Dalam artikel majalah Quanta, fisikawan dan matematikawan Belanda Robbert Dijkgraaf menggunakan metafora spasial "lanskap" untuk menjelaskan pentingnya teori string secara revolusioner untuk memahami alam semesta.
Dilema utama fisika kuantum
Bayangkan Alice dan Bob diminta untuk memasak makan malam. Alice suka makanan Cina, Bob suka Italia. Masing-masing memilih resep favorit mereka, membeli dari toko lokal, dan mengikuti instruksi dengan jelas. Tapi saat mereka mengeluarkan makanan dari oven, keduanya cukup terkejut. Kedua hidangan tersebut ternyata sama persis. Orang hanya bisa membayangkan pertanyaan eksistensial yang diajukan Alice dan Bob. Bagaimana bahan yang berbeda dapat membuat hidangan yang sama? Apa artinya memasak makanan Cina atau Italia? Atau apakah mereka salah mendekati proses memasak?
Ini adalah ilustrasi dari dilema utama fisikawan kuantum. Mereka menemukan banyak contoh tentang bagaimana dua konsep yang sangat berbeda dapat menggambarkan sistem fisik yang sama. Dalam kasus fisika, alih-alih daging dan saus, partikel dan gaya bertindak sebagai bahan, resep adalah rumus interaksi, dan proses memasak adalah prosedur diskritisasi yang menempatkan probabilitas fenomena fisik sesuai dengan rumus. Sama seperti Alice dan Bob, para ilmuwan takjub melihat bagaimana resep yang berbeda menghasilkan hasil yang sama.
Apakah alam memiliki kemampuan untuk memilih hukum fundamentalnya? Albert Einstein, sejauh yang kita tahu, percaya pada pengertian bahwa hanya ada satu cara, berdasarkan pada beberapa prinsip dasar, untuk membangun alam semesta yang elegan dan berfungsi. Dari sudut pandangnya, jika kita menyelidiki esensi fisika pada tingkat yang cukup dalam, kita akan sampai pada kesimpulan bahwa hanya ada satu dan satu-satunya cara interaksi yang mungkin dari semua roda gigi jam universal - materi, radiasi, gaya, ruang, dan waktu.
Teori string sebagai "teori segalanya"
Video promosi:
Model standar fisika partikel saat ini adalah mekanisme inert yang terdiri dari sedikit bahan. Namun, terlepas dari keunikan yang tampak, Alam Semesta kita hanyalah salah satu dari kemungkinan dunia yang tak terhitung jumlahnya. Kita sama sekali tidak tahu mengapa konfigurasi partikel dan gaya yang bekerja padanya ini menjadi dasar tatanan dunia kita.
Mengapa ada enam "rasa" quark, tiga "generasi" neutrino, dan satu partikel Higgs? Selain itu, sembilan belas konstanta fisik fundamental (seperti massa dan muatan elektron) disertakan dalam model standar. Nilai dari "parameter bebas" ini, tampaknya, tidak memiliki arti yang dalam. Di satu sisi, fisika partikel adalah contoh keanggunan. Di sisi lain, itu hanya teori yang indah.
Jika dunia kita hanya satu dari banyak, lalu apa yang harus kita lakukan dengan dunia alternatif? Sudut pandang saat ini adalah kebalikan mutlak dari gagasan Einstein tentang alam semesta yang unik. Fisikawan modern menutupi ruang probabilitas yang sangat besar dan mencoba memahami logika interkoneksinya. Dari penambang emas, mereka telah berevolusi menjadi ahli geografi dan ahli geologi, memetakan lanskap dan mempelajari secara detail kekuatan yang membentuknya.
Tonggak sejarah dalam proses ini adalah lahirnya teori string. Saat ini dia adalah satu-satunya kandidat untuk gelar "teori segalanya". Kabar baiknya adalah tidak ada parameter gratis dalam teori string. Tidak diragukan lagi teori string mana yang menggambarkan alam semesta kita, karena itu unik. Tidak adanya fungsi tambahan menyebabkan konsekuensi radikal. Semua bilangan di alam harus ditentukan oleh fisika itu sendiri. Ini bukan "konstanta alam", tetapi hanya variabel yang diperoleh dari persamaan (terkadang, meskipun sangat kompleks).
Berita buruk, Tuan-tuan. Ruang solusi untuk teori string sangat luas dan kompleks. Ini normal untuk fisika. Secara tradisional, hukum fundamental dibedakan, berdasarkan persamaan matematika dan solusi persamaan ini. Biasanya, ada beberapa hukum dan jumlah solusi yang tak terbatas. Mari kita ambil hukum Newton. Mereka tajam dan elegan, tetapi mereka menggambarkan fenomena yang sangat luas, dari apel yang jatuh hingga orbit bulan. Mengetahui keadaan awal sistem, hukum-hukum ini dapat digunakan untuk menggambarkan keadaannya pada saat berikutnya. Kami tidak mengharapkan atau menuntut solusi universal yang akan menjelaskan segalanya.
Pemandangan ekumenis
Dalam teori string, beberapa elemen yang umumnya dipandang sebagai hukum sebenarnya adalah solusi. Mereka ditentukan oleh bentuk dan ukuran dimensi ekstra tersembunyi. Ruang dari semua solusi ini sering disebut sebagai "lanskap", tetapi ini terlalu ringan. Bahkan lanskap pegunungan yang paling mengesankan pun pucat dibandingkan luasnya ruang ini. Dan meskipun geografi belum sepenuhnya dipelajari, dapat dikatakan bahwa benua itu sangat besar.
Salah satu asumsi yang lebih canggih dalam teori adalah bahwa segala sesuatu mungkin saling berhubungan. Jika kita mengguncang alam semesta dengan baik, kita bisa berpindah dari satu dunia hipotetis ke dunia lain, mengubah apa yang biasanya kita pikirkan tentang hukum alam yang tidak berubah, dan mendapatkan kombinasi baru dari partikel-partikel dasar yang membentuk realitas kita.
Tetapi bagaimana kita menjelajahi lanskap luas model fisik alam semesta, yang dapat dengan mudah memiliki ratusan dimensi? Anggap saja sebagai hamparan hutan belantara yang sebagian besar belum berkembang, sebagian besar tersembunyi di bawah lapisan tebal kompleksitas yang tak tertahankan. Tempat-tempat yang layak huni hanya dapat ditemukan di perbatasan. Di sini hidup itu sederhana dan gratis. Berikut adalah model dasar yang sangat kami pahami. Mereka tidak terlalu penting dalam menggambarkan dunia nyata, tetapi berfungsi sebagai titik awal yang nyaman untuk menjelajahi daerah sekitarnya.
Contoh yang bagus adalah elektrodinamika kuantum (QED), sebuah teori yang menjelaskan interaksi antara materi dan cahaya. Model ini memiliki satu parameter, yang disebut "konstanta struktur halus", yang menyatakan kekuatan interaksi antara dua elektron. Secara numerik, mendekati 1/137. Dalam QED, semua proses dapat dianggap muncul dari interaksi dasar. Misalnya, tolakan dua elektron dapat dianggap sebagai pertukaran foton. Elektrodinamika kuantum mengusulkan untuk mempertimbangkan semua kemungkinan cara di mana dua elektron dapat bertukar foton.
Dalam praktiknya, ini berarti bahwa fisikawan dihadapkan pada kebutuhan untuk menghitung jumlah tak terhingga dari kompleksitas besar. Tetapi teori ini juga menawarkan jalan keluar: setiap tambahan pertukaran foton menambahkan kondisi di mana konstanta struktur halus dinaikkan ke pangkat berikutnya. Karena jumlah bursa ini relatif kecil, ketentuan tambahan tersebut tidak terlalu berdampak. Mereka dapat diabaikan dengan mendekatkan mereka pada nilai "sebenarnya". Kami akan menemukan teori-teori yang digabungkan secara longgar ini di pos terdepan lanskap. Di sini kekuatannya lemah, dan masuk akal untuk membicarakan daftar bahan - partikel dasar - dan resep interaksi mereka. Namun jika kita meninggalkan tempat layak huni kita dan menjelajahi hutan belantara yang belum dipetakan, setiap kondisi tambahan akan menjadi semakin penting. Sekarang kami tidak lagi membedakan antara partikel individu. Mereka larutberubah menjadi jaringan energi yang kusut, seperti bahan-bahan pai di dalam oven.
Namun, tidak semuanya hilang. Terkadang pos terdepan lain terlihat di ujung jalan. Dengan kata lain, model lain yang terkontrol dengan baik, kali ini terdiri dari sekumpulan partikel dan gaya yang sama sekali berbeda. Dalam kasus seperti itu, ada dua resep alternatif untuk fisika dasar yang sama, seperti pada makan malam Alice dan Bob. Deskripsi konjugasi ini disebut model ganda, dan hubungan di antara keduanya disebut dualitas. Pertentangan ini dapat dilihat sebagai generalisasi besar dari dualisme partikel gelombang yang terkenal yang ditemukan oleh Heisenberg. Dalam kasus Alice dan Bob, ini mengambil bentuk konversi antara resep Cina dan Italia.
Semuanya saling berhubungan
Mengapa semuanya begitu menarik dari sudut pandang fisika? Pertama-tama, asumsi bahwa banyak (jika tidak semua) model adalah bagian dari satu ruang besar yang saling berhubungan adalah salah satu penemuan paling mengejutkan dari fisika kuantum modern. Ini adalah perubahan dalam perspektif yang layak disebut "perubahan paradigma". Alih-alih kepulauan dengan pulau-pulau yang tersebar, kami menjelajahi satu benua yang luas.
Artinya, dengan mempelajari satu model secara mendalam, kita akan dapat memahami semuanya. Kita dapat menjelajahi hubungan antara model-model ini dengan berfokus pada garis besar strukturnya. Penting untuk dicatat bahwa fenomena ini sangat bergantung pada apakah teori string konsisten dengan dunia nyata. Properti ini melekat dalam fisika kuantum, yang tidak dapat diubah terlepas dari apa "teori tentang segala sesuatu" ternyata.
Yang lebih dramatis adalah kesimpulan bahwa semua teori tradisional fisika fundamental harus dibuang ke tong sampah sejarah. Partikel, medan, kekuatan, kesimetrian - semua ini tidak lebih dari artefak kehidupan bebas di pos terdepan dari lanskap tak berujung dengan kerumitan yang tak terpikirkan. Tampaknya luar biasa, atau setidaknya sangat terbatas, untuk melihat fisika dalam kaitannya dengan blok-blok penyusun dasar.
Mungkin ada struktur baru yang fundamental yang menyatukan hukum-hukum dasar alam dan mengabaikan semua konsep yang biasa kita gunakan. Kehalusan matematika dan keanggunan teori string adalah motivasi yang menggoda untuk menerima sudut pandang ini. Tapi jujur saja. Sangat sedikit gagasan modern tentang apa yang akan menggantikan partikel dan medan yang "cukup gila untuk menjadi kenyataan," seperti yang dikatakan Niels Bohr.
