Kami memiliki banyak alasan untuk percaya bahwa gravitasi pada dasarnya adalah teori kuantum. Tapi bagaimana kita bisa membuktikan ini sekali dan untuk selamanya? Sabina Nossenfelder, seorang fisikawan teoritis, ahli dalam gravitasi kuantum dan fisika energi tinggi, berbicara tentang ini. Lebih jauh dari orang pertama.
Jika Anda memiliki penglihatan yang baik, benda terkecil yang dapat Anda lihat akan berukuran sekitar sepersepuluh milimeter: kira-kira selebar rambut manusia. Tambahkan teknologi, dan struktur terkecil yang dapat kami ukur sejauh ini adalah sekitar 10-19 meter, yang merupakan panjang gelombang proton yang bertabrakan di LHC. Kami membutuhkan waktu 400 tahun untuk beralih dari mikroskop paling primitif ke pembangunan LHC - peningkatan 15 kali lipat selama empat abad.
Efek gravitasi kuantum diperkirakan menjadi relevan pada skala jarak sekitar 10-35 meter, yang dikenal sebagai panjang Planck. Ini adalah 16 jalur magnitudo atau faktor lain dari 1016 dalam hal energi tumbukan. Ini membuat Anda bertanya-tanya apakah ini mungkin sama sekali, atau apakah semua upaya dalam mencoba menemukan teori gravitasi quantum akan selamanya menjadi fiksi kosong.
Saya orang yang optimis. Sejarah sains penuh dengan orang-orang yang berpikir bahwa banyak yang tidak mungkin, tetapi kenyataannya ternyata sebaliknya: mengukur defleksi cahaya di medan gravitasi matahari, mesin yang lebih berat dari udara, mendeteksi gelombang gravitasi. Oleh karena itu, saya tidak menganggap mustahil untuk menguji gravitasi kuantum secara eksperimental. Mungkin butuh waktu puluhan atau ratusan tahun - tetapi jika kita terus bergerak, suatu hari kita mungkin bisa mengukur efek gravitasi kuantum. Tidak harus secara langsung mencapai 16 kali lipat berikutnya, melainkan dengan deteksi tidak langsung pada energi yang lebih rendah.
Tapi dari ketiadaan, tidak ada yang lahir. Jika kita tidak berpikir tentang bagaimana efek gravitasi kuantum dapat bermanifestasi dan di mana mereka mungkin muncul, kita pasti tidak akan pernah menemukannya. Optimisme saya didorong oleh minat yang semakin besar pada fenomenologi gravitasi kuantum, area penelitian yang dikhususkan untuk studi tentang cara terbaik mencari manifestasi efek gravitasi kuantum.
Karena tidak ada satu teori yang konsisten yang ditemukan untuk gravitasi kuantum, upaya saat ini untuk menemukan fenomena yang dapat diamati difokuskan pada menemukan cara untuk menguji fitur umum teori, dengan mencari properti yang telah ditemukan dalam beberapa pendekatan berbeda terhadap gravitasi kuantum. Misalnya, fluktuasi kuantum di ruangwaktu, atau adanya "panjang minimum" yang akan menandai batas dasar resolusi. Efek tersebut dapat ditentukan dengan menggunakan model matematika, dan kemudian kekuatan efek yang mungkin terjadi dapat diperkirakan dan untuk memahami eksperimen mana yang dapat memberikan hasil terbaik.
Menguji gravitasi kuantum telah lama dianggap di luar jangkauan eksperimen, dilihat dari perkiraan, kita memerlukan penumbuk seukuran Bima Sakti untuk mempercepat proton yang cukup untuk menghasilkan jumlah gravitasi yang dapat diukur (kuanta medan gravitasi), atau kita memerlukan detektor seukuran Jupiter untuk mengukur gravitasi yang lahir dimana-mana. Bukan tidak mungkin, tapi tentunya bukan sesuatu yang diharapkan dalam waktu dekat.
Video promosi:
Argumen semacam itu, bagaimanapun, hanya menyangkut deteksi langsung graviton, dan ini bukan satu-satunya manifestasi dari efek gravitasi kuantum. Ada banyak konsekuensi lain yang dapat diamati yang dapat ditimbulkan oleh gravitasi quantum, beberapa di antaranya telah kita cari dan sebagian lagi akan kita cari. Sejauh ini, hasil kami murni negatif. Tetapi bahkan yang negatif pun berharga, karena mereka memberi tahu kita properti apa yang mungkin tidak dimiliki teori yang kita butuhkan.
Salah satu konsekuensi gravitasi kuantum yang dapat diuji, misalnya, mungkin kerusakan simetri, fundamental untuk relativitas umum dan khusus, yang dikenal sebagai invariansi Lorentz. Menariknya, pelanggaran invariansi Lorentz tidak selalu kecil, bahkan jika dibuat pada jarak yang terlalu kecil untuk diamati. Sebaliknya, pemecahan simetri akan merembes melalui reaksi banyak partikel pada energi yang tersedia dengan presisi yang luar biasa. Tidak ada bukti pelanggaran invariansi Lorentz yang ditemukan. Ini mungkin tampak jarang, tetapi mengetahui bahwa simetri ini harus diamati dengan tingkat akurasi tertinggi dalam gravitasi kuantum, Anda dapat menggunakan ini dalam mengembangkan teori.
Konsekuensi lain yang dapat diuji dapat berada dalam medan gravitasi kuantum yang lemah. Di alam semesta awal, fluktuasi kuantum dalam ruang-waktu seharusnya menyebabkan fluktuasi suhu yang muncul dalam materi. Fluktuasi suhu ini diamati hari ini, tercetak di radiasi latar (CMB). Jejak "gelombang gravitasi primer" pada latar belakang gelombang mikro kosmik belum diukur (LIGO tidak cukup sensitif untuk itu), tetapi diperkirakan akan berada dalam satu atau dua kali lipat dari akurasi pengukuran saat ini. Banyak kolaborasi eksperimental bekerja untuk mencari sinyal ini, termasuk BICEP, POLARBEAR, dan Observatorium Planck.
Cara lain untuk menguji batas medan lemah gravitasi kuantum adalah mencoba memasukkan objek besar ke dalam superposisi kuantum: objek yang jauh lebih berat daripada partikel elementer. Ini akan membuat medan gravitasi lebih kuat dan berpotensi menguji perilaku kuantumnya. Objek terberat yang sejauh ini berhasil kami ikat ke dalam superposisi berbobot sekitar nanogram, yang beberapa kali lipatnya lebih kecil dari yang diperlukan untuk mengukur medan gravitasi. Namun baru-baru ini sekelompok ilmuwan di Wina mengusulkan skema eksperimental yang memungkinkan kita mengukur medan gravitasi jauh lebih akurat daripada sebelumnya. Kami perlahan-lahan mendekati rentang gravitasi kuantum.
(Ingatlah bahwa istilah ini berbeda dalam astrofisika, di mana "gravitasi kuat" kadang-kadang digunakan untuk merujuk pada sesuatu yang lain, seperti penyimpangan besar dari gravitasi Newton yang dapat ditemukan di dekat cakrawala peristiwa lubang hitam.)
Efek kuat gravitasi kuantum juga dapat meninggalkan jejak (selain efek medan lemah) di CMB (radiasi relik), khususnya dalam jenis korelasi yang dapat ditemukan di antara fluktuasi. Ada berbagai model kosmologi string dan kosmologi loop kuantum yang mempelajari konsekuensi yang dapat diamati, dan eksperimen yang diusulkan seperti EUCLID, PRISM, dan kemudian WFIRST dapat menemukan indikasi awal.
Ada gagasan menarik lainnya, berdasarkan temuan teoretis baru-baru ini, yang menyatakan bahwa keruntuhan gravitasi materi tidak selalu membentuk lubang hitam - seluruh sistem akan menghindari pembentukan cakrawala. Jika demikian, objek yang tersisa akan memberi kita gambaran wilayah dengan efek gravitasi kuantum. Namun, tidak jelas sinyal apa yang harus kita cari untuk menemukan objek seperti itu, tetapi ini adalah arah pencarian yang menjanjikan.
Ada banyak ide. Kelas besar model menghadapi kemungkinan bahwa efek gravitasi kuantum memberi ruangwaktu dengan sifat-sifat medium. Hal ini dapat menyebabkan dispersi cahaya, birefringence, decoherence, atau kekosongan ruang kosong. Anda tidak bisa menceritakan semuanya sekaligus. Namun, tanpa diragukan lagi, masih banyak yang harus dilakukan. Pencarian bukti bahwa gravitasi memang gaya kuantum telah dimulai.
ILYA KHEL
