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.
