Di bawah ini ringkasan buku Stephen Hawking dan Leonard Mlodinow, The Grand Design (New York: Bantam Books, 2010). Buku ini telah dibedah dalam acara diskusi buku yang diadakan oleh Freedom Institute, Jalan Proklamasi No 41, Jakarta Pusat, pk. 19.00-22.00 WIB, 17 Desember 2010. Buku ini terdiri atas delapan bab; ringkasan setiap babnya akan gue posting jadi 8 bagian. Silakan dicopy-paste untuk keperluan pribadi. Terjemahan Indonesia buku ini akan terbit di akhir Desember 2010 atau di awal Januari 2011, dengan penerbitnya PT Gramedia Pustaka Utama.
“Teori tentang segala sesuatu” yang disarankan para saintis merupakan suatu teori puncak yang sejalan dengan teori quantum, yang merangkumi empat gaya dalam jagat raya:
“Teori tentang segala sesuatu” yang disarankan para saintis merupakan suatu teori puncak yang sejalan dengan teori quantum, yang merangkumi empat gaya dalam jagat raya:
Pertama, gaya gravitasi
Hukum gravitasi Newton, yang dipublikasi tahun 1687, menyatakan bahwa setiap objek dalam jagat raya menarik setiap objek lainnya dengan suatu kekuatan yang sebanding atau proporsional dengan massanya.
Tetapi, oleh Albert Einstein, yang melakukan penelitian dari 1905 sampai 1916, teori gravitasi Newton diganti dengan sebuah teori baru gravitasi yang disebut teori relativitas umum (general relativity theory): “ruang-dan-waktu” (sebagai suatu dimensi keempat selain dimensi-dimensi “atas-bawah”, “depan-belakang” dan “kiri-kanan”) tidaklah datar, tetapi melengkung atau menceruk dan terdistorsi oleh massa dan energi di dalamnya. Dalam teori gravitasi Einstein, objek-objek bergerak pada suatu geodesik, yakni jarak terpendek di antara dua titik pada suatu permukaan atau ruang yang melengkung. Teori relativitas umum adalah suatu model tentang jagat raya yang sangat berbeda, yang memprediksi efek-efek seperti gelombang-gelombang gravitasi dan lubang-lubang hitam; dengan demikian, teori ini mengubah fisika menjadi geometri.
[Sebelumnya, di dalam suatu makalah yang ditulis tahun 1905, yang berjudul “Zur Elektrodynamik bewegter Körper” (“Tentang Elektrodinamika Benda-benda Bergerak”), Einstein memperkenalkan suatu teori yang dinamakan teori relativitas khusus, special relativity theory, yang menyatakan bahwa pengukuran waktu bergantung pada si pengamat yang melakukan pengukuran itu; dengan demikian, waktu tidak bisa mutlak, sebagaimana dipikirkan Newton sebelumnya, atau dengan kata lain, tidaklah mungkin untuk memberikan kepada setiap peristiwa waktu yang setiap pengamat akan setujui. Ruang dan waktu saling merangkul.]
Kedua, gaya elektromagnetik
Gaya ini bekerja sebagai gaya gravitasi, dengan suatu perbedaan penting bahwa dua muatan listrik atau dua magnit dari jenis yang sama menolak satu sama lain, sedangkan dua muatan yang tak sejenis atau dua magnit yang tidak sejenis saling menarik. Gaya elektrik dan gaya magnetik jauh lebih kuat dari gaya gravitasi, tetapi kita biasanya tidak memperhatikan kedua gaya ini dalam kehidupan sehari-hari karena suatu tubuh makroskopik berisi muatan elektrik positif dan negatif yang jumlahnya hampir sama. Hal ini berarti bahwa gaya elektrik dan gaya magnetik di antara dua tubuh makroskopik hampir membatalkan satu sama lain, tidak seperti gaya-gaya gravitasi yang semuanya berkombinasi. (James Clerk Maxwell, seorang fisikawan Skotlandia, pada tahun 1860-an, berhasil memperlihatkan secara matematis bahwa gaya elektrik dan gaya magnetik adalah manifestasi-manifestasi dari satu entitas fisika yang sama, yakni medan elektromagnetik; dengan demikian, dia telah berhasil menyatukan elektrika dan magnetika ke dalam satu gaya, gaya elektromagnetik).
Ketiga, gaya nuklir lemah
Gaya ini menyebabkan radioaktivitas dan memainkan suatu peran vital dalam formasi elemen-elemen bintang-bintang dan jagat raya pada tahap dininya. Kita tidak bersentuhan dengan gaya ini dalam kehidupan sehari-hari.
Keempat, gaya nuklir kuat
Gaya ini menyatukan proton dan neutron di dalam nukleus sebuah atom. Gaya ini juga menyatukan proton dan neutron itu sendiri, yang perlu terjadi karena keduanya terbuat dari partikel-partikel yang lebih kecil, yakni quark. Gaya nuklir kuat adalah sumber energi bagi matahari dan daya nuklir, tetapi kita tidak bersentuhan langsung dengannya.
SH&LM membuat beberapa catatan berkaitan dengan teori-teori di atas. Jika kita mau memahami perilaku atom-atom dan molekul-molekul, kita memerlukan suatu versi quantum atas teori elektromagnetisme Maxwell; dan jika kita ingin memahami jagat raya pada tahap dininya (the early universe), ketika semua materi dan energi dalam jagat raya terhimpun padat dalam suatu volume yang kecil, kita harus memiliki sebuah versi quantum atas teori relativitas umum. Dalam fisika quantum, jagat raya dapat memiliki sejarah apapun yang mungkin, masing-masing dengan amplitudo intensitas dan probabilitasnya sendiri. Kita dengan demikian harus menemukan versi-versi quantum atas semua hukum alam; teori-teori semacam ini disebut teori-teori medan quantum (quantum field theories).
Hukum gravitasi Newton, yang dipublikasi tahun 1687, menyatakan bahwa setiap objek dalam jagat raya menarik setiap objek lainnya dengan suatu kekuatan yang sebanding atau proporsional dengan massanya.
Tetapi, oleh Albert Einstein, yang melakukan penelitian dari 1905 sampai 1916, teori gravitasi Newton diganti dengan sebuah teori baru gravitasi yang disebut teori relativitas umum (general relativity theory): “ruang-dan-waktu” (sebagai suatu dimensi keempat selain dimensi-dimensi “atas-bawah”, “depan-belakang” dan “kiri-kanan”) tidaklah datar, tetapi melengkung atau menceruk dan terdistorsi oleh massa dan energi di dalamnya. Dalam teori gravitasi Einstein, objek-objek bergerak pada suatu geodesik, yakni jarak terpendek di antara dua titik pada suatu permukaan atau ruang yang melengkung. Teori relativitas umum adalah suatu model tentang jagat raya yang sangat berbeda, yang memprediksi efek-efek seperti gelombang-gelombang gravitasi dan lubang-lubang hitam; dengan demikian, teori ini mengubah fisika menjadi geometri.
[Sebelumnya, di dalam suatu makalah yang ditulis tahun 1905, yang berjudul “Zur Elektrodynamik bewegter Körper” (“Tentang Elektrodinamika Benda-benda Bergerak”), Einstein memperkenalkan suatu teori yang dinamakan teori relativitas khusus, special relativity theory, yang menyatakan bahwa pengukuran waktu bergantung pada si pengamat yang melakukan pengukuran itu; dengan demikian, waktu tidak bisa mutlak, sebagaimana dipikirkan Newton sebelumnya, atau dengan kata lain, tidaklah mungkin untuk memberikan kepada setiap peristiwa waktu yang setiap pengamat akan setujui. Ruang dan waktu saling merangkul.]
Kedua, gaya elektromagnetik
Gaya ini bekerja sebagai gaya gravitasi, dengan suatu perbedaan penting bahwa dua muatan listrik atau dua magnit dari jenis yang sama menolak satu sama lain, sedangkan dua muatan yang tak sejenis atau dua magnit yang tidak sejenis saling menarik. Gaya elektrik dan gaya magnetik jauh lebih kuat dari gaya gravitasi, tetapi kita biasanya tidak memperhatikan kedua gaya ini dalam kehidupan sehari-hari karena suatu tubuh makroskopik berisi muatan elektrik positif dan negatif yang jumlahnya hampir sama. Hal ini berarti bahwa gaya elektrik dan gaya magnetik di antara dua tubuh makroskopik hampir membatalkan satu sama lain, tidak seperti gaya-gaya gravitasi yang semuanya berkombinasi. (James Clerk Maxwell, seorang fisikawan Skotlandia, pada tahun 1860-an, berhasil memperlihatkan secara matematis bahwa gaya elektrik dan gaya magnetik adalah manifestasi-manifestasi dari satu entitas fisika yang sama, yakni medan elektromagnetik; dengan demikian, dia telah berhasil menyatukan elektrika dan magnetika ke dalam satu gaya, gaya elektromagnetik).
Ketiga, gaya nuklir lemah
Gaya ini menyebabkan radioaktivitas dan memainkan suatu peran vital dalam formasi elemen-elemen bintang-bintang dan jagat raya pada tahap dininya. Kita tidak bersentuhan dengan gaya ini dalam kehidupan sehari-hari.
Keempat, gaya nuklir kuat
Gaya ini menyatukan proton dan neutron di dalam nukleus sebuah atom. Gaya ini juga menyatukan proton dan neutron itu sendiri, yang perlu terjadi karena keduanya terbuat dari partikel-partikel yang lebih kecil, yakni quark. Gaya nuklir kuat adalah sumber energi bagi matahari dan daya nuklir, tetapi kita tidak bersentuhan langsung dengannya.
SH&LM membuat beberapa catatan berkaitan dengan teori-teori di atas. Jika kita mau memahami perilaku atom-atom dan molekul-molekul, kita memerlukan suatu versi quantum atas teori elektromagnetisme Maxwell; dan jika kita ingin memahami jagat raya pada tahap dininya (the early universe), ketika semua materi dan energi dalam jagat raya terhimpun padat dalam suatu volume yang kecil, kita harus memiliki sebuah versi quantum atas teori relativitas umum. Dalam fisika quantum, jagat raya dapat memiliki sejarah apapun yang mungkin, masing-masing dengan amplitudo intensitas dan probabilitasnya sendiri. Kita dengan demikian harus menemukan versi-versi quantum atas semua hukum alam; teori-teori semacam ini disebut teori-teori medan quantum (quantum field theories).
 |
| Ini salah satu Diagram Feynman yang sangat termashyur. Richard Phillips Feynman (11 Mei 1918–15 Februari 1988) adalah salah seorang peletak dasar dan teoretikus agung fisika quantum, khususnya elektrodinamika quantum. Dia seorang saintis kebangsaan Amerika, dan juga seorang pemain drum, berjiwa eksentrik dan bebas ... I like his freedom and intelligence.... |
Quantum electrodynamics (QED)
Versi quantum atas medan elektromagnetik dinamakan quantum electrodynamics (QED) atau elektrodinamika quantum, yang dikembangkan pada tahun 1940-an oleh Richard Feynman dan para saintis lainnya, dan QED ini telah menjadi sebuah model bagi semua teori medan quantum. Kalau dalam teori-teori klasik gaya-gaya ditransmisikan oleh medan-medan (fields), dalam teori medan quantum medan-medan gaya digambarkan terbuat dari aneka ragam partikel elementer yang dinamakan boson, yakni partikel yang membawa gaya, yang terbang ke depan dan ke belakang di antara materi-materi partikel, sehingga gaya-gaya ditransmisikan. Partikel-partikel materi dinamakan fermion. Elektron dan quark adalah contoh-contoh fermion. Foton, atau partikel cahaya, adalah sebuah contoh boson. Gaya elektromagnetik ditransmisikan oleh boson. Dalam apa yang dinamakan Diagram Feynman, digambarkan cara-cara yang mungkin ditempuh elektron ketika satu sama lain menyebar melalui gaya elektromagnetik. Dalam diagram ini, garis-garis lurus tak putus menggambarkan elektron-elektron, sedangkan garis-garis berombak/keriting menggambarkan foton.
Gaya elektrolemah
Pada 1967, Abdus Salam dan Steven Weinberg tanpa bergantung satu sama lain mengusulkan sebuah teori yang mempersatukan elektromagnetisme dengan gaya nuklir lemah, dan gaya yang dipersatukan ini dinamakan gaya elektrolemah.
Quantum chromodynamics (QCD)
Versi quantum atas gaya nuklir kuat disebut quantum chromodynamics (QCD) atau kromodinamika quantum. Menurut QCD, proton, neutron, dan banyak partikel materi elementer lain terbuat dari quark, yang memiliki suatu sifat yang jelas yang para fisikawan sebut sebagai warna (karena itulah muncul nama chromodynamics), yang tak ada hubungannya dengan warna yang kasat mata. QCD memiliki kebebasan asymptotik (asymptotic freedom), maksudnya adalah bahwa gaya-gaya kuat yang terdapat di antara elemen-elemen quark volumenya kecil ketika elemen-elemen quark ini dekat satu sama lain, tetapi bertambah besar ketika quark berjauhan satu sama lain, seolah semua quark terhubung dengan pita-pita karet. Kebebasan asymptotik ini menjelaskan mengapa kita tidak melihat quark yang terisolasi dalam alam dan tidak dapat memproduksinya di dalam laboratorium.
Grand unified theory (GUT)
Setelah menggabung gaya nuklir lemah dan gaya elektromagnetik, para fisikawan di tahun 1970-an mencari suatu jalan untuk memasukkan daya nuklir kuat ke dalam suatu teori gabungan. Dalam hal ini, ada sejumlah teori yang dinamakan grand unified theory atau GUT, teori besar penyatuan, yang mempersatukan gaya nuklir kuat dengan gaya nuklir lemah dan gaya elektromagnetik, yang bagian terbesarnya memprediksi bahwa proton haruslah membusuk/lenyap rata-rata setelah 10 pangkat 32 tahun. Ini adalah suatu usia yang sangat lama, mengingat jagat raya saja berusia hanya 10 pangkat 10 tahun.
Karena bukti-bukti yang diperoleh dari observasi-observasi sebelumnya gagal juga mendukung GUT, maka kebanyakan fisikawan mengadopsi suatu teori ad hoc yang dinamakan model standard, yang mencakupi teori gabungan gaya-gaya elektrolemah dan QCD sebagai sebuah teori gaya-gaya kuat. Tetapi di dalam model standard ini, gaya elektrolemah dan gaya nuklir kuat bertindak sendiri-sendiri dan belum sungguh-sungguh dipersatukan. Model standard sangat sukses dan sejalan dengan semua bukti yang didapat dari observasi sekarang ini, tetapi pada dasarnya tidak memuaskan karena, selain belum berhasil menyatukan gaya elektrolemah dan gaya nuklir kuat, juga belum mencakup gaya gravitasi. Terbukti sangat sulit memadukan gaya nuklir kuat dengan gaya elektromagnetik dan gaya nuklir lemah; tetapi masalah ini bukanlah apa-apa jika dibandingkan dengan masalah menyatukan gaya gravitasi dengan tiga gaya lainnya, atau dengan masalah yang lebih besar lagi dalam menciptakan suatu teori gravitasi quantum yang berdiri sendiri.
Fluktuasi quantum: tak ada ruang yang sama sekali kosong
Alasan mengapa suatu teori gravitasi quantum terbukti sulit untuk diciptakan berkait dengan prinsip ketidakpastian Heisenberg. Berkaitan dengan prinsip ini, nilai suatu medan dan besaran angka perubahannya memainkan peran yang sama seperti yang dimainkan posisi dan kecepatan suatu partikel. Semakin akurat hal yang satu ditentukan, dapat semakin kurang akurat untuk hal yang lainnya. Salah satu akibat penting dari hal ini adalah bahwa tidak ada ruang yang sama sekali kosong. Halnya demikian karena ruang kosong berarti bahwa baik nilai suatu medan maupun besaran angka perubahannya persis nol. Karena prinsip ketidakpastian tidak memungkinkan nilai-nilai medan dan besaran angka perubahan sama persis, ruang tidak pernah kosong. Setiap ruang dapat memiliki suatu energi minimum yang dinamakan vakum. Tetapi keadaan vakum ini bergantung pada apa yang dinamakan quantum jitter (fluktuasi quantum) atau vacuum fluctuation, yaitu suatu kondisi di mana partikel-partikel dan medan-medan gaya bervibrasi atau berfluktuasi di dalam dan keluar dari suatu eksistensi.
Fluktuasi vakum dapat dipikirkan sebagai pasangan-pasangan partikel yang muncul bersamaan pada suatu waktu, bergerak terpisah, lalu menyatu lagi dan saling melenyapkan. Partikel-partikel ini dinamakan partikel-partikel virtual. Tidak seperti partikel nyata, partikel virtual tidak dapat diobservasi langsung dengan sebuah detektor partikel. Namun, efek-efek tidak langsung dari partikel virtual, seperti perubahan kecil di dalam energi orbit elektron, dapat diukur, dan sejalan dengan prediksi-prediksi teoretis dengan tingkat akurasi yang luar biasa. Masalahnya adalah bahwa partikel-partikel virtual memiliki energi, dan karena pasangan partikel-partikel virtual ini ada dalam suatu jumlah tak terbatas, partikel-partikel ini memiliki suatu jumlah energi tanpa batas. Menurut teori relativitas umum, ini berarti bahwa partikel-partikel virtual dapat melengkungkan jagat raya sampai ke suatu ukuran kecil tak terbatas.
Supergravitasi dan supersimetri
Pada tahun 1976, para fisikawan mengusulkan apa yang dinamakan supergravitasi. Prefiks “super” ditambahkan bukan karena dianggap teori gravitasi quantum ini dapat betul-betul bekerja, melainkan mengacu pada sejenis simetri yang dimiliki teori ini, yang dinamakan supersimetri. Dalam fisika, suatu sistem dikatakan memiliki suatu suatu simetri jika sifat-sifatnya (properties) tidak terpengaruh oleh suatu transformasi tertentu seperti merotasikannya di dalam ruang atau mengambil gambar cerminnya. Supersimetri adalah sejenis simetri yang lebih halus yang tidak dapat dihubungkan dengan suatu tranformasi ruang biasa. Salah satu implikasi penting dari supersimetri adalah bahwa partikel-partikel gaya dan partikel-partikel materi, dan dengan demikian gaya dan materi, sesungguhnya adalah dua sisi dari satu hal yang sama. Kongkretnya, ini berarti bahwa setiap partikel materi, misalnya sebuah quark, harus memiliki suatu partikel mitra berupa suatu partikel gaya, dan setiap partikel gaya, seperti foton, harus memiliki suatu partikel mitra berupa sebuah partikel materi. Dalam kenyataannya, partikel-partikel mitra ini belum berhasil diamati. Namun berbagai kalkulasi yang telah dibuat para fisikawan mengindikasikan bahwa partikel-partikel mitra yang bersanding dengan partikel-partikel yang kita amati haruslah seribu kali lebih massif dari massa proton, jika malah bukan lebih berat lagi. Ini terlalu berat bagi partikel-partikel semacam ini untuk dapat dilihat di dalam eksperimen apapun yang telah dilakukan, tetapi diharapkan partikel-partikel semacam ini akan akhirnya dapat diciptakan di dalam Large Hadron Collider di Genewa. Kebanyakan saintis percaya bahwa supergravitasi mungkin sekali adalah jawaban yang benar terhadap masalah menyatukan gaya gravitasi dengan gaya-gaya lainnya.
Teori dawai (string theory)
Konsep supersimetri sebetulnya bermula beberapa tahun sebelumnya ketika para teoretikus mempelajari suatu teori yang belum matang, yang dinamakan teori dawai, string theory. Menurut teori ini, partikel-partikel bukanlah berbentuk butiran-butiran (points), melainkan pola-pola (patterns) vibrasi yang memiliki panjang tetapi tidak mempunyai tinggi atau lebar, seperti helai-helai dawai yang ketipisannya tak terbatas. Banyak versi teori dawai; tetapi semuanya konsisten hanya jika ruang-waktu memiliki sepuluh dimensi, ketimbang biasanya hanya empat. Sepuluh dimensi kedengarannya sangat menantang, tetapi hanya betul-betul menjadi masalah kalau anda lupa di mana anda memarkir kendaraan anda. Jika memang ada sepuluh dimensi, kenapa kita tidak melihat dimensi-dimensi lainnya? Menurut teori dawai, dimensi-dimensi lainnya ini melengkung atau melipat masuk ke angkasa luar, atau ke ruang internal (internal space), dalam ukuran yang sangat kecil. Suatu masalah lagi dalam teori-teori dawai adalah bahwa tampaknya ada sedikitnya lima teori dan jutaan cara dimensi-dimensi lainnya ini melengkung masuk ke dalam ruang internal, sehingga menyulitkan para teoretikusnya yang mau mempertahankan bahwa teori dawai adalah teori unik tentang segala sesuatnya. Kini para fisikawan yakin bahwa teori-teori dawai yang ada lima versi dan teori supergravitasi hanyalah pendekatan-pendekatan yang berbeda dari suatu teori yang lebih mendasar, yang masing-masing valid di dalam situasi-situasi yang berbeda.
M-theory, dan 10 pangkat 500 jagat raya yang berbeda
Teori yang lebih mendasar itu dinamakan M-theory, dengan “M” dapat merupakan singkatan dari “master”, “miracle” atau “mystery”. M-theory bukanlah sebuah formulasi teori tunggal, melainkan sebuah jaringan (network) yang merangkai teori-teori lainnya. Pengharapan tradisional para saintis untuk menemukan sebuah teori tunggal mengenai jagat raya tak dapat dipertahankan lagi, sebab ternyata tidak ada satu formulasi tunggal teori tentang segala sesuatu. Bisa jadi, untuk menggambarkan jagat raya kita harus menggunakan teori-teori yang berbeda di dalam situasi-situasi yang berbeda. Setiap teori dapat memiliki versinya sendiri mengenai realitas; dan menurut realisme yang bergantung pada model, setiap teori tentang jagat raya dapat diterima sejauh teori-teori ini sejalan dengan prediksi-prediksi teori-teori ini ketika semuanya bertumpangtindih.
M-theory memiliki beberapa sifat yang kita sudah ketahui. Pertama, teori ini memiliki sebelas dimensi ruang-waktu, bukan sepuluh seperti dipertahankan dalam teori-teori dawai. Kedua, teori ini dapat memuat bukan hanya dawai-dawai yang bervibrasi, tetapi juga partikel-partikel butiran, membran dua dimensi, tutul tiga dimensi, dan objek-objek lain yang lebih sulit digambarkan, dan menguasai bahkan lebih banyak dimensi ruang, sampai sembilan. Objek-objek ini dinamakan p- brane (p-dimensi ruang-waktu) (dengan p berkisar dari nol sampai sembilan).
Dalam M-theory, dimensi-dimensi ruang-waktu lainnya itu (di luar dimensi-dimensi panjang, lebar dan tinggi) tidak dapat dilengkungkan dengan segala cara apapun. Matematika teori ini membatasi cara melengkungkan dimensi-dimensi ruang internal. Bentuk persis ruang internal menentukan baik nilai-nilai konstan fisika, seperti muatan elektron, maupun sifat interaksi di antara partikel-partikel elementer.
Hukum-hukum di dalam M-theory memungkinkan adanya jagat-jagat raya yang berbeda, dengan hukum-hukum yang berbeda, yang dapat kita observasi, bergantung pada bagaimana ruang internal dilengkungkan. M-theory memiliki solusi-solusi yang memungkinkan adanya banyak ruang internal yang berbeda, mungkin sebanyak 10 pangkat 500, yang berarti teori ini membuka kemungkinan bagi adanya 10 pangkat 500 jagat raya yang berbeda, dengan masing-masing memiliki hukum-hukumnya sendiri.
Post a Comment