Teori yang jelas-jelas “cukup gila” untuk menjadi unified field theory adalah teori string, atau Teori-M. Teori string mempunyai sejarah yang barangkali paling ganjil dalam catatan fisika. Ia ditemukan secara kebetulan sama sekali, diterapkan pada persoalan yang keliru, diasingkan sampai tidak dikenal, dan tiba-tiba dihidupkan kembali sebagai theory of everything. Dan menurut analisis terakhir, karena mustahil membuat penyesuaian kecil tanpa merusak teori, ia akan menjadi “theory of everything” atau “theory of nothing” belaka.
Alasan atas sejarah aneh ini adalah bahwa teori string berkembang secara terbalik. Normalnya, dalam sebuah teori seperti misalnya relativitas, seseorang memulai dengan prinsip-prinsip fisika fundamental. Kemudian, prinsip-prinsip ini diasah pada seperangkat persamaan klasik dasar. Terakhir,
dia mengkalkulasi fluktuasi quantum pada persamaan-persamaan ini. Teori string berkembang terbalik, memulai dengan penemuan teori quantumnya secara kebetulan; fisikawan masih memikirkan prinsip fisika apa saja yang memandu teori tersebut.
Awal-mula teori string bermula pada tahun 1968, ketika dua fisikawan belia di laboratorium nuklir di CERN, Genewa, Gabriele Veneziano dan Mahiko Suzuki, secara terpisah membalik-balik halaman sebuah buku matematika dan menemukan fungsi Euler Beta, sebuah ekspresi matematika samar dari abad 18 yang ditemukan oleh Leonard Euler, yang anehnya menguraikan dunia subatom. Mereka terheran bahwa rumus abstrak matematika ini menguraikan tubrukan dua partikel meson π pada energi sangat besar. Tak lama kemudian, model Veneziano menciptakan sensasi luar biasa dalam fisika, dengan ratusan
paper yang berupaya menggeneralisirnya untuk menguraikan gaya nuklir.
Dengan kata lain, teori ini ditemukan murni secara kebetulan. Edward Witten dari Institute for Advanced Study (sosok yang diyakini banyak orang sebagai mesin kreatif di balik banyak terobosan mempesona dalam teori ini) mengatakan, “Menurut aturan, fisikawan abad 20 semestinya tidak punya hak untuk mempelajari teori ini. Menurut aturan, teori string semestinya tidak ditemukan.”
Saya ingat dengan gamblang kegemparan yang ditimbulkan teori string. Saat itu saya masih menjadi mahasiswa sarjana fisika di Universitas California, Berkeley, dan saya ingat melihat para fisikawan menggelengkan kepala dan menyatakan bahwa fisika seharusnya tidak seperti ini. Di masa lalu, fisika biasanya didasarkan pada observasi alam secara detail dan menyusahkan, merumuskan beberapa hipotesis parsial, menguji ide dengan data secara seksama, dan kemudian mengulangi proses tersebut, lagi dan lagi. Teori string adalah metode naluriah yang didasarkan pada penebakan jawaban belaka. Jalan pintas yang menyesakkan nafas seperti itu seharusnya tidak terjadi.
Karena partikel-partikel subatom tidak dapat dilihat sekalipun dengan instrumen kita yang paling hebat, fisikawan mengambil jalan yang brutal namun efektif untuk menganalisa mereka, menubrukkan mereka secara bersama-sama dengan energi sangat besar. Miliaran dolar telah dihabiskan untuk membangun “atom smasher”, atau akselerator partikel, yang panjangnya bermil-mil, menciptakan sorot partikel subatom yang saling bertubrukan. Fisikawan lalu menganalisis dengan teliti puing dari tubrukan
tersebut. Sasaran dari proses menyusahkan dan berat ini adalah menyusun serangkaian bilangan, yang disebut scattering matrix (matriks berpencar), atau S-matrix. Kumpulan bilangan ini sangat krusial karena meng-encode semua informasi fisika subatom di dalamnya—dengan kata lain, jika seseorang mengetahui S-matrix, dia bisa menyimpulkan semua atribut/sifat partikel unsur.
Salah satu sasaran fisika partikel unsur adalah memprediksikan struktur matematis S-matrix untuk interaksi [nuklir] kuat, sebuah sasaran yang begitu sulit sampai-sampai beberapa fisikawan merasa yakin itu di luar jangkauan fisika yang dikenal. Maka seseorang bisa membayangkan sensasi yang ditimbulkan oleh Veneziano dan Suzuki ketika mereka cukup menebak S-matrix dengan membolak-balik halaman sebuah buku matematika.
Modelnya sama sekali berbeda dari yang pernah kita lihat sebelumnya. Biasanya, ketika seseorang mengajukan teori baru (seperti quark), fisikawan mencoba menguji teori tersebut secara sembarang, mengubah parameter-parameter sederhana (seperti massa partikel atau kekuatan keberpasangan). Tapi model Veneziano dibuat dengan begitu halus sehingga disturbansi sekecil apa pun pada kesimetrian dasarnya akan merusak seluruh rumus. Seperti pada potongan kristal yang dibuat secara halus, setiap upaya untuk mengubah bentuknya akan menghancurkannya.
Dari ratusan paper yang secara sepele memodifikasi parameternya, sehingga merusak keindahannya, tak ada yang bertahan sampai hari ini. Paper yang masih diingat hanyalah paper yang berusaha memahami mengapa teori tersebut bekerja—yakni, paper yang mencoba mengungkap kesimetriannya. Akhirnya, fisikawan tahu bahwa teori tersebut tidak mempunyai parameter yang bisa disetel-setel sama sekali.
Model Veneziano, betapa pun luar biasa, masih mempunyai beberapa persoalan. Pertama, fisikawan menyadari bahwa itu hanya penaksiran paling awal terhadap S-matrix final dan bukan merupakan gambaran menyeluruh. Bunji Sakita, Miguel Virasoro, dan Keiji Kikkawa, kala itu di Universitas Wisconsin, menyadari bahwa S-matrix bisa dipandang sebagai serangkaian suku tak terhingga, dan bahwa model Veneziano hanyalah suku pertama dan terpenting dalam rangkaian itu. (Kasarnya, tiap-tiap suku dalam rangkaian mewakili jumlah cara partikel-partikel saling menubruk. Mereka mempostulatkan beberapa aturan yang dengannya seseorang bisa menyusun suku lebih tinggi dalam penaksiran mereka.
Untuk tesis Ph.D. saya, saya memutuskan menyelesaikan program ini dengan teliti dan menyusun semua kemungkinan koreksi untuk model Veneziano. Bersama-sama dengan kolega saya, L. P. Yu, saya mengkalkulasi set suku koreksi yang tak terhingga untuk model tersebut.)
Terakhir, Yoichiro Nambu dari Universitas Chicago dan Tetsuo Goto dari Universitas Nihon mengidentifikasi fitur kunci yang membuat model tersebut bekerja—string yang bervibrasi. (Penelitian pada jalur ini dikerjakan pula oleh Leonard Susskind dan Holger Nielsen.) Ketika sebuah string bertubrukan dengan string lain, itu menghasilkan S-matrix yang diuraikan oleh model Veneziano. Menurut gambaran ini, setiap partikel tak lain adalah vibrasi atau not string. (Nanti saya bahas konsep ini secara detail.)
Kemajuan berjalan sangat pesat. Pada 1971, John Schwarz, André Neveu, dan Pierre Ramond menggeneralisir model string agar mencakup komponen baru yang disebut spin (putaran/pusingan), menjadikannya sebagai kandidat realistis untuk interaksi partikel. (Semua partikel subatom, sebagaimana akan kita lihat, terlihat berpusing seperti gasing mini. Jumlah pusingan tiap partikel subatom, dalam satuan quantum, adalah bilangan bulat seperti 0, 1, 2, atau bilangan bulat setengah seperti ½, 3/2. Yang luar biasa, string Neveu-Schwarz-Ramond itu persis menghasilkan pola pusingan ini.)
Namun, saya masih belum puas. Model dual resonansi tersebut, sebagaimana sebutannya saat itu, merupakan sekumpulan rumus dan aturan aneh yang longgar. Selama 150 tahun sebelumnya, seluruh fisika didasarkan pada “medan”, sebab diperkenalkan pertama kali oleh fisikawan Inggris, Michael Faraday. Bayangkan garis-garis medan magnet yang dihasilkan oleh sebatang magnet. Seperti jaring laba-laba, garis-garis gaya merembesi seluruh ruang. Di setiap titik di ruang, Anda dapat mengukur kekuatan dan arah garis-garis gaya magnet. Demikian halnya, sebuah medan adalah objek matematis yang memikul harga-harga berbeda di setiap titik di ruang. Karenanya, medan tersebut menentukan ukuran kekuatan gaya magnet, listrik, atau nuklir di setiap titik di alam semesta. Atas alasan ini, uraian fundamental mengenai listrik, magnetisme, gaya nuklir, dan gravitasi didasarkan pada medan. Mengapa string mesti berbeda? Yang dibutuhkan adalah “field theory of
string” (teori string medan) yang memungkinkan seseorang meringkas seluruh
kandungan teori ke dalam persamaan tunggal.
Pada 1974, saya memutuskan mengerjakan persoalan ini. Bersama kolega saya, Keiji Kikkawa dari Universitas Osaka, saya berhasil menggali teori