Semesta Kekosongan

Oleh: JR Minkel 
New Scientist

Ketika Anda memegang sebuah majalah, rasanya padat; tampaknya memiliki semacam keberadaan yang mandiri dan terpisah dalam ruang. Demikian pula benda-benda di sekeliling Anda-misalnya secangkir kopi, sebuah komputer. Mereka semua tampak nyata dan berada di luar sana. Tapi itu semua hanyalah ilusi - yang diduga sebagai benda padat sesungguhnya adalah proyeksi belaka dari pergeseran pola kaleidoskopik hidup yang berasal dari batas alam semesta kita. Semesta kita kemungkinan adalah sebuah hologram.

Ide ini cukup mengganggu dan membingungkan, bahkan bagi para ahli, tetapi mereka tidak dapat begitu saja mengabaikannya. Dan tampaknya teori ini menjadi hasil yang tak terelakkan dari pencampuran beberapa arus dominan fisika-gravitasi modern, teori kuantum, dan termodinamika. Dan ini juga tampaknya menjadi sangat penting, meskipun para ilmuwan belum dapat menyetujui apa artinya ini. Banyak fisikawan berpikir bahwa itu bisa menjadi petunjuk untuk teori mereka tentang teori segalanya. Fisikawan lain berpikir bahwa itu berarti harus ada sesuatu yang salah dengan mekanika kuantum. Beberapa yang berimajinasi lebih jauh, mengklaim bahwa hal itu menyiratkan ruang dan waktu kita hanyalah berisi aliran informasi.

Dan itu adalah konsep yang unik dan menantang, informasi yang mengarah kepada prinsip holografik. Para Fisikawan sering berbicara tentang dunia yang dibentuk secara informasi. Jika Anda ingin menjelaskan sebuah materi penuh, kata mereka, Anda harus menentukan gerakan mikroskopis dari  bagian-bagian yang membentuk semesta, baik itu atom, foton atau entitas yang lebih esoteris. Itu terdiri dari banyak sekali informasi. Tapi seberapa banyak?

Itu tergantung pada berapa banyak bagian fundamental dari objek yang ada- jumlah bit nya bergantung pada jumlah bagian-bagiannya. Dan untuk menggambarkan potongan terkecil Anda harus memperbesar seperti dilakukan pada masa lalu yakni pada skala atom untuk memeriksa struktur halus dari ruang-waktu. Einstein menunjukkan bahwa materi dapat memutar dan melengkung (warping) pada struktur ruang-waktu, dan bahwa warping ini menampilkan dirinya sebagai gravitasi. Kemudian mekanika kuantum datang dan menuntut bahwa apa pun yang mampu bergerak di sekitar kita - termasuk dalam ruang-waktu-harus datang dalam potongan kecil yang bergetar atas kemauan sendiri. “Salah satu fitur kunci dari gravitasi kuantum adalah bahwa ruang-waktu harus dianggap sebagai terbuat dari beberapa konstituen,” kata Finn Larsen dari University of Michigan.

Hanya apakah bagian-bagian terkecil itu? Masih belum ada yang tahu. Fisikawan telah mencari deskripsi kuantum gravitasi selama beberapa dekade tanpa menemukan jawabannya. Tetapi mereka memiliki beberapa petunjuk-mereka tahu bahwa apa pun yang membentuk ruang-waktu harus datang dalam ukuran bit-ukuran potongan yang berukuran hanya 10^-35 meter, yang disebut skala Planck. Jadi jika Anda memecahkan ruang-waktu menjadi kotak kecil, masing-masing kubus ini berukuran satu Planck, secara kasar Anda bisa mengharapkan hanya ada sekitar satu bit informasi per kotak kecil. Tapi gambar ini dipecahkan menjadi bagian-bagian kecil oleh lubang hitam. Daripada memiliki satu bit informasi untuk setiap volume kecil, mereka tampaknya memiliki satu bit per bagian luas permukaan.

Paket materi atau energi yang mengisi ke dalam volume yang cukup kecil dari ruang dan akan runtuh ke dalam sebuah bola gravitasi intens, yakni lubang hitam. Anda mungkin memperkirakan lubang hitam memiliki sifat khusus, yakni seolah-olah semua informasi di dalamnya apa pun itu - terbentuknya bintang, gajah, ensiklopedi, peradaban, akan hancur. Tetapi fisikawan sangat percaya bahwa lubang hitam tetap menyimpan informasi tersebut secara terus menerus. Karena jika tidak, keberadaan mereka akan merusak salah satu hukum fisika yang paling dihargai, yaitu hukum kedua termodinamika.

Hukum ini mengatakan bahwa jumlah kekacauan di semesta tidak pernah dapat menurun. Sebuah tampilan dari kotak yang ditumpuk di supermarket selalu berada dalam bahaya untuk jatuh, tetapi setelah jatuh ia selalu memperbaiki dirinya sendiri. Dibutuhkan lebih sedikit bit data untuk menentukan posisi kotak-kotak itu jika mereka ditumpuk secara piramida daripada jika mereka diletakkan begitu saja di lantai. Informasi tumbuh bersama dengan kekacauan ini.

Jika lubang hitam mematuhi hukum kedua, mereka tidak dapat menghapus informasi. Di mana mereka menyimpan itu semua? Nah, lubang hitam memiliki sesuatu yang lain yang tidak mengurangi luas permukaan-mereka. Kemudian Yakub Bekenstein, di Princeton University, dan Stephen Hawking dari University of Cambridge meneliti bahwa luas permukaan dan gangguan dalam lubang hitam harus proporsional. Dalam hal informasi, ada kira-kira satu bit per area Planck dari lubang yaitu, untuk setiap persegi berukuran 10^-35 meter pada sisinya. Tapi itu jauh kurang dari satu buah untuk setiap volume Planck. Jadi, ketika sebuah volume ruang itu masuk ke dalam lubang hitam, sepotong besar informasi tampaknya dihapuskan dari keberadaan. Memang itulah yang dipertahankan Hawking.

Tapi itu berarti merusak teori mekanika-kuantum di mana informasi selalu disimpan dan meniadakan hubungan antara gangguan dan informasi. Kebanyakan teori tidak yakin apa solusi untuk ketegangan ini, tetapi beberapa hanya tidak ingin terdengar seperti mencemooh hukum fisika lain.

Pada tahun 1993, datang penjelasan radikal. Dua ilmuwan yang bekerja secara independen, Leonard Susskind di Stanford University, dan Gerard Hooft di Universitas Utrecht melihat informasi yang mungkin dapat dipertahankan jika “kehidupan” sesungguhnya hanya berada dalam dua dimensi ruang, yang bertentangan dengan realitas terlihat yang jelas masuk akal dalam tiga dimensi.

Idenya tampaknya konsisten dengan apa yang kita ketahui tentang lubang hitam. Tapi jika benar, Susskind dan Hooft menyadari, bahwa konsep itu harus berlaku untuk semuanya, atau Anda akan membentur kontradiksi yang mengerikan. Katakanlah Anda bisa mengepak lebih banyak informasi ke suatu tempat yang lebih daripada lubang hitam mampu menampung pada permukaan yang sama. Kemudian Anda bisa tetap memasukkan lebih banyak materi, dan meningkatkan jumlah informasi dan massa. Akhirnya yang ada adalah massa yang begitu banyak di sana yang membentuk lubang hitam. Jika Anda yakin informasi ini tidak dapat dikurangi, Anda memiliki kontradiksi-lubang hitam baru yang menyimpan informasi kurang dari materi yang masuk ke dalamnya. “Anda dihadapkan oleh adanya keruntuhan gravitasi,” kata Raphael Bousso dari Institut untuk Fisika Teoritis di Universitas California Santa Barbara. Dengan hasil praktis ini adalah bahwa batas informasi untuk lubang hitam harus berlaku untuk semuanya. Anda benar-benar tidak bisa mendapatkan lebih dari senilai permukaan-informasi ke dalam setiap volume. Tapi bagaimana bisa?

Susskind dan Hooft mengusulkan, bahwa semesta menyimpan blok data paling mendasar dari bangunan semesta ini seperti sebuah hologram. Dalam sebuah hologram konvensional, sinar laser memantul dari obyek yang dicampur dengan sinar laser yang lain dan pola interferensi yang dihasilkan direkam pada permukaan yang datar. Cahaya yang baru bersinar disimpan, dan gambar tiga dimensi muncul keluar. Jika alam semesta bekerja seperti ini, maka informasi entah bagaimana hidup pada batas dari setiap wilayah ruang-waktu. Materi-materi yang berada dalam batas itu, objek yang kita lihat dan sentuh, hanyalah proyeksi, dari dimensi yang lebih tinggi manifestasi dari hologram. Itu adalah prinsip holografik. Ini berarti alam semesta kita adalah sangat ringkas. Dalam satu sentimeter kubik tunggal, ada 10 ⁹⁹ kotak Planck untuk menyimpan bit informasi ke dalam. Permukaan kubus memiliki ruang untuk 10 ⁶⁶bit^. “Itu pengurangan kompleksitas yang menakjubkan,” kata Bousso.

Dengan volume yang lebih besar, pengurangan bahkan lebih besar. Itu karena jika sebuah objek membesar, volumenya meningkat sebagai pangkat tiga dari panjang-linier nya, panjang dan tinggi, sementara luas permukaan meningkat kuadrat dari pengukuran tersebut. Ini mengapa seekor gajah secara proporsional kehilangan panas tubuh lebih sedikit disebabkan oleh volume tubuhnya, dan luas permukaan kulitnya dibandingkan dengan seekor tikus.

Jadi jika Anda mengambil sebuah kubus ruang, dan meneliti berapa banyak informasi yang bisa disimpan dan kemudian menempatkan delapan kubus ini bersama-sama, volume baru dari ruang tersebut dapat menyimpan hanya empat kali lebih banyak informasi daripada kubus asli. Seperti yang Anda lihat di daerah ruang yang pernah-besar, kepadatan informasi selalu turun dan turun. Jadi pada tingkat gravitasi kuantum, tidak ada cara yang konsisten untuk menghitung jumlah informasi dalam tiga dimensi benda yang kita lihat dan sentuh.

Ini pukulan jauh terhadap konsep yang para fisikawan telah temukan sebagai cukup berguna selama 150 tahun terakhir, kata Don Marolf dari Syracuse University di New York. Lokalitas adalah gagasan bahwa titik-titik dalam ruang terpisah dan berbeda satu sama lain dan bahwa mereka harus melakukan perjalanan antara mereka. “Prinsip holografis dianggap seperti seekor lalat yang mengganggu di wajah mereka,” catat Marolf . Dan deskripsi holografik semesta adalah kondisi yang sangat canggung, kata Stephen Shenker dari Stanford University. Katakanlah Anda sedang melihat keluar jendela dan Anda melihat sepasang anak-anak sedang mengendarai sepeda mereka. Dalam tiga dimensi, itu mudah untuk memutuskan kapan kedua sepeda itu bersebelahan - Anda bisa melihatnya dengan jelas. Tetapi ambil hologram dari mereka dan informasi tentang posisi mereka dan bagaimana perubahan dari waktu ke waktu menjadi begitu banyak statis. “Hologram adalah sekelompok tanda kebisingan dan keacakan,” kata Susskind. Agaknya itulah sebabnya kita melihat ruang tiga dimensi dengan objek jelas terpisah di dalamnya: kecuali Anda melihat pada skala murni gravitasi kuantum, gambar itu jauh lebih mudah untuk ditangani.

Meskipun demikian, para fisikawan berharap untuk memahami prinsip holografik, karena potensinya sangat besar. Bagi banyak orang, ide ini berarti bahwa kita mestinya tidak mencari teori mendasar di sini dan saat ini dari ruang yang biasa, tetapi di sebuah tempat asing. Mungkin teori yang paling benar dan paling ekonomis adalah teori yang tidak beroperasi dalam ruang-waktu konvensional, tapi entah bagaimana berada di luar batas ruang-waktu. Dalam hal ini, untuk menggambarkan semesta dengan benar, kita perlu menemukan sebuah teori yang hidup dalam ruang dua dimensi tetapi dapat mereproduksi peristiwa dalam tiga dimensi spasial. Para Fisikawan melihat kemungkinan ini pada tahun 1998, ketika Juan Maldacena, yang kemudian di Harvard, menemukan sebuah teori nyata yang bersifat holografik.

Dia meneliti pada kandidat terkemuka untuk teori gravitasi kuantum, yang disebut teori string. Teori ini mengandaikan bahwa partikel seperti elektron, quark, dan foton bukanlah sebuah bola/titik, tetapi jauh di dalam adalah objek - string satu dimensi .

Maldacena berusaha untuk meneliti bagaimana lubang hitam bisa terbuat dari string, yang menguji apakah teori string benar-benar sesuai dengan gravitasi. Dia mendasari teorinya dalam sebuah ruang-waktu yang melengkung aneh dalam lima dimensi, karena meskipun mungkin terdengar tidak mungkin, secara matematika mudah dibayangkan daripada bayangan kita sendiri tentang empat-dimensi ruang-waktu. Meski begitu, ia terjebak di sebuah tebing berbatu matematika, seperti yang dihadapi teori string lain. Tapi Maldacena menemukan jalan keluar holografik. Dia menduga bahwa teori string dalam keanehan dari lima dimensi ruang-waktu dapat digambarkan dalam rantai quark-partikel seperti berenang di batas empat-dimensi ruang-waktu. Akan ada korespondensi yang tepat tapi berbelit-belit antara kedua teori ini. Susskind dan Ed Witten, dari Institute for Advanced Study di Princeton, New Jersey, menunjukkan bahwa teori ini akan mematuhi prinsip holografik.

Hologram quarky memiliki satu kelebihan besar bagi para fisikawan: dibandingkan teori string, yang sangat sulit untuk menghitungnya, Anda memiliki teori kuantum relatif sederhana yang menggambarkan hologram. Jadi jika Anda ingin meneliti apa yang terjadi untuk situasi tertentu dalam ruang lima dimensi, Anda hanya perlu menerjemahkan ke dalam empat dimensi, melakukan perhitungan, dan menerjemahkannya kembali lagi ke dalam ruang lima dimensi. “Itu ketika semua orang mulai mengatakan, ‘Oh Tuhan, ini adalah apa yang seharusnya kita lakukan,' kenang Bousso. 

 

Hasil dari Maldacena adalah menyenangkan, tapi satu kelemahan besar: dia harus menemukan sebuah teori holografik untuk ruang-waktu hipotetis yang secara radial berbeda dari semesta kita sendiri. Jadi teori string sekarang sedang mencari cara untuk berurusan dengan ruang-waktu dimana kita berada di dalamnya. Kemajuan berjalan lambat. Mungkin satu-satunya langkah besar dalam arah yang benar adalah jawaban terhadap pertanyaan, “Batas apa yang kita bicarakan sekarang?” Semesta kita adalah sangat besar, sangat mungkin tak terbatas, dan jika Anda bertanya pada para kosmolog apakah semesta memiliki batas, mereka akan hampir pasti mengatakan tidak. Dimana kemudian sumber dari hologram ini berada?

Bousso, yang mendasari pada karya Susskind dan Willy Fischler dari University of Texas di Austin, telah menyimpulkan bahwa itu harus menjadi batas wilayah terbesar ruang-waktu di alam semesta yang kita pernah bisa mengamati. Ukuran sebenarnya dari wilayah ini tergantung pada kecepatan cahaya dan di mana Anda berada di alam semesta-bagi kami, itu sekitar 15 miliar tahun cahaya. Tapi apa ini memberitahu kita tentang sifat yang tepat dari potongan ruang-waktu, masih belum jelas. Dan terlepas dari semua kehebohan tersebut, prinsip holografi membuat beberapa fisikawan menjadi gamang. “Saya bahkan tidak yakin bahwa saya benar-benar memahaminya,” kata Carlo Rovelli dari Pusat Fisika Teoritis di Marseille dan Pittsburgh University. “Setiap kali saya membicarakan hal ini dengan orang yang berbeda saya mendapatkan versi yang berbeda dari prinsip ini, dan bahkan dari orang yang sama saya mendapatkan cerita yang berbeda pada waktu yang berbeda.” kata Marolf, meskipun ia juga tidak yakin, ia sangat sulit untuk mengabaikannya.“Ini sangat konsisten,” komentarnya. “Seringkali ketika sebuah ide yang salah itu menjadi semacam konflik dengan dirinya sendiri dan Anda dapat menunjukkan teori ini sangat cepat.” Mungkin, katanya, beban pembuktian sekarang terletak pada mereka yang akan menentang prinsip holografik.

Anehnya, setelah membantu untuk menyusun rantai peristiwa dalam gerak, “tampaknya Hooft berada di kubu itu.“ Daripada sebuah hal yang ‘prinsipal’, saya sekarang mempertimbangkan holografi sebagai masalah,” katanya. Dia berpikir bahwa penjelasan holografik bisa dihindari, dan konsep lokalitas diselamatkan, jika kuantum gravitasi berasal dari prinsip yang lebih dalam yang tidak mematuhi aturan-aturan mekanika kuantum biasa. Alih-alih berurusan dengan probabilitas, seperti teori kuantum lakukan, mekanisme yang lebih dalam ini akan mengikuti jalur yang diprediksi saat memberikan penampilan keacakan yang kita lihat dalam peristiwa-peristiwa kuantum. Teori semacam itu juga akan mempertimbangkan informasi “yang hilang” yang kemudian telah dijelaskan dengan holografi.

Susskind juga melakukan cara yang terbaik untuk menyelamatkan lokalitas, tapi  tidak ingin begitu saja menyerah pada holografi sepenuhnya. Dia dan Shenker berusaha untuk menemukan teori yang berisi prinsip holografi bersama dengan perangkat yang lain, sebagai cara yang lebih nyaman untuk menggambarkan alam semesta. Dalam pendekatan ini, ruang-waktu akan memiliki senilai penuh volume konstituen, tetapi tidak menyimpan area yang akan memiliki efek pada fisika di dalam volume.

Mungkin prinsip holografik menunjuk jalan ke pergeseran konseptual yang berbeda, menurut Fotini Markopoulou dan Lee Smolin dari Perimeter Institute di Waterloo, Ontario. Dalam pendekatan mereka untuk gravitasi kuantum, yang disebut kuantum gravitasi memutar, ruang-waktu dibangun dari sebuah jaringan matematika, setiap bagian dasar memiliki informasi dan daerah yang terkait dengan itu. Smolin dan Markopoulou menyarankan bahwa hologram bertindak sebagai batas pada informasi yang dapat melintasi permukaan dalam ruang-waktu, bukan sebagai batas pada jumlah total informasi yang mungkin. Dalam pandangan ini, kita harus berhenti berpikir tentang “sesuatu” sebagai fitur fundamental dari realitas. Alih-alih materi, realitas dibuat dari sebuah proses, seperti aliran informasi.

Bagi Smolin, prinsip holografik harus berada di jalur yang benar karena cara itu telah merubah teorisasi tentang gravitasi kuantum. “Semua orang yang telah mencoba untuk berpikir tentang hal ini telah hadir dengan sesuatu yang mengejutkan daripada sudut pandang dari 10 tahun yang lalu,” katanya. “Itu berarti bahwa prinsip  ini  menjadi benar-benar penting.”