Tujuh Pelajaran Singkat Fisika, Carlo Rovelli
(Penerjemah: Muh. Syahrul Padli — versi satu kali sunting)
PELAJARAN KELIMA
Butir-butir Ruang
Terlepas dari ketidakjelasan, kekeliruan dan pertanyaan yang belum terjawab, Fisika yang saya uraikan memberikan deskripsi dunia yang lebih baik daripada yang pernah ada di masa lalu. Jadi kita harusnya cukup puas. Tetapi kita belumlah puas.
Ada paradoks di jantung pemahaman kita tentang dunia fisik. Abad kedua puluh telah memberi kita dua permata yang telah saya bicarakan: Relativitas Umum dan Mekanika Kuantum. Dari permata pertama, kosmologi dikembangkan, serta astrofisika, studi tentang gelombang gravitasi, lubang hitam (black hole), dan banyak lagi selain itu. Permata kedua menyediakan pondasi untuk kajian fisika atom, fisika nuklir, fisika partikel elementer, fisika materi terkondensasi, dan banyak lagi. Dua teori, dengan kelebihan masing-masing, sangat mendasar bagi teknologi saat ini dan telah mengubah cara kita hidup. Namun kedua teori itu tidak mungkin sama-sama benar, setidaknya dalam bentuknya saat ini, karena mereka saling bertentangan.
Seorang mahasiswa yang menghadiri kuliah tentang Relativitas Umum di pagi hari dan masuk kuliah Mekanika Kuantum di sore hari mungkin akan bisa dimengerti kalau si mahasiswa menyimpulkan bahwa para profesornya bodoh, atau lalai berkomunikasi satu sama lain selama setidaknya satu abad. Di pagi hari dunia di mana ruang melengkung dan semuanya kontinu; di sore hari dunia adalah ruang datar di mana hanya ada kuanta dan lompatan energi.
Paradoksnya adalah kedua teori bekerja sangat baik. Alam berperilaku kepada kita seperti seorang rabi tua yang datang untuk menyelesaikan sebuah perselisihan antara dua pemuda. Setelah mendengarkan pemuda yang pertama, rabi itu berkata, “Kamu benar.” Pemuda kedua bersikeras agar didengar, rabi mendengarkanya juga dan berkata: ‘Kamu juga benar.’ Setelah mendengar dari kamar sebelah, istri rabi kemudian berseru, “Tapi mereka berdua tidak mungkin sama-sama benar!” Rabi merenung dan mengangguk sebelum menyimpulkan: “Dan kamu juga benar.”
Sekelompok fisikawan teoritis yang tersebar di lima benua susah payah mencoba menyelesaikan masalah ini. Bidang studi mereka disebut ‘gravitasi kuantum’: tujuannya untuk menemukan sebuah teori final, yaitu, seperangkat persamaan — tetapi lebih baik dari semua pandangan yang koheren tentang dunia — yang dengannya untuk menyelesaikan skizofrenia terdahulu.
Ini bukan pertama kalinya fisika berhadapan dengan dua teori yang sangat sukses tetapi tampaknya bertentangan. Upaya penggabungan di masa lalu mendapat imbalan berupa langkah besar ke depan perihal pemahaman kita tentang dunia. Newton menemukan persamaan gravitasi universal dengan menggabungkan parabola Galileo dan elips Kepler. Maxwell menemukan persamaan elektromagnetisme dengan menggabungkan teori-teori listrik dan magnet. Einstein menemukan relativitas dengan cara menyelesaikan konflik yang muncul antara elektromagnetisme dengan mekanika. Seorang fisikawan sangat senang ketika menemukan konflik semacam ini di antara teori-teori sukses: itu adalah peluang besar. Bisakah kita membangun kerangka kerja konseptual untuk berpikir tentang dunia yang sesuai dengan apa yang telah kita pelajari dari kedua teori itu?
Di titik itulah, di garis depan, melampaui batas pengetahuan, sains bahkan menjadi lebih indah — pijar dalam upaya menempa ide-ide yang baru lahir dari intuisi. Dari jalan yang diambil dan kemudian ditinggalkan, dengan bergairah. Dalam usaha membayangkan apa yang belum terbayangkan.
Dua puluh tahun lalu kabut tebal masih menggelayut. Sebuah jalan tengah hari ini telah muncul dan menimbulkan antusiasme dan optimisme. Ada lebih dari satu jalan tengah, jadi tidak dapat dikatakan bahwa masalahnya telah terselesaikan. Multiplisitas menghasilkan kontroversi, tetapi perdebatan itu sehat: sampai kabut telah menghilang sepenuhnya dan adalah hal yang wajar-wajar belaka jika saling mengkritik dan memiliki pandangan yang berlawanan. Salah satu prinsip dasar memecahkan masalah ini adalah arah penelitian yang disebut ‘loop quantum gravity’, dirintis oleh sekelompok peneliti yang bekerja di berbagai negara.
Loop quantum gravity adalah upaya untuk menggabungkan Relativitas Umum dan Mekanika Kuantum. Ini adalah upaya hati-hati karena hanya menggunakan hipotesis yang sudah terkandung dalam teori-teori ini, yang bersesuaian dan ditulis ulang untuk membuatnya cocok. Tetapi konsekuensinya radikal: modifikasi mendalam lebih lanjut dari cara kita melihat struktur realitas.
Idenya sederhana. Relativitas Umum telah mengajarkan kita bahwa ruang bukanlah kotak diam, melainkan sesuatu yang dinamis: sangat luas, cangkang siput aktif bergerak di mana kita ada di dalamnya — yang dapat ditekan dan dipuntir. Mekanika Kuantum, di sisi lain, telah mengajarkan kita bahwa setiap medan ‘terbuat dari kuanta’ dan memiliki struktur kebutiran yang halus. Dengan segera dapat disimpulkan bahwa ruang fisik juga ‘terbuat dari kuanta’.
Hasil utama dari loop quantum gravity memang ruang yang diskrit, yang bukannya tidak terbagi tanpa batas tetapi terdiri dari butiran atau ‘atom ruang’. Atom ruang ini sangat kecil: satu miliar miliar kali lebih kecil dari inti atom terkecil. Teori ini menggambarkan ‘atom ruang’ dalam bentuk matematika, dan memberikan persamaan yang menentukan evolusi mereka. Mereka disebut ‘loop’, atau cincin, karena mereka terhubung satu sama lain, membentuk jaringan relasi yang menjalin tekstur ruang, seperti cincin besi yang menyusun rantai besar yang sangat halus.
Di manakah kuanta ruang ini? Tidak ada di mana-mana. Mereka tidak berada dalam ruang karena mereka sendiri ruang. Ruang dibuat dengan menautkan kuanta gravitasi ini. Sekali lagi dunia tampaknya bukanlah tentang objek tetapi hubungan interaktif.
Tapi konsekuensi kedua dari teori inilah yang paling ekstrem. Gagasan ruang kontinu yang berisi materi-materi menghilang, begitu juga gagasan dari ‘waktu’ yang elementer dan primer yang mengalir terlepas dari berbagai hal juga lenyap. Persamaan yang menggambarkan butiran ruang dan materi tidak lagi mengandung variabel ‘waktu’. Ini tidak berarti bahwa semuanya diam dan tidak berubah. Sebaliknya, itu berarti bahwa perubahan itu ada di mana-mana — tetapi proses dasar tidak dapat terjadi dalam suksesi umum ‘ketiba-tibaan’. Pada skala kecil butir-butir ruang, tarian alam tidak ambil bagian dalam irama tongkat konduktor orkestra tunggal, pada satu tempo: setiap proses menari secara independen dari tetangganya, dengan irama masing-masing. Berlalunya waktu adalah internal ke dunia, lahir di dunia itu sendiri dalam hubungan antara peristiwa kuantum yang terdiri dari dunia dan sedang sendiri sumber waktu.
Dunia yang dideskripsikan oleh teori dengan demikian semakin jauh dari dunia yang kita kenal. Tidak ada lagi ruang yang ‘berisi’ dunia, dan tidak ada lagi waktu ‘di mana’ peristiwa terjadi. Hanya ada proses dasar dimana kuanta ruang dan materi terus berinteraksi satu sama lain. Ilusi ruang dan waktu yang berlanjut di sekitar kita adalah sebuah penglihatan kabur dari kerumunan proses elementer ini, sama tenangnya, jelas Danau Alpine pada kenyataannya terdiri atas tarian berjuta air yang sangat kecil molekul.
Dilihat dengan sangat dekat melalui kaca pembesar yang sangat kuat perbesarannya, gambar kedua dari belakang dalam pelajaran kelima kita harus menunjukkan struktur granular ruang:
Apakah mungkin untuk memverifikasi teori ini secara eksperimen? Kami sedang berpikir, dan mencoba, tetapi belum ada verifikasi eksperimental. Namun demikian, ada sejumlah upaya yang berbeda.
Salah satunya berasal dari studi tentang lubang hitam. Di langit kita bisa sekarang amati lubang hitam yang terbentuk oleh bintang yang runtuh. Hancur dengan sendirinya bobot materi bintang-bintang ini telah runtuh dengan sendirinya dan menghilang dari pandangan kita. Tapi ke mana perginya? Jika teori loop quantum gravity benar, materi tidak dapat benar-benar runtuh ke titik yang sangat kecil, karena titik yang sangat kecil tidak ada — hanya potongan ruang yang terbatas. Runtuh karena bobotnya sendiri, materi pasti menjadi semakin padat, sampai pada titik di mana mekanika kuantum harus mengerahkan sebaliknya, tekanan penyeimbang.
Tahap akhir hipotetis ini dalam kehidupan sebuah bintang, tempat fluktuasi kuantum keseimbangan ruang-waktu dengan berat materi, adalah apa yang dikenal sebagai ‘Bintang Planck’. Jika matahari berhenti terbakar dan membentuk lubang hitam itu akan mengukur sekitar satu setengah kilometer dengan diameter. Di dalam hitam ini lubang materi matahari akan terus runtuh, akhirnya menjadi seperti Bintang Planck. Dimensinya kemudian akan serupa dengan atom. Seluruh materi matahari terkondensasi ke dalam ruang atom: bintang Planck harus didasari oleh keadaan materi yang ekstrem ini.
Bintang Planck tidak stabil: sekali dikompresi hingga maksimum, rebound dan mulai berkembang lagi. Ini mengarah ke ledakan lubang hitam. Proses ini, seperti yang terlihat oleh pengamat hipotesis duduk di lubang hitam di Bintang Planck, akan menjadi rebound yang terjadi dengan kecepatan tinggi. Tetapi waktu tidak lulus dengan kecepatan yang sama untuknya seperti bagi mereka yang berada di luar lubang hitam, untuk hal yang sama alasan bahwa di pegunungan waktu berlalu lebih cepat daripada di permukaan laut. Kecuali itu baginya, karena kondisi ekstrim, perbedaan dalam perjalanan waktu sangat besar, dan bagi pengamat apa bintang itu kelihatan seperti waktu bouncing sangat cepat akan muncul, terlihat dari luar, untuk terjadi Waktu yang sangat lama. Inilah sebabnya kami mengamati lubang hitam tetap sama untuk jangka waktu yang lama: lubang hitam adalah bintang pantulan yang terlihat sangat lambat gerakannya.
Ada kemungkinan bahwa dalam tungku contoh pertama dari alam semesta hitam lubang-lubang terbentuk, dan beberapa di antaranya sekarang meledak. Jika itu benar benar, kita mungkin bisa mengamati sinyal yang dipancarkan ketika meledak, dalam bentuk sinar kosmik berenergi tinggi yang datang dari langit, dengan demikian memungkinkan kita untuk mengamati dan mengukur efek langsung dari suatu fenomena yang diatur oleh gravitasi kuantum. Itu ide yang berani — mungkin tidak berhasil, misalnya, jika di alam semesta purba tidak cukup banyak lubang hitam yang dibentuk untuk memungkinkan kita mendeteksi ledakan mereka hari ini. Namun pencarian sinyal sudah dimulai. Kita akan melihat.
Konsekuensi lain dari teori ini, dan salah satu yang paling spektakuler, menyangkut asal usul alam semesta. Kita tahu cara merekonstruksi sejarah planet kita kembali ke periode awal ketika ukurannya kecil. Tapi bagaimana dengan itu? Sebelum itu? Nah, persamaan teori loop memungkinkan kita untuk melangkah lebih jauh kembali dalam rekonstruksi sejarah itu.
Apa yang kami temukan adalah bahwa ketika alam semesta dikompresi secara luar biasa teori menghasilkan kekuatan yang besar, dengan hasil bahwa ledakan hebat atau ‘Big Bang’ mungkin sebenarnya adalah ‘Big Bounce’. Dunia kita mungkin punya sebenarnya dilahirkan dari alam semesta sebelumnya yang dikontrak di bawahnya sendiri berat sampai itu diperas ke dalam ruang kecil sebelum ‘memantul’ dan mulai meluas kembali, sehingga menjadi semesta yang mengembang yang kita amati di sekitar kita.
Momen bouncing ini, ketika alam semesta dikontrak menjadi Singkatnya, adalah dunia sebenarnya dari gravitasi kuantum: waktu dan ruang miliki menghilang sama sekali, dan dunia telah larut menjadi awan berkerumun probabilitas yang bisa dijelaskan oleh persamaan. Dan final gambar pelajaran kelima ditransformasikan demikian:
Alam semesta kita mungkin dilahirkan dari pantulan di fase sebelumnya, lewat melalui fase peralihan di mana tidak ada ruang atau waktu.
Fisika membuka jendela yang kita lihat dari kejauhan. Apa yang kita lihat tidak berhenti membuat kita takjub. Kita menyadari bahwa kita penuh dengan prasangka dan bahwa citra intuitif kita tentang dunia bersifat parsial, parokial, tidak memadai. Bumi tidak rata, tidak stasioner. Dunia terus berubah sebelum mata kita seperti yang kita secara bertahap melihatnya lebih luas dan lebih jelas. Jika kita mencoba menempatkan bersama-sama apa yang telah kita pelajari di abad kedua puluh tentang fisik dunia, petunjuknya menunjuk pada sesuatu yang sangat berbeda dari dunia kita pemahaman naluriah tentang materi, ruang dan waktu. Loop quantum gravity adalah upaya untuk menguraikan petunjuk ini, dan untuk melihat sedikit lebih jauh ke kejauhan.
