebut saling tegak lurus, bahasa matematikawan untuk ‘siku-siku terhadap satu sama lain’.

Keterjeratan Quantum Dorong Anak Panah Waktu

Tapi yang membuat bingung bergenerasi-generasi fisikawan, anak panah waktu seolah bukan muncul dari hukum fisika dasar, yang bekerja ke waktu depan maupun ke waktu belakang. Menurut hukum-hukum ini, jika seseorang tahu jalur semua partikel di alam semesta dan membalik jalur-jalur tersebut, energi akan berkumpul alih-alih berpencar: kopi hangat akan spontan memanas, bangunan akan bangkit dari puingnya, dan cahaya mentari menyelinap kembali ke asalnya.