Apa itu Teori Kuantum Gravitasi ?

Ruang-Waktu juga tersusun dari Atom 

by : Aria Ratmandanu 

       Ada suatu paradoks di inti pemahaman kita atas dunia fisika. Abad ke-20 memberi kita dua permata yaitu teori relativitas umum dan mekanika kuantum. Dari relativitas umum, berkembang kosmologi, juga astrofisika, penelitian gelombang gravitasi, lubang hitam, dan banyak lagi. Mekanika kuantum memberi dasar untuk fisika atom, fisika nuklir, fisika zarah dasar, fisika zat terkondensasi, dan banyak lagi. Dua teori yang telah sangat sukses, dasar teknologi zaman sekarang dan telah mengubah cara kita hidup. Namun kedua teori itu tak bisa benar secara bersamaan, setidaknya dalam bentuknya saat ini, karena keduanya saling berkontradiksi.

             Seorang mahasiswa yang menghadiri kuliah relativitas umum pada pagi hari dan kuliah mekanika kuantum pada siang hari boleh dimaafkan bila menyimpulkan bahwa para dosennya bodoh atau tak saling berkomunikasi selama minimal seabad. Pada pagi hari, dunia adalah ruang melengkung di mana semuanya kontinu, siangnya dunia adalah ruang datar tempat kuanta-kuanta energi melompat.  

          Anehnya, kedua teori bekerja sangat baik. Perilaku alam dihadapan kita ibarat orang tua bijak yang ditemui dua orang yang berselisih. Sesudah mendengarkan orang pertama orang bijak berkata "Anda benar." Orang kedua ingin didengar juga, orang bijak mendengarkan dia dan berkata: "Anda benar juga. Teman orang bijak yang menguping dari kamar sebelah berteriak "Tapi mereka tidak bisa sama-sama benar!" Orang bijak berpikir lalu mengangguk sebelum menyimpulkan: "Dan kamu benar juga. 

          Sekelompok ahli fisika teori di lima benua berusaha keras mencoba membereskan persoalan itu. Bidang studi mereka di sebut "gravitasi kuantum” tujuannya adalah menemukan teori yaitu satu set persamaan — tapi utamanya adalah suatu visi koheren atas dunia. untuk menyelesaikan paradoks yang ada.

          Bukan pertama kalinya fisika menghadapi dua teori yang amat sukses tapi tampak saling bertentangan. Usaha sintesis pada masa lalu telah menghasilkan langkah-langka maju besar dalam pemahaman kita atas dunia. Newton  menemukan  Gravitasi universal dengan memadukan parabola Galileo dengan elips Kepler. Maxwell menemukan persamaan-persamaan elektromagnetisme dengan memadukan teori listrik dan magnetisme, Einstein menemukan relativitas ketika menyelesaikan konflik antara elektromagnetisme dan mekanika. Ahli fisika amat bahagia ketika menemukan konflik semacam itu  antara teori-teori yang sukses, yaitu kesempatan yang luar biasa. Bisakah kita membangun suatu kerangka konsep untuk memikirkan dunia yang cocok dengan apa yang kita pelajari tentangnya dari kedua teori ? 

         Di sana, di garis depan, melewati batas-batas pengetahuan, sains menjadi lebih cantik lagi-berpijar sebagai penggodokan dari gagasan-gagasan baru, intuisi, upaya. Dari jalan-jalan yang diambil dan ditinggalkan, dari antusiasme. Sebagai usaha untuk membayangkan apa yang belum terbayangkan. 

         Dua puluh tahun lalu, kabut tersebut masih tebal. Hari ini beberapa jalan telah terlihat, menimbulkan semangat dan optimisme. Ada lebih dari satu kemungkinan, jadi belum bisa dikatakan bahwa masalahnya sudah diselesaikan. Keberagaman memicu kontroversi, tapi debatnya sehat: sampai kabut hilang seluruhnya, ada baiknya mendapat kritik dan pandangan berlawanan. Salah satu usaha utama memecahkan masalah itu adalah riset yang bernama "gravitasi kuantum simpal" (loop quantum gravity), yang dikerjakan beberapa peneliti di banyak negara. 

         Gravitasi kuantum simpal adalah usaha memadukan relativitas umum  dan mekanika kuantum, yaitu suatu usaha penuh kehati-hatian dalam menggunakan hipotesis-hipotesis yang terkandung dalam kedua teori tersebut, ditulis ulang agar bisa saling cocok. Tapi konsekuensinya radikal: suatu perubahan besar lebih lanjut dalam cara kita memandang struktur realitas.

         Gagasannya sederhana Relativitas umum telah mengajari kita bahwa ruang bukanlah kotak lembam melainkan sesuatu dinamis: seperti cangkang siput besar yang dapat bergerak. di mana kita menempel pada permukaannya ---- yang bisa dimampatkan dan dipelintir. Di pihak lain, mekanika kuantum telah mengajari kita bahwa semua medan terbuat dari kuanta dan punya struktur halus berbutir. Artinya ruang fisik itu juga terbuat dari kuanta". 

        Hasil utama dari gravitasi kuantum simpal adalah bahwa ruang tidak kontinu, tidak bisa dibagi-bagi terus tanpa akhir, melainkan terbuat dari bulir-bulir, atau "Atom-Atom ruang amat sangat kecil: satu miliar miliar kali lebih kecil dari pada inti atom terkecil. Teori ini menjabarkan "atom ruang secara matematis dan menyediakan persamaan yang menentu kan evolusi atom ruang. Istilah "loop" (yang berarti 'simpal atau "cincin") digunakan karena simpal-simpal tersebut saling bertautan, membentuk jejaring hubungan yang menganyam tekstur ruang, seperti cincin-cincin di besi halus yang rantai sangat luas 

        Di manakah kuantum ruang berada? Tidak di mana-mana. Mereka bukan berada di ruang karena ruang itu adalah mereka sendiri. Ruang diciptakan oleh pertautan kuanta-kuanta gravitasi individu. Sekali lagi, dunia tampak lebih berupa hubungan dibanding objek-objek kebendaan.  

         Namun konsekuensi kedua dari teori inilah yang paling ekstrem. Sebagaimana hilangnya gagasan ruang kontinu yang berisikan benda-benda, demikian pula dengan gagasan mengenai mengalirnya “waktu” yang tidak bergantung apapun, yang snagat mendasar dan utama, juga ikut lenyap. Persamaaan-persamaan yang menjabarkan bulir-bulir ruang dan materi tak lagi mengandung variabel waktu". Hal ini bukan berarti semuanya tak bergerak dan tak berubah. Sebaliknya, hal ini berarti perubahan ada di mana-mana— tapi proses-prose dasar tak bisa ditata dalam serangkaian “saat”.  Di skala kecil bulir-bulir ruang, tarian alam tidak mengikuti irama stik dirigenn orkestra tunggal dengan satu tempo: tiap proses menari dengan iramanya sendiri, independen dari tetangga-tetangganya. Berlalunya waktu adalah bagian internal dari alam, dilahirkan oleh alam itu sendiri sebagai bentuk hubungan antara peristiwa-peristiwa kuantum yang menbentuk alam, yang sendirinya merupakan sumber waktu.

        Dunia yang dijabarkan teori ini berbeda jauh dari dunia hang kita kenal. Tak lagi ada ruang yang "mengandung" alam, dan tak ada lagi waktu “ketika” peristiwa terjadi. Hanya ada proses-proses dasar di mana kuantum ruang dan kuantum materi terus-menerus saling berinteraksi. Ilusi ruang dan waktu yang kontinu di sekitar kita adalah akibat pandangan kabur atas bergromobolnya proses-proses dasar, sebagaimana danau alpen yang tenang dan jernih sebenarnya berisi tarian cepat banyak sekali molekul air yang amat sangat kecil.

         Bila dilihat dari jarak dekat melalui kaca pembesar berdaya ultratinggi, maka gambar dari atom atom ruang tampak seperti ini, 

       Apakah mungkin untuk memastikan kebenaran teori ini dengan percobaan ? Para ahli fisika sedang berpikir dan mencoba, tapi sejauh ini belum ada pembuktian dengan percobaan. Namun, ada beberapa upaya berbeda. 

        Salah satunya berasal dari penelitian lubang hitam. Di langit, kita sekarang bisa mengamati lubang hitam yang terbentuk karena keruntuhan bintang. Materi di bintang yang terimpit beratnya sendiri lantas runtuh ke dalam dan lenyap dari pandangan kita. Tapi ke mana perginya ? Jika teori gravitasi kuantum simpal benar, maka materi tidak dapat sepenuhnya runtuh menjadi satu titik yang tak terhingga kecilnya, karena titik yang tak terhingga kecilnya tidak ada—— hanya ada potongan- potongan ruas yang terhingga ukurannya. Zat yang runtuh karna beratnya sendiri mesti menjadi makin padat, sampai titik dimana mekanika kuantum mesti memberi tekanan berlawanan sebagai penyeimbang. 

        Tahap terakhir kehidupan suatu bintang, di mana fluktuasi kuantum  ruang-waktu mengimbangi berat bintang tersebut, dikenal sebagai "bintang Planck. Jika matahari berhenti bersinar dan berubah menjadi lubang hitam, maka garis tengahnya berukuran kira-kira satu setengah kilometer. Di dalam lubang hitam itu materi matahari bakal terus runtuh, dan akhirnya menjadi bintang Planck. Ukurannya kira-kira sebesar atom. Semua materi matahari termampatkan menjadi sebesar atom. Semua bintang Planck mestinya tersusun dari materi dalam keadaan ekstrem seperti ini.

        Suatu bintang Planck tidaklah stabil: kalau sudah termampatkan maksimum, bintang itu mulai mengembang kembali. Akibatnya lubang hitam meledak. Proses pengembangan ini, apabila dilihat oleh pengamat hipotetis yang berada pada lubang hitam di bintang Planck, akan terlihat seperti ledakan yang berkecepatan tinggi. Tapi waktu tak berlalu dengan kecepatan yang sama bagi pengamat di dalam dan di luar lubang hitam, sebagaimana di pegunungan tinggi waktu berlalu lebih cepat daripada di permukaan laut. Bagi si pengamat di lubang hitam, karena kondisi ekstrem, perbedaan dalam berlalunya waktu amat besar, dan apa yang tampak di bintang Planck sebagai ledakan amat cepat akan terlihat berlangsung sangat lama oleh pengamat di luar. Itulah mengapa kita mengamati lubang hitam tetap sama keadaannya dalam jangka panjang: lubang hitam adalah bintang yang lahir kembali dipandang dalam gerak amat lambat.

         Adalah sangat memungkinkan pada saat awal terbentuknya alam semesta, lubang-lubang hitam terbentuk, dan beberapa diantaranya meledak. Bila benar demikian, maka kita barangkali dapat mengamati sinyal sinyal yang mereka pancarkan ketika meledak, dalam bentuk sinar kosmik berenergi tinggi dari langit, sehingga memungkinkan kita mengamati dan mengukur suatu efek langsung suatu fenomena yang diatur oleh gravitasi kuantum. Ini gagasan yang berani—— yang mungkin tidak akan berlaku, misalnya, bila di alam semesta purba tidak ada cukup banyak lubang hitam sehingga kita tak bisa mendeteksi ledakannya sekarang. Tapi pencarian sinyal sudah dimulai. Akan kita lihat hasilnya. 

        Konsekuensi lain teori gravitasi kuantum simpal, salah satu yang paling spektakuler, berkaitan dengan asal-usul alam semesta. Kita tahu cara merekonstruksi sejarah alam semesta kita sampai titik awal ketika ukurannya amat kecil. Tapi bagaimana dengan sebelum titik itu ? Nah, persamaan-persamaan teori kuantum gravitasi simpal memperkenankan kita mundur lebih jauh lagi dalam rekonstruksi sejarah. 

       Kita dapati bahwa ketika alam semesta termampatkan cara ekstrem, teori kuantum membangkitkan suatu gaya tolak sehingga hasilnya adalah bahwa "Dentuman Besar (Big Bang) boleh jadi merupakan suatu "Pantulan Besar" (big bounce). Alam semesta kita boleh jadi terlahir dari alam semesta terdahulu yang menyusut karena beratnya sendiri sampai termampatkan menjadi kecil lalu memantul" dan mulai mengembang kembali, sehingga menjadi alam semesta mengembang yang kita amati di sekitar kita. 

       Saat pantulan terjadi, ketika alam semesta mengerut menjadi maha kecil, adalah ranah sejati gravitasi kuantum: waktu dan ruang sudah lenyap, dan alam semesta melebur menjadi awan probabilitas yang masih bisa dijabarkan oleh persamaan-persamaan matematika. Dan gambar terakhir di pelajaran kita yaitu mengenai reinkarnasi alam semesta yang terjadi secara terus menerus, runtuh - lalu lahir kembali, runtuh kembali - lalu lahir kembali, sesuatu yang sering disebut oleh para fisikawan sebagai Confromal Cyclic Cosmology. 

       Fisika membuka jendela-jendela di mana kita bisa melihat sampai jauh. Yang kita lihat tak henti-hentinya membuat kita tercengang.  Kita menyadari bahwa kita penuh prasangka dan gambaran intuitif kita atas dunia itu tak lengkap, sempit tak sempurna. Bumi tidak datar; bumi tidak statis. Dunia terus berubah di depan mata kita seiring dengan bertambah luas dan jelasnya penglihatan kita. Bila kita mencoba mengumpulkan segala yang sudah kita pelajari pada abad ke 20 mengenai sesuatu dunia fisik, maka petunjuk petunjuknya mengarah ke sesuatu yang amat berbeda dengan pemahaman naluriah kita atas materi, ruang, dan waktu. Gravitasi kuantum simpal adalah suatu usaha untuk menguraikan petunjuk-petunjuk itu dan melihat lebih jauh. 

Persamaan Persmaan dari Teori Kuantum Gravitasi Loop.

Formulasi Arnowitt-Deser-Misner untuk Teori Realtivitas Umum Einstein

(Bentuk Hamiltonian dari persamaan medan gravitasi Einstein)

 Persamaan gravitasi Eintein diformulasika dengan Variabel Ashtekar.

 Operator Kinematik Butiran (Atom-atom) Ruang-Waktu