Paul Sutter adalah astrofisikawan di Ohio State University dan Kepala Ilmuwan di COSI Science Center. Sutter juga merupakan direktur pengelola Ask the Spaceman and Space Radio dan memimpin AstroTours di seluruh dunia. Ilmuwan mempresentasikan artikel menarik di majalah Expert Voices.
Pada akhir 1990-an, fisikawan teoretis menemukan hubungan luar biasa antara dua konsep yang tampaknya tidak terkait dalam sains mereka. Hubungan ini hampir tidak dapat dipahami secara teknis, tetapi dapat memiliki implikasi yang luas untuk pemahaman kita tentang gravitasi dan bahkan alam semesta. Untuk mengilustrasikan hubungan ini, mari kita mulai dengan lubang hitam.
Pengaruh lubang hitam pada aliran informasi
Para peneliti menemukan bahwa ketika satu bit informasi mengenai lubang hitam, luas permukaannya meningkat dengan jumlah yang sangat tepat: kuadrat panjang Planck, sama dengan 1,6 x 10-35 m yang sangat kecil.
Awalnya, mungkin tidak terlalu menarik bahwa lubang hitam menjadi lebih besar saat materi atau energi memasukinya, tetapi yang paling mengejutkan adalah luas permukaan, bukan volume, tumbuh dalam proporsi langsung dengan informasi yang dapat dipercaya. Ini sama sekali tidak seperti kebanyakan objek lain yang dikenal di alam semesta.
Video promosi:
Apakah kita tinggal di ruang tiga dimensi?
Untuk sebagian besar objek yang kita kenal, ada satu hukum: jika "mengkonsumsi" satu bit informasi, volumenya akan bertambah satu unit, dan luas permukaannya hanya akan bertambah kecil. Tetapi dengan lubang hitam, situasinya berubah secara dramatis. Seolah-olah informasi tidak berada di dalam lubang hitam, melainkan menempel di permukaannya.
Jadi, lubang hitam adalah objek tiga dimensi penuh di alam semesta tiga dimensi kita dan dapat sepenuhnya diwakili oleh permukaan dua dimensi.
Bagaimana cara kerja hologram?
Hologram adalah sistem yang menggunakan lebih sedikit dimensi. Itu dapat mengemas semua informasi dari sistem asli.
Misalnya, kita hidup dalam tiga dimensi spasial. Saat Anda berpose di depan kamera, kamera merekam gambar dua dimensi wajah Anda, tetapi tidak menangkap semua informasi. Ketika Anda kemudian memeriksa pekerjaan Anda dan menggunakan filter, Anda tidak dapat, misalnya, melihat bagian belakang kepala Anda, tidak peduli bagaimana Anda memutar gambar. Tetapi rekaman hologram akan menyimpan semua informasi ini. Meskipun ini adalah tampilan 2D, Anda tetap dapat menjelajahinya dari semua sudut 3D.
Lubang hitam sebagai hologram
Menggambarkan lubang hitam sebagai hologram dapat memberikan solusi bagi apa yang disebut paradoks informasi lubang hitam, misteri di mana informasi lahir ketika materi dikonsumsi oleh lubang hitam. Tapi itu topik untuk artikel lain. Konsep "lubang hitam sebagai hologram" juga merupakan contoh yang baik untuk diingat saat mencoba melihat seluruh alam semesta.
Memecahkan masalah pribadi
Korespondensi antara cabang fisika yang tampaknya tidak terkait yang disebutkan di awal artikel ini adalah aplikasi lain dari teknik holografik yang berasal dari model AdS-CFT yang luar biasa.
AdS adalah singkatan dari Anti-De Sitter. Model ini merupakan solusi khusus untuk teori relativitas umum Einstein. Ini menggambarkan alam semesta yang benar-benar kosong dengan kelengkungan spasial negatif.
Ini adalah alam semesta yang agak membosankan: tidak mengandung materi atau energi, dan garis-garis paralel akhirnya menyimpang berdasarkan posisi geometri yang mendasarinya. Meskipun proses ini mungkin tidak menggambarkan alam semesta, setidaknya ini menunjukkan bahwa kehidupan di bumi memiliki permulaan. Model alam semesta yang agak santai ini memiliki sifat matematika yang diperlukan untuk membuat teori majemuk relevan.
Teori medan
Sisi lain dari korespondensi adalah struktur yang disebut teori medan konformal. Fisika teoretis menolak teori-teori lapangannya. Ini adalah pengungkit yang digunakan para ilmuwan untuk membuat berbagai teori kuantum yang digunakan untuk menggambarkan tiga dari empat gaya alam.
Elektromagnetisme, gaya nuklir kuat, dan gaya nuklir lemah dapat dijelaskan melalui teori medan, dan selama setengah abad terakhir, umat manusia telah sering mempraktikkan penggunaannya.
Harus dipahami mengapa hubungan ini sangat penting. Katakanlah Anda mencoba memecahkan masalah yang sangat sulit seperti gravitasi kuantum menggunakan teori string, yang merupakan upaya untuk menjelaskan semua gaya dan partikel fundamental di alam semesta dalam bentuk string bergetar kecil. Faktanya, ini adalah masalah yang sangat kompleks sehingga tidak ada yang menemukan solusi untuk itu meskipun telah mencoba selama beberapa dekade.
Korespondensi AdS-CFT memberi tahu kita bahwa teknik holografik dapat digunakan untuk membebaskan dunia dari sakit kepala ini.
Daripada mencoba memecahkan masalah gravitasi kuantum di alam semesta tiga dimensi kita, AdS-CFT memungkinkan kita untuk berpindah ke masalah ekuivalen di tepi alam semesta, yang diwakili oleh hanya dua dimensi dan tidak mengandung gravitasi.
Persamaan teori medan
Kalkulus matematika yang hampir mustahil dari teori string sedang digantikan oleh sekumpulan persamaan teori medan yang sangat sulit. Ini memungkinkan Anda menemukan solusi untuk masalah tanpa gravitasi, yang mencegah Anda mentransfer solusi kembali ke alam semesta tiga dimensi normal dan membuat prediksi apa pun. Semuanya tampak seperti ide bagus dan cara untuk mengelabui alam dengan melewati mekanisme gravitasi. Dan itu ternyata bisa menjadi cara brilian untuk "memecahkan" gravitasi kuantum.
Kontradiksi yang ada
Tetapi saat ini ada beberapa kontradiksi. Pertama, kita tidak hidup di alam semesta anti-de Sitter. Alam semesta kita penuh dengan materi, radiasi, dan energi gelap dan memiliki geometri yang hampir seluruhnya datar.
Apakah ada korespondensi serupa yang berhasil di alam semesta kita yang sebenarnya? Mungkin para ahli teori sedang bekerja keras untuk menemukan "batas" yang diambil untuk korespondensi AdCa-CFT dengan cakrawala kosmologis - batas dari apa yang dapat kita lihat di Alam Semesta kita yang dapat diamati.
Semuanya akan bisa dimengerti, kecuali saat kita hidup dalam ruang-waktu yang dinamis dengan ruang yang terus berkembang, dan batas ini terus berubah. Posisi ini tidak dijelaskan dengan baik dalam teori modern.
Memang, ketika kita beralih dari model yang dijelaskan oleh astrofisikawan Sitter ke model batas yang lebih sederhana menggunakan teori medan konformal, sistem persamaan baru secara fundamental dapat dipecahkan.
Mereka masih ada, tetapi mereka sering terlihat fantastis, membawa bencana, menakutkan, dan tidak terpecahkan.
Jadi, apakah hologram itu ada?
Sekalipun tautan AdS-CFT ternyata berguna untuk memecahkan masalah gravitasi kuantum dan fisikawan dapat menemukan cara untuk menavigasi masalah dan membuat metode ini relevan dengan alam semesta tempat kita tinggal, ini tidak berarti bahwa kita benar-benar hidup dalam hologram.
Salah jika menganggap model AdS-CFT adalah cara yang nyaman untuk menyelesaikan masalah gravitasi alam semesta kita dengan gravitasi dalam tiga dimensi.
Ini semua hanyalah ilusi, dan kita benar-benar hidup di ruang dua dimensi tanpa gravitasi. Perangkat matematika senyaman ini tidak mengubah pandangan kita tentang sifat dasar realitas.
Jika prinsip holografik berguna untuk menyelesaikan masalah, bukan berarti kita hidup dalam hologram. Dan bahkan jika kita benar-benar hidup dalam hologram, kita tidak akan bisa membedakannya.
Maya Muzashvili
