Saturday, November 28, 2020

M-Theory: Ibu dari semua SuperString Theory

Oleh : Michio Kaku

Setiap dekade atau lebih, terobosan menakjubkan dalam teori string mengirimkan gelombang kejut yang melesat melalui komunitas fisika teoretis, menghasilkan banyak sekali makalah dan aktivitas. Kali ini, saluran internet bergelora saat tulisan-tulisan terus mengalir ke papan buletin komputer Laboratorium Nasional Los Alamos, lembaga kliring resmi untuk makalah tentang superstring. John Schwarz dari Caltech, misalnya, telah berbicara di konferensi di seluruh dunia yang memproklamasikan “revolusi superstring kedua.” Edward Witten dari Institute for Advanced Study di Princeton memberikan ceramah selama 3 jam yang sangat menarik untuk menjelaskannya. Guncangan setelah terobosan ini bahkan mengguncang disiplin ilmu lain, seperti matematika. Direktur Institut, ahli matematika Phillip Griffiths, berkata, “Kegembiraan yang saya rasakan pada orang-orang di lapangan dan spin-off ke dalam bidang matematika saya… benar-benar luar biasa. Saya merasa saya sangat beruntung bisa menyaksikan ini secara langsung. “

Cumrun Vafa di Harvard pernah berkata, “Saya mungkin bias pada yang satu ini, tapi saya pikir ini mungkin perkembangan yang paling penting tidak hanya dalam teori string, tetapi juga dalam teori fisika setidaknya dalam dua dekade terakhir.” Apa yang memicu semua kegembiraan ini adalah penemuan sesuatu yang disebut “teori-M,” sebuah teori yang dapat menjelaskan asal mula string. Dalam satu kesimpulan yang mempesona, teori-M baru ini telah memecahkan serangkaian misteri lama yang membingungkan tentang teori string yang telah mengikutinya sejak awal, membuat banyak fisikawan teoretis (termasuk saya!) Terengah-engah. Lebih lanjut, teori-M bahkan dapat memaksa teori string untuk mengubah namanya. Meskipun banyak ciri-ciri teori-M yang masih belum diketahui, ia tampaknya bukan teori yang murni berupa string. Michael Duff dari Texas A&M telah memberikan pidato dengan judul “Teori sebelumnya dikenal sebagai string!” Ahli teori string berhati-hati untuk menunjukkan bahwa ini tidak membuktikan kebenaran akhir dari teori tersebut. Tidak dengan cara apapun. Itu mungkin bertahan beberapa tahun atau dekade lebih. Tapi itu menandai terobosan paling signifikan yang sudah membentuk kembali seluruh bidang.

 Perumpamaan Singa

Einstein pernah berkata, “Alam semesta hanya menunjukkan kepada kita ekor singa. Tetapi saya tidak meragukan bahwa singa itu miliknya meskipun dia tidak dapat sekaligus menampakkan dirinya karena ukurannya yang sangat besar. ” Einstein menghabiskan 30 tahun terakhir hidupnya mencari “ekor” yang akan membawanya ke “singa”, teori medan terpadu atau “teori segalanya”, yang akan menyatukan semua kekuatan alam semesta menjadi satu persamaan. Empat gaya (gravitasi, elektromagnetisme, dan gaya nuklir kuat dan nuklir lemah) akan disatukan dengan persamaan yang mungkin sepanjang satu inci. Menangkap “singa” akan menjadi pencapaian ilmiah terbesar dalam semua fisika, pencapaian puncak dari penyelidikan ilmiah selama 2.000 tahun, sejak orang Yunani pertama kali bertanya pada diri sendiri terbuat dari apa semesta ini. Tetapi meskipun Einstein adalah orang pertama yang memulai perburuan mulia ini dan melacak jejak kaki yang ditinggalkan singa, dia akhirnya kehilangan jejak dan berkeliaran ke hutan belantara. Raksasa fisika abad ke-20 lainnya, seperti Werner Heisenberg dan Wolfgang Pauli, juga ikut berburu. Tetapi semua ide mudah telah dicoba dan terbukti salah. Ketika Niels Bohr pernah mendengar ceramah Pauli yang menjelaskan versinya tentang teori medan terpadu, Bohr berdiri dan berkata, “Kami di belakang semua setuju bahwa teori Anda gila. Tapi yang membedakan kami adalah apakah teori Anda cukup gila! “

Jejak yang mengarah ke teori medan terpadu, pada kenyataannya, dipenuhi dengan puing-puing ekspedisi dan mimpi yang gagal. Hari ini, bagaimanapun, para fisikawan mengikuti jejak yang berbeda yang mungkin “cukup gila” untuk menuju ke singa. Jejak baru ini mengarah pada teori superstring, yang merupakan kandidat terbaik untuk teori segalanya. Tidak seperti para pesaingnya, ia telah bertahan dari setiap tantangan matematika yang pernah dilemparkan padanya. Tidak mengherankan, teori ini merupakan penyimpangan radikal dan “gila” dari masa lalu, yang didasarkan pada string-string kecil yang bergetar dalam ruang-waktu 10 dimensi. Selain itu, teori tersebut dengan mudah menelan teori gravitasi Einstein. Witten pernah berkata, “Tidak seperti teori medan kuantum konvensional, teori string membutuhkan gravitasi. Saya menganggap fakta ini sebagai salah satu pandangan terbesar dalam sains yang pernah dibuat. “Namun hingga saat ini, ada titik lemah yang mencolok: ahli teori string tidak dapat menyelidiki semua solusi model, gagal total untuk memeriksa apa yang disebut “wilayah non-perturbatif,” yang akan saya jelaskan sebentar lagi. Ini sangat penting, karena pada akhirnya alam semesta kita (dengan kumpulan galaksi, bintang, planet, partikel sub-atom, dan bahkan manusia yang sangat beragam) mungkin terletak di “wilayah non-perturbatif” ini. Sampai wilayah ini dapat diselidiki, kita tidak tahu apakah teori string adalah teori segalanya – atau teori ketiadaan! Itulah yang menjadi keseruan saat ini. Untuk pertama kalinya, dengan menggunakan alat canggih yang disebut “dualitas”, fisikawan sekarang menyelidiki lebih dari sekadar ekor, dan akhirnya melihat garis besar singa yang sangat cantik dan tak terduga di ujung lainnya. Tidak tahu harus menyebutnya apa, Witten menjulukinya sebagai “Teori-M”. Dalam satu pukulan, teori-M telah memecahkan banyak fitur teori yang memalukan, seperti mengapa kita memiliki 5 teori superstring. Pada akhirnya, ini dapat menyelesaikan pertanyaan yang mengganggu tentang dari mana string berasal.

Pea Brains” dan Ibu dari semua String teori

Einstein pernah bertanya pada dirinya sendiri apakah Tuhan memiliki pilihan dalam menciptakan alam semesta. Mungkin tidak, jadi memalukan bagi ahli teori string untuk memiliki lima string yang konsisten, yang semuanya dapat menyatukan dua teori fundamental dalam fisika, teori gravitasi dan teori kuantum.

Masing-masing teori string ini terlihat sangat berbeda dari yang lain. Mereka didasarkan pada kesimetrian yang berbeda, dengan nama eksotis seperti E (8) xE (8) dan O (32).

Tidak hanya ini, tetapi superstring dalam beberapa hal tidak unik: ada teori non-string lain yang mengandung “super-simetri,” kunci simetri matematis yang mendasari superstring. (Mengubah cahaya menjadi elektron dan kemudian menjadi gravitasi adalah salah satu trik yang cukup mencengangkan yang dilakukan oleh supersimetri, yaitu kesimetrian yang dapat menukar partikel dengan spin setengah integral, seperti elektron dan quark, dengan partikel spin integral, seperti foton, graviton, dan partikel W.

Dalam 11 dimensi, sebenarnya, ada teori super alternatif berdasarkan membran serta partikel titik (disebut gravitasi super). Di dimensi yang lebih rendah, ada juga banyak teori super yang didasarkan pada membran dalam dimensi yang berbeda. (Misalnya, partikel titik adalah bran-0, string adalah bran-1, membran adalah bran-2, dan seterusnya.) Untuk kasus dimensi-p, beberapa orang menyebutnya bran-p (diucapkan “pea brain”). Tetapi karena bran-p sangat sulit untuk dikerjakan, mereka telah lama dianggap hanya sebagai keingintahuan sejarah, sebuah jejak yang mengarah ke jalan buntu. (Michael Duff, pada kenyataannya, telah mengumpulkan seluruh daftar komentar tidak menyenangkan yang dibuat oleh dewan untuk hibah National Science Foundation tentang pekerjaannya di pbranes). Salah satu komentar yang lebih dermawan dari dewan adalah: “Dia memiliki pandangan yang miring tentang kepentingan relatif dari berbagai konsep dalam fisika teoretis modern.” Jadi itulah misterinya. Mengapa supersimetri mengizinkan 5 superstring dan koleksi bran-p yang beraneka ragam ini? Sekarang kita menyadari bahwa string, supergravity, dan bran-p hanyalah aspek berbeda dari teori yang sama. Teori-M (M untuk “membran” atau “induk dari semua string”) menyatukan 5 superstring menjadi satu teori dan menyertakan bran-p juga. Untuk melihat bagaimana semua ini cocok, mari kita perbarui perumpamaan terkenal tentang orang-orang bijak yang buta dan seekor gajah. Pikirkan tentang orang buta di jejak singa. Mendengar singa berlari, mereka mengejarnya dan dengan putus asa meraih ekornya (bran satu). Bergantung pada ekornya untuk kehidupan yang menyenangkan, mereka merasakan bentuk satu dimensinya dan dengan lantang menyatakan, “Itu adalah tali! Itu adalah tali! “

Tapi kemudian seorang pria buta lain meraih telinga singa. Merasakan permukaan dua dimensi (selaput), pria buta itu menyatakan, “Tidak, ini sebenarnya bran dua!” Kemudian seorang pria buta lainnya mampu meraih kaki singa tersebut. Merasakan benda tiga dimensi, dia berteriak, “Tidak, kalian berdua salah. Ini bran tiga! ” Sebenarnya, mereka baik-baik saja. Sama seperti ekor, telinga, dan tungkai adalah bagian berbeda dari singa yang sama, tali dan berbagai bran nampaknya merupakan batas yang berbeda dari teori yang sama: teori-M. Paul Townsend dari Universitas Cambridge, salah satu arsitek ide ini, menyebutnya “demokrasi bran-p,” yaitu semua bran (termasuk string) dibuat sama. Schwarz membuat putaran yang sedikit berbeda dalam hal ini. Dia berkata, “kita berada dalam situasi Orwellian: semua bran-p sama, tetapi beberapa (yaitu string) lebih sama dari yang lain. Intinya adalah bahwa mereka adalah satu-satunya yang dapat kami gunakan untuk mendasarkan teori perturbasi. “Untuk memahami konsep-konsep asing seperti dualitas, teori perturbasi, solusi non-perturbatif, sangatlah penting untuk melihat di mana konsep-konsep ini pertama kali masuk ke dalam fisika.

Dualitas

Alat kunci untuk memahami terobosan ini adalah sesuatu yang “dualitas”. Secara longgar, dua teori dianggap “ganda” satu sama lain jika mereka dapat ditampilkan setara di bawah pertukaran tertentu. Contoh dualitas paling sederhana adalah membalikkan peran listrik dan magnet dalam persamaan yang ditemukan oleh James Clerk Maxwell dari Universitas Cambridge 130 tahun lalu. Ini adalah persamaan yang mengatur cahaya, TV, sinar-X, radar, dinamo, motor, transformator, bahkan Internet dan komputer. Fitur luar biasa tentang persamaan ini adalah bahwa persamaan tersebut tetap sama jika kita menukar medan magnet B dan listrik E dan juga mengganti muatan listrik e dengan muatan magnet g dari “monopole” magnetik: E <–> B dan e <- > g (Faktanya adalah sebuah konstanta.) Ini memiliki implikasi penting. Seringkali, ketika sebuah teori tidak dapat dipecahkan dengan tepat, kita menggunakan skema pendekatan. Dalam kalkulus tahun pertama, misalnya, kita ingat bahwa kita dapat memperkirakan fungsi tertentu dengan ekspansi Taylor. Demikian pula, karena e ^ 2 = 1/137 dalam satuan tertentu dan karenanya merupakan bilangan kecil, kita selalu dapat mendekati teori dengan kekuatan yang berkembang di e ^ 2. Jadi kita menambahkan kontribusi orde e ^ 2 + e ^ 4 + e ^ 6 dll. Dalam menyelesaikan, katakanlah, tumbukan dua partikel. Perhatikan bahwa setiap kontribusi semakin kecil dan kecil, sehingga pada prinsipnya kita dapat menjumlahkan semuanya. Generalisasi ekspansi Taylor ini disebut “teori perturbation”, di mana kita mengganggu sistem dengan istilah yang mengandung e ^ 2. Misalnya, dalam panahan, teori perturbasi adalah bagaimana kita mengarahkan panah kita. Dengan setiap gerakan lengan kita, busur kita semakin dekat dan sejajar dengan sasaran.) Tapi sekarang coba rentangkan dalam g ^ 2. Ini jauh lebih sulit; pada kenyataannya, jika kita mengembangkan dalam g ^ 2, yang besar, maka jumlah g ^ 2 + g ^ 4 + g ^ 6 dll akan meledak dan menjadi tidak berarti. Inilah alasan mengapa daerah “non-perturbative” sangat sulit untuk diteliti, karena teori ini akan meledak jika kita mencoba secara naif menggunakan teori perturbasi untuk konstanta besar g. Jadi pada awalnya tampak tanpa harapan bahwa kami bisa menembus ke wilayah non-gangguan. (Misalnya, jika setiap gerakan lengan kita bertambah besar dan lebih besar, kita tidak akan pernah bisa membidik dan mencapai target dengan panah.) Tetapi perhatikan bahwa karena dualitas, teori e kecil (yang dengan mudah diselesaikan) identik dengan teori g besar (yang sulit dipecahkan). Tetapi karena mereka adalah teori yang sama, kita dapat menggunakan dualitas

S, T, dan U Dualty

Firasat pertama bahwa dualitas mungkin berlaku dalam teori string ditemukan oleh K. Kikkawa dan M. Yamasaki dari Osaka Univ. pada tahun 1984. Mereka menunjukkan bahwa jika Anda “menggulung” salah satu dimensi tambahan menjadi lingkaran dengan jari-jari R, teorinya sama jika kita menggulung dimensi ini dengan jari-jari 1 / R. Ini sekarang disebut dualitas-T: R <–> 1 / R Ketika diterapkan ke berbagai superstring, seseorang dapat mereduksi 5 teori string menjadi 3 teori. Dalam 9 dimensi (dengan satu dimensi meringkuk) string Tipe IIa dan IIb identik, begitu pula string E (8) xE (8) dan O (32).

Sayangnya, dualitas T masih merupakan dualitas yang mengganggu. Terobosan berikutnya datang ketika ditunjukkan bahwa ada kelas dualitas kedua, yang disebut dualitas S, yang memberikan dualitas antara wilayah perturbatif dan non-perturbatif dari teori string. Dualitas lain, yang disebut dualitas U, bahkan lebih kuat.

Kemudian Nathan Seiberg dan Edward Witten dengan cemerlang menunjukkan bagaimana bentuk dualitas lain dapat menyelesaikan wilayah non-perturbatif dalam teori supersimetrik empat dimensi. Namun, apa yang akhirnya meyakinkan banyak fisikawan tentang kekuatan teknik ini adalah karya Paul Townsend dan Edward Witten. Mereka mengejutkan semua orang dengan menunjukkan bahwa ada dualitas antara string Tipe IIa 10 dimensi dan supergravitasi 11 dimensi! Wilayah non-perturbatif dari string Tipe IIa, yang sebelumnya merupakan wilayah terlarang, dinyatakan diatur oleh teori gaya berat super 11 dimensi, dengan satu dimensi melengkung. Pada titik ini, saya ingat bahwa banyak fisikawan (termasuk saya sendiri) menggosok mata kami, tidak mempercayai apa yang kami lihat. Saya ingat pernah berkata pada diri saya sendiri, “Tapi itu tidak mungkin!”

Tiba-tiba, kami menyadari bahwa mungkin “rumah” sebenarnya dari teori string bukanlah 10 dimensi, tetapi mungkin 11 dimensi, dan bahwa teori tersebut pada dasarnya bukanlah teori string sama sekali! Hal ini membangkitkan kembali minat yang luar biasa pada teori dan perspektif 11 dimensi. Mengintai di dimensi 11 adalah teori yang sama sekali baru yang dapat mereduksi menjadi supergravitasi 11 dimensi serta teori string 10 dimensi dan teori bran-p.

Pencela Teori String

Namun, bagi para kritikus, perkembangan matematika ini masih belum menjawab pertanyaan yang mengganggu: bagaimana Anda mengujinya? Karena teori string benar-benar teori Penciptaan, ketika semua kesimetriannya yang indah berada dalam kejayaannya, satu-satunya cara untuk mengujinya, keluh para kritikus, adalah dengan menciptakan kembali Big Bang itu sendiri, yang tidak mungkin dilakukan. Peraih Nobel Sheldon Glashow suka mengejek teori superstring dengan membandingkannya dengan mantan Presiden. Rencana Star Wars Reagan, yaitu keduanya tidak dapat diuji, menyerap sumber daya, dan keduanya menyedot otak ilmiah terbaik.

Sebenarnya, sebagian besar ahli teori string menganggap kritik ini konyol. Mereka percaya bahwa para kritikus telah melewatkan intinya. Poin kuncinya adalah: jika teori tersebut dapat diselesaikan secara non-perturbatif menggunakan matematika murni, maka teori tersebut harus direduksi pada energi rendah menjadi teori proton, elektron, atom, dan molekul biasa, yang memiliki banyak data eksperimen. Jika kita benar-benar dapat memecahkan teori tersebut, kita harus dapat mengekstraksi spektrum energi rendahnya, yang harus sesuai dengan partikel yang kita kenal sekarang dalam Model Standar. Jadi, masalahnya bukanlah membangun pemecah atom berdiameter 1000 tahun cahaya; masalah sebenarnya adalah kekuatan otak kita: hanya kita-kita yang cukup pintar, kita bisa menuliskan teori-M, menyelesaikannya, dan menyelesaikan semuanya.

Berevolusi Mundur

Jadi apa yang diperlukan untuk benar-benar menyelesaikan teori sekali dan untuk semua dan mengakhiri semua spekulasi dan kritik? Ada beberapa pendekatan. Yang pertama adalah yang paling langsung: mencoba mendapatkan Model Standar interaksi partikel, dengan kumpulan quark, gluon, elektron, neutrino, boson Higgs, dll. Yang aneh, dll. (Saya harus mengakui bahwa meskipun Model Standar adalah teori fisika paling sukses yang pernah diajukan, itu juga salah satu yang paling jelek.) Hal ini dapat dilakukan dengan menggulung 6 dari 10 dimensi, meninggalkan kita dengan teori 4 dimensi yang mungkin sedikit mirip dengan Model Standar. Kemudian coba gunakan dualitas dan teori-M untuk menyelidiki wilayah non-perturbatifnya, melihat apakah kesimetrian pecah dengan cara yang benar, memberi kita massa yang benar dari quark dan partikel lain dalam Model Standar. Filosofi Witten, bagaimanapun, sedikit berbeda. Ia merasa bahwa kunci untuk memecahkan teori string adalah memahami prinsip yang mendasari teori tersebut.

Biar saya jelaskan. Teori relativitas umum Einstein, misalnya, dimulai dari prinsip pertama. Einstein memiliki “pikiran paling bahagia dalam hidupnya” ketika dia bersandar di kursinya di kantor paten Bern dan menyadari bahwa seseorang yang berada di lift yang jatuh tidak akan merasakan gravitasi. Meskipun fisikawan sejak Galileo mengetahui hal ini, Einstein mampu mengekstrak Prinsip Ekuivalensi ini. Pernyataan yang tampak sederhana ini (bahwa hukum fisika tidak dapat dibedakan secara lokal dalam bingkai percepatan atau gravitasi) membuat Einstein memperkenalkan simetri baru pada fisika, transformasi koordinat umum. Hal ini pada gilirannya melahirkan prinsip aksi di balik relativitas umum, teori gravitasi yang paling indah dan menarik. Hanya sekarang kami mencoba mengukur teori agar kompatibel dengan gaya lain. Jadi evolusi teori ini dapat diringkas sebagai: Principle -> Symmetry -> Action -> Quantum Theory Menurut Witten, kita perlu menemukan analog dari Prinsip Ekuivalensi untuk teori string. Masalah mendasar adalah bahwa teori string telah berkembang “mundur”. Seperti yang dikatakan Witten, “teori string adalah fisika abad ke-21 yang secara tidak sengaja jatuh ke abad ke-20.” Kami tidak pernah “dimaksudkan” untuk melihat teori ini sampai abad berikutnya.

Apakah ini Akhir dalam Pandangan?

Vafa baru-baru ini menambahkan twist aneh untuk ini ketika dia memperkenalkan mega-teori lain, kali ini teori 12 dimensi yang disebut teori-F (F untuk “Father”) yang menjelaskan dualitas diri dari string IIb. (Sayangnya, teori 12 dimensi ini agak aneh: ia memiliki dua koordinat waktu, bukan satu, dan sebenarnya melanggar relativitas 12 dimensi. Bayangkan mencoba hidup di dunia dengan dua waktu! Ini akan membuat episode Twilight Zone menjadi memalukan .) Jadi, apakah teori terakhir berdimensi 10, 11, atau 12?

Schwarz, misalnya, merasa bahwa versi terakhir teori-M mungkin bahkan tidak memiliki dimensi tetap. Dia merasa bahwa teori yang benar mungkin tidak bergantung pada dimensi ruang-waktu apa pun, dan bahwa 11 dimensi hanya muncul setelah seseorang mencoba menyelesaikannya. Townsend tampaknya setuju, dengan mengatakan “seluruh gagasan tentang dimensionalitas adalah perkiraan yang hanya muncul dalam beberapa konteks semiklasik”. Jadi apakah ini berarti akhir teori sudah di depan mata, bahwa suatu hari nanti kita akan segera mendapatkan Model Standar dari prinsip pertama? Saya meminta beberapa pemimpin di bidang ini untuk menanggapi pertanyaan ini. Meskipun mereka semua adalah pendukung revolusi yang antusias, mereka tetap berhati-hati dalam memprediksi masa depan. Townsend percaya bahwa kita berada dalam tahap yang mirip dengan era kuantum lama atom Bohr, tepat sebelum penjelasan lengkap mekanika kuantum. Dia berkata, “Kami memiliki beberapa gambaran yang bermanfaat dan beberapa aturan yang analog dengan aturan kuantisasi Bohr-Sommerfeld, tetapi juga jelas bahwa kami tidak memiliki teori yang lengkap.”

Duff berkata, “Apakah teori-M hanyalah teori supermembran dan bran super-5 yang membutuhkan beberapa kuantisasi non-perturbatif (yang belum diketahui), atau (seperti yang diyakini Witten) adalah derajat kebebasan yang mendasari teori-M ditemukan? Saya pribadi agnostik dalam hal ini. “Witten yakin bahwa kami berada di jalur yang benar, tetapi kami membutuhkan beberapa “revolusi” seperti ini untuk akhirnya menyelesaikan teori ini. “Saya pikir masih ada beberapa revolusi superstring lagi di masa depan kita, setidaknya. Jika kita dapat mengelola satu revolusi superstring lagi dalam satu dekade, saya pikir kita akan melakukannya dengan baik,”katanya. Vafa berkata, “Saya harap ini adalah ‘cahaya di ujung terowongan’ tapi siapa yang tahu berapa panjang terowongan itu!” Lebih lanjut, Schwarz telah menulis tentang teori-M: “Apakah itu didasarkan pada sesuatu yang geometris (seperti supermembran) atau sesuatu yang sama sekali berbeda masih belum diketahui. Bagaimanapun, menemukannya akan menjadi tengara dalam sejarah intelektual manusia. “Secara pribadi, saya optimis. Untuk pertama kalinya, kita bisa melihat sosok singa, dan itu luar biasa. Suatu hari, kita akan mendengarnya mengaum.

 

No comments:

Post a Comment