Kamis, 01 Agustus 2013

Kelahiran Waktu: Loop Kuantum Deskripsikan Evolusi Alam Semesta

Selasa, 08 Mei 2012

 

Jawaban misteri Big Bang ada pada kesatuan teori kuantum materi dan gravitasi. Salah satu usaha untuk mengembangkan teori itu adalah gravitasi loop kuantum.

Apakah Big Bang itu dan apa yang terjadi sebelumnya? Para ilmuwan dari Fakultas Fisika, Universitas Warsaw, telah berupaya untuk menjawab pertanyaan tersebut. Bersama gravitasi kuantum loop, mereka mengajukan model teoritis baru, yang mungkin terbukti bermanfaat untuk memvalidasi hipotesis tentang peristiwa-peristiwa sebelum Big Bang. Pencapaian ini merupakan salah satu dari beberapa model yang menggambarkan penuh teori Einstein dan bukan hanya versi yang sangat disederhanakan.

Para fisikawan dari Fakultas Fisika, Universitas Warsaw, telah mengajukan – pada halaman Physical Review D – model teoritis baru gravitasi kuantum yang menggambarkan munculnya ruang-waktu dari struktur teori kuantum. Hal ini tidak hanya merupakan salah satu dari beberapa model yang menjelaskan teori umum relativitas Einstein, namun juga sepenuhnya secara matematis konsisten. “Penerapan solusi ini memungkinkan untuk menelusuri evolusi alam semesta yang secara fisik lebih diterima daripada dalam hal model kosmologis sebelumnya,” jelas Prof. Jerzy Lewandowski dari Fakultas Fisika, Universitas Warsaw (FUW).

Sementara teori relativitas umum diterapkan untuk menggambarkan Universe pada skala kosmologi, mekanika kuantum diterapkan untuk menggambarkan realitas pada skala atom. Kedua teori ini dikembangkan pada awal abad 20. Validitas mereka sejak itu telah dikonfirmasi dengan percobaan dan pengamatan yang sangat canggih. Masalahnya terletak pada kenyataan bahwa teori-teori ini saling bereksklusif.

Prof. Jerzy Lewandowski berdiri di depan The Kitchen, 1948, oleh Picasso di Museum of Modern Art di Manhattan. Garis-garis dalam lukisan ini cukup mirip dengan grafik yang menunjukkan evolusi, menyatakan kuantum medan gravitasi pada gravitasi kuantum loop. (Kredit: Elzbieta Perli?ska-Lewandowska)
Menurut teori relativitas umum, realitas selalu ditentukan secara unik (seperti dalam mekanika klasik). Namun, ruang dan waktu berperan aktif dalam berbagai peristiwa dan diri mereka sendiri tunduk pada persamaan Einstein. Di sisi lain, menurut fisika kuantum, salah satunya mungkin memperoleh pemahaman yang kasar tentang alam. Sebuah prediksi hanya dapat dilakukan dengan probabilitas; presisi yang dibatasi oleh sifat-sifat yang melekat. Namun hukum teori kuantum yang berlaku tidak berlaku bagi ruang dan waktu. Kontradiksi tersebut tidak relevan dalam kondisi standar – galaksi tidak tunduk pada fenomena kuantum dan gravitasi kuantum yang memainkan peran kecil dalam dunia atom dan partikel. Meskipun demikian, gravitasi dan efek kuantum perlu digabung dalam kondisi yang dekat dengan Big Bang.

Model kosmologis tradisional menggambarkan evolusi alam semesta dalam kerangka teori relativitas umum itu sendiri. Persamaan pada inti dari teori ini mengemukakan bahwa alam semesta adalah ciptaan yang dinamis, terus berkembang. Ketika teoretikus mencoba menemukan seperti apakah alam semesta di masa lalu, mereka mencapai tahap di mana kepadatan dan temperatur di dalam model menjadi tak terbatas – dengan kata lain, mereka kehilangan indera fisik mereka. Jadi, ketidakterhinggan hanya bisa menunjukkan kelemahan dari mantan teori dan saat Big Bang tidak harus menandai kelahiran alam semesta.

Dalam rangka memperoleh setidaknya beberapa pengetahuan tentang gravitasi kuantum, para ilmuwan membangun model kuantum yang disederhanakan, dikenal sebagai model kosmologis kuantum, di mana ruang-waktu dan materi disajikan dalam nilai tunggal atau beberapa nilai saja. Misalnya, model yang dikembangkan oleh Ashtekar, Bojowald, Lewandowski, Pawlowski dan Singh, memprediksi bahwa gravitasi kuantum mencegah peningkatan kepadatan materi energi melebihi nilai kritis tertentu (dari urutan kepadatan Planck). Akibatnya, pasti terdapat alam semesta kontraktor sebelum Big Bang. Ketika kepadatan materi mencapai nilai kritis, diikuti dengan ekspansi yang cepat – Big Bang, yang dikenal sebagai Big Bounce. Tetapi, model ini merupakan model mainan yang sangat disederhanakan.

Jawaban nyata misteri Big Bang terletak pada kesatuan teori kuantum materi dan gravitasi. Salah satu usaha untuk mengembangkan teori semacam itu adalah gravitasi loop kuantum (LQG). Teori ini berpendapat bahwa ruang berkelok-kelok dari benang satu-dimensi. “Ini sama seperti dalam kasus kain – meskipun tampaknya halus dari kejauhan, ini menjadi jelas pada jarak dekat yang terdiri dari jaringan serat,” ujar Wojciech Kaminski, MSc dari FUW. Ruang seperti itu akan membentuk selembar kain halus – seluas satu sentimeter persegi akan terdiri dari 1066 benang.

Fisikawan Marcin Domaga?a, Wojciech Kaminski dan Jerzy Lewandowski, bersama dengan Kristina Giesel dari Universitas Louisiana (tamu), mengembangkan model dalam kerangka gravitasi kuantum loop. Titik awal untuk model dua bidang, salah satunya adalah bidang gravitasi. “Berkat teori relativitas umum, kami tahu bahwa gravitasi adalah geometri ruang-waktu. Dengan demikian, kami bisa mengatakan bahwa titik keberangkatan kami adalah ruang tiga-dimensi,” jelas Marcin Domaga?a, PhD (FUW).

Titik awal kedua adalah bidang skalar – obyek matematis di mana nilai tertentu dihubungkan dengan setiap titik dalam ruang. Dalam model yang diusulkan, bidang skalar diinterpretasikan sebagai bentuk materi paling sederhana. Skalar bidang dikenal dalam fisika selama bertahun-tahun, mereka diterapkan, antara lain, untuk menggambarkan distribusi temperatur dan tekanan di ruang angkasa. “Kami telah memilih medan skalar karena merupakan ciri khas model kosmologis kontemporer, dan tujuan kami adalah mengembangkan model yang akan membentuk langkah maju dalam penelitian kuantum gravitasi,” jelas Prof. Lewandowski.

Dalam model yang dikembangkan oleh para fisikawan dari Warsaw, waktu muncul sebagai hubungan antara medan gravitasi (ruang) dan bidang skalar – suatu momen dalam waktu diberikan oleh nilai medan skalar. “Kami mengajukan pertanyaan tentang bentuk ruang dengan nilai yang diberikan dari medan skalar, dan persamaan kuantum Einstein memberikan jawabannya,” jelas Prof. Lewandowski. Dengan demikian, fenomena berlalunya waktu muncul sebagai properti keadaan bidang gravitasi dan skalar, dan kemunculan keadaan tersebut sesuai dengan kelahiran ruang-waktu yang sudah dikenal. “Hal ini patut dicatat bahwa waktu tidak ada pada awal model. Tidak ada apapun yang terjadi. Aksi dan dinamika muncul sebagai keterkaitan antara bidang ketika kami mulai mengajukan pertanyaan-pertanyaan tentang bagaimana satu objek berhubungan dengan yang lain,” jelas Prof Lewandowski.

Ahli fisika dari FUW telah membuat ini menjadi mungkin untuk memberikan deskripsi yang lebih akurat tentang evolusi alam semesta. Sedangkan model berdasarkan teori relativitas umum disederhanakan dan mengasumsikan bahwa medan gravitasi di setiap titik Semesta akan identik atau tunduk pada perubahan kecil, medan gravitasi dalam model yang diusulkan bisa berbeda di berbagai titik di ruang angkasa.

Pengembangan teoritis yang diusulkan adalah model pertama yang sangat maju, yang ditandai dengan konsistensi matematis internal. Ia hadir sebagai kelanjutan alami dari penelitian kuantisasi gravitasi, di mana setiap teori baru berasal dari teori klasik. Untuk itu, fisikawan menerapkan algoritma tertentu, yang dikenal sebagai kuantisasi. “Sayangnya untuk fisikawan, kedua algoritma tersebut jauh dari ketepatan. Sebagai contoh, ini mungkin mengikuti dari suatu algoritma di mana suatu ruang Hilbert perlu dibangun, namun tidak ada rincian yang diberikan,” jelas Marcin Domaga?a, MSc. “Kami telah berhasil melakukan kuantisasi penuh dan memperoleh salah satu model yang mungkin.”

Masih terdapat jalan panjang, menurut Prof. Lewandowski, “Kami telah mengembangkan mesin teoretis tertentu. Kita mungkin mulai memainkannya dengan pertanyaan dan akan memberikan jawabannya.” Teori dari FUW bermaksud, antara lain, untuk menanyakan apakah benar-benar terjadi Big Bounce dalam model mereka. “Ke depan, kami akan mencoba untuk memasukkannya ke dalam bidang model lebih lanjut, Model Standar partikel dasar. Kami penasaran sendiri untuk mencari tahu apa yang akan terjadi,” kata Prof Lewandowski.