Oleh: Steven Weinberg
(Sumber: Scientific American, Special Edition –
The Edge of Physics, 31 Mei 2003, hal. 4-11)
Sasaran utama fisika adalah memahami keanekaragaman alam yang menakjubkan secara terpadu. Kemajuan-kemajuan terhebat di masa lalu merupakan langkah menuju sasaran ini: unifikasi mekanika bumi dan angkasa oleh Isaac Newton pada abad 17. Teori listrik dan magnetisme oleh James Clerk Mawell pada abad 19. Geometri ruangwaktu dan teori gravitasi oleh Albert Einstein dari tahun 1905 sampai 1916. Dan penyingkapan kimia dan fisika atom melalui kedatangan mekanika quantum pada 1920-an.
Einstein mencurahkan 30 tahun terakhir hidupnya pada pencarian gagal “teori medan terpadu”, yang akan menyatukan relativitas umum—teori ruangwaktu dan gravitasi miliknya—dengan teori elektromagnetisme Maxwell. Belakangan terjadi kemajuan menuju unifikasi, tapi ke arah berbeda. Teori partikel unsur dan gaya kita yang mutakhir, dikenal sebagai Standard Model fisika partikel, telah menyatukan elektromagnetisme dengan interaksi lemah, gaya yang bertanggungjawab atas perubahan neutron dan proton menjadi satu sama lain dalam proses-proses radioaktif dan di bintang-bintang. Standard Model juga memberikan deskripsi terpisah tapi serupa tentang interaksi kuat, gaya yang menjaga kesatuan quark di dalam proton dan neutron dan menjaga kesatuan proton dan neutron di dalam nukleus atom.
Alam quantum ruang dan waktu harus ditangani dalam teori terpadu. Pada skala jarak terpendek, ruang mungkin digantikan oleh struktur string-string dan membran-membran yang terhubung terus-menerus—atau oleh sesuatu yang lebih aneh lagi. Eksperimen di CERN dan tempat lain semestinya memungkinkan kita melengkapi Standard Model fisika partikel, tapi teori terpadu seluruh gaya mungkin akan memerlukan ide-ide yang sama sekali baru.
Kita tahu bagaimana teori interaksi kuat dapat disatukan dengan teori interaksi elektromagnetik dan interaksi lemah (seringkali disebut sebagai Grand Unification), tapi ini mungkin hanya bekerja jika gravitasi diikutsertakan, yang menimbulkan kesulitan mengerikan. Kita menduga bahwa perbedaan nyata di antara gaya-gaya ini ditimbulkan oleh peristiwa-peristiwa dalam sejarah awal big bang, tapi kita tak dapat mengikuti detil-detil sejarah kosmik pada masa-masa awal tersebut tanpa teori yang lebih baik mengenai gravitasi dan gaya lainnya. Ada peluang bahwa unifikasi akan selesai pada 2050. Tapi betulkah kita mampu melakukannya?
Medan Quantum
Standard Model fisika partikel adalah teori quantum medan. Komposisi dasarnya adalah medan-medan, di antaranya adalah medan listrik dan medan magnet dalam elektrodinamika abad 19. Riakan-riakan kecil di medan-medan ini mengangkut energi dan momentum dari satu tempat ke tempat lain, dan mekanika quantum memberitahu kita bahwa riakan ini terdiri dari bundel-bundel, atau quantum-quantum, yang dikenali di laboratorium sebagai partikel unsur. Contoh, quantum medan elektromagnet adalah partikel yang dikenal sebagai photon.
Standard Model memasukkan medan untuk setiap tipe partikel unsur yang telah diamati di laboratorium-laboratorium fisika high energy [lihat ilustrasi di bawah]. Ada medan lepton: quantum mereka mencakup elektron familiar, yang menyusun bagian luar atom biasa, partikel berat serupa yang dikenal sebagai muon dan tauon, dan partikel berlistrik netral yang dikenal sebagai neutrino. Ada beragam tipe medan quark, beberapa terikat di proton dan neutron yang menyusun nukleus atom-atom biasa. Gaya-gaya di antara partikel-partikel ini dihasilkan oleh pertukaran photon dan partikel-partikel unsur serupa: W+, W-, dan Z0 mentransmisikan gaya lemah, sedangkan delapan jenis gluon menghasilkan gaya kuat.
Partikel-partikel ini mempertunjukkan berbagai besaran massa tanpa pola yang bisa dikenali, dengan elektron 350.000 kali lebih ringan daripada quark terberat, sedangkan neutrino lebih ringan lagi. Standard Model tak memiliki mekanisme yang bisa menerangkan massa-massa ini, kecuali kalau kita menambahinya medan tambahan, tipe yang dikenal sebagai medan skalar. “Skalar” artinya medan ini tak memuat arah, tak seperti medan listrik dan magnet dan medan-medan lain dalam Standard Model. Ini membuka kemungkinan bahwa medan-medan skalar ini bisa merembesi seluruh ruang tanpa bertentangan dengan salah satu prinsip kokoh fisika, bahwa ruang terlihat sama di semua arah. (Sebaliknya, seandainya ada medan magnet signifikan di setiap tempat di ruang, kita dapat mengidentifikasi arah dengan memakai kompas biasa.) Interaksi medan-medan lain (dalam Standard Model) dengan medan skalar perembes dipercaya memberi massa kepada partikel-partikel Standard Model.
Di Atas Top Quark
Untuk melengkapi Standard Model, kita perlu mengkonfirmasi eksistensi medan-medan skalar ini dan menemukan berapa banyak tipe yang ada. Ini adalah soal menemukan partikel unsur baru, sering disebut sebagai partikel Higgs, yang boleh diakui sebagai quantum medan [skalar] ini. Kita punya berbagai alasan untuk menduga bahwa tugas ini akan selesai sebelum tahun 2020, ketika akselerator bernama Large Hadron Collider di CERN, laboratorum fisika partikel Eropa dekat Jenewa, akan telah beroperasi selama lebih dari satu dekade.
Setidaknya yang akan ditemukan adalah partikel skalar berlistrik netral. Tapi akan menjadi bencana jika cuma ini yang ditemukan pada 2020 kelak, sebab itu takkan memberi kita petunjuk menuju solusi teka-teki berat yang disebut sebagai persoalan hirarki.
Partikel terberat yang dikenal dalam Standard Model adalah top quark, dengan massa setara 175 gigaelektron volt (GeV). Satu GeV adalah sedikit di atas energi yang terkandung dalam massa proton. [Lihat “The Discovery of the Top Quark”, tulisan Tony M. Liss dan Paul L. Tipton, Scientific American, September 1997]. Partikel-partikel Higgs yang belum diketemukan itu diduga memiliki besaran massa serupa, 100 sampai beberapa ratus GeV. Tapi ada bukti skala massa yang jauh lebih besar yang akan muncul dalam persamaan-persamaan teori terpadu yang belum dirumuskan. Medan gluon, W, Z, dan photon Standard Model berinteraksi dengan medan-medan lain model ini dengan kekuatan agak berbeda; itulah mengapa gaya-gaya yang dihasilkan oleh pertukaran gluon adalah sekitar 100 kali lebih kuat daripada [pertukaran medan] lainnya di bawah kondisi biasa. Graviton jauh lebih lemah: gaya gravitasi di antara elektron dan proton pada atom hidrogen adalah sekitar 10-39 kali kekuatan gaya listrik.
Tapi semua kekuatan interaksi ini tergantung pada energi yang terukur [lihat ilustrasi di bawah ini]. Mengejutkan sekali, ketika kemungkinan interaksi medan-medan Standard Model diperhitungkan, semuanya menjadi setara satu sama lain, dengan energi sedikit di atas 1016 GeV, sedangkan gaya gravitasi tidak terlalu lebih tinggi, sekitar 1018 GeV. (Perbaikan teori gravitasi telah diusulkan, yang bahkan akan membuat kekuatan gravitasi setara dengan gaya-gaya lain, seharga sekitar 1016 GeV.) Kita terbiasa dengan rasio massa amat besar dalam fisika partikel, seperti 350.000:1 antara massa top quark dan elektron, tapi ini tidak seberapa dibandingkan dengan rasio dahsyat antara skala energi fundamental unifikasi sebesar 1016 GeV (atau barangkali 1018 GeV) dan skala energi 100 GeV khas Standard Model [lihat ilustrasi di bawah]. Inti persoalan hirarki adalah memahami rasio besar ini, lompatan besar dari satu tingkat ke tingkat berikutnya dalam hirarki skala energi ini, dan itu bukan cuma dengan menyesuaikan konstanta-konstanta dalam teori kita demi membuat rasio keluar persis sebagai konsekuensi alami prinsip-prinsip fundamental.
Para teoris telah mengajukan beberapa ide menarik untuk solusi alami persoalan hirarki, memasukkan prinsip kesimetrian baru yang dikenal sebagai supersimetri (yang juga memperbaiki akurasi kekuatan interaksi 1016 GeV), atau gaya kuat baru yang dikenal sebagai tekniwarna, atau keduanya [lihat ilustrasi di bawah]. Semua teori ini mengandung gaya-gaya tambahan yang dipersatukan dengan gaya kuat, gaya lemah, dan gaya elektromagnetik pada [besaran] energi sekitar 1016 GeV. Gaya-gaya baru itu menjadi kuat, dengan energi jauh di bawah 1016 GeV, tapi kita tak dapat mengamati mereka secara langsung, sebab mereka tidak bertindak langsung terhadap partikel-partikel Standard Model yang dikenal. Justru, mereka bertindak terhadap partikel lain yang terlampau masif untuk dihasilkan di laboratorium kita. Meski begitu, partikel-partikel “amat berat” ini jauh lebih ringan dari 1016 GeV sebab mereka memperoleh massa dari gaya-gaya baru tadi, yang jauh di bawah 1016 GeV. Dalam gambaran ini, partikel-partikel Standard Model akan berinteraksi dengan partikel-partikel amat berat tersebut, dan massa [partikel Standard Model] akan timbul sebagai efek sekunder interaksi relatif lemah ini. Mekanisme ini akan memecahkan persoalan hirarki, menjadikan partikel-partikel [Standard Model] lebih ringan daripada partikel-partikel berat tersebut, yang bermassa jauh lebih ringan dari 1016 GeV.
Semua ide ini memiliki fitur sama lainnya: mereka memerlukan eksistensi sekumpulan partikel baru bermassa tak lebih dari 1.000 GeV. Jika ide-ide ini benar, maka partikel-partikel tersebut mestinya ditemukan sebelum tahun 2020 di Large Hadron Collider, dan beberapa partikel bahkan mungkin muncul lebih awal di Fermilab atau CERN, walaupun perlu berdekade-dekade lagi serta akselerator baru untuk menggali atribut mereka sepenuhnya. Ketika partikel-partikel ini telah ditemukan dan atribut mereka diukur, kita akan mampu mengatakan apakah ada dari mereka yang bertahan hidup sejak momen-momen awal big bang dan kemudian kita dapat menambahkan “dark matter” di ruang antargalaksi yang dianggap menyusun sebagian besar massa alam semesta hari ini. Bagaimanapun juga, kemungkinan besar pada 2050 kita akan memahami alasan rasio dahsyat skala-skala energi yang dijumpai di alam.
Apa berikutnya? Sebetulnya tak ada peluang kita akan mampu melakukan eksperimen yang melibatkan proses-proses dengan energi seperti 1016 GeV. Dengan teknologi terkini, diameter sebuah akselerator sebanding dengan energi yang diberikan kepada partikel-partikel yang diakselerasi. Untuk mengakselerasi partikel hingga energi 1016 GeV diperlukan akselerator berdiameter beberapa tahun-cahaya. Sekalipun seseorang menemukan cara lain untuk mengkonsentrasikan energi luar biasa banyak kepada sebuah partikel, laju proses-proses dengan besaran energi ini akan terlalu lambat untuk menghasilkan informasi berguna. Tapi sungguhpun kita tak bisa mempelajari proses-proses dengan besaran energi seperti 1016 GeV secara langsung, ada peluang besar proses ini menghasilkan efek-efek dengan energi yang bisa dimengerti yang dapat dikenali secara eksperimen sebab melampaui [besaran] yang diperkenankan oleh Standard Model.
Standard Model adalah teori quantum medan yang istimewa, teori yang “direnormalisasi”. Istilah ini berawal tahun 1940-an, ketika fisikawan sedang belajar bagaimana menggunakan teori-teori quantum medan terdahulu untuk mengkalkulasi pergeseran kecil level energi atom. Mereka menemukan bahwa kalkulasi menggunakan teori quantum medan terus menghasilkan kuantitas-kuantitas tak terhingga, yang biasanya berarti sebuah teori memiliki cacat atau melampaui batas validitasnya. Lalu, mereka menemukan cara mengatasi kuantitas tak terhingga dengan memasukkannya ke dalam pendefinisian ulang, atau “renormalisasi”, beberapa konstanta fisikal, semisal muatan dan massa elektron. (Versi minimum Standard Model, dengan satu partikel skalar saja, memiliki 18 konstanta ini.) Teori-teori yang berhasil melakukan prosedur ini disebut “dapat direnormalisasi” dan memiliki struktur lebih sederhana ketimbang teori-teori yang tak dapat direnormalisasi.
Interaksi yang Ditekan
Struktur Standard Model yang sederhana dan dapat direnormalisasi inilah yang telah memungkinkan kita memperoleh prediksi kuantitatif spesifik untuk hasil-hasil eksperimen, prediksi yang kesuksesannya telah mengkonfirmasi validitas teori [Standard Model].
Rincinya, prinsip renormalisasibilitas, bersama dengan berbagai prinsip kesimetrian Standard Model, telah menyingkirkan proses-proses tak teramati seperti pembusukan proton terisolasi dan mencegah neutrino untuk memiliki massa. Fisikawan lazimnya percaya bahwa agar sebuah teori quantum medan memiliki validitas, ia harus bisa direnormalisasi. Persayaratan ini merupakan penuntun kuat bagi para teoris dalam merumuskan Standard Model. Yang menggelisahkan, dulu terasa mustahil, karena alasan fundamental, merumuskan teori gravitasi quantum medan yang dapat direnormalisasi.
Hari ini perspektif kita telah berubah. Teori-teori fisika partikel tampak berbeda, tergantung pada energi proses-proses dan reaksi-reaksi yang diperhitungkan. Gaya-gaya yang dihasilkan oleh pertukaran partikel masif tipikalnya akan sangat lemah pada [level] energi yang rendah dibandingkan massanya.
Efek-efek lain juga bisa ditekan, sehingga pada [besaran] energi rendah kita memperoleh apa yang dikenal sebagai teori medan efektif, di mana interaksi-interaksi ini sepele/bisa diabaikan. Para teoris sudah menyadari bahwa suatu teori quantum fundamental yang konsisten dengan teori relativitas khusus akan terasa seperti teori quantum medan yang dapat direnormalisasi pada [level] energi rendah. Tapi walaupun ketakterhinggaan itu masih terhapuskan, teori-teori efektif ini tidak mempunyai struktur sederhana teori-teori yang dapat direnormalisasi daalam pengertian klasik. Interaksi-interaksi rumit tambahan hadir; bukannya ditiadakan sepenuhnya, mereka cuma ditekan ke bawah suatu skala energi khas.
Gravitasi sendiri hanyalah interaksi nonrenormalizable yang ditekan. Dari kekuatannyalah (atau tepatnya kelemahannya), pada [level] energi rendah, kita menyimpulkan bahwa skala energi fundamentalnnya kurang-lebih 1018 GeV. Interaksi nonrenormalizable yang ditekan berikutnya akan menjadikan proton tidak stabil, dengan half-life antara 1031 sampai 1034 tahun, yang mungkin terlalu lambat untuk teramati bahkan pada 2050 [lihat artikel saya, “The Decay of the Proton”, Scientific American, Juni 1981]. Interaksi nonrenormalizable yang ditekan berikutnya akan mememberi neutrino massa yang amat kecil, sekitar 10-11 GeV. Kini ada bukti kuat sedang dikumpulkan di detektor-detektor raksasa tentang massa neutrino, kemungkinan besar berordo sekecil ini [lihat “Detecting Massive Neutrino”, tulisan Edward Kearns, Takaaki Kajita, dan Yoji Totsuka, Scientific American Special Edition, The Edge of Physics, 31 Mei 2003].
(Half-life: waktu yang diperlukan bagi keradioaktifan untuk jatuh ke setengah harga asalnya—penj)
Observasi seperti ini akan menghasilkan petunjuk berharga menuju teori terpadu seluruh gaya, tapi penemuan teori ini barangkali takkan terjadi tanpa ide-ide baru. Beberapa ide yang menjanjikan sudah beredar. Ada lima teori [mengenai] entitas kecil satu-dimensi yang dikenal sebagai string, yang dalam mode vibrasi berbeda-beda, pada [level] energi rendah, terlihat sebagai berbagai jenis partikel dan rupanya melengkapi teori-teori gravitasi terhingga dan gaya lainnya di 10 dimensi ruangwaktu. Tentu saja kita tak hidup di 10 dimensi, tapi masuk akal bahwa enam dari sepuluh dimensi ini mungkin tergulung begitu ketat sehingga tidak bisa diamati dalam proses-proses dengan [level] energi di bawah 1016 GeV per partikel. Dalam beberapa tahun belakangan telah muncul bukti bahwa kelima teori string ini (dan juga sebuah teori quantum medan di 11 dimensi) hanyalah versi-versi dari satu teori fundamental (terkadang disebut teori-M) namun beroperasi di bawah penaksiran berlainan [lihat “Teori yang Dulu Dikenal Sebagai String”, tulisan Michael J. Duff, Scientific American Special Edition, 31 Mei 2003]. Tapi tak ada yang tahu bagaimana menuliskan persamaan-persamaan teori ini.
Di Luar Ruangwaktu
Dua rintangan besar menghadang tugas ini. Yang pertama adalah bahwa kita tak tahu apa prinsip-prinsip fisika yang mengatur teori fundamental tersebut. Dalam mengembangkan relativitas umumnya, Einstein dipandu oleh prinsip yang dia simpulkan dari atribut-atribut gravitasi yang sudah diketahui, prinsip ekuivalensi gaya gravitasi sampai efek-efek lembam semisal gaya sentrifugal. Pengembangan Standard Model dipandu oleh prinsip bernama gauge symmetry, sebuah generalisasi atribut listrik dikenal bahwa selisih voltaselah yang berperan, bukan voltasenya sendiri.
Tapi kita belum menemukan prinsip fundamental yang mengatur teori-M. Beragam penaksiran terhadap teori ini terasa seperti teori string atau teori medan di ruangwaktu berdimensionalitas berlainan, padahal mungkin teori fundamental tidak boleh dirumuskan di dalam ruangwaktu sama sekali. Teori quantum medan dibatasi keras oleh prinsip-prinsip mengenai sifat ruangwaktu empat-dimensi yang dimasukkan ke dalam teori relativitas khusus. Bagaimana kita bisa memperoleh ide-de yang diperlukan untuk merumuskan teori fundamental, sementara teori ini dimaksudkan untuk mendeskripsikan alam di mana semua intuisi yang diperoleh dari kehidupan di dalam ruangwaktu menjadi tak berguna?
Rintangan lainnya adalah bahwa sekalipun kita mampu merumuskan teori fundamental, kita mungkin tak tahu bagaimana menggunakannya untuk membuat prediksi yang dapat mengkonfirmasi validitasnya. Sebagian besar prediksi sukses Standard Model didasarkan pada metode kalkulasi yang dikenal sebagai teori perturbasi. Dalam mekanika quantum, laju proses-proses fisikal ditentukan oleh penjumlahan semua kemungkinan urutan langkah perantara (intermediate step) menuju terjadinya proses tersebut. Menggunakan teori perturbasi, kita pertama-tama memperhitungkan langkah-langkah paling sederhana saja, lalu langkah sederhana berikutnya, dan seterusnya. Ini hanya bekerja jika langkah perantara yang semakin rumit memberi kontribusi semakin kecil pada laju [proses], yang biasanya terjadi jika gaya-gaya yang terlibat cukup lemah. Terkadang sebuah teori bergaya-gaya kuat ekuivalen dengan teori lain bergaya-gaya lemah, yang bisa diselesaikan oleh metodologi teori perturbasi. Ini tampaknya berlaku pada pasangan tertentu lima teori string di 10 dimensi dan teori medan di 11 dimensi yang tadi disebutkan. Sayangnya, gaya-gaya dalam teori fundamental barangkali tidak kuat dan tidak pula lemah, menyingkirkan kemungkinan penggunaan teori perturbasi.
Menemukan Jawaban
Mustahil mengatakan kapan persoalan ini akan teratasi. Ini mungkin akan terpecahkan dalam [esay] pracetak yang dihasilkan kelak oleh beberapa teoris belia. Mungkin tidak terpecahkan pada tahun 2050, atau bahkan 2150. Tapi manakala terpecahkan, sungguhpun kita tak bisa melakukan eksperimen pada [level] energi 1016 GeV atau mengintip dimensi-dimensi tinggi, kita takkan kesulitan menemukan kebenaran teori fundamental terpadu. Ujiannya akan berupa, apakah teori tersebut berhasil menerangkan harga konstanta-konstanta fisikal Standard Model yang terukur, serta efek-efek lain yang mungkin ditemukan oleh Standard Model saat itu.
Barangkali, ketika kita akhirnya memahami bagaimana partikel-partikel dan gaya-gaya berperilaku pada [level] energi hingga 1018 GeV, kita akan menemukan misteri baru, dengan unifikasi final lebih jauh lagi. Tapi saya meragukannya. Tak ada petunjuk tentang skala energi fundamental di atas 1018 GeV, dan teori string bahkan menyatakan bahwa energi yang lebih tinggi [dari itu] tidak memiliki makna.
Penemuan teori terpadu yang mendskripsikan alam pada semua [level] energi akan menempatkan kita dalam posisi menjawab pertanyaan kosmologi terdalam: Apakah perluasan kumpulan galaksi yang kita sebut big bang memiliki permulaan pada waktu tertentu di masa lampau? Apakah big bang kita hanyalah satu episode di alam semesta yang jauh lebih besar di mana bang besar dan kecil berlangsung terus-menerus? Jika benar, apakah yang kita sebut sebagai konstanta—atau bahkan hukum—alam berbeda antara satu bang dan bang lainnya?
Ini tidak akan menjadi akhir fisika. Bahkan barangkali takkan membantu persoalan-persoalan fisika hari ini, misalnya pemahaman turbulensi dan superkonduktivitas temperatur tinggi. Tapi ini akan menandai akhir jenis fisika tertentu: pencarian teori terpadu yang membawakan seluruh fakta lain ilmu fisik.
Penulis
Steven Weinberg adalah kepala Theory Group di Universitas Texas, Austin, dan anggota fakultas fisika dan astronominya. Karyanya dalam fisika partikel unsur telah dihargai dengan banyak hadiah dan penghargaan, termasuk Hadiah Nobel Fisika pada 1979 dan Medali Sains Nasional pada 1991. Volume ketiga (berjudul Supersymmetry) risalatnya yang berjudul The Quantum Theory of Fields diterbitkan pada 2000. Volume kedua (berjudul modern Applications) dijuluki oleh Physics Today sebagai “tak tertandingi oleh buku teori quantum medan manapun berkat kedalaman, generalitas, dan karakter definitifnya.
Untuk Digali Lebih Jauh
(Sumber: Scientific American, Special Edition –
The Edge of Physics, 31 Mei 2003, hal. 4-11)
Einstein mencurahkan 30 tahun terakhir hidupnya pada pencarian gagal “teori medan terpadu”, yang akan menyatukan relativitas umum—teori ruangwaktu dan gravitasi miliknya—dengan teori elektromagnetisme Maxwell. Belakangan terjadi kemajuan menuju unifikasi, tapi ke arah berbeda. Teori partikel unsur dan gaya kita yang mutakhir, dikenal sebagai Standard Model fisika partikel, telah menyatukan elektromagnetisme dengan interaksi lemah, gaya yang bertanggungjawab atas perubahan neutron dan proton menjadi satu sama lain dalam proses-proses radioaktif dan di bintang-bintang. Standard Model juga memberikan deskripsi terpisah tapi serupa tentang interaksi kuat, gaya yang menjaga kesatuan quark di dalam proton dan neutron dan menjaga kesatuan proton dan neutron di dalam nukleus atom.
Alam quantum ruang dan waktu harus ditangani dalam teori terpadu. Pada skala jarak terpendek, ruang mungkin digantikan oleh struktur string-string dan membran-membran yang terhubung terus-menerus—atau oleh sesuatu yang lebih aneh lagi. Eksperimen di CERN dan tempat lain semestinya memungkinkan kita melengkapi Standard Model fisika partikel, tapi teori terpadu seluruh gaya mungkin akan memerlukan ide-ide yang sama sekali baru.
Kita tahu bagaimana teori interaksi kuat dapat disatukan dengan teori interaksi elektromagnetik dan interaksi lemah (seringkali disebut sebagai Grand Unification), tapi ini mungkin hanya bekerja jika gravitasi diikutsertakan, yang menimbulkan kesulitan mengerikan. Kita menduga bahwa perbedaan nyata di antara gaya-gaya ini ditimbulkan oleh peristiwa-peristiwa dalam sejarah awal big bang, tapi kita tak dapat mengikuti detil-detil sejarah kosmik pada masa-masa awal tersebut tanpa teori yang lebih baik mengenai gravitasi dan gaya lainnya. Ada peluang bahwa unifikasi akan selesai pada 2050. Tapi betulkah kita mampu melakukannya?
Medan Quantum
Standard Model fisika partikel adalah teori quantum medan. Komposisi dasarnya adalah medan-medan, di antaranya adalah medan listrik dan medan magnet dalam elektrodinamika abad 19. Riakan-riakan kecil di medan-medan ini mengangkut energi dan momentum dari satu tempat ke tempat lain, dan mekanika quantum memberitahu kita bahwa riakan ini terdiri dari bundel-bundel, atau quantum-quantum, yang dikenali di laboratorium sebagai partikel unsur. Contoh, quantum medan elektromagnet adalah partikel yang dikenal sebagai photon.
Unifikasi fenomena berlainan dalam satu teori sudah lama
menjadi tema sentral fisika. Standard Model fisika partikel
berhasil mendeskripsikan tiga (elektromagnetisme,
interaksi lemah, dan interaksi kuat) dari empat gaya alam
yang dikenal tapi tetap belum dipadukan secara definitif
dengan relativitas umum, yang mengatur gaya gravitasi
dan sifat ruang dan waktu.
menjadi tema sentral fisika. Standard Model fisika partikel
berhasil mendeskripsikan tiga (elektromagnetisme,
interaksi lemah, dan interaksi kuat) dari empat gaya alam
yang dikenal tapi tetap belum dipadukan secara definitif
dengan relativitas umum, yang mengatur gaya gravitasi
dan sifat ruang dan waktu.
Kemajuan paling menonjol dalam fisika fundamental
cenderung terjadi manakala prinsip-prinsip berbagai
jenis teori direkonsiliasikan dalam kerangka baru tunggal.
Kita belum tahu apa prinsip pemandu yang mendasari
unifikasi teori quantum medan, sebagaimana yang terkandung
dalam Standard Model, dengan relativitas umum.
cenderung terjadi manakala prinsip-prinsip berbagai
jenis teori direkonsiliasikan dalam kerangka baru tunggal.
Kita belum tahu apa prinsip pemandu yang mendasari
unifikasi teori quantum medan, sebagaimana yang terkandung
dalam Standard Model, dengan relativitas umum.
Di Atas Top Quark
Untuk melengkapi Standard Model, kita perlu mengkonfirmasi eksistensi medan-medan skalar ini dan menemukan berapa banyak tipe yang ada. Ini adalah soal menemukan partikel unsur baru, sering disebut sebagai partikel Higgs, yang boleh diakui sebagai quantum medan [skalar] ini. Kita punya berbagai alasan untuk menduga bahwa tugas ini akan selesai sebelum tahun 2020, ketika akselerator bernama Large Hadron Collider di CERN, laboratorum fisika partikel Eropa dekat Jenewa, akan telah beroperasi selama lebih dari satu dekade.
Setidaknya yang akan ditemukan adalah partikel skalar berlistrik netral. Tapi akan menjadi bencana jika cuma ini yang ditemukan pada 2020 kelak, sebab itu takkan memberi kita petunjuk menuju solusi teka-teki berat yang disebut sebagai persoalan hirarki.
Partikel terberat yang dikenal dalam Standard Model adalah top quark, dengan massa setara 175 gigaelektron volt (GeV). Satu GeV adalah sedikit di atas energi yang terkandung dalam massa proton. [Lihat “The Discovery of the Top Quark”, tulisan Tony M. Liss dan Paul L. Tipton, Scientific American, September 1997]. Partikel-partikel Higgs yang belum diketemukan itu diduga memiliki besaran massa serupa, 100 sampai beberapa ratus GeV. Tapi ada bukti skala massa yang jauh lebih besar yang akan muncul dalam persamaan-persamaan teori terpadu yang belum dirumuskan. Medan gluon, W, Z, dan photon Standard Model berinteraksi dengan medan-medan lain model ini dengan kekuatan agak berbeda; itulah mengapa gaya-gaya yang dihasilkan oleh pertukaran gluon adalah sekitar 100 kali lebih kuat daripada [pertukaran medan] lainnya di bawah kondisi biasa. Graviton jauh lebih lemah: gaya gravitasi di antara elektron dan proton pada atom hidrogen adalah sekitar 10-39 kali kekuatan gaya listrik.
Tapi semua kekuatan interaksi ini tergantung pada energi yang terukur [lihat ilustrasi di bawah ini]. Mengejutkan sekali, ketika kemungkinan interaksi medan-medan Standard Model diperhitungkan, semuanya menjadi setara satu sama lain, dengan energi sedikit di atas 1016 GeV, sedangkan gaya gravitasi tidak terlalu lebih tinggi, sekitar 1018 GeV. (Perbaikan teori gravitasi telah diusulkan, yang bahkan akan membuat kekuatan gravitasi setara dengan gaya-gaya lain, seharga sekitar 1016 GeV.) Kita terbiasa dengan rasio massa amat besar dalam fisika partikel, seperti 350.000:1 antara massa top quark dan elektron, tapi ini tidak seberapa dibandingkan dengan rasio dahsyat antara skala energi fundamental unifikasi sebesar 1016 GeV (atau barangkali 1018 GeV) dan skala energi 100 GeV khas Standard Model [lihat ilustrasi di bawah]. Inti persoalan hirarki adalah memahami rasio besar ini, lompatan besar dari satu tingkat ke tingkat berikutnya dalam hirarki skala energi ini, dan itu bukan cuma dengan menyesuaikan konstanta-konstanta dalam teori kita demi membuat rasio keluar persis sebagai konsekuensi alami prinsip-prinsip fundamental.
Standard Model fisika partikel menjelaskan
tiap partikel materi dan tiap gaya dengan medan quantum.
Partikel fundamental materi adalah fermion; mereka terdiri
dari tiga generasi (a). Masing-masing generasi partikel
mengikuti pola atribut yang sama. Gaya-gaya fundamental
disebabkan oleh boson (b), yang disusun menurut
tiga kesimetrian yang terkait erat. Di samping itu,
satu partikel/medan Higgs atau lebih (c)
menghasilkan massa medan-medan lain.
Partikel fundamental materi adalah fermion; mereka terdiri
dari tiga generasi (a). Masing-masing generasi partikel
mengikuti pola atribut yang sama. Gaya-gaya fundamental
disebabkan oleh boson (b), yang disusun menurut
tiga kesimetrian yang terkait erat. Di samping itu,
satu partikel/medan Higgs atau lebih (c)
menghasilkan massa medan-medan lain.
Semua ide ini memiliki fitur sama lainnya: mereka memerlukan eksistensi sekumpulan partikel baru bermassa tak lebih dari 1.000 GeV. Jika ide-ide ini benar, maka partikel-partikel tersebut mestinya ditemukan sebelum tahun 2020 di Large Hadron Collider, dan beberapa partikel bahkan mungkin muncul lebih awal di Fermilab atau CERN, walaupun perlu berdekade-dekade lagi serta akselerator baru untuk menggali atribut mereka sepenuhnya. Ketika partikel-partikel ini telah ditemukan dan atribut mereka diukur, kita akan mampu mengatakan apakah ada dari mereka yang bertahan hidup sejak momen-momen awal big bang dan kemudian kita dapat menambahkan “dark matter” di ruang antargalaksi yang dianggap menyusun sebagian besar massa alam semesta hari ini. Bagaimanapun juga, kemungkinan besar pada 2050 kita akan memahami alasan rasio dahsyat skala-skala energi yang dijumpai di alam.
Persoalan hirarki merupakan ukuran ketidaktahuan kita.
Eksperimen-eksperimen (garis kuning) telah menyelidiki
hingga level energi sekitar 200GeV dan telah menyingkap
bermacam-macam massa partikel (merah) dan skala energi
interaksi (hijau) yang dijelaskan dengan luar biasa baik oleh
Standard Model. Teka-tekinya adalah selisih besar menuju
dua skala energi selanjutnya, yakni unifikasi elektrolemah-kuat
yang mendekati 1016 GeV dan skala Planck,
karakteristik gravitasi quantum, yang sekitar 1018 GeV.
hingga level energi sekitar 200GeV dan telah menyingkap
bermacam-macam massa partikel (merah) dan skala energi
interaksi (hijau) yang dijelaskan dengan luar biasa baik oleh
Standard Model. Teka-tekinya adalah selisih besar menuju
dua skala energi selanjutnya, yakni unifikasi elektrolemah-kuat
yang mendekati 1016 GeV dan skala Planck,
karakteristik gravitasi quantum, yang sekitar 1018 GeV.
Ekstrapolasi teoritis menunjukkan bahwa tiga gaya
Standard Model (gaya kuat dan paduan gaya lemah
dan elektromagnetik) memiliki kekuatan yang kurang-lebih
setara pada energi amat tinggi (a), dan kesetaraan itu
ditingkatkan dengan memperkenankan supersimetri (b).
Ketebalan kurva mengindikasikan taksiran ketidakpastian
kekuatan kopling.
Standard Model (gaya kuat dan paduan gaya lemah
dan elektromagnetik) memiliki kekuatan yang kurang-lebih
setara pada energi amat tinggi (a), dan kesetaraan itu
ditingkatkan dengan memperkenankan supersimetri (b).
Ketebalan kurva mengindikasikan taksiran ketidakpastian
kekuatan kopling.
Interaksi yang Ditekan
Struktur Standard Model yang sederhana dan dapat direnormalisasi inilah yang telah memungkinkan kita memperoleh prediksi kuantitatif spesifik untuk hasil-hasil eksperimen, prediksi yang kesuksesannya telah mengkonfirmasi validitas teori [Standard Model].
Rincinya, prinsip renormalisasibilitas, bersama dengan berbagai prinsip kesimetrian Standard Model, telah menyingkirkan proses-proses tak teramati seperti pembusukan proton terisolasi dan mencegah neutrino untuk memiliki massa. Fisikawan lazimnya percaya bahwa agar sebuah teori quantum medan memiliki validitas, ia harus bisa direnormalisasi. Persayaratan ini merupakan penuntun kuat bagi para teoris dalam merumuskan Standard Model. Yang menggelisahkan, dulu terasa mustahil, karena alasan fundamental, merumuskan teori gravitasi quantum medan yang dapat direnormalisasi.
Hari ini perspektif kita telah berubah. Teori-teori fisika partikel tampak berbeda, tergantung pada energi proses-proses dan reaksi-reaksi yang diperhitungkan. Gaya-gaya yang dihasilkan oleh pertukaran partikel masif tipikalnya akan sangat lemah pada [level] energi yang rendah dibandingkan massanya.
Efek-efek lain juga bisa ditekan, sehingga pada [besaran] energi rendah kita memperoleh apa yang dikenal sebagai teori medan efektif, di mana interaksi-interaksi ini sepele/bisa diabaikan. Para teoris sudah menyadari bahwa suatu teori quantum fundamental yang konsisten dengan teori relativitas khusus akan terasa seperti teori quantum medan yang dapat direnormalisasi pada [level] energi rendah. Tapi walaupun ketakterhinggaan itu masih terhapuskan, teori-teori efektif ini tidak mempunyai struktur sederhana teori-teori yang dapat direnormalisasi daalam pengertian klasik. Interaksi-interaksi rumit tambahan hadir; bukannya ditiadakan sepenuhnya, mereka cuma ditekan ke bawah suatu skala energi khas.
Apa berikutnya? Ada beberapa kemungkinan untuk
fisika terpadu yang membentang di luar Standard Model.
Model-model tekniwarna (a)memperkenalkan interaksi baru
yang analogis dengan gaya “warna” pengikat quark.
Menyertai interaksi tersebut adalah generasi baru
partikel-partikel yang tak sama dengan
tiga generasi yang dikenal. Supersimetri
(b) mempertalikan fermion dengan boson
dan menambahkan partner supersimetri masing-masing
partikel yang dikenal oleh Standard Model.
Teori-M dan teori string (c) menuangkan kembali model ini
secara keseluruhan dari segi entitas-entitas baru
semisal string kecil, simpal, dan membran yang berperilaku
seperti partikel pada energi rendah.
fisika terpadu yang membentang di luar Standard Model.
Model-model tekniwarna (a)memperkenalkan interaksi baru
yang analogis dengan gaya “warna” pengikat quark.
Menyertai interaksi tersebut adalah generasi baru
partikel-partikel yang tak sama dengan
tiga generasi yang dikenal. Supersimetri
(b) mempertalikan fermion dengan boson
dan menambahkan partner supersimetri masing-masing
partikel yang dikenal oleh Standard Model.
Teori-M dan teori string (c) menuangkan kembali model ini
secara keseluruhan dari segi entitas-entitas baru
semisal string kecil, simpal, dan membran yang berperilaku
seperti partikel pada energi rendah.
(Half-life: waktu yang diperlukan bagi keradioaktifan untuk jatuh ke setengah harga asalnya—penj)
Observasi seperti ini akan menghasilkan petunjuk berharga menuju teori terpadu seluruh gaya, tapi penemuan teori ini barangkali takkan terjadi tanpa ide-ide baru. Beberapa ide yang menjanjikan sudah beredar. Ada lima teori [mengenai] entitas kecil satu-dimensi yang dikenal sebagai string, yang dalam mode vibrasi berbeda-beda, pada [level] energi rendah, terlihat sebagai berbagai jenis partikel dan rupanya melengkapi teori-teori gravitasi terhingga dan gaya lainnya di 10 dimensi ruangwaktu. Tentu saja kita tak hidup di 10 dimensi, tapi masuk akal bahwa enam dari sepuluh dimensi ini mungkin tergulung begitu ketat sehingga tidak bisa diamati dalam proses-proses dengan [level] energi di bawah 1016 GeV per partikel. Dalam beberapa tahun belakangan telah muncul bukti bahwa kelima teori string ini (dan juga sebuah teori quantum medan di 11 dimensi) hanyalah versi-versi dari satu teori fundamental (terkadang disebut teori-M) namun beroperasi di bawah penaksiran berlainan [lihat “Teori yang Dulu Dikenal Sebagai String”, tulisan Michael J. Duff, Scientific American Special Edition, 31 Mei 2003]. Tapi tak ada yang tahu bagaimana menuliskan persamaan-persamaan teori ini.
Di Luar Ruangwaktu
Dua rintangan besar menghadang tugas ini. Yang pertama adalah bahwa kita tak tahu apa prinsip-prinsip fisika yang mengatur teori fundamental tersebut. Dalam mengembangkan relativitas umumnya, Einstein dipandu oleh prinsip yang dia simpulkan dari atribut-atribut gravitasi yang sudah diketahui, prinsip ekuivalensi gaya gravitasi sampai efek-efek lembam semisal gaya sentrifugal. Pengembangan Standard Model dipandu oleh prinsip bernama gauge symmetry, sebuah generalisasi atribut listrik dikenal bahwa selisih voltaselah yang berperan, bukan voltasenya sendiri.
Tapi kita belum menemukan prinsip fundamental yang mengatur teori-M. Beragam penaksiran terhadap teori ini terasa seperti teori string atau teori medan di ruangwaktu berdimensionalitas berlainan, padahal mungkin teori fundamental tidak boleh dirumuskan di dalam ruangwaktu sama sekali. Teori quantum medan dibatasi keras oleh prinsip-prinsip mengenai sifat ruangwaktu empat-dimensi yang dimasukkan ke dalam teori relativitas khusus. Bagaimana kita bisa memperoleh ide-de yang diperlukan untuk merumuskan teori fundamental, sementara teori ini dimaksudkan untuk mendeskripsikan alam di mana semua intuisi yang diperoleh dari kehidupan di dalam ruangwaktu menjadi tak berguna?
Rintangan lainnya adalah bahwa sekalipun kita mampu merumuskan teori fundamental, kita mungkin tak tahu bagaimana menggunakannya untuk membuat prediksi yang dapat mengkonfirmasi validitasnya. Sebagian besar prediksi sukses Standard Model didasarkan pada metode kalkulasi yang dikenal sebagai teori perturbasi. Dalam mekanika quantum, laju proses-proses fisikal ditentukan oleh penjumlahan semua kemungkinan urutan langkah perantara (intermediate step) menuju terjadinya proses tersebut. Menggunakan teori perturbasi, kita pertama-tama memperhitungkan langkah-langkah paling sederhana saja, lalu langkah sederhana berikutnya, dan seterusnya. Ini hanya bekerja jika langkah perantara yang semakin rumit memberi kontribusi semakin kecil pada laju [proses], yang biasanya terjadi jika gaya-gaya yang terlibat cukup lemah. Terkadang sebuah teori bergaya-gaya kuat ekuivalen dengan teori lain bergaya-gaya lemah, yang bisa diselesaikan oleh metodologi teori perturbasi. Ini tampaknya berlaku pada pasangan tertentu lima teori string di 10 dimensi dan teori medan di 11 dimensi yang tadi disebutkan. Sayangnya, gaya-gaya dalam teori fundamental barangkali tidak kuat dan tidak pula lemah, menyingkirkan kemungkinan penggunaan teori perturbasi.
Menemukan Jawaban
Mustahil mengatakan kapan persoalan ini akan teratasi. Ini mungkin akan terpecahkan dalam [esay] pracetak yang dihasilkan kelak oleh beberapa teoris belia. Mungkin tidak terpecahkan pada tahun 2050, atau bahkan 2150. Tapi manakala terpecahkan, sungguhpun kita tak bisa melakukan eksperimen pada [level] energi 1016 GeV atau mengintip dimensi-dimensi tinggi, kita takkan kesulitan menemukan kebenaran teori fundamental terpadu. Ujiannya akan berupa, apakah teori tersebut berhasil menerangkan harga konstanta-konstanta fisikal Standard Model yang terukur, serta efek-efek lain yang mungkin ditemukan oleh Standard Model saat itu.
Barangkali, ketika kita akhirnya memahami bagaimana partikel-partikel dan gaya-gaya berperilaku pada [level] energi hingga 1018 GeV, kita akan menemukan misteri baru, dengan unifikasi final lebih jauh lagi. Tapi saya meragukannya. Tak ada petunjuk tentang skala energi fundamental di atas 1018 GeV, dan teori string bahkan menyatakan bahwa energi yang lebih tinggi [dari itu] tidak memiliki makna.
Penemuan teori terpadu yang mendskripsikan alam pada semua [level] energi akan menempatkan kita dalam posisi menjawab pertanyaan kosmologi terdalam: Apakah perluasan kumpulan galaksi yang kita sebut big bang memiliki permulaan pada waktu tertentu di masa lampau? Apakah big bang kita hanyalah satu episode di alam semesta yang jauh lebih besar di mana bang besar dan kecil berlangsung terus-menerus? Jika benar, apakah yang kita sebut sebagai konstanta—atau bahkan hukum—alam berbeda antara satu bang dan bang lainnya?
Ini tidak akan menjadi akhir fisika. Bahkan barangkali takkan membantu persoalan-persoalan fisika hari ini, misalnya pemahaman turbulensi dan superkonduktivitas temperatur tinggi. Tapi ini akan menandai akhir jenis fisika tertentu: pencarian teori terpadu yang membawakan seluruh fakta lain ilmu fisik.
Penulis
Steven Weinberg adalah kepala Theory Group di Universitas Texas, Austin, dan anggota fakultas fisika dan astronominya. Karyanya dalam fisika partikel unsur telah dihargai dengan banyak hadiah dan penghargaan, termasuk Hadiah Nobel Fisika pada 1979 dan Medali Sains Nasional pada 1991. Volume ketiga (berjudul Supersymmetry) risalatnya yang berjudul The Quantum Theory of Fields diterbitkan pada 2000. Volume kedua (berjudul modern Applications) dijuluki oleh Physics Today sebagai “tak tertandingi oleh buku teori quantum medan manapun berkat kedalaman, generalitas, dan karakter definitifnya.
Untuk Digali Lebih Jauh
- Unified Theories of Elementary-Particle Interaction. Steven Weinberg dalam Scientific American, Vol. 231, No. 1, hal. 50–59, Juli 1974.
- Dreams of a Final Theory. Steven Weinberg. Pantheon Books, 1992.
- Reflections on the Fate of Spacetime. Edward Witten dalam Physics Today, Vol. 49, No. 4, hal. 24–30, April 1996.
- Duality, Spacetime and Quantum Mechanics. Edward Witten dalam Physics Today, Vol. 50, No. 5, hal. 28–33, Mei 1997.
- The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory. Brian Greene. W. W. Norton, 1999.
No comments:
Post a Comment