TENTANG KONSEP PENCIPTAAN ALAM SEMESTA
C. Teori Segalanya
Hawking mulai bekerja secara serius tentang alam semesta awal, masalah yang terus digelutinya hingga kini. Dalam makalah yang disajikan di Vatican, dia memperkenalkan Model Tanpa Ujung, gagasan terakhirnya dan paling radikal. Inilah upaya untuk menerapkan mekanika kuantum35 dalam persoalan singularitas pada permulaan alam semesta.
Dalam model dentuman besar alam semesta, teori relativitas umum memberikan gambaran meyakinkan tentang evolusi alam semesta dari beberapa saat setelah t=0 hingga hari ini. Namun, Hawking bisa menunjukan bahwa pada titik mula itu relativitas umum meramalkan suatu titik singularitas dan di titik itu teori relativitas umum menjadi runtuh. Ini merupakan teori klasik. Ruang dan waktu tidak dapat digambarkan lagi dengan persamaan Einstein ketika materi runtuh dengan kerapatan tak berhingga. Bagaimana mungkin fisika dapat meramalkan alam semesta jika
34
Hukum-hukum itu merupakan ide dasar pembentukan sistem yang saling mengandalkan, sehingga jika hukum-hukum itu dilepaskan hubungannya satu dari yang lain, tidak mempunyai makna (Riswanto, Sistem-sistem Metafisika Barat Dari Aristoteles Sampai Derrida, Yogyakarta: Pustaka Pelajar, 1998, hlm. 149)
35
Mekanika Kuantum adalah cabang fisika yang sesuai dengan fenomena sub mikroskopik seperti gerak partikel tunggal dalam foton, (William J Kaufirmann, Universe, thirh
semua hukum fisika runtuh pada saat dentuman besar? Teori kuantum harus diterapkan.36
Berpijak dari persoalan ini, Hawking dan rekannya, Jim Hartle dari Universitas California menggunakan Model Tanpa Ujung untuk membangun suatu gagasan baru dalam Kosmologi Kuantum. Berbeda dengan pendekatan terdahulu, Hawking dan Hartle menggunakan variable waktu imajiner37 untuk mempelajari singularitas dentuman besar.
Pada saat lahir, seluruh alam semesta dalam keadaan kuantum. Jadi Hawking dan Hartle memperlakukan alam semesta sebagai suatu sistem kuantum tunggal untuk menentukan fungsi gelombangnya. Dengan kata lain, mereka menerapkan prinsip mekanika kuantum standar pada seluruh alam semesta “sebelum” dentuman besar terjadi. Pencarian ini disebut gravitasi kuantum atau TOE, theory of everything.38 Sehingga muncul gagasan teori-M sebagai calon teori segalanya, yang baru digagas dengan Leonard Mlodinow, dalam bukunya “The Grand Design”. Yang akan menjadi pembahasan utama di sini.
Di awal pembahasan terkait Teori segalanya, Hawking memulai dengan pernyataan sekaligus pertanyaan bahwa alam semesta dapat dimengerti karena diatur hukum-hukum sains; artinya, perilakunya dapat digambarkan dengan model. Tapi apa sebenarnya hukum atau model?
36
J.P McEvoy dan Oscar Zarate. Mengenal Hawking For Beginners. Terj. Ahmad Baiquni (Bandung: Mizan, Cet. 2, 1999) h. 152-153
37
Waktu dibagi menjadi dua komponen terpisah: waktu imajiner dan waktu real. Berbeda dengan waktu real, waktu imajiner tidak hilang ketika dentuman besar terjadi. Dengan demikian, teori ini bisa diterapkan di titik singularitas. (J.P McEvoy dan Oscar Zarate. Mengenal Hawking
For Beginners. Terj. Ahmad Baiquni (Bandung: Mizan, Cet. 2, 1999) h. 157)
38
J.P McEvoy dan Oscar Zarate. Mengenal Hawking For Beginners. Terj. Ahmad Baiquni (Bandung: Mizan, Cet. 2, 1999) h. 154
Dijelaskan perjalanan hukum fisika, dimulai dari hukum gravitasi Newton, gaya elektromagnetisme Orsted, medan gaya (force field) Faraday, cahaya gelombang elektromagnetik Maxwell, sampai pada teori relativitas Einstein.
Walau sama-sama merevolusi fisika, teori elektromagnetisme Maxwell dan teori gravitasi Einstein –relativitas umum- sama-sama teori klasik seperti fisika Newton. Artinya, kedua teori itu merupakan model yang menganggap alam semesta punya sejarah tunggal dan pada tingkat atom dan sub-atom model-model tersebut tak cocok dengan pengamatan. Sebaliknya, harus digunakan teori kuantum yang menyatakan alam semesta bisa memiliki sejarah apapun yang mungkin, masing-masing dengan intensitas atau amplitudo probabilitas sendiri-sendiri. Untuk perhitungan praktis yang melibatkan dunia sehari-hari, kita bisa terus menggunakan teori klasik, tapi jika ingin mengerti perilaku atom dan molekul, kita perlu versi kuantum teori elektromagnetisme Maxwell; dan jika ingin mengerti awal alam semesta, ketika segala zat dan energi di alam semesta termampatkan dalam volume kecil, maka kita harus punya versi kuantum teori relativitas umum.39 Untuk benda-benda yang bergerak sangat cepat dan memiliki ukuran yang kecil (yang sesuai dengan fisika partikel modern) maka menggunakan kombinasi dua buah teori yaitu teori relativitas yang dikombinasikan dengan prinsip-prinsip kuantum, ini adalah mekanika kuantum relativistik yang saat ini dikenal dengan nama teori
39
Stephen Hawking, Leonard Mlodinow. The Grand Design, terj. Zia Ansor. (Jakarta: Gramedia Pustaka, 2010) h. 110
medan kuantum, yang ditemukan pada tahun 30 dan 40-an, tetapi hingga saat ini teori tersebut belum bisa dianggap sebagai teori yang sempurna.40
Gaya-gaya yang sudah dikenal di alam bisa dibagi menjadi empat kelas:
1. Gravitasi. Inilah gaya terlemah diantara empat kelas gaya, tapi berjangkauan jauh dan berlaku sebagai gaya tarik bagi segala hal di alam semesta. Artinya bagi benda-benda besar gaya gravitasi menumpuk dan bisa mengalahkan semua gaya lain.
2. Elektromagnetisme. Gaya ini juga berjangkauan jauh dan jauh lebih kuat daripada gravitasi, tapi hanya berlaku bagi zarah bermuatan listrik, bersifat tolak menolak bagi muatan sejenis dan tarik menarik bagi muatan berlainan jenis. Artinya gaya listrik antara benda-benda besar saling meniadakan, tapi mendominasi pada skala atom dan molekul. Gaya elektromagnetik bertanggungjawab atas segenap kimia dan biologi.
3. Gaya nuklir lemah (weak nuclear force). Gaya ini menyebabkan radioaktivitas dan berperan penting pada pembentukan unsur-unsur di bintang-bintang dan awal alam semesta. Tapi kita tak menemui gaya ini dalam kehidupan sehari-hari.
4. Gaya nuklir kuat (strong nuclear force). Gaya ini menyatukan proton dan neutron dalam inti atom. Gaya ini juga menjaga keutuhan proton dan neutron sendiri, yang diperlukan karena keduanya terbuat dari zarah-zarah yang lebih kecil lagi, kuark. Gaya kuat adalah sumber
40
http://kurniafisika.wordpress.com/2009/08/20/apakah-elektrodinamika-itu-dan-bagaimana-letaknya-dalam-fisika. Diakses pada tanggal, 23 September 2013
energi matahari dan nuklir, tapi sebagaimana gaya lemah, kita tak berhubungan langsung dengannya.41
Gaya pertama yang mendapat versi kuantum adalah elektromagnetisme. Teori kuantum medan elektromagnetik, disebut elektrodinamika kuantum (quantum electrodynamics, QED) adalah teori medan kuantum relativistik tentang elektrodinamika. Teori ini menjelaskan bagaimana cahaya dan materi berinteraksi dan merupakan teori pertama yang mencapai kesesuaian antara mekanika kuantum dan relativitas khusus. QED menggambarkan secara matematis semua fenomena yang melibatkan partikel bermuatan listrik. Salah satu pendiri teori QED, Richard Feynman,42 yang dikembangkan pada tahun 1940-an.
Memang Feynman menyediakan bantuan amat besar bagi para ahli fisika untuk menggambarkan dan menghitung peluang proses-proses yang dijabarkan QED. Tapi diagram Feynman tak mengatasi satu kekurangan penting teorinya: Kalau sumbangan dari beraneka sejarah yang tak terhingga dijumlahkan, hasilnya tak terhingga juga. (jika nilai sumbangannya mengecil cukup pesat, mungkin saja hasil penjumlahannya terhingga, tapi sayangnya itu tak berlaku di sini.) kalau diagram-diagram Feynman dijumlahkan, jawabannya seolah menyiratkan bahwa elektron punya massa dan muatan tak terhingga. Itu absurd karena kita bisa
41
Stephen Hawking, Leonard Mlodinow. The Grand Design, terj. Zia Ansor. (Jakarta: Gramedia Pustaka, 2010) h. 111
42
http://id.wikipedia.org/wiki/Elektrodinamika_kuantum. Diakses pada tanggal, 23 September 2013
mengukur massa dan muatannya, dan nilainya terhingga. Untuk mengatasi ketakterhinggaan, dikembangkan prosedur yang disebut renormalisasi.43
Keberhasilan renormalisasi dalam QED menggalakkan upaya mencari teori medan kuantum yang menjabarkan tiga gaya lain di alam. Tapi pembagian gaya-gaya alam menjadi empat kelas barangkali bersifat artifisial dan disebabkan ketidakpahaman kita. Oleh karena itu orang telah mencari-cari teori segalanya (theory of everything) yang akan mempersatukan empat kelas itu dalam satu hukum yang cocok dengan teori kuantum. Kiranya itulah yang paling dicari-cari dalam fisika.44
Satu tanda bahwa pemersatuan adalah pendekatan yang benar berasal dari teori gaya lemah. Teori medan kuantum yang menjabarkan gaya lemah saja tak bisa direnormalisasi; artinya, dalam teori itu ada nilai tak terhingga yang tak bisa ditiadakan dengan mengurangi sejumlah terhingga besaran seperti massa dan muatan. Namun pada tahun 1967 Abdus Salam dan Steven Weinberg secara terpisah mengajukan satu teori yang mempersatukan elektromagnetisme dan gaya lemah, dan mendapati bahwa pemersatuan itu membereskan masalah masalah nilai tak terhingga. Gaya hasil pemersatuan itu disebut gaya elektrolemah (elektroweak force). Teorinya dapat direnormalisasi, dan memprediksi tiga zarah baru yang disebut , , dan . Gaya kuat bisa direnormalisasi sendiri dalam teori yang disebut kromodinamika kuantum (quantum chromodynamics,
43
Proses renormalisasi melibatkan pengurangan besar-besaran yang didefinisikan terhingga dan ngatif dengan cara sedemikian, sehingga dengan perhitungan matematis saksama, hasil penjumlahan nilai-nilai tak terhingga negatif dan positif yang muncul dalam teori nyaris saling meniadakan, menyisakan selisih kecil, nilai massa dan muatan yang terhingga dan teramati. (Stephen Hawking, Leonard Mlodinow. The Grand Design, terj. Zia Ansor. (Jakarta: Gramedia Pustaka, 2010) h. 115-116
44
Stephen Hawking, Leonard Mlodinow. The Grand Design, terj. Zia Ansor. (Jakarta: Gramedia Pustaka, 2010) h. 117
QCD). Menurut QCD, proton, neutron, dan banyak zarah dasar zat lain terbuat dari quark, yang punya sifat menakjubkan yang oleh para ahli fisika disebut warna.45
Sesudah mempersatukan gaya lemah dan elektromagnetik, ahli-ahli fisika pada tahun 1970-an mencari cara memasukkan gaya kuat ke dalam teori itu. Ada sejumlah teori terpadu agung (grand unified theory, GUT) yang mempersatukan gaya kuat dengan gaya lemah dan elektromagnetisme, tapi kebanyakannya memprediksi bahwa proton, bahan pembangun kita, seharusnya meluruh (decay) sesudah rata-rata tahun. Itu masa hidup
yang panjang sekali, mengingat alam semesta saja baru berumur
tahun. Tapi dalam fisika kuantum, ketika kita berkata rata-rata masa hidup zarah adalah tahun, artinya bukanlah sebagian besar zarah ada selama
sekitar tahun, serta sebagian lebih panjang dan sebagian lebih pendek
umurnya. Sebaliknya, yang dimaksudkan adalah bahwa tiap tahun tiap zarah punya peluang meluruh 1 per .46
Karena bukti pengamatan terdahulu juga telah gagal menyokong GUT, maka sebagian besar ahli fisika menggunakan teori sementara yang disebut model standar (standard model), yang terdiri atas teori elektromagnetik dan gaya lemah yang sudah dipersatukan dan QCD sebagai teori gaya kuat. Tapi dalam model standar, gaya elektrolemah dan gaya kuat bertindak terpisah dan tak benar-benar dipersatukan. Model standar amat berhasil dan cocok dengan semua bukti pengamatan yang ada
45
Color maknanya diistilahkan “kromodinamika”, walau “warna” kuark hanyalah label
praktis tak ada hubungan dengan warna yang bisa dilihat. Stephen Hawking, Leonard Mlodinow. The Grand Design, terj. Zia Ansor. (Jakarta: Gramedia Pustaka, 2010) h. 117
46
Stephen Hawking, Leonard Mlodinow. The Grand Design, terj. Zia Ansor. (Jakarta: Gramedia Pustaka, 2010) h. 119-120
sekarang, tapi pada akhirnya tak memuaskan karena, selain belum menyatukan gaya elektromagnetik dan gaya kuat, model itu juga belum mencakup gravitasi.47
Boleh jadi memadukan gaya kuat dengan gaya elektromagnetik dan gaya lemah itu terbukti sukar, tapi perkara barusan tidak ada apa-apanya dibanding perkara menggabungkan gravitasi dengan ketiga gaya lain, atau menciptakan teori gravitasi kuantum yang berdiri sendiri. Pada 1976 ditemukanlah satu kemungkinan cara pemecahan masalah itu. Namanya supergravitasi (supergravity).48
Gagasan supersimetri adalah kunci penemuan supergravitasi, tapi konsep itu sebenarnya berawal bertahun-tahun sebelumnya ketika para ahli teori mempelajari teori baru bernama teori dawai (string theory). Menurut teori dawai, zarah bukan berupa titik, melainkan pola getaran yang punya panjang tapi tak punya tinggi dan lebar, seperti utas dawai yang tak terhingga tipisnya, teori dawai juga mengarah kepada ketakterhinggaan, tapi dipercaya bahwa dalam versi tepatnya ketakterhinggaan dalam teori tersebut akan saling meniadakan. Ada lagi satu sifat luar biasa ketakterhinggaan dalam teori dawai: hanya konsisten apabila ruang-waktu punya sepuluh dimensi, bukan hanya empat. Jika sepuluh dimensi benar
47
Stephen Hawking, Leonard Mlodinow. The Grand Design, terj. Zia Ansor. (Jakarta: Gramedia Pustaka, 2010) h. 120-121
48Awalan “super” bukan ditambahkan karena para ahli fisika menganggap teori gravitasi
kuantum tersebut “super” dan ampuh. “Super” merujuk kepada jenis simetri yang ada dalam teori
itu disebut supersimetri (supersymetry). (Stephen Hawking, Leonard Mlodinow. The Grand Design, terj. Zia Ansor. (Jakarta: Gramedia Pustaka, 2010) h. 123)
ada, maka mengapa kita tak melihatnya? Menurut teori dawai, sepuluh dimensi melengkung menjadi ruang berukuran amat kecil.49
Selain persoalan dimensi, teori dawai diganggu persoalan merepotkan lain. Tampaknya ada minimal lima teori berbeda dan jutaan cara dimensi ekstra bisa tergulung, terlalu banyak kemungkinan bagi mereka yang menyatakan bahwa teori dawai adalah teori segalanya yang unik. Lalu, sekitar tahun 1994, orang mulai menemukan dualitas, bahwa berbagai teori dawai, dan berbagai cara menjabarkan fenomena yang sama dalam empat dimensi. Selain itu, mereka menemukan bahwa supergravitasi juga berhubungan dengan cara demikian dengan teori-teori lain. Para pemikir teori dawai sekarang yakin bahwa lima teori dawai yang berbeda dengan supergravitasi hanyalah pendekatan yang berbeda-beda terhadap satu teori yang lebih mendasar, dan masing-masingnya sah dalam situasi berbeda.50
Teori dawai menyatakan bahwa quark dan lepton51 bekerja karena adanya dawai energi yang menjadi struktur internal penghubung keduanya. Dawai energi tersebut berosilasi dengan frekuensi tertentu dan menurut teori ini perbedaan frekuensi itulah yang menyebabkan adanya karakter unik pada partikel-partikel fundamental. Massa dan muatan dari partikel juga termasuk dalam kategori karakter yang unik yang diatur oleh frekuensi osilasi dawai.
49
Stephen Hawking, Leonard Mlodinow. The Grand Design, terj. Zia Ansor. (Jakarta: Gramedia Pustaka, 2010) h. 124-125
50
Stephen Hawking, Leonard Mlodinow. The Grand Design, terj. Zia Ansor. (Jakarta: Gramedia Pustaka, 2010) h. 126
51
Quark adalah partikel fundamental yang memiliki muatan listrik kelipatan pecahan dari muatan listrik elektron. Lepton adalah merupakan salah satu golongan partikel fundamental yang terdiri dari elektron, muon, dan tau, serta tiga jenis neutrino. Lihat http://www.fisikanet.lipi.go.id, diakses pada tanggal 30 Oktober 2013.
Target utama teori dawai adalah penyatuan fenomena mikro dan makroskopik. Meskipun teori ini sempat berkembang pesat dengan adanya pembuktian matematis dari beberapa fisikawan pada tahun 1980an, sekarang teori ini mengalami banyak kemunduran usai keluarnya teori M yang mengoreksi begitu banyak kontroversi dalam teori dawai.
Yang pertama adalah teori ini membutuhkan begitu banyak dimensi untuk dipahami. Teori dawai membutuhkan 10 dimensi untuk dapat dipahami. Yakni, dimensi ruang–waktu dan enam dimensi tambahan. Sedangkan teori M membutuhkan 11 dimensi untuk menjelaskan matematikanya. Memang sulit untuk memahaminya dalam realita kehidupan sehari-hari. Masalahnya adalah dimensi itu sendiri dibuat melalui pengolahan matematis yang rumit dan juga sampai saat ini belum ada alat yang membantu kita meneropong cakrawala dimensi tambahan tersebut. Jadi hanya manipulasi matematis yang mengintegrasikan seluruh dimensi yang diperlukan dalam memahami teori dawai energi ini.
Yang kedua, dengan skala kerja 10-33 meter, teori ini menjadi sesuatu yang sangat sulit dibuktikan. Pasalnya, daerah jarak kerja fisika partikel hanya mencapai orde femto -yakni sekitar 10-15 meter. Skala ini merupakan subatomik terkecil yang mampu diaplikasikan dan diorientasikan dengan komputer supercanggih yang memiliki flop orde tera
sekalipun.52
Kasus terakhir adalah Superconducting Super Collider (SSC) yang merupakan laboratorium tumpuan bagi pembuktian prediksi teori
52
http://visitfisika.wordpress.com/2008/02/25/teori-segalanya-part-1-teori-dawai. Diakses pada tanggal 23 September 2013
superdawai. Pada 1993, kongres Amerika membuat keputusan untuk menghentukan SSC tersebut sehingga pupuslah harapan untuk menguji kebenaran teori superdawai. Meskipun demikian, sebagian ahli masih terus mengembangkan teori yang sangat indah secara matematis ini, dan teori superdawai menjadi teori teori kuasi keyakinan. Artinya, setiap ahli dapat mempunyai rumusan sendiri dan masing-masing boleh bertahan dan merasa benar dengan gagasannya sepanjang lgika matematisnya dipenuhi karena memang tidak ada hakim berupa laboratorium yang memutuskan gagasan mana yang sesungguhnya benar.53