What is spin? It’s something that apparently some particles have that you can measure… but what is it? In the video I’ll explain how we know spin exists, but also why we don’t understand it.

Spin was a latecomer to the quantum mechanics party. Even after Schrodinger wrote his famous equation, and everything seemed to be working people didn’t realise it existed.

Then people realised that some particles seem to have odd magnetic properties the original quantum mechanics didn’t predict, and the source of that was labeled spin. To understand this we’re going to need one piece of classical electromagnetism theory: Whenever a charged particle moves, it creates a magnetic field.

This is pretty amazing, and you can see it for yourself, by putting a compass next to a charge carrying wire. In fact, if you have charged particles going in a small loop, this not only creates a magnetic field, that field pretty much looks like it’s from a bar magnet.

So then, we expect charged particles moving around, in circles, to act as little magnets. Since that’s something we know from classical physics it was built into quantum mechanics too from the start. But eventually some experiments showed that there must be another source of magnetism.

I’m going to explain one of those, a simplified version of the stern-gerlach experiment.

Let’s say we have a bunch of electrons by themselves. They are charged, but they’re not doing little loops, so they shouldn’t be magnets. We test this by putting them in a Stern-Gerlach apparatus.

I’m not going to explain how the machine works, but what is does is this. If a small magnet is placed inside it measures it’s orientation. If the magnets North pole is up, it exerts an upward force on the magnet.

If the magnet is the other way around, it exerts a downward force. Of course there are other orientations.

If the magnet is like this, the magnet is still somewhat pointing up, so the force is still up, but it’s smaller. It is proportional to how much this magnet is pointing in the up direction. Similarly for this magnet pointing down. Say a magnet is on its side, then it has no force at all. But these aren’t the only ways the magnet can be oriented.

It could be forward or backward or left or right, or any combination, so what happens there? Well, this machine only measures how much the magnet is up or down. If the magnet is like this, it’s pointing a bit upward.

On the other hand, if a magnet was just pointing left or right or forward or backward, it wouldn’t feel any force and so it would go straight. So what expect is, if we shot through a bunch of magnets in random orientations, they all land between here and here and in a pretty smooth distribution. Of course, if we threw in a non magnet, it wouldn’t feel anything, and just go through. So that’s what we should expect with electrons. But we do the experiment and find something really odd.

The electrons do experience forces as if they’re magnets, but they don’t spread out smoothly either. half of them go up to the same height, and the other half go down, again, to the same height. Let’s look at this second mystery first.

If electrons really are magnets, we expect they’re randomly oriented, but these results would be like saying that for some reason, half of them where pointing exactly up and half exactly down. Well, maybe we did something very wrong when we prepared them that meant this happened. So to test that, let’s do something clever.

Let’s turn the stern gerlach machine on its side. What that does is, now the machine measures how much the magnet is pointing to the left or the right, instead of up and down.

The more to the left a magnet is pointing, the more to the left it goes. If a magnet isn’t pointing either left or right, it just goes through.

Now let’s use the same source of electrons we had before. We think that they’re all pointing up or down, so if they go through this machine, they shouldn’t be deflected at all. What happens?

Half of them go right, half of them go left. So then were they actually oriented left and right all along? But that can’t be right either.

Let me explain how to think of this in the framework we built up in the last couple of videos. I can measure the up or downness of a particle, so that is an observable. What are it’s eigenstates?

Well, this experiment showed that the particle can only be fully up or fully down, and nothing in between, so there are only two eigenstates. We’ll call them spin up and spin down. Now we can apply the quantum mechanical principle that, to fully describe the wavefunction of this particle, we only need to describe it in one basis, so I can fully write the state of this particle in terms of up and down.

This is weird, because in classical physics this wouldn’t be enough to tell you the state of a magnet. I can’t just tell you how much it’s pointing up or down, I need to also tell you how left or right it is, and also how forward or backward.

But in quantum mechanics, this is enough.

Let’s see what happens when we do some arbitrary combination.

Here, since the square of this number is bigger, it has a bigger chance of being spin down, but still can be spin up. It doesn’t go ¾ of the way down ever though, it’s only ever up or down. But what about if I flipped the machine on it’s side to measure left rightness? In Quantum mechanics, if you tell me the wavefunction in terms of up and down, I should be able to figure out what the wavefunction is in terms of left and right. To be able to do that, we just need to know how to convert up and down to left and right, but how? The coefficents should be equal in size, if we use the classical analogy.

A particle that’s fully up can’t be pointing either left or right at all. A quantum particle that’s up, but is being measured for left and rightness must go one way or the other, but at least, it shouldn’t be biased towards one side. Now we just need to decide the sign of each of these.

If we agree to call this way right and that left, then this turns out to be the right way to do it. And this is something you’ll recognise from the last two videos. Ok, so now I’ve shown you how quantum mechanics deals with spin, let’s return to the must more difficult question, ‘what is spin?’

The electrons aren’t doing little loops, so why are they magnetic? This is what was originally proposed: the electrons are spinning on their own axis. The idea is, if you have a charged ball that’s spinning, that means bits of charge are moving in a circle, and so it creates a magnetic field like a bar magnet.

But we know this is wrong. If this really was true, we can calculate how large the electron should be- it’s bigger than the whole atom. It also makes some other incorrect conclusions. These days we think the electron isn’t a ball, it’s an infinitely small point- and that can’t spin.

I think this image of the electron spinning, is really more harmful than helpful- not just because it makes all kinds of incorrect predictions, but because feeling like we understand something stops us from asking about what it is.

But, making this video I realised there’s lots of other physics terms I don’t understand. What is energy? What’s charge? It seems like we define those things by how we measure them, and then same is true for spin, spin is that thing that makes some particles act a bit like magnets.

I really hope that, in the future as we understand more physics, more of these terms can be understood in terms of deeper physics. There is some hope for spin. I told you that spin had to be added to quantum mechanics in an ad hoc way.

This is true, but when Dirac tried to merge standard quantum mechanics and relativity, something in his new equation acted a lot like spin. While this was awesome, I don’t feel like it solves the mystery of spin, because while it comes out of the maths, it still doesn’t explain what it is, or why relativity demands it exists.

Maybe there are some properties of physics we can never understand, and maybe spin is one of them. There was so much more I could have said about spin but I ran way over time.




BRIAN GREENE: And if that’s not strange enough, the direction you move makes a difference, too. Watch what happens when the alien turns around and bikes toward Earth. The alien’s new “now slice” is angled to…toward the future, and so it includes events that won’t happen on Earth for 200 years: perhaps our friend’s great-great-great granddaughter teleporting from Paris to New York. Once we know that your now can be what I consider the past, or your now can be what I consider the future, and your now is every bit as valid as my now, then we learn that the past must be real, the future must be real. They could be your now. That means past, present, future…all equally real; they all exist.

The alien, 10 billion light years away from us, can only see our region of the universe as it was 10 billion years ago, which did not include our solar system yet. However, he could look over here, right now and legitimately say that the future of this region of the universe, for the next 10 billion years is already written. Whether or not it includes earthlings will take him another 10 billion years to find out. We are seeing the region of the universe that now presumably contains this alien as it was 10 billion years ago, and its future for the next 10 billion years has already been written. Whether or not it includes an alien will take us another 10 billion years to learn. Even if this alien, at the “present” time, hops in his spaceship and accelerates up to almost the speed of light, it will take him another 10 billion years to get here (although it could be only seconds for him) and another 10 billion years of history will have gone by during his trip, which did not yet exist at the time he started his trip. Or, if we want to consider an alien from 10 billion years ago (who we could now “see”) who would do the same thing, he would be just now arriving and during his trip, the past 10 billion years of history would have transpired in this region of the universe, as well as in his home region of the universe. (We could watch his journey and it would only take a few seconds of our time to “see” him go from his home to our home.) These comments assume, as Brian Greene does, that we are using a Frame of Reference in which an earthling or an alien is at rest. But one of the tenets of Special Relativity is that only those conclusions that are frame invariant are reflective of reality. Coordinate times and distances are frame dependent and do not comport with reality.

It’s just like in the Twin Paradox where both twins “see” time dilation in the other one’s clock and different frames will define different amounts of time dilation to the two clocks but it’s only when they return that all frames agree on the difference in time accumulated on the two clocks. Brian Greene is talking only about coordinate times on distant clocks as defined by different Frames of Reference. Of course they are going to be different but this has nothing to do with whether any future has already been written.

The Andromeda Paradox emphasises that the hyperplane called “now” is just a coordinate-based labelling of events. “Future” and “past” are meaningful only insofar as they refer to an observer’s light cones.

This, at present, is more of a philosophical question because the statement, ‘time exists’ is axiomatic with regards to physics. It seems that we need it so as to preserve causality but at the same time we don’t understand it’s presence. I like to visualize time as a membrane on which all events are allowed to flow only radially outward. A sort of heuristic boat on a lake scenario, in which the water (time) allows the boat (object) to move across the lake (space). As you go cross the lake in your boat the ripples radiate radially outward through time and space and the water isn’t being created in front of the boat as it moves across the lake, it already exists there.

Also, something sort of fun I like to think about with regard to time travel and how it is probably not possible therefore time can not be malleable.
Disclaimer: You will most likely have to read this a few times to get what I am trying to say.

Let us assume that the possibility to travel backward through time exists, then at some later time, say in 100 years from now we will actually be able to travel back in time. Also, we must stipulate that if we did travel backward in time we would be able to interact with the space at that time. And lastly, we must stipulate that time does not branch (i.e. no infinite universes theory). So, if time travel is possible then what is to say that right now is not the future’s past? That is to say that someone from the future has traveled back to now. Our present time would then be the future’s past. Because time travel is possible would mean that our present time is not the probable ‘leading edge’ of time because anyone from the future could go back to any point in time. Actually, our present time would be the least probable candidate for being the ‘leading edge’ of time (Assuming all points in time have equal “weight”).

Now since it is most probable to believe that we are existing in the past of some future time and our recorded history shows no evidence of anyone from the future traveling back in time, then their are only a couple possibilities.

Time travel is not possible, people who have traveled back in time have not been recorded into our documented history, or we are the ‘leading edge’ of time. Since there is no evidence in our historical record that someone has traveled back to then and that we are unlikely the leading edge of time, I propose that the ability to time travel is highly unlikely. Therefore time is not malleable.

Has a very distant event in our personal past and outside our personal past light cone, already happened?

Since there is no such thing as a universal simultaneousness, everyone’s personal ‘now’ cuts right through many other’s definitions of ‘past’ and ‘future’, so what exactly would a Universe look like if we’d assume the future hasn’t already happened? How would a Universal ‘now’ progress spatially if it has to deal with everyone’s definition of it?

Or, what I was referring to with the first sentence, what would a Universe look like if everyone’s past only already occurred, if it has moved within their personal past light cones? How would the Universe’s ‘coming to existence’ progress spatially, if everyone’s measurements only makes it real? When we look at the moon, all we are allowed to know is that it was there 1.3 seconds ago…

It’s at least a lot easier to think of the future as already being out there, like some four dimensional object that we live in, with the illusion of moving through it. Like Greg’s rather dogmatic explanation here.

Dr. Greene illustrated how space and time are connected by comparing the space time of the universe to a loaf of bread. Each slice of the bread was a “now” of a different section of the universe. He demonstrated how an alien on the other side of the galaxy going away from earth “now” would include our future.

Once we know that your now can be what I consider the past, or your now can be what I consider the future, and your now is every bit as valid as my now, then we learn that the past must be real, the future must be real. They could be your now. That means past, present, future…all equally real; they all exist.

Just as we think of all of space as being “out there,” we should think of all of time as being “out there” too. Everything that has ever happened or will happen, it all exists, from Leonardo da Vinci laying the final brushstroke on the Mona Lisa; to the signing of the Declaration of Independence; to your first day of school; to events that, from our perspective, are yet to happen, like the first humans landing on Mars.

Just the way an entire movie exists on celluloid, think of all moments of time as already existing too. The difference is that in the movies, a projector lights up or selects each frame as it goes by, but in the laws of physics, there is no evidence of something like a projector light that selects one moment over another. Our brains may create this impression, but in reality, what we all experience as the flow of time really may be nothing more than an illusion.

This means I’m already dead in someone else’s “now”. If the alien is traveling close to speed of light toward you, he is actually freeze in time in your time frame, you’ll be progressing until you are dead in normal speed, then the alien will wake up and find you dead.

Me: I heard Jamal from 90th street watched that tape last week and this mornin’ he woke up dead!

You: How the hell do you wake up dead?

Me: Cause’ you’re alive when you go to sleep.

You: So you’re telling me you can go to bed dead and wake up alive?

Me: You can’t go to bed dead! That shit would’ve been redundant.

You: No it would’nt cause’ you can go to bed and not be dead, and you can die and not be in the bed.

Me: But you are in the bed. That’s how you wake up dead in the first place fool!

You: Damn! that’s some quantum shit right there man! You should be teaching classes!


Reference https://www.physicsforums.com/threads/illusion-of-time-is-the-future-already-written.550435/page-2

Reference https://www.physicsforums.com/threads/illusion-of-time-is-the-future-already-written.550435/page-2

Reference https://www.physicsforums.com/threads/illusion-of-time-is-the-future-already-written.550435/




“Sesuatu itu harus diciptakan dari ketidak adaan. Bila anda mencoba menciptakan sesuatu dari yang ada, maka anda hanya mengubahnya. Jadi untuk menciptakan sesuatu anda harus mampu menciptakan ketidak adaan.” – Werner Erhard

Pertanyaan ini akan dibahas bukan secara filsafati atau teologis, namun secara fisika. Dalam fisika, dapatkah anda mendapatkan sesuatu dari ketidak adaan? Dan jika bisa, apa yang bisa dan tidak bisa anda dapatkan?

Jawabannya ya, dan ada banyak cara. Faktanya, dalam banyak cara, mendapatkan sesuatu dari ketiadaan itu tidak dapat dihindarkan! (Walaupun tidak harus mendapatkan apapun yang anda inginkan.)

Sebagai contoh, ambil sebuah kotak dan kosongkan isinya, jadi apa yang anda miliki sekarang adalah ruang yang kosong total. Sebuah vakum yang ideal, sempurna dan kosong. Sekarang, apa yang ada dalam kotak tersebut?

Apakah menurut anda ketidak adaan? Tidak, ruang kosong tidaklah mungkin bisa benar-benar kosong.

Salah satu konsekuensi Prinsip Ketidakpastian Heisenberg – bahwa anda tidak dapat mengetahui energi keadaan kuantum dengan pasti dalam durasi waktu terbatas – berarti ketika anda bicara tentang selang waktu yang sangat singkat, ada ketidakpastian yang sangat besar dalam energi sebuah sistem. Dalam skala waktu yang cukup singkat, energinya cukup besar sehingga pasangan partikel-antipartikel muncul dan lenyap dari eksistensi setiap saat!

Gila? Apa buktinya?

Ambil dua lempeng logam sejajar, tidak bermuatan dan identik lalu letakkan berdekatan satu sama lain. Gejolak vakum diantara lempeng menyebabkan adanya tekanan yang mendorong kedua lempeng mendekat. Ini bukan gaya gravitasi atau gaya elektromagnet, namun karena gaya yang hadir dalam ruang kosong itu sendiri.

Eksperimen ini disebut efek Casimir – pertama kali dilakukan tahun 1948 dan telah diulang berkali-kali (dalam berbagai kondisi) – adalah sukses nyata dan memiliki banyak konsekuensi yang dimanfaatkan film fiksi ilmiah maupun fisika.

Ruang didekat lubang hitam misalnya, berisi dengan pasangan partikel-antipartikel, sama seperti ruang kosong di tempat lain. Namun ciptakan sepasang partikel-antipartikel di cakrawala peristiwa, maka salah satunya akan tersedot masuk ke dalam lubang hitam! Satunya lagi, yang jaraknya lebih jauh dari cakrawala peristiwa, dapat lolos, membawa energinya kabur, dan menjadi real. Partikel yang kabur ini disebut radiasi hawking.

Ketika alam semesta mengembang, atau mengembang secara eksponensial (sebelum Big Bang), gejolak kuantum juga mengembang, dan terentang di Alam Semesta lebih cepat daripada jarak dimana mereka mampu saling menghancurkan. Gejolak ini menunjukkan daerah-daerah dengan energi yang sedikit lebih (untuk gejolak positif) atau kurang (gejolak negatif) yang kemudian tumbuh menjadi struktur seperti kluster, galaksi, bintang dan void seiring bertambahnya usia Alam Semesta.

Dan jika anda mulai dengan energi yang cukup, anda dapat menjadikan real semua pasangan materi dan antimateri yang ada, dan keadaan dimana lebih banyak materi daripada antimateri, telah memberi kita Alam Semesta dimana kita punya sesuatu, bukannya tidak punya.
Sekarang kita tahu bahwa sesuatu dapat ada dari ketidak adaan. Namun ada banyak kendala yang belum dapat kita lewat dari memperoleh apapun dari ketidak adaan: melanggar kekekalan muatan atau energi, menurunkan entropi total alam semesta, atau mencari tahu dari mana alam semesta kita muncul.

Jelas kita dapat memperoleh sesuatu dari ketiadaan; teori medan kuantum bukan hanya mengizinkannya, ia menuntutnya. Namun masih belum jelas apakah kita dapat memperoleh segalanya dari ketidak adaan.

Referensi lanjut :
Ethan Siegel. March 1, 2010. The Greatest Story Ever Told — 05 — Matter vs. Antimatter. Scienceblogs
Ethan Siegel. March 2, 2010. More on Matter vs. Antimatter, Scienceblogs
Ethan Siegel. January 12, 2010. Q & A: Did Inflation Happen Before the Big Bang? Scienceblogs




Atom bukan lagi merupakan suatu zat terkecil yang tidak dapat diuraikan lagi atas komponennya. Berturut-turut penemuan elektron oleh J. J. Thomson (1897), inti atom dan proton oleh Rutherford (1911), dan neutron oleh Chadwick (1932) meruntuhkan postulat atom sebagai partikel titik. Sebagai pengetahuan lanjutan saat itu telah dikenal adanya partikel pembentuk atom yaitu proton dan neutron dalam inti atom dan dikelilingi oleh elektron. Partikel-partikel elementer di atas sudah sangat dikenal dan merupakan partikel yang stabil. Proton dan neutron sebagai pembentuk inti atom juga disebut sebagai nukleon.

Dewasa ini para ahli fisika baik dalam bidang eksperimen maupun teori memiliki perhatian khusus dengan permasalahan partikel elementer, menurut mereka hal tersebut sangat menarik. Penelitian tentang partikel elementer terus berkembang dan pada tahun 1950-an dunia pengetahuan tentang partikel elementer ini mengalami penyempurnaan yang sangat baru dimana proton, elektron, dan partikel elementer lain tidak merupakan partikel dasar yang sebenarnya tetapi terdiri dari partikel elementer yang lebih kecil lagi.

Pada tahun 1964 Murray Gell-mann dan George Zwei mempublikasikan proposal baru tentang partikel titik. Perilaku ratusan partikel dapat dijelaskan sebagai kombinasi dari elemen fundamental yang sekarang disebut Quark. Quark merupakan partikel fundamental yang memiliki muatan listrik kelipatan pecahan dari muatan listrik elektron yaitu +2/3e dan -1/3e. Sampai saat sekarang kita mengenal 6 jenis kuark yang terdiri dari :

• Tipe up : u (up), c (charm), t (top)
• Tipe down : d (down), s (strange), b (beauty)

Quark u, c, t masing-masing memiliki muatan listrik sebesar +2/3e sedangkan quark d, s, b memiliki muatan listrik sebesar -1/3e. Secara umum quark disimbolkan dengan huruf q sedangkan anti-quark disimbolkan dengan . Jika suatu partikel terdiri dari tiga quark dalam susunannya maka disebut sebagai baryon sebagai contoh adalah proton yang terdiri dari quark uud sedangkan neutron terdiri dari kuark udd, maka proton dan neutron disebut juga sebagai baryon. Selanjutnya jika suatu partikel terdiri dari pasangan satu quark dan anti-quark maka disebut sebagai meson. Contoh meson yang sudah diketahui adalah meson (pion) terdiri dari pasangan quark u dan anti-quark . Baryon dan meson dapat pula dikelompokan sebagai hadron. Baru-baru ini ditemukan bukti keberadaan lima kombinasi quark membentuk partikel, disebut jenis pentaquark.

Lepton adalah salah satu golongan partikel fundamental yang terdiri dari elektron (e) sebagai partikel bermuatan negatif yang paling ringan, muon (μ) sebagai partikel bermuatan negatif, bermassa sekitar 200 kali lebih besar dari massa elektron dan tau (τ) sebagai partikel bermuatan negatif, bermassa sekitar 3500 lebih besar dari massa elektron. Selain ketiga jenis partikel elementer di atas terdapat pula tiga partikel elementer yang lain yang termasuk dalam lepton yaitu tiga jenis neutrino. Setiap neutrino diasosiasikan dengan setiap jenis partikel elementer di atas dan diberi nama masing-masing sebagai neutrino-elektron (), neutrino-muon () dan neutrino-tau (). Neutrino merupakan golongan lepton yang unik dimana selain tidak memiliki muatan listrik, neutrino juga tidak memiliki massa. Berdasarkan tata cara penggolongannya, lepton dapat dibagi atas 6 jenis yaitu :

• e (electron), μ (muon), τ(tau)
• νe (electron neutrino), νμ (muon neutrino), ντ (tau neutrino)

1. F. Halzen dan A.D. Martin (1984), Quarks and Leptons, Willey and Sons Inc.
2. A. Beiser (1981), Concepts Of Modern Physics, Mc Graw-Hill Inc.
3. Gambar dari google.co.id (quarks and leptons).



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.

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 jarak antara pengamat lain di luar televisi ke layar televisi itu adalah dimensi ruang ke-lima yang tidak dimiliki oleh alam 4 dimensi-ruang.

Demikian seterusnya.

Marilah kita lanjutkan membayangkan dengan cara yang sama ke alam semesta kita.

Alam semesta kita yaitu 3-brane berada di membrane yang lebih tinggi; 4 brane. Atau boleh saya katakan alam 3-brane kita dibungkus oleh alam 4-brane. M-Theory mengatakan bahwa alam 3-brane kita memiliki kemungkinan exist berdampingan dengan alam 3-brane lainnya (parallel universe). Ada berapa banyak parallel universe? Tidak ada yang tau.

Lalu dimana dimensi 5, 6, 7, 8, 9, dan 10?
Mari kita lanjutkan lagi membayangkannya. Bila alam 3-brane dibungkus alam 4-brane, maka:
Alam 3-brane dibungkus oleh alam 4-brane (lapis 1)
Alam 4-brane dibungkus oleh alam 5-brane (lapis 2)
Alam 5-brane dibungkus oleh alam 6-brane (lapis 3)
Alam 6-brane dibungkus oleh alam 7-brane (lapis 4)
Alam 7-brane dibungkus oleh alam 8-brane (lapis 5)
Alam 8-brane dibungkus oleh alam 9-brane (lapis 6)
Alam 9-brane dibungkus oleh alam 10-brane (lapis 7)

Alam semesta kita dibungkus oleh alam lainnya yang berdimensi-ruang lebih tinggi. Dan di setiap membrane terdapat parallel universe.

String terbuka (opened-loop string) yang kedua ujungnya tertambat pada membrane. (Picture from NOVA)


M-Theory diterima luas sebagai teori elegan dengan keindahan matematika tingkat tinggi. Inilah sebuah wujud pencapaian peradaban manusia terkini.Untuk melengkapi pemaparan saya, saya akan singgung sedikit lagi kelanjutan atau perkembangan dari teori ini.

String tertutup (closed-loop string) (Picture from NOVA)
String dipercaya memiliki bentuk open-loop atau kedua ujungnya terbuka dan menumpu pada membrane lain. Namun diyakini ada pula string dengan ujungya saling bertautan (besambung) sehingga membentuk closed-loop. Dengan ujung yang tidak bebas ini maka string jenis ini tidak bisa bertumpu pada membrane. Jenis string seperti ini bebas melayang ke ruang mana saja dan menyebrang ke membrane lain. String dengan closed-loop ini adalah Graviton.

Masih ingat forsa gravitasi yang dianggap paling lemah diantara forsa yang lainnya? Dengan sifat graviton yang bebas itu maka forsa gravitasi sesungguhnya sangat kuat, bahkan mungkin sama kuatnya dengan forsa Electromagnetic. Ia tampak lemah karena sebagian kekuatan forsa gravitasi mampu menyebrang ke brane lainnya dengan bebas.

Graviton adalah satu-satunya partikel saat ini yang diyakini bebas bergerak menyebrang ke membrane lainnya. Forsa lainnya tidak bisa meninggalkan suatu membrane. Sehingga tidak mungkin kita bisa melihat alam brane lain atau parallel universe karena cahaya tidak dapat keluar dari membrane. Forsa nuklir kuat, forsa nuklir lemah, Electromagnetic dan cahaya terperangkap di dalam sebuah membrane.

Satu hal yang menjadi perhatian dunia adalah membuktikan keberadaan string melalui percobaan laboratorium. String adalah teori elegan yang belum terbukti melalui experimen. Namun dengan syarat yang ditentukan oleh teori ini sendiri, terbuka peluang untuk membuktikannya dan upaya pembuktian ini menjadi prioritas utama. Antara lain adalah sedang berjalannya usaha bersama antara Massachusetts Institute of Technology (MIT) dengan California Intitute of Technology (CIT) dan didanai oleh The National Science Foundation membangun sebuah Observatory raksasa yang bukan berbasis cahaya maupun radio, melainkan berbasis forsa gravitasi. Harapannya adalah terdeteksinya graviton yang muncul semerta-merta membawa signature dari alam semesta membrane lain. Wahana ini dinamakan Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO). Juga direncanakan untuk dibangun Versi luar angaksa dari LIGO, adalah Laser Interferometer Space Antenna (LISA).

Ilustrasi Graviton bergerak meninggalkan membrane (picture source: NOVA)

Usaha lainnya sedang dilakukan Fermilab, sebuah laboratorium di Illinois yang memiliki atom smasher, yaitu sebuah Akselerator Partikel yang berfungsi untuk mempercepat inti atom hydrogen dalam suatu lintasan sepanjang 4 mil untuk kemudian ditabrakkan dengan inti atom Hydrogen lain ujung lintasan. Inti atom yang ditabrakkan akan terpecah dan menghasilkan siraman partikel-partikel yang lebih kecil. Sebelum M-Theory, ilmuwan hanya berusaha mengindentifikasi siraman partikel-partikel baru tersebut, namun kali ini mereka berusaha mendeteksi partikel graviton yang muncul saat terjadi tabrakan. Namun graviton akan muncul hanya sekejap karena graviton yang berdiri sendiri akan langsung menyeberang ke membrane lain. Graviton yang muncul dan hilang hanya dalam sekejap ini tidak akan memberi kesempatan pengamat untuk mendeteksinya. Untuk mengatasi ini maka pendeteksian graviton ditandai dengan absen-nya partikel tersebut sesaat setelah tabrakan.

Fermilab (Picture source: NOVA)

Hal serupa akan disusul oleh sebuah atom smasher raksasa yang sedang dalam tahap pembangunan yang memiliki kekuatan 7 kali lebih besar dibandingkan dengan yang dimiliki Fermilab. Atom smasher dan Akselerator Partikel raksasa ini adalah milik CERN, Swiss.

Large Hadron Collider (LHC) milik CERN, akselerator partikel terbesar di dunia
(Picture source: NOVA)Jutaan dollar telah dikeluarkan untuk pembangunan alat-alat raksasa tersebut dan mereka saling berlomba sebagai yang pertama kali menemukan graviton. Jika graviton ditemukan, maka teori string kukuh dan benar dengan seluruh impllikasinya; braneworlds yang meggambarkan alam semesta kita ini berlapis dengan 11 dimensi ruang-waktu adalah benar. Dan alam semesta ini bisa terjelaskan dengan sebuah teori tunggal, “Theory of Everything”.

Membranes (Picture from NOVA)


Perkembangan lain dari String/M-Theory adalah munculnya sekelompok ilmuwan yang menemukan kejanggalan atas statement bahwa string adalah satu-satunya ingredient atau bahan dasar pembentuk ruang dan waktu. Pertanyaan mereka adalah, jika string perlu ruang dan waktu untuk bergetar dan bergerak, bagaiman bisa mereka dinobati sebagai bahan dasar pembentuk ruang-waktu?

Jikapun harus ada bahan dasar yang paling fundamental yang membentuk ruang-waktu, maka entity ini haruslah tidak terikat oleh ruang-waktu, atau space-less and time-less entity . Entity semacam ini tidak mungkin berbentuk string, melainkan sebuah titik tanpa dimensi atau berdimensi nol; Zero-Brane Entity. Usulan ini patut mendapat perhatian karena usulan ini meng-klaim bahwa string bukanlah bahan fundamental pembentuk ruang waktu.

Zero-Brane yang berbentuk titik tanpa dimensi ini haruslah teratur menandai setiap titik pada ruang namun tidak terikat oleh ruang. Titik-titik teratur bagai grid. Teori ini dikenal sebagai Matrix Theory. “M” sebagai “Matrix” dari M-theory.