Asal-Usul Ruang dan Waktu

Bayangkan bangun suatu hari dan menyadari bahwa kita sebenarnya hidup di dalam sebuah game komputer. Ini memang seperti film Matrix atau film science fiksi lainnya. Namun skenario ini adalah cara untuk berpikir tentang realitas. Jika benar, segala sesuatu di sekitar kita (dunia fisik tiga dimensi) adalah ilusi yang lahir dari informasi yang dikodekan di tempat lain, pada chip dua dimensi. Artinya, alam semesta kita, dengan tiga dimensi spasial, adalah semacam hologram, diproyeksikan dari substrat yang hanya ada dalam dimensi yang lebih rendah.

Prinsip holografik ini memang terdengar aneh bahkan untuk standar teori fisika. Tapi menurut Van Raamsdonk, tak satu pun dari dua pilar besar fisika modern (relativitas umum, yang menggambarkan gravitasi sebagai kelengkungan ruang dan waktu, dan mekanika kuantum, yang mengatur alam atom) memberikan akun untuk eksistensi ruang dan waktu. Begitu juga teori string, yang menggambarkan dawai dasar energi.

Van Raamsdonk dan rekan-rekannya yakin bahwa fisika tidak akan lengkap sampai bisa menjelaskan bagaimana ruang dan waktu muncul dari sesuatu yang lebih mendasar - sebuah proyek yang akan membutuhkan konsep setidaknya sebuah perlakuan holografis. Mereka berpendapat bahwa re-konseptualisasi radikal dari realitas seperti itu, adalah satu-satunya cara untuk menjelaskan apa yang terjadi ketika "singularitas" pada inti lubang hitam mendistorsi struktur ruang-waktu di luar semua yang kita ketahui, atau bagaimana peneliti dapat menyatukan teori kuantum dengan relativitas umum - sebuah proyek yang masih dikerjakan selama beberapa generasi.

"Semua pengalaman kita mengatakan bahwa kita tidak harus memiliki dua konsepsi yang sangat berbeda dari realitas - harus ada satu teori menyeluruh yang besar," kata Abhay Ashtekar, seorang fisikawan di Pennsylvania State University di University Park.

Menemukan sebuah teori besar merupakan sebuah tantangan yang menggoda. Pada gambar dibawah ini disajikan konsep-konsep yang menjanjikan - serta beberapa ide tentang bagaimana untuk menguji konsep-konsep ini..

Gravitasi Sebagai Termodinamika

Salah satu pertanyaan yang paling jelas untuk diajukan adalah apakah upaya ini adalah upaya bodoh? Mana bukti-bukti yang menunjukkan bahwa sebenarnya ada sesuatu yang lebih fundamental dari ruang dan waktu?

Sebuah petunjuk provokatif berasal dari serangkaian penemuan mengejutkan dibuat pada awal tahun 1970, ketika menjadi jelas bahwa mekanika kuantum dan gravitasi erat terkait dengan termodinamika, ilmu panas.

Pada tahun 1974, ilmuwan terkenal, Stephen Hawking dari Universitas Cambridge, Inggris, menunjukkan bahwa efek kuantum dalam ruang di sekitar lubang hitam akan menyebabkan ia memuntahkan radiasi seolah-olah dia panas. Fisikawan lain dengan cepat menentukan bahwa fenomena ini cukup umum. Bahkan di ruang angkasa yang hampa, mereka menemukan bahwa astronot yang mengalami percepatan besar akan melihat bahwa ia dikelilingi panas atau mandi panas. Meski efeknya akan terlalu kecil untuk akselerasi yang dicapai oleh roket, tetapi hal tersebut tampaknya adalah sesuatu yang fundamental.

Penemuan kunci yang kedua yang terkait erat adalah: Dalam termodinamika standar, sebuah objek dapat memancarkan panas hanya dengan menurunkan entropinya (sebuah ukuran jumlah keadaan kuantum di dalamnya). Dan demikian pula dengan lubang hitam. Bahkan sebelum paper Hawking 1974, Jacob Bekenstein telah menunjukkan bahwa lubang hitam memiliki entropi. Tapi ada perbedaan. Dalam kebanyakan benda, entropi adalah sebanding dengan jumlah atom yang dikandung objek, dan dengan demikian sama dengan volumenya. Tapi entropi lubang hitam ternyata sebanding dengan luas permukaan horison peristiwanya (sebuah batas dimana tak ada yang dapat melarikan diri, bahkan cahaya). Seolah-olah permukaan ini yang entah bagaimana, mengkodekan informasi tentang apa yang ada di dalamnya, persis seperti hologram dua dimensi yang mengkodekan gambar tiga dimensi.

Pada tahun 1995, Ted Jacobson, seorang fisikawan di University of Maryland di College Park, menggabungkan dua temuan ini, dan mendalilkan bahwa setiap titik dalam ruang terletak pada 'horison lubang hitam' kecil yang juga mematuhi hubungan entropi-luas daerah. Dari situ, ia menemukan matematika yang menghasilkan persamaan relativitas umum Einstein - tetapi hanya menggunakan konsep termodinamika, bukan ide kelengkungan ruang-waktu.

"Hal ini tampaknya mengatakan sesuatu yang mendalam tentang asal-usul gravitasi," kata Jacobson. Secara khusus, hukum termodinamika adalah statistik di alam (rata-rata makroskopik atas gerakan banyak atom dan molekul) sehingga hasil nya menyarankan bahwa gravitasi juga statistik, pendekatan makroskopis untuk konstituen tak terlihat dari ruang dan waktu.

Pada tahun 2010, ide ini diambil langkah lebih lanjut oleh Erik Verlinde, seorang ahli teori string pada Universitas Amsterdam, yang menunjukkan bahwa termodinamika statistik konstituen ruang-waktu, secara otomatis bisa menghasilkan hukum Newton tentang gravitasi.

Dan dalam pekerjaan terpisah, Thanu Padmanabhan, seorang kosmolog di Inter-University Centre untuk Astronomi dan Astrofisika di Pune, India, menunjukkan bahwa persamaan Einstein dapat ditulis dalam bentuk yang membuat mereka identik dengan hukum termodinamika - seperti dapat banyak teori alternatif gravitasi. Padmanabhan saat ini memperluas pendekatan termodinamika dalam upaya untuk menjelaskan asal-usul dan besarnya energi gelap : kekuatan kosmik misterius yang mempercepat perluasan alam semesta .

Pengujian ide-ide tersebut secara empiris akan sangat sulit. Air terlihat sangat halus dan cair sampai dia diamati pada skala molekul (fraksi nanometer) - Demikian hal nya dengan ruang-waktu yang seakan terlihat kontinyu dan mulus (smooth) sampai dia diamati dalam skala Planck: kira-kira 10^-35 meter, atau sekitar 20 kali lebih kecil dari proton.

Tapi itu mungkin tidak mustahil. Salah satu cara yang sering disebutkan untuk menguji apakah ruang-waktu terbuat dari konstituen diskrit adalah untuk mencari keterlambatan foton berenergi tinggi yang menuju Bumi dari peristiwa kosmik jauh seperti supernova dan ledakan sinar gamma. Foton dengan panjang gelombang terpendek akan merasakan diskritnya ruang-waktu sebagai ketidakrataan halus di jalan mereka saat mereka melakukan perjalanan, yang akan sedikit memperlambat mereka. Giovanni Amelino- Camelia, seorang peneliti kuantum gravitasi di Universitas Roma, dan rekan-rekannya telah menemukan petunjuk adanya penundaan/keterlambatan tersebut dalam foton dari ledakan sinar gamma yang tercatat di bulan April. Kelompok ini juga berencana untuk memperluas pencarian untuk melihat waktu perjalanan neutrino energi tinggi yang dihasilkan oleh peristiwa kosmik.

Fisikawan lain melakukan uji di laboratorium. Pada 2012, misalnya, peneliti dari University of Vienna dan Imperial College London membuat meja percobaan di mana cermin mikroskopis akan dipindahkan dengan laser. Mereka berpendapat bahwa granularities Planck (besaran dalam ruang-waktu) akan menghasilkan perubahan yang terdeteksi dalam cahaya yang dipantulkan dari cermin

Loop Quantum Gravity

Bahkan jika itu benar, pendekatan termodinamika tidak mengatakan apa-apa tentang apa yang menjadi konstituen dasar ruang dan waktu. Jika ruang-waktu adalah kain, Lalu apa yang menjadi benangnya?

Satu jawaban yang mungkin cukup literal adalah Teori gravitasi kuantum loop, yang sudah dalam pengembangan sejak pertengahan 1980-an oleh Ashtekar dan lain-lain, menggambarkan struktur ruang-waktu sebagai helai jaring laba-laba yang berkembang dan membawa informasi tentang daerah terkuantisasi dan volume dari daerah yang mereka lalui. Helai individu dari jaring akhirnya harus bergabung dengan tujuan mereka untuk membentuk loop (sehingga menjadi nama teori ini) tetapi ini tidak ada hubungannya dengan string yang jauh lebih terkenal dari teori string. Dawai dari teori string bergerak di sekitar ruang-waktu, sedangkan helai dalam teori gravitasi loop adalah apa yang membentuk ruang-waktu itu sendiri : informasi yang mereka bawa mendefinisikan bentuk kain ruang-waktu di sekitarnya.

Karena loop adalah objek kuantum, mereka juga menentukan unit minimum daerah dalam banyak cara yang sama dengan mekanika kuantum mendefinisikan energi keadaan dasar minimum untuk sebuah elektron dalam atom hidrogen. Area kuantum ini adalah patch sekitar satu skala Planck pada sisinya. Jika dimasukkan helai ekstra yang membawa lebih sedikit area, maka itu hanya akan memutuskan sambungan dari seluruh jaring. Ini tidak akan dapat terhubung ke hal lain, dan secara efektif akan keluar dari ruang-waktu.

Simulasi ini menunjukkan bagaimana ruang berkembang di loop gravitasi kuantum. Warna sisi tetrahedra menunjukkan berapa banyak daerah ada pada titik tertentu, pada saat waktu tertentu.

Salah satu konsekuensi dari luas minimum dalam loop gravitasi kuantum adalah tidak terdapat jumlah tak terbatas kelengkungan ke titik yang sangat kecil. Ini berarti bahwa ia tidak dapat menghasilkan jenis singularitas yang menyebabkan persamaan relativitas umum Einstein tak dapat menjelaskan saat-saat Big Bang dan di pusat-pusat lubang hitam.

Pada tahun 2006, Ashtekar dan rekan-rekannya melaporkan serangkaian simulasi dengan menggunakan versi loop gravitasi kuantum dari persamaan Einstein untuk menjalankan waktu yang mundur dan memvisualisasikan apa yang terjadi sebelum Big Bang. Alam semesta yang dibalik (berjalan mundur) berkontraksi menuju Big Bang, seperti yang diharapkan. Tapi saat mendekati batas ukuran dasar yang ditentukan oleh loop gravitasi kuantum, gaya tolak bekerja dan terus membuat singularitas terbuka, mengubahnya menjadi sebuah terowongan ke alam semesta yang mendahului alam semesta kita.

Tahun ini, fisikawan Rodolfo Gambini di Uruguayan University of the Republic di Montevideo dan Jorge Pullin di Louisiana State University di Baton Rouge melaporkan simulasi yang sama untuk lubang hitam. Mereka menemukan bahwa pengamat yang bepergian jauh ke jantung lubang hitam bukan akan bertemu singularitas, tapi terowongan ruang-waktu tipis yang mengarah ke bagian lain dari ruang. "Menyingkirkan problem singularitas merupakan suatu prestasi penting," kata Ashtekar, yang bekerja sama dengan peneliti lain untuk mengidentifikasi 'tanda tangan' yang telah ditinggalkan oleh lentingan (bounce), bukan ledakan (bang), di radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik (radiasi yang tersisa dari ekspansi besar-besaran alam semesta di saat-saat bayi nya).

Loop Gravitasi Kuantum bukanlah sebuah teori terpadu yang lengkap, karena tidak memasukkan gaya-gaya lainnya. Selain itu, fisikawan belum menunjukkan bagaimana ruang-waktu akan muncul dari sebuah jaringjaring informasi. Namun Daniele Oriti, seorang fisikawan di Institut Max Planck untuk Fisika gravitasi di Golm, Jerman, berharap untuk menemukan inspirasi dalam karya fisikawan-fisikawan mengenai materi terkondensasi, yang telah menghasilkan fase eksotis materi yang mengalami transisi dijelaskan oleh teori medan kuantum. Oriti dan rekan-rekannya sedang mencari formula untuk menjelaskan bagaimana alam semesta mengubah fase, transisi dari satu set loop diskrit menjadi ruang-waktu yang halus dan kontinyu. "Ini barulah hari-hari awal dan tugas kita adalah tugas yang cukup sulit karena kita adalah ikan yang berenang dalam cairan yang berusaha untuk mencoba cairan tersebut," kata Oriti .

Himpunan Kausal (Causal Sets)

Frustrasi semacam itu menyebabkan beberapa peneliti untuk mengejar program minimalis yang dikenal sebagai teori himpunan kausal. Dipelopori oleh Rafael Sorkin, seorang fisikawan di Perimeter Institute di Waterloo, Kanada, teori ini mendalilkan bahwa blok bangunan ruang-waktu adalah titik matematika sederhana yang dihubungkan dengan link, dengan masing-masing link menunjuk dari masa lalu ke masa depan. Setiap link adalah representasi dari kausalitas, yang berarti bahwa titik sebelumnya dapat mempengaruhi titik yang lain di kemudian, tapi tidak sebaliknya. Jaringan yang dihasilkan adalah seperti sebuah pohon yang tumbuh yang secara bertahap membangun ruang-waktu. "Anda dapat menganggap ruang muncul dari titik dalam cara yang mirip dengan suhu yang muncul dari atom," kata Sorkin. "Jadi, tidak masuk akal untuk bertanya, 'Berapa suhu sebuah atom tunggal?' Karena Anda membutuhkan sekumpulan atom agar konsep suhu memiliki makna."

Pada akhir 1980-an, Sorkin menggunakan kerangka ini untuk memperkirakan jumlah titik yang yang harus dikandung alam semesta yang teramati, dan menduga bahwa mereka harus menimbulkan energi intrinsik kecil yang menyebabkan alam semesta untuk mempercepat ekspansinya. Beberapa tahun kemudian, penemuan energi gelap mengkonfirmasi dugaannya. "Orang sering berpikir bahwa gravitasi kuantum tidak bisa membuat prediksi yang dapat diuji, tapi di sini adalah kasus di mana gravitasi kuantum dapat diuji," kata Joe Henson, seorang peneliti kuantum gravitasi di Imperial College London. "Jika nilai energi gelap lebih besar, atau nol, maka teori Himpunan kausal sudah dikesampingkan dari dulu."

Causal Dynamical Triangulations

Beberapa fisikawan telah menemukan bahwa jauh lebih bermanfaat untuk menggunakan simulasi komputer. Gagasan yang bertanggal kembali ke awal 1990-an, adalah untuk mendekati konstituen dasar yang tidak diketahui dengan potongan kecil ruang-waktu yang terjebak di lautan fluktuasi kuantum yang bergolak, dan mengikuti bagaimana potongan ini secara spontan merekatkan diri mereka bersama-sama ke dalam struktur yang lebih besar.

Upaya awal nya mengecewakan, kata Renate Loll, seorang ahli fisika sekarang di Radboud University di Nijmegen, Belanda. Blok bangunan ruang-waktu adalah hiper-piramida sederhana ( rekan empat dimensi untuk tiga dimensi tetrahedrons) dan simulasi aturan perekatan, memungkinkan mereka untuk bergabung bebas. Hasilnya adalah serangkaian 'alam semesta' aneh yang memiliki terlalu banyak dimensi (atau terlalu sedikit), dan terlipat kembali pada diri mereka sendiri atau hancur berkeping-keping.

Ini Versi kausal triangulasi dinamis yang disederhanakan dengan menggunakan hanya dua dimensi: satu ruang dan satu waktu. Video menunjukkan alam semesta dua dimensi yang dihasilkan oleh kepingan-kepingan ruang yang merakitkan diri sesuai dengan aturan kuantum. Setiap warna mewakili potongan alam semesta pada waktu tertentu setelah Big Bang, yang digambarkan sebagai bola hitam kecil.

Tapi, seperti Sorkin, Loll dan rekan-rekannya menemukan bahwa menambahkan kausalitas mengubah segalanya. Dimensi waktu tidak seperti tiga dimensi ruang. "Kita tidak dapat melakukan perjalanan bolak-balik dalam waktu," kata Loll. Jadi tim merubah simulasi untuk memastikan bahwa akibat tidak bisa datang sebelum sebab mereka - dan menemukan bahwa potongan ruang-waktu mulai konsisten merakitkan diri menjadi alam semesta empat-dimensi yang halus dan kontinyu dengan sifat yang mirip dengan alam semesta kita sendiri.

Menariknya, simulasi juga mengisyaratkan bahwa segera setelah Big Bang, alam semesta melewati fase bayi dengan hanya dua dimensi - satu dimensi ruang dan satu dimensi waktu. Prediksi ini juga telah dibuat secara independen oleh orang lain yang mencoba untuk menurunkan persamaan gravitasi kuantum, dan bahkan beberapa orang telah menunjukkan bahwa penampilan energi gelap adalah tanda bahwa alam semesta kita sekarang sedang tumbuh dimensi spasial keempat. Orang lain telah menunjukkan bahwa fase dua dimensi di alam semesta awal akan menciptakan pola serupa dengan yang sudah terlihat di latar belakang gelombang mikro kosmik.

Holografi

Sementara itu, Van Raamsdonk telah mengusulkan ide yang sangat berbeda tentang munculnya ruang-waktu, berdasarkan prinsip holografik. Terinspirasi oleh cara kerja hologram - seperti itulah lubang hitam menyimpan semua entropi mereka di permukaan, prinsip ini pertama kali diberi bentuk matematika oleh Juan Maldacena, seorang ahli teori string pada Institute of Advanced Study di Princeton, New Jersey, yang mempublikasikan 'Pengaruh Model Alam Semesta Holografik' pada tahun 1998. Dalam model itu, interior tiga dimensi alam semesta mengandung string dan lubang hitam yang hanya diatur oleh gravitasi, sedangkan batas dua dimensionalnya yang mengandung partikel dasar dan medan mematuhi hukum kuantum biasa tanpa gravitasi.

Penduduk hipotetis ruang tiga-dimensi tidak akan pernah melihat batas ini, karena akan sangat jauh tak berhingga. Tapi itu tidak mempengaruhi matematika: apa pun yang terjadi di alam semesta tiga dimensi dapat digambarkan sama baiknya dengan persamaan pada batas dua dimensi, dan sebaliknya.

Pada tahun 2010, Van Raamsdonk mempelajari apa artinya ketika partikel kuantum mengalami 'keterbelitan kuantum' (Quantum Entanglement) - yang berarti bahwa pengukuran yang dilakukan pada salah satu partikel, pasti mempengaruhi lainnya. Ia menemukan bahwa jika setiap belitan partikel antara dua wilayah yang terpisah dari batas terus direduksi menjadi nol, sehingga link kuantum antara keduanya hilang, ruang tiga dimensi merespon secara bertahap dengan membagi dirinya sendiri seperti sel yang membelah, sampai yang terakhir, hubungan tipis antara kedua bagian terkunci. Mengulangi prosesnya akan membagi ruang tiga-dimensi lagi dan lagi, sementara batas dua dimensi tetap terhubung. Jadi, pada dasarnya, Van Raamsdonk menyimpulkan, alam semesta tiga dimensi sedang diselenggarakan bersama oleh keterbelitan kuantum di perbatasan - yang berarti bahwa dalam arti tertentu, keterbelitan kuantum dan ruang-waktu adalah hal yang sama.