Oleh: George Dvali
(Sumber: Scientific American, Februari 2004, hal. 68-75)
"Mungkin akselerasi kosmik bukan disebabkan oleh dark energy tapi oleh kebocoran gravitasi tak terhenti dari dunia kita".
Kosmolog dan fisikawan partikel jarang-jarang merasa begitu bingung. Walaupun model standar kosmologi kita telah dikonfirmasikan oleh observasi mutakhir, ia masih memiliki lubang menganga: tak ada yang tahu mengapa perluasan alam semesta mencepat. Jika Anda melempar batu lurus ke atas, tarikan gravitasi Bumi akan membuatnya melambat; ia tidak akan mencepat menjauhi planet ini. Demikian halnya, galaksi-galaksi jauh, yang terjauhkan oleh perluasan big bang, semestinya menarik satu sama lain dan melambat. Tapi mereka sedang berakselerasi memisah. Para periset umumnya mengatributkan akselerasi tersebut pada suatu entitas misterius yang disebut dark energy, tapi hanya sebagian kecil fisika yang mendukung istilah halus ini. Satu-satunya hal yang kian jelas adalah bahwa pada jarak terbesar yang bisa diamati, gravitasi berperilaku dengan cara agak aneh, berubah menjadi gaya tolak.
Hukum fisika menyatakan bahwa gravitasi dihasilkan oleh materi dan energi, sehingga mereka mengatributkan jenis gravitasi aneh pada jenis materi atau energi aneh. Begitulah dasar pemikiran dark energy. Tapi mungkin hukum itu sendiri perlu diubah. Fisikawan memiliki preseden untuk perubahan semacam itu: hukum gravitasi yang Newton rumuskan pada abad 17, yang mempunyai berbagai keterbatasan konseptual dan eksperimen, memberi jalan untuk teori relativitas umum Einstein pada 1915. Relativitas juga mempunyai keterbatasan; rincinya, ia menjumpai masalah saat diterapkan pada jarak amat kecil, yang merupakan domain mekanika quantum. Sebagaimana relativitas memasukkan fisika Newtonian, teori gravitasi quantum akhirnya akan memasukkan relativitas.
Selama bertahun-tahun, fisikawan telah menghasilkan beberapa pendekatan masuk akal menuju teori gravitasi quantum, yang paling menonjol adalah teori string. Ketika gravitasi beroperasi pada jarak mikroskopis—contohnya di pusat black hole, di mana massa besar dijejalkan ke dalam volume subatom—atribut-atribut aneh quantum materi bermain, dan teori string menggambarkan bagaimana hukum gravitasi berubah.
Pada jarak besar, para teoris string umumnya berasumsi bahwa efek-efek quantum tidak signifikan. Tapi penemuan kosmologis beberapa tahun belakangan telah mendorong periset berpikir ulang. Empat tahun lalu saya dan kolega bertanya-tanya apakah teori string akan mengubah hukum gravitasi bukan cuma pada skala terkecil tapi juga pada skala terbesar. Fitur teori string yang dapat melahirkan revisi ini adalah dimensi tambahannya—arah tambahan ke mana partikel dapat menjelajah. Teori ini menambahkan enam atau tujuh dimensi pada tiga dimensi biasa.
Di masa lalu, teoris string berargumen bahwa dimensi-dimensi tambahan terlampau kecil bagi kita untuk dilihat atau dimasuki. Tapi kemajuan mutakhir mengungkap bahwa beberapa atau semua dimensi baru itu sesungguhnya boleh jadi berukuran tak terhingga. Mereka tersembunyi dari pandangan bukan karena terlalu kecil melainkan karena partikel-partikel yang menyusun tubuh kita terperangkap di tiga dimensi. Partikel yang lepas dari kurungan adalah partikel yang memancarkan gaya gravitasi, dan alhasil, hukum gravitasi berubah.
Quintessence dari Kenihilan
Saat astronom menjumpai akselerasi kosmik, reaksi pertama mereka adalah mengatributkannya pada konstanta kosmologis. Diperkenalkan dan kemudian ditarik kembali oleh Einstein, konstanta ini melambangkan energi di ruang itu sendiri. Volume hampa ruang, tanpa materi sama sekali, masih mengandung energi ini—ekuivalen dengan kira-kira 10-26 kg/m3. Walaupun konstanta kosmologis konsisten dengan semua data yang ada sejauh ini, banyak fisikawan merasa tak puas. Persoalannya adalah ukuran kecilnya yang tak dapat dijelaskan, begitu kecil sehingga efeknya sedikit terhadap sebagian besar sejarah kosmik, termasuk periode awal pembentukan alam semesta. Yang lebih buruk, ia jauh lebih kecil daripada skala energi proses-proses fisikal yang menghasilkannya [lihat “From Slowdown to Speedup”, tulisan Adam G. Riess dan Michael S. Turner, Scientific American, Februari 2004].
Untuk mengurus persoalan ini, sejumlah fisikawan mengajukan bahwa akselerasi disebabkan bukan oleh ruang itu sendiri melainkan oleh medan energi yang meliputi ruang seperti kabut tipis. Energi potensial medan-medan ruang seragam tertentu bisa beraksi mirip konstanta kosmologis. Satu medan semacam itu, dikenal sebagai inflasi, dianggap telah mendorong periode akselerasi perluasan, atau inflasi, di alam semesta awal. Barangkali timbul medan lain semacam itu, mendorong alam semesta memasuki periode inflasi lain.
Medan kedua ini bernama quintessence. Seperti konstanta kosmologis, ia harus memiliki harga yang kecil, tapi para pendukungnya berargumen bahwa pasti lebih mudah bagi entitas dinamis untuk memasuki harga sekecil itu dibanding bagi konstanta statis. [lihat “Alam Semesta Quintesensial”, tulisan Jeremiah P. Ostriker dan Paul J. Steinhardt, Scientific American, Januari 2001].
Konstanta kosmologis maupun quintessence termasuk ke dalam kategori umum dark energy. Sejauh ini penjelasan meyakinkan tentang keduanya belum ada, inilah mengapa fisikawan berpikir serius tentang teori-teori dimensi tinggi. Daya tarik [teori] dimensi-dimensi tambahan adalah bahwa mereka otomatis mengubah cara gravitasi berperilaku. Saat gravitasi beroperasi menurut aturan teori Newton ataupun relativitas umum, kekuatannya berkurang seiring kuadrat jarak antara objek-objek. Alasannya adalah geometri sederhana: menurut sebuah prinsip yang dirumuskan pada abad 19 oleh fisikawan Carl Friedrich Gauss, kekuatan gravitasi ditentukan oleh densitas garis-garis gaya gravitasi, dan seiring jarak meningkat, garis-garis ini tersebar ke perbatasan yang semakin besar. Di ruang tiga-dimensi, perbatasannya adalah permukaan dua-dimensi—yakni luas, yang ukurannya meningkat seiring kuadrat jarak.
Tapi seandainya ruang adalah empat-dimensi, perbatasannya akan [berwujud] tiga-dimensi—volume, yang ukurannya meningkat seiring kubik jarak. Dalam kasus ini, densitas garis-garis gaya akan berkurang seiring kubik jarak. Dengan demikian gravitasi akan lebih lemah daripada di dunia tiga-dimensi. Pada skala kosmologis, pelemahan gravitasi bisa menimbulkan akselerasi kosmik, alasannya akan saya bahas nanti.
Jika gravitasi bebas memasuki ruang tambahan, mengapa kita tidak melihatnya sebelumnya? Mengapa hukum kuadrat terbalik tiga-dimensi standar menjelaskan gerakan bisbol, roket, dan planet dengan begitu presisi? Jawaban tradisional dalam teori string adalah, dimensi-dimensi tambahan tersebut kompak—menggulung menjadi lingkaran kecil terhingga. Ukuran lingkaran-lingkaran ini sudah lama diasumsikan sebagai panjang Planck, sekitar 10-35 m, tapi penelitian teoritis dan eksperimen mutakhir menunjukkan mereka boleh jadi sebesar 0,2 milimeter [lihat “Dimensi-dimensi Alam Semesta yang Tak Terlihat”, tulisan Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos, dan George Dvali, Scientific American, Agustus 2000]. Jika dimensi-dimensi itu menggulung, mereka mengganggu kerja gravitasi hanya pada jarak pendek—setara dengan atau lebih kecil daripada radius dimensi-dimensi kompak tersebut. Pada jarak besar, hukum gravitasi standar tetap berlaku.
Kehidupan Penjara
Namun ide dimensi-dimensi kompak mengandung kesulitan. Contoh, kita bisa bertanya mengapa beberapa dimensi (dimensi tambahan) menyimpul rapat, sedangkan dimensi lain (dimensi familiar) bertahan terus? Dengan kata lain, di bawah pengaruh materi dan energi di alam semesta, dimensi-dimensi yang menggulung itu semestinya tak menggulung, kecuali kalau sesuatu menstabilkan mereka. Satu kemungkinan menarik adalah bahwa medan-medan miripmagnet yang diprediksi oleh teori string mencegah dimensi-dimensi itu menyusut atau mengembang. Solusi potensial lain muncul pada 1999. Mungkin semua dimensi, bahkan dimensi-dimensi tambahan, berukuran tak terhingga. Observable universe (alam semesta yang teramati) adalah permukaan tiga-dimensi, atau membran (singkatnya “bran”), di dunia dimensi tinggi. Materi biasa terkurung di bran, tapi beberapa gaya, semisal gravitasi, bisa lolos.
Gravitasi memiliki kemampuan mirip Houdini ini sebab secara fundamental berbeda dari gaya-gaya lain. Menurut teori medan quantum, gaya gravitasi diangkut oleh partikel khusus yang disebut graviton. Tarikan gravitasi dihasilkan dari aliran graviton antara dua benda, sebagaimana gaya listrik atau magnetisme dihasilkan dari aliran photon antara dua partikel bermuatan. Saat gravitasi [bersifat] statis, graviton-graviton ini [berwujud] “virtual”—walaupun efeknya bisa diukur, mereka tidak bisa diamati sebagai partikel terpisah. Matahari menahan Bumi di orbit sebab ia memancarkan graviton-graviton virtual yang diserap planet kita. Graviton-graviton “riil”, atau langsung teramati, dapat disamakan dengan gelombang gravitasi yang dilepaskan di bawah keadaan tertentu [lihat “Ripple in Spacetime”, tulisan W. Wayt Gibbs, Scientific American, April 2002].
Sebagaimana dipahami oleh teori string, graviton, seperti semua partikel lainnya, pada akhirnya merupakan vibrasi string kecil. Tapi graviton adalah vibrasi simpal tertutup, seperti pita karet, sementara elektron, proton, dan photon adalah vibrasi string berujung terbuka. Joseph Polchinski dari Kavli Institute for Theoritical Physics di Santa Barbara telah menunjukkan bahwa ujung-ujung string terbuka tak bisa menutup; mereka pasti terikat pada bran. Jika Anda mencoba menarik string terbuka dari sebuah bran, ia akan memanjang, seperti tali elastis, tapi tetap tersemat pada bran. Sebaliknya, string tertutup seperti graviton tidak bisa terpaku. Mereka bebas menjelajahi ruang 10-dimensi utuh.
Tentu saja, graviton tidak dapat memiliki kebebasan mutlak. Jika mereka demikian, hukum gravitasi standar akan runtuh secara mencolok. Pengarang hipotesis infinite-dimensions (dimensi berjumlah tak terhingga), Lisa Randall dari Universitas Harvard dan Raman Sundrum dari Universitas Johns Hopkins, mengemukakan bahwa graviton terintangi sebab dimensi-dimensi tambahan, tak seperti tiga dimensi familiar kita, sangat melengkung—menciptakan lembah berdinding curam yang sulit ditinggalkan.
Triknya adalah, karena dimensi-dimensi tambahan sangat melengkung, volume mereka betul-betul terhingga, sungguhpun mereka berluas tak terhingga. Bagaimana bisa ruang [berluas] tak terhingga memiliki volume terhingga? Bayangkan menuangkan gin/jenéwer ke dalam segelas martini tak berdasar yang radiusnya menyusut berbanding terbalik dengan kedalamannya. Untuk memenuhi gelas, gin berjumlah terhingga akan memadai. Berkat kelengkungan gelas, volumenya terkonsentrasi dekat bagian atas. Ini sangat serupa dengan apa yang terjadi dalam skenario Randall-Sundrum. Volume ruang tambahan terkonsentrasi di sekeliling bran kita. Konsekuensinya, graviton terpaksa menghabiskan sebagian besar waktunya di dekat bran. Probabilitas pendeteksian graviton cepat-cepat berkurang sebagai fungsi jarak. Dalam jargon quantum, fungsi gelombang graviton berpuncak di bran—efek yang disebut sebagai lokalisasi gravitasi.
Meski secara konseptual berbeda dari ide dimensi kompak, skenario Randal-Sundrum memiliki hasil yang sangat serupa. Kedua model memodifikasi hukum gravitasi pada jarak pendek tapi tidak pada jarak besar, keduanya juga tidak memikul persoalan akselerasi kosmik.
Fisika di Bran
Tapi pendekatan ketiga betul-betul memprediksi kemogokan hukum gravitasi standar pada skala kosmologis dan menjelaskan akselerasi tanpa harus melibatkan dark energy. Pada 2000, saya beserta Gregory Gabadadze dan Massimo Porrati, keduanya kini di Universitas New York, mengajukan bahwa dimensi-dimensi tambahan persis seperti tiga dimensi yang kita lihat di sekeliling kita. Mereka tidak kompak dan tidak sangat melengkung.
Meski begitu, graviton tidak bebas sepenuhnya untuk pergi ke mana pun mereka suka. Dipancarkan oleh bintang dan objek lain yang berlokasi di bran, mereka bisa lolos ke dimensi-dimensi tambahan, tapi hanya jika mereka menempuh jarak kritis tertentu. Graviton berperilaku seperti suara di selembar logam. Menghantam lembar logam dengan palu akan menghasilkan gelombang suara yang berjalan sepanjang permukaannya. Tapi penjalaran suara tidaklah persis dua-dimensi; sebagian energinya lenyap ke udara sekitar. Dekat lokasi pukulan palu, loss energi ini sepele. Namun di lokasi jauh, ia menjadi tampak jelas.
Kebocoran ini memiliki efek sangat besar terhadap gaya gravitasi di antara objek-objek yang dipisahkan oleh lebih dari jarak kritis itu. Graviton-graviton virtual mengeksploitasi setiap kemungkinan rute di antara objek-objek, dan kebocoran membuka banyak jalan-putar multidimensi, yang melahirkan perubahan hukum gravitasi. Gravitasi-gravitasi riil yang bocor lenyap selamanya, dan bagi kita yang terpaku di bran, mereka seolah menghilang ke udara tipis.
Dimensi-dimensi tambahan juga menyingkapkan diri pada skala amat kecil, sebagaimana dalam skenario kompak dan skenario Randal-Sundrum. Pada jarak menengah—lebih besar daripada ukuran string tapi lebih kecil daripada jarak kebocoran—graviton-graviton adalah tiga-dimensi dan mematuhi hukum gravitasi konvensional.
Kunci skenario ini adalah bran itu sendiri. Ia merupakan objek materil, dan gravitasi menyebar ke [sepanjang] bran secara berbeda dibanding penyebarannya ke ruang sekeliling. Alasannya adalah, partikel-partikel biasa seperti elektron dan proton bisa eksis di bran dan hanya di bran. Bran yang tampak hampa pun memuat banyak massa elektron, proton, dan partikel virtual lain, yang terus-menerus tercipta dan terhancurkan melalui fluktuasi quantum. Partikel-partikel itu menghasilkan dan merespon gravitasi. Ruang sekeliling, sebaliknya, betul-betul hampa. Graviton-graviton bisa melintasinya tapi tidak bertindak/beraksi kecuali terhadap satu sama lain.
Analoginya adalah material dielektris, seperti plastik, keramik, atau air murni. Material ini, tak seperti ruang vakum, mengandung partikel-partikel bermuatan listrik dan dapat merespon medan listrik. Walaupun partikel-partikel bermuatan tidak bisa mengaliri material dielektris (seperti mengalirnya mereka pada konduktor listrik), mereka masih dapat mendistribusikan ulang diri mereka di dalamnya. Jika Anda menerapkan medan listrik, material jadi terpolarisasi secara elektris. Pada air, misalnya, molekul-molekul berotasi sehingga ujung positif mereka (dua atom hidrogen) menunjuk ke satu arah dan ujung negatif mereka (atom oksigen) menunjuk ke arah berlawanan. Pada sodium klorida, ion-ion sodium positif dan ion-ion klorida negatif bergerak sedikit memisah.
Muatan-muatan yang terdistribusi ulang itu membangun medan listriknya sendiri, yang secara parsial menghapuskan medan eksternal. Dengan demikian material dielektris dapat mempengaruhi penjalaran photon, yang tak lebih merupakan medan magnet dan listrik bolak-balik. Photon-photon yang mempenetrasi material dielektris mempolarisasinya dan, pada gilirannya, sebagian [photon itu] terhapuskan. Untuk melahirkan efek ini, sebuah photon harus memiliki panjang gelombang dalam rentang tertentu: photon berpanjang gelombang panjang (bermomentum rendah) terlampau lemah untuk mempolarisasi material dielektris, dan photon berpanjang gelombang pendek (bermomentum tinggi) terlalu cepat untuk direspon oleh partikel-partikel bermuatan. Karena alasan ini, air bersifat transparan bagi gelombang radio (yang memiliki panjang gelombang panjang) dan bagi cahaya tampak (yang memiliki panjang gelombang pendek) tapi bersifat buram bagi gelombang mikro (yang memiliki panjang gelombang menengah). Oven microwave mengandalkan efek ini.
Demikian halnya, fluktuasi-fluktuasi quantum mengubah bran menjadi ekuivalen dengan gravitasi material dielektris. Seolah bran didiami oleh partikel-partikel virtual berenergi positif dan negatif. Jika Anda menerapkan medan gravitasi eksternal, bran jadi terpolarisasi secara gravitasi. Partikel-partikel berenergi positif agak menjauhi partikel-partikel berenergi negatif. Graviton, yang mengandung medan gravitasi bolak-balik, dapat mempolarisasi bran dan terhapuskan jika panjang gelombangnya jatuh ke dalam rentang yang tepat—yang, kami kalkulasikan, berangka antara 0,1 milimeter (atau lebih kecil, tergantung pada jumlah dimensi tambahan) sampai kira-kira 10 miliar tahun-cahaya.
Penghapusan ini hanya mempengaruhi graviton-graviton yang masuk atau keluar bran kita. Graviton, seperti halnya proton, merupakan gelombang lintang (transverse wave): mereka bolak-balik secara tegak lurus terhadap arah penjalaran. Graviton yang masuk atau keluar bran cenderung mendorong partikel-partikel ke sepanjang bran, arah yang bisa ditempuh partikel-partikel tersebut. Jadi, graviton-graviton ini dapat mempolarisasi bran dan, pada gilirannya, terhapuskan. Tapi graviton yang bergerak sepanjang bran mencoba mendorong partikel-partikel itu keluar bran, arah yang tak bisa ditempuh partikel. Oleh sebab itu, graviton-graviton ini tidak mempolarisasi bran. Mereka bergerak tanpa menjumpai hambatan. Prakteknya, kebanyakan graviton berada di antara dua ekstrim ini. Mereka menderu melintasi ruang pada sudut miring terhadap bran dan mungkin menempuh miliaran tahun-cahaya sebelum terhapuskan.
Penekukan Bran yang Aneh
Dengan cara ini, bran memperisai diri dari dimensi-dimensi tambahan. Jika graviton berpanjang gelombang menengah berupaya lari dari atau mempenetrasi bran, partikel-partikel di dalam bran mendistribusikan ulang diri dan menghadangnya. Graviton harus bergerak sepanjang bran, sehingga gravitasi mengikuti hukum kuadrat terbalik. Namun graviton berpanjang gelombang panjang bebas melewati dimensi-dimensi tambahan. Graviton-graviton ini tidak signifikan pada jarak pendek tapi signifikan pada jarak yang sebanding dengan panjang gelombang mereka, dan mereka merusak kemampuan bran untuk mengisolasi diri dari dimensi-dimensi tambahan. Hukum gravitasi mendekati hukum kubik terbalik (jika salah satu dari dimensi-dimensi tambahan berukuran tak terhingga), mendekati hukum pangkat empat terbalik (jika dua dari dimensi-dimensi tambahan berukuran tak terhingga, atau mendekati hukum yang lebih tinggi lagi. Dalam semua kasus ini, gravitasi melemah.
Saya, Gabadadze, dan Cédric Deffayet (kini di Paris Institute of Astrophysics) telah menemukan bahwa dimensi-dimensi tambahan tak hanya melemahkan kekuatan gravitasi tapi juga memperlaju perluasan kosmik tanpa perlu ada dark energy. Saya tergiur untuk berkata bahwa dengan memperlemah lem gravitasi yang memperlambat perluasan, kebocoran graviton mengurangi perlambatan begitu banyak sehingga perlambatan menjadi negatif—dengan kata lain, sama dengan akselerasi. Tapi efek ini lebih halus. Ini berkaitan dengan bagaimana kebocoran mengubah relativitas umum.
Ide sentral teori Einstein adalah bahwa gravitasi merupakan konsekuensi dari kelengkungan ruangwaktu, yang terkait dengan densitas materi dan energi di dalamnya. Matahari menarik Bumi dengan melengkungkan ruangwaktu di sekelilingnya. Tak ada materi dan energi berarti tak ada pelengkungan dan tak ada gravitasi. Namun, dalam teori dimensi tinggi, hubungan antara kelengkungan dan densitas berubah. Teori dimensi-dimensi tambahan memasukkan suku koreksi ke dalam persamaan, yang memastikan bahwa kelengkungan bran hampa tidaklah nol. Praktisnya, kebocoran graviton menegangkan bran, memberinya lengkungan tak tereduksi yang tidak tergantung pada densitas materi dan energi di dalamnya.
Seiring waktu, begitu materi dan energi menipis, kelengkungan yang mereka timbulkan berkurang, sehingga lengkungan tak tereduksi tersebut menjadi semakin signifikan. Kelengkungan alam semesta mendekati harga konstan. Efek yang sama akan timbul jika alam semesta dipenuhi zat yang tidak menipis seiring berjalannya waktu. Zat semacam itu tak lain adalah konstanta kosmologis. Oleh sebab itu, lengkungan bran yang tak tereduksi beraksi seperti konstanta kosmologis, yang mempercepat perluasan kosmik.
Pelanggar Aturan
Teori kami bukan satu-satunya yang mempostulatkan kemogokan hukum gravitasi standar pada jarak besar. Pada 2002, Thibault Damour dan Antonios Papazoglou dari Institute for Higher Scientific Studies di Prancis dan Ian Kogan dari Universitas Oxford menyatakan bahwa graviton terdiri dari satu varietas tambahan—varietas yang, tak seperti graviton normal, memiliki massa kecil. Sebagaimana sudah lama diketahui oleh fisikawan, jika graviton memiliki massa, gravitasi tidak akan mematuhi hukum kuadrat terbalik. Graviton tidaklah stabil dan berangsur membusuk, memiliki efek mirip dengan kebocoran graviton: graviton yang menempuh jarak panjang menghilang, gravitasi melemah, dan perluasan kosmik berakselerasi. Sean Carroll, Vikram Duvvuri, dan Michael Turner dari Universitas Chicago dan Mark Trodden dari Universitas Syracuse telah memodifikasi teori Einstein di tiga dimensi dengan memasukkan suku-suku kecil yang berbanding terbalik dengan kelengkungan ruangwaktu. Suku-suku semacam itu tidak signifikan di alam semesta awal tapi kemudian akan mempercepat perluasan. Tim-tim riset lain juga telah menyatakan modifikasi hukum gravitasi, tapi proposal mereka tidak menyingkirkan kebutuhan akan dark energy untuk menyebabkan akselerasi [perluasan alam semesta].
Observasi akan menjadi wasit terakhir atas semua model ini. Penyurveyan supernova menyediakan satu uji langsung. Transisi dari perlambatan ke percepatan [perluasan] dalam skenario kebocoran sangat berbeda dari skenario-skenario dark energy. Penyempurnaan presisi penyurveyan- ini bisa membedakan teori-teori itu.
Gerakan planet menawarkan uji empiris lain. Gelombang gravitasi, sebagaimana gelombang elektromagnet biasa, dapat memiliki arah osilasi yang diharapkan. Relativitas umum mengizinkan dua arah demikian, tapi teori-teori gravitasi alternatif memperkenankan lebih banyak. Kemungkinan-kemungkinan tambahan ini memodifikasi gaya gravitasi secara ringan tapi tidak sepele, menghasilkan koreksi pada gerakan planet yang berpotensi dapat diamati. Andrei Gruzinov dan Matias Zaldarriaga dari Universitas New York bersama saya telah mengkalkulasi bahwa kebocoran graviton akan menyebabkan orbit bulan berpresesi/berlenggok lambat.
Setiap kali bulan menyelesaikan satu orbit, posisi terdekatnya dengan Bumi akan bergeser sekitar sepertriliun derajat, atau sekitar setengah milimeter. Gerakan ini hampir cukup besar untuk dilihat oleh eksperimen-eksperimen penetapan jarak bulan, yang memonitor orbit bulan dengan memantulkan sinar laser dari cermin yang ditinggal di permukaan bulan oleh astronot Apollo. Pengukuran mutakhir penetapan jarak bulan memiliki presisi satu centimeter, dan Eric Adelberger dan koleganya di Universitas Washington mengusulkan penggunaan laser yang lebih powerful untuk meningkatkan sensitivitas sepuluh kali lipat. Kapal antariksa penjejak dapat mencari presesi serupa pada orbit Mars.
Fakta bahwa para pengobservasi membicarakan penyelidikan teori string sungguh menggairahkan. Selama bertahun-tahun, teori tersebut dianggap sebagai teori [objek-objek] amat kecil—begitu kecil sehingga tak ada eksperimen yang dapat membuktikan atau menyangkalnya. Akselerasi kosmik mungkin merupakan jendela belakang, anugerah dari alam, yang membolehkan kita melihat dimensi-dimensi tambahan yang tak terlihat oleh kita. Ia mungkin merupakan jembatan antara [objek] yang amat kecil dan [objek] yang amat besar. Nasib alam semesta mungkin bergantung pada string.
Penulis
George Dvali tumbuh besar di bekas negara anggota Soviet, republik Georgia, dan mendapatkan gelar Ph.D.-nya dari Andronikashvili Institute of Physics di Tbilisi. Setelah bekerja di Universitas Pisa (Italia), di CERN dekat Jenewa, dan di International Center for Theoretical Physics di Trieste, dia bergabung dengan fakultas fisika Universitas New York. Dia senang mengatasi gravitasi dengan mendaki gunung, dan juga memanfaatkan gaya misterius ini dengan berski menuruni bukit.
Untuk Digali Lebih Jauh
Sumber: Sainstory - Sains Social History
(Sumber: Scientific American, Februari 2004, hal. 68-75)
"Mungkin akselerasi kosmik bukan disebabkan oleh dark energy tapi oleh kebocoran gravitasi tak terhenti dari dunia kita".
Kosmolog dan fisikawan partikel jarang-jarang merasa begitu bingung. Walaupun model standar kosmologi kita telah dikonfirmasikan oleh observasi mutakhir, ia masih memiliki lubang menganga: tak ada yang tahu mengapa perluasan alam semesta mencepat. Jika Anda melempar batu lurus ke atas, tarikan gravitasi Bumi akan membuatnya melambat; ia tidak akan mencepat menjauhi planet ini. Demikian halnya, galaksi-galaksi jauh, yang terjauhkan oleh perluasan big bang, semestinya menarik satu sama lain dan melambat. Tapi mereka sedang berakselerasi memisah. Para periset umumnya mengatributkan akselerasi tersebut pada suatu entitas misterius yang disebut dark energy, tapi hanya sebagian kecil fisika yang mendukung istilah halus ini. Satu-satunya hal yang kian jelas adalah bahwa pada jarak terbesar yang bisa diamati, gravitasi berperilaku dengan cara agak aneh, berubah menjadi gaya tolak.
Hukum fisika menyatakan bahwa gravitasi dihasilkan oleh materi dan energi, sehingga mereka mengatributkan jenis gravitasi aneh pada jenis materi atau energi aneh. Begitulah dasar pemikiran dark energy. Tapi mungkin hukum itu sendiri perlu diubah. Fisikawan memiliki preseden untuk perubahan semacam itu: hukum gravitasi yang Newton rumuskan pada abad 17, yang mempunyai berbagai keterbatasan konseptual dan eksperimen, memberi jalan untuk teori relativitas umum Einstein pada 1915. Relativitas juga mempunyai keterbatasan; rincinya, ia menjumpai masalah saat diterapkan pada jarak amat kecil, yang merupakan domain mekanika quantum. Sebagaimana relativitas memasukkan fisika Newtonian, teori gravitasi quantum akhirnya akan memasukkan relativitas.
Selama bertahun-tahun, fisikawan telah menghasilkan beberapa pendekatan masuk akal menuju teori gravitasi quantum, yang paling menonjol adalah teori string. Ketika gravitasi beroperasi pada jarak mikroskopis—contohnya di pusat black hole, di mana massa besar dijejalkan ke dalam volume subatom—atribut-atribut aneh quantum materi bermain, dan teori string menggambarkan bagaimana hukum gravitasi berubah.
Pada jarak besar, para teoris string umumnya berasumsi bahwa efek-efek quantum tidak signifikan. Tapi penemuan kosmologis beberapa tahun belakangan telah mendorong periset berpikir ulang. Empat tahun lalu saya dan kolega bertanya-tanya apakah teori string akan mengubah hukum gravitasi bukan cuma pada skala terkecil tapi juga pada skala terbesar. Fitur teori string yang dapat melahirkan revisi ini adalah dimensi tambahannya—arah tambahan ke mana partikel dapat menjelajah. Teori ini menambahkan enam atau tujuh dimensi pada tiga dimensi biasa.
Di masa lalu, teoris string berargumen bahwa dimensi-dimensi tambahan terlampau kecil bagi kita untuk dilihat atau dimasuki. Tapi kemajuan mutakhir mengungkap bahwa beberapa atau semua dimensi baru itu sesungguhnya boleh jadi berukuran tak terhingga. Mereka tersembunyi dari pandangan bukan karena terlalu kecil melainkan karena partikel-partikel yang menyusun tubuh kita terperangkap di tiga dimensi. Partikel yang lepas dari kurungan adalah partikel yang memancarkan gaya gravitasi, dan alhasil, hukum gravitasi berubah.
Bocor dari alam semesta kita, partikel-partikel gravitasi
dapat menjelajahi ruang dimensi tinggi. Kebocoran ini
hanya terlihat pada skala kosmik.
hanya terlihat pada skala kosmik.
Saat astronom menjumpai akselerasi kosmik, reaksi pertama mereka adalah mengatributkannya pada konstanta kosmologis. Diperkenalkan dan kemudian ditarik kembali oleh Einstein, konstanta ini melambangkan energi di ruang itu sendiri. Volume hampa ruang, tanpa materi sama sekali, masih mengandung energi ini—ekuivalen dengan kira-kira 10-26 kg/m3. Walaupun konstanta kosmologis konsisten dengan semua data yang ada sejauh ini, banyak fisikawan merasa tak puas. Persoalannya adalah ukuran kecilnya yang tak dapat dijelaskan, begitu kecil sehingga efeknya sedikit terhadap sebagian besar sejarah kosmik, termasuk periode awal pembentukan alam semesta. Yang lebih buruk, ia jauh lebih kecil daripada skala energi proses-proses fisikal yang menghasilkannya [lihat “From Slowdown to Speedup”, tulisan Adam G. Riess dan Michael S. Turner, Scientific American, Februari 2004].
Untuk mengurus persoalan ini, sejumlah fisikawan mengajukan bahwa akselerasi disebabkan bukan oleh ruang itu sendiri melainkan oleh medan energi yang meliputi ruang seperti kabut tipis. Energi potensial medan-medan ruang seragam tertentu bisa beraksi mirip konstanta kosmologis. Satu medan semacam itu, dikenal sebagai inflasi, dianggap telah mendorong periode akselerasi perluasan, atau inflasi, di alam semesta awal. Barangkali timbul medan lain semacam itu, mendorong alam semesta memasuki periode inflasi lain.
Medan kedua ini bernama quintessence. Seperti konstanta kosmologis, ia harus memiliki harga yang kecil, tapi para pendukungnya berargumen bahwa pasti lebih mudah bagi entitas dinamis untuk memasuki harga sekecil itu dibanding bagi konstanta statis. [lihat “Alam Semesta Quintesensial”, tulisan Jeremiah P. Ostriker dan Paul J. Steinhardt, Scientific American, Januari 2001].
Konstanta kosmologis maupun quintessence termasuk ke dalam kategori umum dark energy. Sejauh ini penjelasan meyakinkan tentang keduanya belum ada, inilah mengapa fisikawan berpikir serius tentang teori-teori dimensi tinggi. Daya tarik [teori] dimensi-dimensi tambahan adalah bahwa mereka otomatis mengubah cara gravitasi berperilaku. Saat gravitasi beroperasi menurut aturan teori Newton ataupun relativitas umum, kekuatannya berkurang seiring kuadrat jarak antara objek-objek. Alasannya adalah geometri sederhana: menurut sebuah prinsip yang dirumuskan pada abad 19 oleh fisikawan Carl Friedrich Gauss, kekuatan gravitasi ditentukan oleh densitas garis-garis gaya gravitasi, dan seiring jarak meningkat, garis-garis ini tersebar ke perbatasan yang semakin besar. Di ruang tiga-dimensi, perbatasannya adalah permukaan dua-dimensi—yakni luas, yang ukurannya meningkat seiring kuadrat jarak.
Overview/Kebocoran Gravitasi
- Astronom biasanya mengatributkan akselerasi perluasan alam semesta pada dark energy. Namun, itu mungkin tanda bahwa hukum fisika standar mogok pada skala-skala besar.
- Hukum gravitasi baru muncul dari teori string, salah satu upaya menonjol untuk mempersiapkan teori terpadu final tentang alam. Teori string biasanya dianggap sebagai teori [objek] amat kecil, padahal ia juga bisa memiliki konsekuensi makroskopis.
- Teori ini khususnya memprediksi bahwa alam semesta memiliki dimensi-dimensi tambahan yang ke dalamnya gravitasi, tak seperti materi biasa, mungkin dapat melarikan diri. Kebocoran ini akan melengkungkan kontinum ruangwaktu dan menyebabkan akselerasi perluasan kosmik. Ini bahkan mungkin memiliki efek kecil tapi dapat diamati terhadap gerakan planet.
Tapi seandainya ruang adalah empat-dimensi, perbatasannya akan [berwujud] tiga-dimensi—volume, yang ukurannya meningkat seiring kubik jarak. Dalam kasus ini, densitas garis-garis gaya akan berkurang seiring kubik jarak. Dengan demikian gravitasi akan lebih lemah daripada di dunia tiga-dimensi. Pada skala kosmologis, pelemahan gravitasi bisa menimbulkan akselerasi kosmik, alasannya akan saya bahas nanti.
Jika gravitasi bebas memasuki ruang tambahan, mengapa kita tidak melihatnya sebelumnya? Mengapa hukum kuadrat terbalik tiga-dimensi standar menjelaskan gerakan bisbol, roket, dan planet dengan begitu presisi? Jawaban tradisional dalam teori string adalah, dimensi-dimensi tambahan tersebut kompak—menggulung menjadi lingkaran kecil terhingga. Ukuran lingkaran-lingkaran ini sudah lama diasumsikan sebagai panjang Planck, sekitar 10-35 m, tapi penelitian teoritis dan eksperimen mutakhir menunjukkan mereka boleh jadi sebesar 0,2 milimeter [lihat “Dimensi-dimensi Alam Semesta yang Tak Terlihat”, tulisan Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos, dan George Dvali, Scientific American, Agustus 2000]. Jika dimensi-dimensi itu menggulung, mereka mengganggu kerja gravitasi hanya pada jarak pendek—setara dengan atau lebih kecil daripada radius dimensi-dimensi kompak tersebut. Pada jarak besar, hukum gravitasi standar tetap berlaku.
Kehidupan Penjara
Namun ide dimensi-dimensi kompak mengandung kesulitan. Contoh, kita bisa bertanya mengapa beberapa dimensi (dimensi tambahan) menyimpul rapat, sedangkan dimensi lain (dimensi familiar) bertahan terus? Dengan kata lain, di bawah pengaruh materi dan energi di alam semesta, dimensi-dimensi yang menggulung itu semestinya tak menggulung, kecuali kalau sesuatu menstabilkan mereka. Satu kemungkinan menarik adalah bahwa medan-medan miripmagnet yang diprediksi oleh teori string mencegah dimensi-dimensi itu menyusut atau mengembang. Solusi potensial lain muncul pada 1999. Mungkin semua dimensi, bahkan dimensi-dimensi tambahan, berukuran tak terhingga. Observable universe (alam semesta yang teramati) adalah permukaan tiga-dimensi, atau membran (singkatnya “bran”), di dunia dimensi tinggi. Materi biasa terkurung di bran, tapi beberapa gaya, semisal gravitasi, bisa lolos.
Gravitasi memiliki kemampuan mirip Houdini ini sebab secara fundamental berbeda dari gaya-gaya lain. Menurut teori medan quantum, gaya gravitasi diangkut oleh partikel khusus yang disebut graviton. Tarikan gravitasi dihasilkan dari aliran graviton antara dua benda, sebagaimana gaya listrik atau magnetisme dihasilkan dari aliran photon antara dua partikel bermuatan. Saat gravitasi [bersifat] statis, graviton-graviton ini [berwujud] “virtual”—walaupun efeknya bisa diukur, mereka tidak bisa diamati sebagai partikel terpisah. Matahari menahan Bumi di orbit sebab ia memancarkan graviton-graviton virtual yang diserap planet kita. Graviton-graviton “riil”, atau langsung teramati, dapat disamakan dengan gelombang gravitasi yang dilepaskan di bawah keadaan tertentu [lihat “Ripple in Spacetime”, tulisan W. Wayt Gibbs, Scientific American, April 2002].
Sebagaimana dipahami oleh teori string, graviton, seperti semua partikel lainnya, pada akhirnya merupakan vibrasi string kecil. Tapi graviton adalah vibrasi simpal tertutup, seperti pita karet, sementara elektron, proton, dan photon adalah vibrasi string berujung terbuka. Joseph Polchinski dari Kavli Institute for Theoritical Physics di Santa Barbara telah menunjukkan bahwa ujung-ujung string terbuka tak bisa menutup; mereka pasti terikat pada bran. Jika Anda mencoba menarik string terbuka dari sebuah bran, ia akan memanjang, seperti tali elastis, tapi tetap tersemat pada bran. Sebaliknya, string tertutup seperti graviton tidak bisa terpaku. Mereka bebas menjelajahi ruang 10-dimensi utuh.
Tentu saja, graviton tidak dapat memiliki kebebasan mutlak. Jika mereka demikian, hukum gravitasi standar akan runtuh secara mencolok. Pengarang hipotesis infinite-dimensions (dimensi berjumlah tak terhingga), Lisa Randall dari Universitas Harvard dan Raman Sundrum dari Universitas Johns Hopkins, mengemukakan bahwa graviton terintangi sebab dimensi-dimensi tambahan, tak seperti tiga dimensi familiar kita, sangat melengkung—menciptakan lembah berdinding curam yang sulit ditinggalkan.
Triknya adalah, karena dimensi-dimensi tambahan sangat melengkung, volume mereka betul-betul terhingga, sungguhpun mereka berluas tak terhingga. Bagaimana bisa ruang [berluas] tak terhingga memiliki volume terhingga? Bayangkan menuangkan gin/jenéwer ke dalam segelas martini tak berdasar yang radiusnya menyusut berbanding terbalik dengan kedalamannya. Untuk memenuhi gelas, gin berjumlah terhingga akan memadai. Berkat kelengkungan gelas, volumenya terkonsentrasi dekat bagian atas. Ini sangat serupa dengan apa yang terjadi dalam skenario Randall-Sundrum. Volume ruang tambahan terkonsentrasi di sekeliling bran kita. Konsekuensinya, graviton terpaksa menghabiskan sebagian besar waktunya di dekat bran. Probabilitas pendeteksian graviton cepat-cepat berkurang sebagai fungsi jarak. Dalam jargon quantum, fungsi gelombang graviton berpuncak di bran—efek yang disebut sebagai lokalisasi gravitasi.
Meski secara konseptual berbeda dari ide dimensi kompak, skenario Randal-Sundrum memiliki hasil yang sangat serupa. Kedua model memodifikasi hukum gravitasi pada jarak pendek tapi tidak pada jarak besar, keduanya juga tidak memikul persoalan akselerasi kosmik.
Fisika di Bran
Tapi pendekatan ketiga betul-betul memprediksi kemogokan hukum gravitasi standar pada skala kosmologis dan menjelaskan akselerasi tanpa harus melibatkan dark energy. Pada 2000, saya beserta Gregory Gabadadze dan Massimo Porrati, keduanya kini di Universitas New York, mengajukan bahwa dimensi-dimensi tambahan persis seperti tiga dimensi yang kita lihat di sekeliling kita. Mereka tidak kompak dan tidak sangat melengkung.
Meski begitu, graviton tidak bebas sepenuhnya untuk pergi ke mana pun mereka suka. Dipancarkan oleh bintang dan objek lain yang berlokasi di bran, mereka bisa lolos ke dimensi-dimensi tambahan, tapi hanya jika mereka menempuh jarak kritis tertentu. Graviton berperilaku seperti suara di selembar logam. Menghantam lembar logam dengan palu akan menghasilkan gelombang suara yang berjalan sepanjang permukaannya. Tapi penjalaran suara tidaklah persis dua-dimensi; sebagian energinya lenyap ke udara sekitar. Dekat lokasi pukulan palu, loss energi ini sepele. Namun di lokasi jauh, ia menjadi tampak jelas.
Kebocoran ini memiliki efek sangat besar terhadap gaya gravitasi di antara objek-objek yang dipisahkan oleh lebih dari jarak kritis itu. Graviton-graviton virtual mengeksploitasi setiap kemungkinan rute di antara objek-objek, dan kebocoran membuka banyak jalan-putar multidimensi, yang melahirkan perubahan hukum gravitasi. Gravitasi-gravitasi riil yang bocor lenyap selamanya, dan bagi kita yang terpaku di bran, mereka seolah menghilang ke udara tipis.
Dimensi-dimensi tambahan juga menyingkapkan diri pada skala amat kecil, sebagaimana dalam skenario kompak dan skenario Randal-Sundrum. Pada jarak menengah—lebih besar daripada ukuran string tapi lebih kecil daripada jarak kebocoran—graviton-graviton adalah tiga-dimensi dan mematuhi hukum gravitasi konvensional.
Kunci skenario ini adalah bran itu sendiri. Ia merupakan objek materil, dan gravitasi menyebar ke [sepanjang] bran secara berbeda dibanding penyebarannya ke ruang sekeliling. Alasannya adalah, partikel-partikel biasa seperti elektron dan proton bisa eksis di bran dan hanya di bran. Bran yang tampak hampa pun memuat banyak massa elektron, proton, dan partikel virtual lain, yang terus-menerus tercipta dan terhancurkan melalui fluktuasi quantum. Partikel-partikel itu menghasilkan dan merespon gravitasi. Ruang sekeliling, sebaliknya, betul-betul hampa. Graviton-graviton bisa melintasinya tapi tidak bertindak/beraksi kecuali terhadap satu sama lain.
Analoginya adalah material dielektris, seperti plastik, keramik, atau air murni. Material ini, tak seperti ruang vakum, mengandung partikel-partikel bermuatan listrik dan dapat merespon medan listrik. Walaupun partikel-partikel bermuatan tidak bisa mengaliri material dielektris (seperti mengalirnya mereka pada konduktor listrik), mereka masih dapat mendistribusikan ulang diri mereka di dalamnya. Jika Anda menerapkan medan listrik, material jadi terpolarisasi secara elektris. Pada air, misalnya, molekul-molekul berotasi sehingga ujung positif mereka (dua atom hidrogen) menunjuk ke satu arah dan ujung negatif mereka (atom oksigen) menunjuk ke arah berlawanan. Pada sodium klorida, ion-ion sodium positif dan ion-ion klorida negatif bergerak sedikit memisah.
Muatan-muatan yang terdistribusi ulang itu membangun medan listriknya sendiri, yang secara parsial menghapuskan medan eksternal. Dengan demikian material dielektris dapat mempengaruhi penjalaran photon, yang tak lebih merupakan medan magnet dan listrik bolak-balik. Photon-photon yang mempenetrasi material dielektris mempolarisasinya dan, pada gilirannya, sebagian [photon itu] terhapuskan. Untuk melahirkan efek ini, sebuah photon harus memiliki panjang gelombang dalam rentang tertentu: photon berpanjang gelombang panjang (bermomentum rendah) terlampau lemah untuk mempolarisasi material dielektris, dan photon berpanjang gelombang pendek (bermomentum tinggi) terlalu cepat untuk direspon oleh partikel-partikel bermuatan. Karena alasan ini, air bersifat transparan bagi gelombang radio (yang memiliki panjang gelombang panjang) dan bagi cahaya tampak (yang memiliki panjang gelombang pendek) tapi bersifat buram bagi gelombang mikro (yang memiliki panjang gelombang menengah). Oven microwave mengandalkan efek ini.
Demikian halnya, fluktuasi-fluktuasi quantum mengubah bran menjadi ekuivalen dengan gravitasi material dielektris. Seolah bran didiami oleh partikel-partikel virtual berenergi positif dan negatif. Jika Anda menerapkan medan gravitasi eksternal, bran jadi terpolarisasi secara gravitasi. Partikel-partikel berenergi positif agak menjauhi partikel-partikel berenergi negatif. Graviton, yang mengandung medan gravitasi bolak-balik, dapat mempolarisasi bran dan terhapuskan jika panjang gelombangnya jatuh ke dalam rentang yang tepat—yang, kami kalkulasikan, berangka antara 0,1 milimeter (atau lebih kecil, tergantung pada jumlah dimensi tambahan) sampai kira-kira 10 miliar tahun-cahaya.
Penghapusan ini hanya mempengaruhi graviton-graviton yang masuk atau keluar bran kita. Graviton, seperti halnya proton, merupakan gelombang lintang (transverse wave): mereka bolak-balik secara tegak lurus terhadap arah penjalaran. Graviton yang masuk atau keluar bran cenderung mendorong partikel-partikel ke sepanjang bran, arah yang bisa ditempuh partikel-partikel tersebut. Jadi, graviton-graviton ini dapat mempolarisasi bran dan, pada gilirannya, terhapuskan. Tapi graviton yang bergerak sepanjang bran mencoba mendorong partikel-partikel itu keluar bran, arah yang tak bisa ditempuh partikel. Oleh sebab itu, graviton-graviton ini tidak mempolarisasi bran. Mereka bergerak tanpa menjumpai hambatan. Prakteknya, kebanyakan graviton berada di antara dua ekstrim ini. Mereka menderu melintasi ruang pada sudut miring terhadap bran dan mungkin menempuh miliaran tahun-cahaya sebelum terhapuskan.
Penekukan Bran yang Aneh
Dengan cara ini, bran memperisai diri dari dimensi-dimensi tambahan. Jika graviton berpanjang gelombang menengah berupaya lari dari atau mempenetrasi bran, partikel-partikel di dalam bran mendistribusikan ulang diri dan menghadangnya. Graviton harus bergerak sepanjang bran, sehingga gravitasi mengikuti hukum kuadrat terbalik. Namun graviton berpanjang gelombang panjang bebas melewati dimensi-dimensi tambahan. Graviton-graviton ini tidak signifikan pada jarak pendek tapi signifikan pada jarak yang sebanding dengan panjang gelombang mereka, dan mereka merusak kemampuan bran untuk mengisolasi diri dari dimensi-dimensi tambahan. Hukum gravitasi mendekati hukum kubik terbalik (jika salah satu dari dimensi-dimensi tambahan berukuran tak terhingga), mendekati hukum pangkat empat terbalik (jika dua dari dimensi-dimensi tambahan berukuran tak terhingga, atau mendekati hukum yang lebih tinggi lagi. Dalam semua kasus ini, gravitasi melemah.
Saya, Gabadadze, dan Cédric Deffayet (kini di Paris Institute of Astrophysics) telah menemukan bahwa dimensi-dimensi tambahan tak hanya melemahkan kekuatan gravitasi tapi juga memperlaju perluasan kosmik tanpa perlu ada dark energy. Saya tergiur untuk berkata bahwa dengan memperlemah lem gravitasi yang memperlambat perluasan, kebocoran graviton mengurangi perlambatan begitu banyak sehingga perlambatan menjadi negatif—dengan kata lain, sama dengan akselerasi. Tapi efek ini lebih halus. Ini berkaitan dengan bagaimana kebocoran mengubah relativitas umum.
Ide sentral teori Einstein adalah bahwa gravitasi merupakan konsekuensi dari kelengkungan ruangwaktu, yang terkait dengan densitas materi dan energi di dalamnya. Matahari menarik Bumi dengan melengkungkan ruangwaktu di sekelilingnya. Tak ada materi dan energi berarti tak ada pelengkungan dan tak ada gravitasi. Namun, dalam teori dimensi tinggi, hubungan antara kelengkungan dan densitas berubah. Teori dimensi-dimensi tambahan memasukkan suku koreksi ke dalam persamaan, yang memastikan bahwa kelengkungan bran hampa tidaklah nol. Praktisnya, kebocoran graviton menegangkan bran, memberinya lengkungan tak tereduksi yang tidak tergantung pada densitas materi dan energi di dalamnya.
Seiring waktu, begitu materi dan energi menipis, kelengkungan yang mereka timbulkan berkurang, sehingga lengkungan tak tereduksi tersebut menjadi semakin signifikan. Kelengkungan alam semesta mendekati harga konstan. Efek yang sama akan timbul jika alam semesta dipenuhi zat yang tidak menipis seiring berjalannya waktu. Zat semacam itu tak lain adalah konstanta kosmologis. Oleh sebab itu, lengkungan bran yang tak tereduksi beraksi seperti konstanta kosmologis, yang mempercepat perluasan kosmik.
Pelanggar Aturan
Teori kami bukan satu-satunya yang mempostulatkan kemogokan hukum gravitasi standar pada jarak besar. Pada 2002, Thibault Damour dan Antonios Papazoglou dari Institute for Higher Scientific Studies di Prancis dan Ian Kogan dari Universitas Oxford menyatakan bahwa graviton terdiri dari satu varietas tambahan—varietas yang, tak seperti graviton normal, memiliki massa kecil. Sebagaimana sudah lama diketahui oleh fisikawan, jika graviton memiliki massa, gravitasi tidak akan mematuhi hukum kuadrat terbalik. Graviton tidaklah stabil dan berangsur membusuk, memiliki efek mirip dengan kebocoran graviton: graviton yang menempuh jarak panjang menghilang, gravitasi melemah, dan perluasan kosmik berakselerasi. Sean Carroll, Vikram Duvvuri, dan Michael Turner dari Universitas Chicago dan Mark Trodden dari Universitas Syracuse telah memodifikasi teori Einstein di tiga dimensi dengan memasukkan suku-suku kecil yang berbanding terbalik dengan kelengkungan ruangwaktu. Suku-suku semacam itu tidak signifikan di alam semesta awal tapi kemudian akan mempercepat perluasan. Tim-tim riset lain juga telah menyatakan modifikasi hukum gravitasi, tapi proposal mereka tidak menyingkirkan kebutuhan akan dark energy untuk menyebabkan akselerasi [perluasan alam semesta].
Observasi akan menjadi wasit terakhir atas semua model ini. Penyurveyan supernova menyediakan satu uji langsung. Transisi dari perlambatan ke percepatan [perluasan] dalam skenario kebocoran sangat berbeda dari skenario-skenario dark energy. Penyempurnaan presisi penyurveyan- ini bisa membedakan teori-teori itu.
Gerakan planet menawarkan uji empiris lain. Gelombang gravitasi, sebagaimana gelombang elektromagnet biasa, dapat memiliki arah osilasi yang diharapkan. Relativitas umum mengizinkan dua arah demikian, tapi teori-teori gravitasi alternatif memperkenankan lebih banyak. Kemungkinan-kemungkinan tambahan ini memodifikasi gaya gravitasi secara ringan tapi tidak sepele, menghasilkan koreksi pada gerakan planet yang berpotensi dapat diamati. Andrei Gruzinov dan Matias Zaldarriaga dari Universitas New York bersama saya telah mengkalkulasi bahwa kebocoran graviton akan menyebabkan orbit bulan berpresesi/berlenggok lambat.
Setiap kali bulan menyelesaikan satu orbit, posisi terdekatnya dengan Bumi akan bergeser sekitar sepertriliun derajat, atau sekitar setengah milimeter. Gerakan ini hampir cukup besar untuk dilihat oleh eksperimen-eksperimen penetapan jarak bulan, yang memonitor orbit bulan dengan memantulkan sinar laser dari cermin yang ditinggal di permukaan bulan oleh astronot Apollo. Pengukuran mutakhir penetapan jarak bulan memiliki presisi satu centimeter, dan Eric Adelberger dan koleganya di Universitas Washington mengusulkan penggunaan laser yang lebih powerful untuk meningkatkan sensitivitas sepuluh kali lipat. Kapal antariksa penjejak dapat mencari presesi serupa pada orbit Mars.
Fakta bahwa para pengobservasi membicarakan penyelidikan teori string sungguh menggairahkan. Selama bertahun-tahun, teori tersebut dianggap sebagai teori [objek-objek] amat kecil—begitu kecil sehingga tak ada eksperimen yang dapat membuktikan atau menyangkalnya. Akselerasi kosmik mungkin merupakan jendela belakang, anugerah dari alam, yang membolehkan kita melihat dimensi-dimensi tambahan yang tak terlihat oleh kita. Ia mungkin merupakan jembatan antara [objek] yang amat kecil dan [objek] yang amat besar. Nasib alam semesta mungkin bergantung pada string.
Penulis
George Dvali tumbuh besar di bekas negara anggota Soviet, republik Georgia, dan mendapatkan gelar Ph.D.-nya dari Andronikashvili Institute of Physics di Tbilisi. Setelah bekerja di Universitas Pisa (Italia), di CERN dekat Jenewa, dan di International Center for Theoretical Physics di Trieste, dia bergabung dengan fakultas fisika Universitas New York. Dia senang mengatasi gravitasi dengan mendaki gunung, dan juga memanfaatkan gaya misterius ini dengan berski menuruni bukit.
Untuk Digali Lebih Jauh
- The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory. Brian Greene. W.W. Norton, 2003.
- An Alternative to Compactification. Lisa Randall dan Raman Sundrum dalam Physical Review Letters, Vol. 83, No. 23, hal. 4690–4693; 6 Desember 1999. Tersedia online di www.arxiv.org/abs/hep-th/9906064.
- Accelerated Universe from Gravity Leaking to Extra Dimensions. Cédric Deffayet, Gia Dvali, dan Gregory Gabadadze dalam Physical Review D, Vol. 65, nomor paper 044023; 2002. www.arxiv.org/abs/astro-ph/0105068.
- The Accelerated Universe and the Moon. Gia Dvali, Andrei Gruzinov, dan Matias Zaldarriaga dalam Physical Review D, Vol. 68, nomor paper 024012; 2003. www.arxiv.org/abs/hep-ph/0212069.
- Tests of the Gravitational Inverse-Square Law. E.G. Adelberger, B.R. Heckel, dan A.E. Nelson dalam Annual Review of Nuclear and Particle Science, Vol. 53, hal. 77–121; Desember 2003. www.arxiv.org/abs/hep-ph/0307284.
Sumber: Sainstory - Sains Social History
No comments:
Post a Comment