HYPERDIMENSIONAL – BRANE WORLD : HYPERSPACE (MULTIVERSE)


Fisika Quantum

Mulai dari sini tulisan saya akan lebih rumit untuk diikuti, saya pun menemukan kesulitan dalam menuliskannya. Kehadiran Einstein yang cemerlang dan teorinya yang memukau membangkitkan semangat seluruh fisikawan teoretis diseluruh dunia. Gagasan-gagasan baru diajukan dalam waktu yang hampir bersamaan. Pada kesempatan ini saya hanya akan menyinggung yang penting-penting saja.

James Clerk Maxwell

Listrik (electricity) adalah sebuah forsa. Magnet juga febuah forsa. Orang menemukan bahwa listrik dan magnet adalah relevan, keduanya saling berpengaruh. James Clerk Maxwell berhasil menggabungkan kedua forsa tersebut menjadi sebuah forsa fundamental alam lainnya selain forsa gravitasi, yaitu forsa Electromagnetic (EM). Forsa EM dihasilkan oleh alam setiap saat, bahkan setiap partikel membawa muatan listrik yang mempengaruhi secara signifikan interaksi antar pertikel.

Maxwell mengirimkan sebuah paper kepada Einstein untuk dipublikasikan. Maxwell meyakini bahwa selain forsa gravitasi yang merambat pada dan melengkungkan ruang, forsa EM juga demikian, dan forsa EM memerlukan ruang untuk merambat. Tapi dimana? Untuk menjawab ini maka Maxwell mengusulkan sebuah dimensi ruang tambahan agar Forsa EM tersebut dapat merambat. Einstein menerima ide Maxwell ini. Diterimanya sebuah dimensi ruang tambahan adalah sebuah momentum awal manusia dalam mengkoreksi cara pandang terhadap alam. Lalu, dimana letak dimensi tambahan ini? Mengapa kita tidak melihatnya?

Ilmuan lain, Kaluza dan Klein mengusulkan bahwa dimensi extra itu sangat kecil. Bayangkan saja bila anda melihat sebuah kawat listrik dari jauh. Anda melihat kawat tersebut sangat kecil bagaikan sebuah tali yang memiliki panjang saja tanpa lebar. Namun bila kita melihat dari jarak yang sangat dekat, misalkan dari pandangan seekor semut, maka seekor semut itu dapat bergerak maju, mundur serta berputar ke kanan dan ke kiri di badan kawat listrik tersebut. Inilah dimensi extra yang tak tampak tesebut. Kaluza-Klein mengusulkan bahwa dimensi extra berukuran sangat kecil di setiap titik lokasi pada ruang. Karena terlalu kecil maka ia tak terlihat.

Einstein terinspirasi oleh forsa EM ini dan meyakini bahwa untuk mengerti alam ini secara fundamental maka forsa Gravitasi harus bisa disatukan dengan forsa EM. Sebuah penggabungan atau unification. Sejak saat itu seluruh hidupnya dihabiskan untuk menemukan sebuah rumusan tunggal yang mampu menjelaskan forsa gravitasi dan EM.

Sementara itu Neils Bohr memperkenalkan model atomnya yang diterima dengan baik, yaitu bahwa atom terdiri dari inti, inti terbentuk dari proton yang bermuatan positif dan neutron yang bermuatan netral, di sekitar inti mengorbit electron yang bermuatan negatif.

Di sinilah orang mulai berpikir pada semesta yang sangat kecil. Untuk mengerti perilaku alam semesta secara keseluruhan, maka orang harus mengerti interaksi antar partikel. Penelitian ini menghantarkan orang pada alam sub-atomic. Disinilah lahirnya fisika quantum.

Jika Teori Relativitas menjelaskan alam semesta dalam ukuran besar, maka fisika quantum menjelaskan alam semesta dalam ukuran sangat kecil.

Namun terjadi sebuah kontradiksi. Pada ukuran alam yang sangat kecil ini, gravitasi bagaikan tidak punya gigi. Maksudnya, forsa gravitasi tidak memiliki peran sama sekali dalam reaksi antar partikel. Malahan, fisikawan berhasil menemukan forsa fundamental lainnya, yaitu forsa nuklir Kuat (Strong Nuclear Force) yang merekatkan inti atom pada tempatnya, dan forsa nuklir lemah (Weak Nuclear Force) yang menyebabkan peluruhan atom atau radiasi.

Sejauh ini telah ditemukan seluruh forsa fundamental alam. Mereka adalah forsa gravitasi, forsa electromagnetic, forsa nuklir kuat dan forsa nuklir lemah. Ditinjau dari kekuatan energi-nya, maka forsa nuklir kuat adalah yang terkuat. Ini telah dibuktikan dengan dibuatnya bom atom. Peledakan bom atom adalah sebuah pelepasan energi forsa nuklir kuat yang disebabkan oleh pemisahan partikel pada inti atom. Pemecahan inti atom ini membuat luruhnya (radiasi) atom yang energi-nya (energi forsa nuklir lemah) masih dapat dideteksi hingga sekarang.

Forsa gravitasi adalah yang terlemah di antara ketiganya. Bila dibandingkan dengan forsa EM saja, maka forsa EM trilyunan kali lebih kuat. Forsa Gravitasi hanya dapat dirasakan pada benda-benda ber-massa sangat besar seperti planet dan bintang. Pada alam quantum, forsa gravitasi tidak memiliki pengaruh, karena kekuatan forsa ini terlalu kecil untuk diperhitungkan.

Sebuah dilema dan masalah serius bagi fisikawan. Unification mengalami kendala.

Pada kesempatan lain, Roger Penrose dan Stephen Hawking mendalami sebuah fenomena alam, yaitu keruntuhan bintang. Sebuah bintang dapat runtuh bila setiap partikel yang membentuknya kehilangan energi. Electron yang kehabisan energi akan jatuh ke inti atom. Ukuran atom mengkerut sangat signifikan sehingga ukuran bintang itu pun mengkerut ke ukuran yang sangat kecil. Namun demikian, forsa gravitasi tidak berubah. Singkatnya, pada ukuran yang sangat kecil ini, forsa gravitasi sangat kuat. Ruang terlengkungkan ke ukuran tak hingga.

Demikian kuatnya forsa gravitasi hingga cahaya pun tidak dapat lolos. Bila cahaya tidak dapat lolos, maka kita tidak mungkin bisa melihat bintang runtuh tersebut. Keberadaan bintang runtuh ini hanya dapat dilihat dengan memperhatikan daerah hitam gelap di langit yang memiliki gravitasi kuat. Oleh kerenanya bintang runtuh lebih sering disebut lubang hitam (black hole).


Relativitas VS Quantum 

Lubang hitam adalah sebuah momok bagi fisika saat itu. Dikala mereka melupakan forsa gravitasi karena dinilai terlalu lemah, di depan mata mereka terpampang peristiwa nyata mengenai penyatuan forsa-forsa tersebut ke dalam sebuah singularitas. Bagaimana sebuah obyek berukuran tak-hingga kecilnya menghasilkan gravitasi begitu besarnya? Bagaimana menjelaskan mekanika lubang hitam ini?

Teori Relativitas tidak berlaku di alam berukuran quantum karena pada teori ini forsa gravitasi sangat berperan dan hanya melibatkan benda-benda besar. Teori fisika quantum mampu menjelaskan alam sangat kecil ini namun ia tidak bisa melibatkan forsa gravitasi.

Kesimpulannya, fisika runtuh di lubang hitam. Benar-benar sebuah lubang hitam yang sangat gelap karena tidak ada satu pun perangkat ilmu yang mampu menjelaskannya.


Strings Theory

Agak kembali sedikit ke masa lampau, saat hampir semua fisikawan berbondong-bondong menyelidiki fisika quantum, ada sebagian kecil, mungkin boleh dikatakan, satu atau dua orang saja yang tersisa dari seluruh ilmuwan yang ada di dunia ini yang tidak mengikuti jejak rekan-rekan yang lainnya.

Saat semua orang beranggapan bahwa wujud atom dan partikel berbentuk menyerupai titik atau bola, maka sebagian kecil ilmuwan ini menemukan kemungkinan lain dari persamaan matematis yang membawa mereka pada ide liar bahwa kesalahan fisika selama ini terletak pada ‘bentuk’. Kita telah keliru memandang partikel berbentuk bola. Mereka menemukan bahwa pertikel berbentuk tali atau string.

Lalu apa implikasinya jika pertikel fundamental berbentuk string?

String berukuran sangat kecil, yaitu berjuta-juta kali lebih kecil dari quark. Untuk membayangkan ukuran string yang sangat kecil ini, bayangkanlah bila sebuah atom adalah tata surya kita, maka sebuah string berukuran sebuah pohon di bumi. String super kecil ini yang saking kecilnya dianggap hanya memiliki panjang saja (satu dimensi-ruang) bergetar dan variasi getarannya itulah yang menghasilkan apa yang kita amati sebagai partikel-partikel. Para pengusung teori string ini mengatakan bahwa string adalah satu-satu nya bahan dasar pembentuk ruang dan waktu. Yang kita amati sebagai beraneka ragam partikel itu sebenarnya adalah hasil variasi getar string-string yang sama.

Dengan demikian maka perhitungan atau persamaan matematikanya menjadi berubah sama sekali. Alam fisika quantum yang tadinya mengabaikan forsa gravitasi sekarang dapat menerima forsa gravitasi tersebut sebagai bagian dari persamaan matematisnya. Atau boleh dikatakan telah ditemukan forsa gravitasi di alam quantum. Fisika relativitas dan fisika quantum berhasil disatukan. Teori string diduga kuat sebagai teori pamungkas yang dicari, sebuah teori tunggal yang mampu menjelaskan perilaku alam semesta ini; sebuah teori segala hal.

Bagaimana hal ini bisa terjadi? Bagaimana forsa gravitasi ditemukan dalam persamaan matematika fisika quantum? Untuk menyinggung ini, perlu kita kilas balik sedikit sekelumit sejarah panjang perkembangan teori string.

Teori string tidak terjadi dalam semalam saja. Diawali di tahun 1968, oleh seorang fisikawan muda asal Italy, Gabriele Veneziano, sekarang bekerja untuk CERN, yang mempelajari persamaan matematis yang menjelaskan forsa nuklir kuat. Ditemukannya persamaan ini membuka jalan pada penelitian forsa tersembunyi di inti atom. Kemudian penelitian menggugah ilmuwan lainnya, Leonard Suskind dari Stanford University yang melihat bahwa persamaan tersebut mengindikasikan sesuatu yang tersembunyi, sebuah partikel yang memiliki struktur internal yang bisa melendut dan meregang. Partikel ini bukan berbentuk titik atau bola, namun berbentuk string yang secara alami bergerak lentur. Temuannya ini sempat tidak mendapat tanggapan dari fisikawan lainnya.


John H. Schwarz dan Michael B. Green (Pictures from NOVA)

Adalah seorang fisikawan yang melanjutkan penelitian mengenai string ini, di tahun 1973, yaitu John H. Schwarz dari California Institute of Technology, mengemukakan bahwa jika string ini benar, maka string akan mampu menjelaskan banyak misteri alam ini. Schwarz berhasil menarik perhatian para ilmuwan dunia dan orang mulai banyak bergabung mendalami teori radikal ini.

Namun teori string mengalami kendala besar. Yaitu terdapat beberapa anomali pada perhitungan atau persamaan matematisnya. Pertama, teori string melibatkan sebuah partikel bermassa nol dan partikel tachyon, yaitu partikel yang bergerak lebih cepat dari kecepatan cahaya. Telah disinggung sebelumnya bahwa Teori Relativitas tidak membenarkan adanya obyek yang bergerak melebihi kecepatan cahaya. Teori string sekali lagi nyaris turun pamor.

Michael B. Green dari Cambridge University bergabung dengan Schwarz untuk mengkaji dan membedah persamaan matematis teori string ini lebih dalam. Di tahun 1984 Mereka berhasil meniadakan anomali tersebut. Mereka menemukan bahwa partikel aneh yang menjadi momok teori ini sebenarnya adalah “graviton” yaitu partikel untuk forsa gravitasi. Peristiwa sangat bersejarah ini dikenal sebagai salah satu yang menggemparkan dunia. Schwarz dan Green menemukan forsa gravitasi dalam persamaan mereka. Mereka berhasil gemilang meniadakan anomali.

Lebih banyak lagi orang ikut bergabung melanjutkan perjuangan Schwarz dan Green hingga kemudian sebuah kendala besar dihadapi mereka kembali, yaitu:

  1. Teori string melibatkan dimensi extra.
    Seperti yang kita kenali bersama bahwa kita hidup di alam dengan 3 dimensi-ruang yaitu panjang, lebar, dan tinggi ditambah 1 dimensi waktu menjadikan total = 4 dimensi ruang-waktu. Namun string harus bergerak di lebih dari 3 dimensi ruang itu. String harus bergerak di 9 dimensi ruang. Sehingga menurut teori string, alam yang kita tempati ini sebenarnya memiliki 10 dimensi ruang waktu.Lalu dimana ke-enam dimensi ruang lainnya? Mengapa kita tidak bisa melihat atau merasakannya? Sekali lagi Kaluza dan Klein mengajukan bahwa 6 dimensi ruang ini berukuran sangat kecil sehingga tidak bisa teramati.

    Namun kemudian orang mulai menerima kehadiran dimensi ektra ini karena memang HARUS ada dimensi extra di alam ini bagi string untuk wujud. Dimensi extra adalah sebuah temuan fenomenal.
     

  2. Terdapat 5 teori string.
    Ini merupakan masalah besar. Bagaimana sebuah teori segala hal hadir dalam 5 variasi? Setiap teori sama-sama benar namun memiliki perbedaan mendasar pada persamaan matematisnya.

Strings / M-Theory

Edward Witten (Picture from NOVA)

Barulah Pada tahun 1995, pada konvensi fisika sedunia, seorang fisikawan yang kemudian menjadi sangat terkenal, yaitu Edward Witten, dari Institute for Advance Study, mempublikasikan papernya. Edward Witten dijuluki sebagai orang tercerdas di planet bumi ini dan mendapat julukan “the true successor of Einstein”, ia berhasil menggabungkan ke-lima teori string menjadi sebuah teori tunggal yaitu M-Theory.

Witten mengemukakan bahwa kelima teori string itu sebenarnya hanyalah ragam cara melihat suatu hal yang sama. Kita bagaikan berada dalam ruangan gelap gulita dan saling meraba seekor gajah yang sama di depan kita. Sebagian meraba kepalanya, sebagian meraba kakinya, sebagian meraba belalainya dan sebagian meraba badannya, begitu Edward Witten memberikan penerangan di dalam ruangan, barulah orang menyadari bahwa sebenarnya mereka semua meraba seekor gajah yang sama.

Penerangan yang dibawa oleh Witten dalam M-Theory nya ini adalah dengan menghadirkan sebuah dimensi ruang tambahan ke dalam hitungan matematis teori string. Seluruh persamaan menjadi klop dan semuanya mejadi masuk akal. Kini alam kita diyakini oleh string/M-theory memiliki 10 dimensi ruang menjadikannya total 11 dimensi ruang-waktu.

Edward Witten tidak menyebutkan kepanjangan dari “M” itu.


Braneworlds 
M-theory mengemukakan bahwa:

  1. String merupakan tali super kecil yang memiliki panjang saja (1 dimensi) dengan kedua ujungnya terbuka (open loop).
  2. Terdapat string yang melar hinga memiliki panjang dan lebar (2-dimensi), membentuk membrane (disingkat, “brane”) atau sebuah lembaran super tipis. Kita sebut ini sebagai 2-brane. Sedangkan string 1 dimensi disebut dengan 1-brane.
  3. Kedua ujung string 1-brane harus melekat / bertumpu pada 2-brane.

Perbedaan signifikan terjadi setelah hadirnya M-Theory adalah bahwa orang mulai meninggalkan gambaran dimensi extra yang terpilin sangat kecil itu. M-Theory memberi gambaran pada kemungkinan yang berlawanan, yaitu bahwa dimensi-ruang extra itu berukuran sangat besar. Kita mungkin hidup di alam semesta 3 diemensi-ruang yang berada di dalam sebuah dimensi-ruang yang lebih besar lagi. Bahwa alam semesta kita berupa membrane 3 dimensi ruang atau 3-brane, dan alam 3-brane kita berada di dalam alam berdimensi lebih tinggi – yaitu alam 4 dimensi-ruang atau 4-brane.

Agar lebih mudah mengerti konsep membrane ini, bayangkanlah bahwa layar televisi anda adalah sebuah dunia dua dimensi. Pemain film di dalam televisi hidup di alam dengan 2 dimensi-ruang saja (hanya memiliki dimensi panjang dan lebar) mereka tidak memiliki dimensi ruang ke-tiga. Mereka tidak tau dan tidak menyadarinya. Jarak antara mata anda ke layar televisi adalah sebuah dimensi-ruang ke-tiga yang tidak dimiliki alam dalam televisi itu. Atau boleh saya dikatakan bahwa untuk menemukan dimensi extra, maka makhluk yang hidup di dimensi layar televisi harus keluar dari layar televisi tersebut.

Sampai tahap ini apakah anda sudah bisa membayangkannya? Sekarang coba bayangkan alam semesta kita adalah layar televisi tersebut. Televisi dengan 3 dimensi ruang. Maka jarak antara pengamat lain di luar televisi ke layar televisi itu adalah dimensi ruang ke-empat yang tidak dimiliki oleh alam kita. Alam di luar alam kita adalah sebuah alam semesta yang memiliki 4 dimensi-ruang.

Sekarang bayangkan bila alam semesta dengan 4 dimensi-ruang itu adalah sebuah layar televisi. Maka