Orang selalu mengambil tempat begitu saja. Lagipula, itu hanya kekosongan - wadah untuk segala sesuatu. Waktu, juga, terus berdetak. Tetapi fisikawan adalah orang-orang seperti itu, mereka selalu perlu memperumit sesuatu. Secara teratur mencoba menyatukan teori mereka, mereka menemukan bahwa ruang dan waktu bergabung dalam sistem yang begitu kompleks sehingga orang biasa tidak dapat memahaminya.
Albert Einstein menyadari apa yang menanti kami pada November 1916. Setahun sebelumnya, dia merumuskan teori relativitas umum, yang menyatakan bahwa gravitasi bukanlah gaya yang merambat di ruang angkasa, tetapi sifat ruang-waktu itu sendiri. Saat Anda melemparkan bola ke udara, bola akan terbang membentuk busur dan kembali ke tanah, karena Bumi membelokkan ruang-waktu di sekitarnya, sehingga jalur bola dan tanah akan berpotongan lagi. Dalam sebuah surat kepada seorang teman, Einstein membahas masalah penggabungan relativitas umum dengan gagasannya yang lain, teori mekanika kuantum yang baru lahir. Tetapi keterampilan matematikanya tidak cukup. “Betapa saya menyiksa diri dengan ini!” Tulisnya.
Einstein tidak pernah berhasil dimanapun dalam hal ini. Bahkan saat ini, gagasan untuk menciptakan teori gravitasi quantum tampaknya masih sangat jauh. Perselisihan menyembunyikan kebenaran penting: pendekatan kompetitif semuanya seperti yang dikatakan bahwa ruang dilahirkan di suatu tempat yang lebih dalam - dan gagasan ini mematahkan pemahaman ilmiah dan filosofis tentangnya yang telah ditetapkan selama 2500 tahun.
Menuruni lubang hitam
Magnet lemari es biasa dengan sempurna menggambarkan masalah yang dihadapi oleh fisikawan. Dia bisa menyematkan selembar kertas dan menahan gravitasi seluruh Bumi. Gravitasi lebih lemah dari magnetisme atau gaya listrik atau nuklir lainnya. Apa pun efek kuantum di belakangnya, mereka akan lebih lemah. Satu-satunya bukti nyata bahwa proses-proses ini terjadi adalah gambaran materi yang beraneka ragam di alam semesta paling awal - yang diyakini ditarik oleh fluktuasi kuantum di medan gravitasi.
Lubang hitam adalah cara terbaik untuk menguji gravitasi kuantum. “Ini adalah hal yang paling tepat untuk bereksperimen,” kata Ted Jacobson dari University of Maryland, College Park. Dia dan ahli teori lainnya mempelajari lubang hitam sebagai poros teoritis. Apa yang terjadi jika Anda mengambil persamaan yang bekerja dengan sempurna di lingkungan laboratorium dan menempatkannya dalam situasi paling ekstrem yang bisa dibayangkan? Akankah ada beberapa kekurangan halus?
Teori umum secara relatif memprediksi bahwa materi yang jatuh ke dalam lubang hitam akan berkontraksi tanpa batas saat mendekati pusatnya - jalan buntu matematis yang disebut singularitas. Para ahli teori tidak dapat membayangkan lintasan suatu objek di luar singularitas; semua garis bertemu di atasnya. Bahkan membicarakannya sebagai tempat adalah problematis, karena ruang-waktu itu sendiri, yang menentukan lokasi singularitas, lenyap. Para ilmuwan berharap bahwa teori kuantum dapat memberi kita mikroskop yang memungkinkan kita memeriksa titik sangat kecil dari kerapatan tak hingga ini dan memahami apa yang terjadi pada materi yang jatuh ke dalamnya.
Video promosi:
Di tepi lubang hitam, materi belum terkompresi, gravitasi lebih lemah, dan sejauh yang kita ketahui, semua hukum fisika seharusnya berfungsi. Dan yang lebih mengecilkan hati adalah kenyataan bahwa mereka tidak berhasil. Lubang hitam dibatasi oleh cakrawala peristiwa, titik tanpa jalan kembali: materi yang melintasi cakrawala peristiwa tidak akan kembali. Penurunan tidak dapat diubah. Ini menjadi masalah karena semua hukum fisika fundamental yang diketahui, termasuk hukum mekanika kuantum, dapat dibalik. Setidaknya secara prinsip, dalam teori, Anda harus bisa membalikkan gerakan dan mengembalikan partikel apa pun yang Anda miliki.
Fisikawan menghadapi teka-teki serupa di akhir 1800-an ketika mereka menganggap matematika dari "benda hitam", yang diidealkan sebagai rongga yang diisi dengan radiasi elektromagnetik. Teori elektromagnetisme oleh James Clerk Maxwell meramalkan bahwa benda seperti itu akan menyerap semua radiasi yang jatuh di atasnya, dan tidak pernah mencapai kesetimbangan dengan materi di sekitarnya. “Ia dapat menyerap panas dalam jumlah tak terbatas dari reservoir yang disimpan pada suhu konstan,” jelas Raphael Sorkin dari Perimeter Institute for Theoretical Physics di Ontario. Dari sudut pandang termal, itu akan memiliki suhu nol mutlak. Kesimpulan ini bertentangan dengan pengamatan benda hitam asli (seperti tungku). Melanjutkan pekerjaan pada teori Max Planck, Einstein menunjukkan bahwa benda hitam dapat mencapai kesetimbangan termal,jika energi radiasi akan datang dalam satuan diskrit, atau kuanta.
Selama hampir setengah abad, fisikawan teoretis telah mencoba mencapai solusi serupa untuk lubang hitam. Almarhum Stephen Hawking dari Universitas Cambridge mengambil langkah penting di pertengahan tahun 70-an dengan menerapkan teori kuantum pada bidang radiasi di sekitar lubang hitam dan menunjukkan bahwa mereka memiliki suhu bukan nol. Oleh karena itu, mereka tidak hanya dapat menyerap tetapi juga memancarkan energi. Meskipun analisisnya mengacaukan lubang hitam ke dalam bidang termodinamika, dia juga memperburuk masalah ireversibilitas. Radiasi yang keluar dipancarkan di tepi lubang hitam dan tidak membawa informasi dari interior. Ini adalah energi panas acak. Jika Anda membalikkan proses dan memasukkan energi ini ke lubang hitam, tidak ada yang muncul: Anda hanya akan mendapatkan lebih banyak panas. Dan tidak mungkin membayangkan bahwa ada sesuatu yang tertinggal di lubang hitam, terperangkap, karena saat lubang hitam memancarkan radiasi, ia berkontraksi dan,akhirnya menghilang menurut analisis Hawking.
Masalah ini disebut paradoks informasi, karena lubang hitam menghancurkan informasi tentang partikel yang masuk ke dalamnya, yang dapat Anda coba pulihkan. Jika fisika lubang hitam benar-benar tidak dapat diubah, sesuatu harus membawa informasi mundur, dan konsep ruangwaktu kita mungkin harus dimodifikasi untuk mengakomodasi fakta itu.
Atom ruang-waktu
Panas adalah gerakan acak partikel mikroskopis seperti molekul gas. Karena lubang hitam dapat memanas dan mendingin, maka masuk akal untuk mengasumsikan bahwa lubang hitam terdiri dari bagian - atau, lebih umum, dari struktur mikroskopis. Dan karena lubang hitam hanyalah ruang kosong (menurut relativitas umum, materi yang jatuh ke dalam lubang hitam melewati cakrawala peristiwa tanpa henti), bagian dari lubang hitam pasti merupakan bagian dari ruang itu sendiri. Dan di bawah kesederhanaan ruang datar kosong yang menipu, ada kerumitan yang luar biasa.
Bahkan teori yang seharusnya mempertahankan pandangan tradisional tentang ruang-waktu sampai pada kesimpulan bahwa ada sesuatu yang bersembunyi di bawah permukaan yang halus ini. Misalnya, pada akhir 1970-an, Steven Weinberg, sekarang di University of Texas di Austin, mencoba mendeskripsikan gravitasi dengan cara yang sama seperti gaya alam lain yang mendeskripsikannya. Dan saya menemukan bahwa ruang-waktu telah dimodifikasi secara radikal dalam skala terkecilnya.
Fisikawan awalnya memvisualisasikan ruang mikroskopis sebagai mozaik dari potongan-potongan kecil ruang. Jika Anda meningkatkannya ke skala Planck, yang ukurannya sangat kecil yaitu 10-35 meter, para ilmuwan percaya bahwa Anda dapat melihat sesuatu seperti papan catur. Atau mungkin tidak. Di satu sisi, jaringan garis ruang catur seperti itu akan lebih menyukai beberapa arah daripada yang lain, menciptakan asimetri yang bertentangan dengan teori relativitas khusus. Misalnya, cahaya dengan warna berbeda akan bergerak dengan kecepatan berbeda - seperti pada prisma kaca yang memecah cahaya menjadi warna penyusunnya. Dan meskipun manifestasi dalam skala kecil akan sangat sulit untuk diperhatikan, pelanggaran GRT terus terang akan terlihat.
Termodinamika lubang hitam mempertanyakan gambaran ruang sebagai mozaik sederhana. Dengan mengukur perilaku termal sistem apa pun, Anda dapat menghitung bagian-bagiannya, setidaknya secara prinsip. Lepaskan energi dan lihat termometer. Jika kolom lepas landas, energi harus didistribusikan ke molekul yang relatif sedikit. Faktanya, Anda mengukur entropi suatu sistem, yang mewakili kompleksitas mikroskopisnya.
Jika Anda melakukan ini dengan zat biasa, jumlah molekul meningkat seiring dengan volume bahan. Jadi, bagaimanapun, seharusnya: jika Anda meningkatkan radius bola pantai sebanyak 10 kali, itu akan memuat 1000 kali lebih banyak molekul di dalamnya. Tetapi jika Anda meningkatkan jari-jari lubang hitam 10 kali, jumlah molekul di dalamnya hanya akan berlipat ganda. Jumlah molekul yang menyusunnya harus proporsional bukan dengan volumenya, tetapi dengan luas permukaan. Lubang hitam mungkin tampak seperti tiga dimensi, tetapi berperilaku seperti benda dua dimensi.
Efek aneh ini disebut prinsip holografik, karena menyerupai hologram, yang kita lihat sebagai objek tiga dimensi, tetapi setelah diamati lebih dekat ternyata merupakan gambar yang dihasilkan oleh film dua dimensi. Jika prinsip holografik memperhitungkan konstituen mikroskopis ruang dan isinya - yang diakui oleh fisikawan, meskipun tidak semua - itu tidak akan cukup untuk menciptakan ruang hanya dengan memasangkan bagian terkecilnya.
Jaringan kusut
Dalam beberapa tahun terakhir, para ilmuwan telah menyadari bahwa keterjeratan kuantum harus dilibatkan. Sifat mendalam mekanika kuantum ini, jenis koneksi yang sangat kuat, tampak jauh lebih primitif daripada ruang. Misalnya, peneliti dapat membuat dua partikel terbang ke arah yang berlawanan. Jika mereka terjerat, mereka akan tetap terhubung terlepas dari jarak yang memisahkan mereka.
Secara tradisional, ketika orang berbicara tentang gravitasi "kuantum", yang mereka maksud adalah diskresi kuantum, fluktuasi kuantum, dan semua efek kuantum lainnya - bukan belitan kuantum. Semuanya telah berubah berkat lubang hitam. Selama kehidupan lubang hitam, partikel terjerat memasukinya, tetapi ketika lubang hitam menguap sepenuhnya, mitra di luar lubang hitam tetap terjerat - tanpa apa-apa. "Hawking seharusnya menyebutnya sebagai masalah keterjeratan," kata Samir Mathur dari Ohio State University.
Bahkan dalam ruang hampa, di mana tidak ada partikel, medan elektromagnetik dan bidang lainnya terjerat secara internal. Jika Anda mengukur bidang di dua lokasi berbeda, bacaan Anda akan sedikit berfluktuasi, tetapi tetap dalam koordinasi. Jika Anda membagi area menjadi dua bagian, bagian ini akan berkorelasi, dan tingkat korelasinya akan bergantung pada properti geometrik yang dimilikinya: area antarmuka. Pada tahun 1995, Jacobson menyatakan bahwa keterjeratan menyediakan hubungan antara keberadaan materi dan geometri ruangwaktu - yang berarti ia dapat menjelaskan hukum gravitasi. "Lebih banyak keterikatan berarti berkurangnya gravitasi," katanya.
Beberapa pendekatan gravitasi kuantum - terutama teori string - melihat keterjeratan sebagai landasan penting. Teori string menerapkan prinsip holografik tidak hanya pada lubang hitam, tetapi juga pada alam semesta secara keseluruhan, memberikan resep untuk menciptakan ruang - atau setidaknya sebagian darinya. Ruang dua dimensi yang asli akan berfungsi sebagai batas ruang volumetrik yang lebih besar. Dan keterikatan akan mengikat ruang volumetrik menjadi satu kesatuan yang utuh dan berkelanjutan.
Pada tahun 2009, Mark Van Raamsdonk dari University of British Columbia memberikan penjelasan yang elegan untuk proses ini. Misalkan bidang di perbatasan tidak terjerat - mereka membentuk sepasang sistem di luar korelasi. Mereka berhubungan dengan dua alam semesta yang terpisah, yang tidak ada cara komunikasi di antaranya. Ketika sistem menjadi terjerat, semacam terowongan, lubang cacing, terbentuk di antara alam semesta ini dan pesawat ruang angkasa dapat bergerak di antara keduanya. Semakin tinggi tingkat keterjeratan, semakin pendek panjang lubang cacing. Alam semesta bergabung menjadi satu dan tidak lagi terpisah dua. "Munculnya ruangwaktu besar secara langsung menghubungkan keterjeratan dengan derajat kebebasan teori medan ini," kata Van Raamsdonck. Ketika kita melihat korelasi di bidang elektromagnetik dan bidang lainnya, mereka adalah sisa dari kohesi yang mengikat ruang bersama.
Banyak fitur ruang lainnya, selain terhubung, juga dapat mencerminkan keterjeratan. Van Raamsdonk dan Brian Swingle, dari University of Maryland, berpendapat bahwa kemahahadiran keterjeratan menjelaskan universalitas gravitasi - bahwa gravitasi mempengaruhi semua objek dan menyebar ke mana-mana. Untuk lubang hitam, Leonard Susskind dan Juan Maldacena percaya bahwa belitan antara lubang hitam dan radiasi yang dipancarkannya menciptakan lubang cacing - pintu masuk hitam ke lubang hitam. Dengan demikian, informasi dipertahankan dan fisika lubang hitam tidak dapat diubah.
Sementara gagasan teori string ini hanya bekerja untuk geometri tertentu dan merekonstruksi hanya satu dimensi ruang, beberapa ilmuwan telah mencoba menjelaskan ruang dari awal.
Dalam fisika, dan secara umum, dalam ilmu alam, ruang dan waktu menjadi dasar semua teori. Tetapi kita tidak pernah secara langsung memperhatikan ruang-waktu. Sebaliknya, kami menyimpulkan keberadaannya dari pengalaman sehari-hari kami. Kami berasumsi bahwa penjelasan paling logis untuk fenomena yang kita lihat adalah beberapa mekanisme yang berfungsi dalam ruang-waktu. Tetapi gravitasi quantum memberi tahu kita bahwa tidak semua fenomena cocok dengan gambaran dunia seperti itu. Fisikawan perlu memahami apa yang bahkan lebih dalam, seluk beluk ruang, sisi kebalikan dari cermin halus. Jika mereka berhasil, kami akan mengakhiri revolusi yang dimulai Einstein lebih dari seabad yang lalu.
Ilya Khel
