Freddy F. Zen
KETIKA kita memandang langit malam, melihat bertaburannya
bintang-bintang, kadang kita bertanya, berapa luas alam semesta yang
kita tempati. Sampai di mana batasnya. Apakah ada alam semesta lain
seperti yang kita tempati.
Memang, pertanyaan seperti ini selalu muncul, sehingga zaman dahulu
orang mengira bahwa alam semesta adalah ruang kosong dan bumi sebagai
salah satu planet yang berada di dalamnya, berbentuk datar seperti
meja. Jika kita berlayar jauh, maka pada suatu saat akan sampai pada
ujung bumi, kemudian jatuh ke dalam ruang kosong.
Anggapan ini masih dipakai orang sampai pada era Newton. Hanya saja,
pada era tersebut, bumi dan planet lain yang berada di dalamnya
berbentuk bulat, tidak lagi datar. Newton mengemukakan bahwa dinamika
benda-benda dalam jagad raya dapat ditentukan melalui tiga kaidah atau
hukum. Dia mengatakan bahwa jika tidak ada gaya, maka benda diam atau
jika bergerak namun kecepatan tetap, tidak berubah. Kalau ada gaya
yang berlaku, maka menimbulkan percepatan pada benda yang sebanding
dengan jumlah gaya tersebut. Kalau ada gaya aksi, timbul gaya reaksi,
yang arahnya saling berlawanan.
Kembaran Jagad Raya
Secara sederhana, Newton dapat menjelaskan mengapa planet-planet dapat
memutari orbitnya dengan stabil. Sebagai contoh, Bumi memutari
Matahari, karena ada gaya tarik Matahari terhadap Bumi (gaya
sentripetal). Karena gerak Bumi memutar (sistem tidak inersial),
timbul gaya yang arahnya menjauhi Matahari (gaya sentrifugal),
sehingga orbit Bumi stabil (Gambar 1). Bandingkan jika kita sedang
berada di dalam mobil. Ketika berbelok, terasa ada gaya dorong pada
tubuh ke arah luar mobil. Oleh karena itu, pada tikungan yang tajam,
selalu diaspal agak kasar dan badan jalan dibuat agak miring, sehingga
mobil tidak terlempar keluar jalur ketika berbelok.
Pada tahun 1915, beberapa abad setelah Newton, Albert Einstein seorang
pegawai pada kantor paten di Bern Swiss, mengemukakan teori baru yang
memodifikasi teori yang telah ada. Dia memormulasikan teorinya, yang
kemudian dikenal sebagai teori relativitas umum bahwa bentuk alam
semesta sebanding dengan besarnya rapat materi yang ada di jagad raya.
Teori ini sangat revolusioner, yang mengubah pandangan orang tentang
konsep gaya yang diusulkan Newton.
Sebagai akibat sebandingnya materi dan bentuk alam semesta, maka di
sekitar benda yang masif seperti Matahari (bintang yang paling dekat
dalam sistem tata surya kita), ruang-waktunya melengkung. Hal ini
memengaruhi orbit planet dalam tata surya. Jadi, orbit Bumi yang
berputar mengelilingi Matahari bukan karena faktor gaya seperti pada
konsep Newton di atas, tetapi karena menelusuri lengkungan ruang-waktu
(Gambar 2).
Solusi menarik lainnya adalah, dengan menggunakan koordinat Kruskal,
dapat “dipetakan” kehadiran alam semesta lain, yang biasanya dikenal
dengan alam semesta paralel. Pada saat itu, tidak terlalu digubris
solusi ini, karena secara fenomenologis belum pernah diamati, sehingga
“dibuang” saja. Tetapi, pada perkembangan akhir-akhir ini, dengan
kehadiran teori superstring, teori branes, dan dimensi ekstra, orang
mulai menggali lagi kehadiran alam semesta paralel, sehingga jika
solusi ini ada, berarti jagad raya yang kita tempati tidaklah tunggal,
tetapi ada “kembarannya”.
Teori String
Sampai pada tiga dekade lalu, paradigma benda dalam fisika selalu
diambil sebagai titik tak berdimensi (berdimensi nol), bergerak dalam
ruang-waktu yang membentuk garis berdimensi satu atau trayektori. Pada
akhir abad ke-20, para ahli fisika mulai memandang bahwa benda atau
partikel bukanlah titik tak berdimesi, tetapi berupa garis atau tali
(string) dengan ukuran yang sangat kecil (panjang Planck) sekira satu
dibagi angka dengan tiga puluh lima buah angka nol meter (10-35
meter).
Ukuran sekecil itu dapat diukur dengan menggunakan energi yang sangat
tinggi, konon dengan energi sebesar saat alam semesta terbentuk.
Dengan menggunakan pemercepat partikel yang ada sekarang, belum mampu
mengukur panjang “partikel” string. Akibatnya, kemunculan paradigma
baru ini bukan didorong oleh observasi, tetapi lebih kepada hipotesis
dan konsistensi dalam merumuskan teori kuantum gravitasi, yaitu
penggabungan teori gravitasi Einstein dan teori kuantum.
Telah lama diketahui bahwa ada empat interaksi yang memengaruhi
dinamika benda, dari galaksi yang sangat besar sampai partikel yang
sangat kecil seperti quarks, masing-masing interaksi elektromaghnetik,
lemah dan kuat, serta gravitasi. Karena teori yang ada mencakup juga
benda-benda yang sangat kecil, teori yang dibangun haruslah konsisten
dengan teori kuantum. Ketiga interaksi yang pertama dapat dirumuskan
secara konsisten. Sebagai contoh, interaksi dalam model kuantum
elektromagnetik di mediasi oleh foton, partikel cahaya yang tidak
bermuatan listrik dengan massa diam nol.
Seharusnya, interaksi kuantum gravitasi di mediasi oleh graviton,
partikel tidak bermuatan dan tidak bermassa dengan spin dua. Tetapi,
masalahnya interaksi gravitasi tidak konsisten dengan kuantum. Kalau
dipaksakan perumusannya, timbul suku tak hingga (divergensi) dalam
orde perturbasinya (unrenormalizable). Nah, dengan memandang partikel
sebagai string, gravitasi dapat digabung dengan kuantum. Sayangnya,
ada yang harus “dibayar”, yaitu berupa ruang-waktunya bukanlah
berdimensi empat seperti yang kita alami sekarang, tetapi berdimensi
sepuluh (satu dimensi waktu dan sembilan dimensi ruang).
Dengan memodelkan partikel sebagai string, timbul banyak pertanyaan,
misalnya bagaimana menghubungkan string yang berbentuk tali, dengan
partikel titik yang ada sekarang, misalnya elektron, proton, neutron,
dan lain-lain Yang lebih penting, bagaimana model string dapat
mengakomodasi gravitasi. Kita perhatikan Gambar 3a, 3b, 3c. Pada
Gambar 3a, partikel dimodelkan sebagai titik yang tidak berdimensi,
kemudian berpropagasi dalam ruang dan waktu sehingga membentuk
trayektori. Contohnya angkutan kota yang trayeknya (lintasannya)
membentuk garis atau trayektori. Dari prinsip least action, trayek ini
harus menempuh lintasan yang paling optimum.
Dalam kasus angkutan kota, misalnya optimalisasi bergantung pada
banyaknya penumpang dan jarak tempuh. Dalam kasus partikel, energinya
yang diambil optimum, sehingga harus dijumlahkan tiap titik pada
trayek tersebut. Dengan cara ini, didapat persamaan gerak yang
menggambarkan hasil optimum tadi dan telah diverifikasi kesesuaiannya
antara teori dan eksperimen. Perlu ditambahkan bahwa untuk partikel
yang sangat kecil, di mana konsep kuantum berlaku, trayektorinya
banyak sekali, dan yang dioptimalisasi adalah jumlah semua trayek yang
mungkin.
Dengan konsep yang sama, dapat digunakan untuk model string. Bedanya
dengan partikel titik adalah di sini menjumlahkan luas (membrane),
yang bentuknya bisa bermacam-macam, misalnya bentuk bola, bentuk kue
donat, dan lain-lain (Gambar 3b). Untuk menghubungkan dengan dunia
partikel yang telah ditemukan terlebih dahulu, maka eksitasi string
yang frekuensinya berbeda-beda diinterpretasikan sebagai massa
partikel yang ada (Gambar 3c). Misalnya pada keadaan yang paling
dasar, yaitu keadaan tanpa eksitasi, partikelnya disebut tachyon yang
bermassa diam imajiner (berarti partikel selalu bergerak, tidak pernah
diam), sehingga kecepatan geraknya melebihi kecepatan cahaya.
Dark Radiation
Akhir-akhir ini, para ahli fisika meluaskan konsep string lebih jauh.
Bentuk partikel, bahkan jagad raya pun mengambil konsep di atas. Kita
bukan hanya menjumlahkan luas (membrane), tetapi juga balok atau
bentuk berikutnya, atau dikenalkan istilah Dimension-branes
(D-branes). Misalnya untuk dimensi D=1 disebut string (1-branes atau
membranes). Bentuk balok berkaitan dengan D=2. Alam semesta kita
mempunyai dimensi ruang D=3 dikenal sebagai 3-branes.
Dengan menggunakan konsep teori gabungan (teori M) dalam ruang-waktu
sebelas dimensi, kemudian enam dimensinya dikompaktifikasi menjadi
panjang Planck, sehingga bersisa lima buah dimensi (satu dimensi waktu
dan empat dimensi ruang). Selanjutnya satu dimensi ruang digunakan
untuk merangkaikan bentuk 3-branes yang diilustrasikan pada Gambar 4
(F.P. Zen, et.al, Journal of High Energy Physics, 2006). Masing-masing
3-branes menduduki posisi tertentu pada rentang dimensi kelima,
sehingga (seharusnya) pengaruh alam semesta paralel dapat di deteksi
pada jagad raya kita. Ini berarti pula kita telah mengambil alam
semesta dan “kembarannya” untuk menggambarkan dinamika dalam
kosmologi.
Konsekuensi yang menarik pada konsep ini adalah dapat dijelaskan
kehadiran dark radiation dan dark matter dalam konsep kosmologi.
Kehadiran kedua “dark” tadi untuk menjelaskan mengapa alam semesta
berekspansi mengembang, bukannya mengecil. Berarti mengembangnya alam
semesta saat ini disebabkan karena kehadiran materi dan energi dari
alam semesta paralel. Walaupun belum ditemukan bukti secara langsung
kehadiran alam semesta paralel, tetapi setidak-tidaknya secara
matematis dapat memecahkan beberapa problem dalam kosmologi (dan
sekaligus menimbulkan problem lain). Mungkin ini akan dijelaskan dalam
artikel lain.
Posted by Freddy P. Zen
Sumber Pikiran Rakyat (2 Februari 2006)
)
. Tapi waktu-waktu itu memang penuh dengan perjuangan, dan hasilnya pun berakhir manis, kami berlima berhasil masuk ke lingkungan profesi yang kami inginkan masing-masing, Prima dan Eka ke FKUI, Inung ke Elektro ITB, Giri ke Tekim ITB, dan penulis sendiri terdampar di IF ITB. Damn I really missed you all! 
