Oleh
Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos, dan Georgi Dvali
"Alam semesta tampak (visible universe) boleh jadi terletak pada sebuah membran yang mengapung di ruang dimensi tinggi".
"Alam semesta tampak (visible universe) boleh jadi terletak pada sebuah membran yang mengapung di ruang dimensi tinggi".
Alam
semesta membran di alam dimensi tinggi boleh jadi merupakan tempat kita hidup.
Eksperimen-eksperimen mungkin dapat mendeteksi tanda-tanda dimensi tambahan
berukuran hampir satu millimeter dalam masa dekat ini. Cerita
klasik tahun 1884 karya Edwin A. Abbott, Flatland: A Romance of Many
Dimensions, melukiskan petualangan “A. Square”, karakter yang hidup di
dunia dua-dimensi yang dihuni oleh sosok-sosok animasi geometris—segitiga,
persegi, segilima, dan sebagainya. Menjelang akhir cerita, pada hari pertama
tahun 2000, makhluk spheris dari “Spaceland” tiga-dimensi melintasi Flatland
dan mengangkut A. Square keluar dari domain bidang [Flatland] untuk menunjukkan
kepadanya alam dunia tiga-dimensi sejati yang lebih besar. Begitu memahami apa
yang diperlihatkan oleh lingkungan tersebut, A. Square berspekulasi bahwa Spaceland
sendiri mungkin eksis sebagai subruang kecil alam semesta empat-dimensi yang
lebih besar lagi.
Luar biasanya, empat tahun belakangan fisikawan mulai serius menyelidiki ide yang amat mirip: segala sesuatu yang bisa kita lihat di alam semesta kita terkurung di “membran” tiga-dimensi yang terdapat di alam dimensi tinggi. Tapi tak seperti A. Square, yang harus mengandalkan intervensi hebat dari Spaceland untuk memperoleh pemahamannya, fisikawan mungkin segera bisa mendeteksi dan memverifikasi eksistensi dimensi-dimensi tambahan yang dimiliki oleh realitas [kita], yang boleh jadi membentang sepanjangnya satu milimeter. Eksperimen-eksperimen sedang mencari efek dimensi tambahan terhadap gaya gravitasi. Jika teori ini benar, eksperimen partikel high-energy mendatang di Eropa dapat melihat proses-proses tak lazim menyangkut gravitasi quantum, misalnya penciptaan black hole mikro sementara. Bukan sekadar romansa sambilan akan banyak dimensi, teori ini didasarkan pada beberapa perkembangan teranyar dalam teori string dan akan memecahkan beberapa teka-teki tua fisika partikel dan kosmologi.
Konsep eksotis teori string dan multidimensi sebetulnya timbul dari upaya memahami gaya paling familiar: gravitasi. Lebih dari tiga abad setelah Isaac Newton mengajukan hukum gravitasinya, fisika masih belum menjelaskan mengapa gravitasi begitu lemah dibanding semua gaya lain. Lemahnya gravitasi amat dramatis. Sebuah magnet kecil siap mengatasi tarikan gravitasi seluruh massa bumi ketika mengangkat sepotong paku dari tanah. Tarikan gravitasi di antara dua elektron adalah 1043 kali lebih lemah daripada gaya tolak listrik di antara mereka. Gravitasi terasa penting bagi kita—mempertahankan kaki kita di tanah dan menjaga bumi terus mengorbit matahari—hanya karena kumpulan besar materi ini berlistrik netral, menjadikan gaya listrik kian kecil dan menyisakan gravitasi, meskipun lemah, sebagai satu-satunya gaya nyata yang tersisa.
Lemahnya Gravitasi Tak Dapat Dipahami
Elektron harus 1022 kali lebih masif agar gaya listrik dan gravitasi di antara dua elektron setara. Untuk menghasilkan partikel seberat itu diperlukan energi sebesar 1019 gigaelektron volt (GeV), kuantitas yang dikenal sebagai energi Planck (diambil dari nama fisikawan Jerman Max Planck). Kuantitas terkait adalah panjang Planck, yakni 10-35 meter. Jika dibandingkan, nukleus atom hidrogen, yaitu proton, sekitar 1019 kali lebih besar dan memiliki massa sekitar 1 GeV. Skala energi dan panjang Planck jauh di luar jangkauan akselerator-akselerator tercanggih. Bahkan Large Hadron Collider di CERN akan menyelidiki jarak hingga sekitar 10-19 meter saja ketika mulai beroperasi lima tahun mendatang [lihat “Fisika Terpadu Tahun 2050?”, tulisan Steven Weinberg].
Hari ini, akselerator tercanggih menyelidiki alam energi antara 100 sampai 1000 GeV (satu teraelektron volt, atau TeV). Dalam kisaran ini, para pelaksana eksperimen telah melihat gaya elektromagnetik dan interaksi lemah (gaya di antara partikel-partikel subatom yang bertanggungjawab atas tipe-tipe pembusukan radioaktif tertentu) menjadi satu [yakni elektrolemah—penj]. Kita akan memahami lemahnya gravitasi jika memahami faktor 1016 yang memisahkan skala elektrolemah dari skala Planck.[Perlu diketahui, skala elektrolemah adalah 102 GeV]
Sialnya, teori sukses fisika partikel yang dimiliki fisikawan, bernama Standard Model, tidak dapat menjelaskan ukuran selisih yang besar ini, sebab teori ini disetel secara seksama untuk cocok dengan skala elektrolemah yang terobservasi. Kabar baiknya, penyetelan ini (dan 16 penyetelan lainnya) cocok secara definitif dengan banyak observasi. Kabar buruknya, kita harus menyetel teori pokok hingga akurasi sekitar 1 bagian dalam 1032; kalau tidak, efek-efek quantum—instabilitas—akan menyeret skala elektrolemah kembali naik ke skala Planck. Kehadiran penyeimbangan sesulit ini dalam teori Standard Model sama seperti berjalan memasuki ruangan lalu menemukan sebuah pensil berdiri sempurna di atas ujungnya di tengah-tengah [permukaan] meja. Meski bukan hal yang mustahil, situasi ini amat tak stabil, dan kita penasaran bagaimana itu terjadi.
Selama 20 tahun, para teoris menyerang teka-teki ini, disebut persoalan hirarki, dengan mengubah sifat fisika partikel dekat [besaran] 10-19 meter (atau 1 TeV) untuk menstabilkan skala elektrolemah. Modifikasi Standard Model terpopuler yang mencapai sasaran ini melibatkan kesimetrian baru yang disebut supersimetri. Kembali ke analogi pensil, supersimetri bertindak seperti benang gaib yang menahan pensil dan mencegahnya jatuh. Walaupun akselerator belum menemukan bukti langsung supersimetri, beberapa bukti tak langsung mendukung teori ini. Contoh, ketika kekuatan terukur gaya kuat, gaya lemah, dan gaya elektromagnetik diperhitungkan secara teoritis hingga jarak lebih pendek, [besaran] mereka bertemu secara akurat pada satu bilangan bila aturan supersimetri mengatur perhitungan tersebut. Hasil ini mengisyaratkan unifikasi supersimetris ketiga gaya pada [besaran panjang] sekitar 10-32 meter, kurang-lebih 1000 kali lebih besar daripada panjang Planck tapi masih jauh di luar jangkauan particle collider.
Gravitasi dan Dimensi Besar Ruang
Selama dua dekade, satu-satunya kerangka kerja yang dapat bertahan untuk mengatasi persoalan hirarki adalah mengubah fisika partikel 10-19 meter dengan memperkenalkan proses-proses baru semisal supersimetri. Tapi dalam empat tahun terakhir, para teoris telah mengajukan pendekatan amat berbeda, memodifikasi ruangwaktu, gravitasi, dan skala Planck itu sendiri. Pemahaman kuncinya adalah bahwa ukuran luar biasa skala Planck, yang diterima selama seabad sejak Planck pertama kali memperkenalkannya, didasarkan pada asumsi tak teruji mengenai cara gravitasi berperilaku pada jarak pendek.
Hukum gravitasi kuadrat terbalik Newton—yang menyatakan gaya di antara dua massa turun seiring kuadrat [peningkatan] jarak di antara mereka—bekerja amat baik pada jarak makroskopis, menjelaskan orbit bumi sekeliling matahari, dan sebagainya. Tapi karena gravitasi begitu lemah, hukum ini teruji secara eksperimen hingga [besaran] jarak sekitar satu milimeter saja, dan kita harus memperhitungkan hingga 32 orde magnitudo untuk menyimpulkan bahwa gravitasi menjadi kuat hanya pada skala Planck 10-35 meter.
Hukum kuadrat terbalik adalah wajar di ruang tiga-dimensi [lihat ilustrasi di bawah]. Pikirkan garis-garis gaya gravitasi yang memancar seragam dari bumi. Semakin jauh dari bumi, gaya-gaya itu tersebar pada cangkang spheris berluas semakin besar. Luas permukaan bertambah seiring [peningkatan] kuadrat jarak, dengan demikian gaya gravitasi melemah. Asumsikan terdapat satu dimensi lagi, menghasilkan ruang empat-dimensi. Maka garis-garis medan yang memancar dari satu titik akan tersebar pada cangkang empat-dimensi yang [luas] permukaannya bertambah seiring [peningkatan] kubik jarak, dan gravitasi akan mengikuti hukum kubik terbalik.
Luar biasanya, empat tahun belakangan fisikawan mulai serius menyelidiki ide yang amat mirip: segala sesuatu yang bisa kita lihat di alam semesta kita terkurung di “membran” tiga-dimensi yang terdapat di alam dimensi tinggi. Tapi tak seperti A. Square, yang harus mengandalkan intervensi hebat dari Spaceland untuk memperoleh pemahamannya, fisikawan mungkin segera bisa mendeteksi dan memverifikasi eksistensi dimensi-dimensi tambahan yang dimiliki oleh realitas [kita], yang boleh jadi membentang sepanjangnya satu milimeter. Eksperimen-eksperimen sedang mencari efek dimensi tambahan terhadap gaya gravitasi. Jika teori ini benar, eksperimen partikel high-energy mendatang di Eropa dapat melihat proses-proses tak lazim menyangkut gravitasi quantum, misalnya penciptaan black hole mikro sementara. Bukan sekadar romansa sambilan akan banyak dimensi, teori ini didasarkan pada beberapa perkembangan teranyar dalam teori string dan akan memecahkan beberapa teka-teki tua fisika partikel dan kosmologi.
Konsep eksotis teori string dan multidimensi sebetulnya timbul dari upaya memahami gaya paling familiar: gravitasi. Lebih dari tiga abad setelah Isaac Newton mengajukan hukum gravitasinya, fisika masih belum menjelaskan mengapa gravitasi begitu lemah dibanding semua gaya lain. Lemahnya gravitasi amat dramatis. Sebuah magnet kecil siap mengatasi tarikan gravitasi seluruh massa bumi ketika mengangkat sepotong paku dari tanah. Tarikan gravitasi di antara dua elektron adalah 1043 kali lebih lemah daripada gaya tolak listrik di antara mereka. Gravitasi terasa penting bagi kita—mempertahankan kaki kita di tanah dan menjaga bumi terus mengorbit matahari—hanya karena kumpulan besar materi ini berlistrik netral, menjadikan gaya listrik kian kecil dan menyisakan gravitasi, meskipun lemah, sebagai satu-satunya gaya nyata yang tersisa.
Lemahnya Gravitasi Tak Dapat Dipahami
Elektron harus 1022 kali lebih masif agar gaya listrik dan gravitasi di antara dua elektron setara. Untuk menghasilkan partikel seberat itu diperlukan energi sebesar 1019 gigaelektron volt (GeV), kuantitas yang dikenal sebagai energi Planck (diambil dari nama fisikawan Jerman Max Planck). Kuantitas terkait adalah panjang Planck, yakni 10-35 meter. Jika dibandingkan, nukleus atom hidrogen, yaitu proton, sekitar 1019 kali lebih besar dan memiliki massa sekitar 1 GeV. Skala energi dan panjang Planck jauh di luar jangkauan akselerator-akselerator tercanggih. Bahkan Large Hadron Collider di CERN akan menyelidiki jarak hingga sekitar 10-19 meter saja ketika mulai beroperasi lima tahun mendatang [lihat “Fisika Terpadu Tahun 2050?”, tulisan Steven Weinberg].
Hari ini, akselerator tercanggih menyelidiki alam energi antara 100 sampai 1000 GeV (satu teraelektron volt, atau TeV). Dalam kisaran ini, para pelaksana eksperimen telah melihat gaya elektromagnetik dan interaksi lemah (gaya di antara partikel-partikel subatom yang bertanggungjawab atas tipe-tipe pembusukan radioaktif tertentu) menjadi satu [yakni elektrolemah—penj]. Kita akan memahami lemahnya gravitasi jika memahami faktor 1016 yang memisahkan skala elektrolemah dari skala Planck.[Perlu diketahui, skala elektrolemah adalah 102 GeV]
Sialnya, teori sukses fisika partikel yang dimiliki fisikawan, bernama Standard Model, tidak dapat menjelaskan ukuran selisih yang besar ini, sebab teori ini disetel secara seksama untuk cocok dengan skala elektrolemah yang terobservasi. Kabar baiknya, penyetelan ini (dan 16 penyetelan lainnya) cocok secara definitif dengan banyak observasi. Kabar buruknya, kita harus menyetel teori pokok hingga akurasi sekitar 1 bagian dalam 1032; kalau tidak, efek-efek quantum—instabilitas—akan menyeret skala elektrolemah kembali naik ke skala Planck. Kehadiran penyeimbangan sesulit ini dalam teori Standard Model sama seperti berjalan memasuki ruangan lalu menemukan sebuah pensil berdiri sempurna di atas ujungnya di tengah-tengah [permukaan] meja. Meski bukan hal yang mustahil, situasi ini amat tak stabil, dan kita penasaran bagaimana itu terjadi.
Selama 20 tahun, para teoris menyerang teka-teki ini, disebut persoalan hirarki, dengan mengubah sifat fisika partikel dekat [besaran] 10-19 meter (atau 1 TeV) untuk menstabilkan skala elektrolemah. Modifikasi Standard Model terpopuler yang mencapai sasaran ini melibatkan kesimetrian baru yang disebut supersimetri. Kembali ke analogi pensil, supersimetri bertindak seperti benang gaib yang menahan pensil dan mencegahnya jatuh. Walaupun akselerator belum menemukan bukti langsung supersimetri, beberapa bukti tak langsung mendukung teori ini. Contoh, ketika kekuatan terukur gaya kuat, gaya lemah, dan gaya elektromagnetik diperhitungkan secara teoritis hingga jarak lebih pendek, [besaran] mereka bertemu secara akurat pada satu bilangan bila aturan supersimetri mengatur perhitungan tersebut. Hasil ini mengisyaratkan unifikasi supersimetris ketiga gaya pada [besaran panjang] sekitar 10-32 meter, kurang-lebih 1000 kali lebih besar daripada panjang Planck tapi masih jauh di luar jangkauan particle collider.
Gravitasi dan Dimensi Besar Ruang
Selama dua dekade, satu-satunya kerangka kerja yang dapat bertahan untuk mengatasi persoalan hirarki adalah mengubah fisika partikel 10-19 meter dengan memperkenalkan proses-proses baru semisal supersimetri. Tapi dalam empat tahun terakhir, para teoris telah mengajukan pendekatan amat berbeda, memodifikasi ruangwaktu, gravitasi, dan skala Planck itu sendiri. Pemahaman kuncinya adalah bahwa ukuran luar biasa skala Planck, yang diterima selama seabad sejak Planck pertama kali memperkenalkannya, didasarkan pada asumsi tak teruji mengenai cara gravitasi berperilaku pada jarak pendek.
Hukum gravitasi kuadrat terbalik Newton—yang menyatakan gaya di antara dua massa turun seiring kuadrat [peningkatan] jarak di antara mereka—bekerja amat baik pada jarak makroskopis, menjelaskan orbit bumi sekeliling matahari, dan sebagainya. Tapi karena gravitasi begitu lemah, hukum ini teruji secara eksperimen hingga [besaran] jarak sekitar satu milimeter saja, dan kita harus memperhitungkan hingga 32 orde magnitudo untuk menyimpulkan bahwa gravitasi menjadi kuat hanya pada skala Planck 10-35 meter.
Hukum kuadrat terbalik adalah wajar di ruang tiga-dimensi [lihat ilustrasi di bawah]. Pikirkan garis-garis gaya gravitasi yang memancar seragam dari bumi. Semakin jauh dari bumi, gaya-gaya itu tersebar pada cangkang spheris berluas semakin besar. Luas permukaan bertambah seiring [peningkatan] kuadrat jarak, dengan demikian gaya gravitasi melemah. Asumsikan terdapat satu dimensi lagi, menghasilkan ruang empat-dimensi. Maka garis-garis medan yang memancar dari satu titik akan tersebar pada cangkang empat-dimensi yang [luas] permukaannya bertambah seiring [peningkatan] kubik jarak, dan gravitasi akan mengikuti hukum kubik terbalik.
Garis-garis
gaya gravitasi menyebar dari bumi ke tiga dimensi. Seiring bertambahnya
jarak dari bumi, gaya ini menjadi lemah karena tersebar ke luas permukaan
yang semakin besar (bola).Luas permukaan setiap bola bertambah seiring
peningkatan kuadrat jari-jarinya, sehingga gravitasi turun seiring
peningkatan kuadrat terbalik jarak di tiga dimensi.
Hukum
kubik terbalik tentu tidak melukiskan alam semesta kita, tapi sekarang
bayangkan bahwa dimensi tambahan itu tergulung menjadi lingkaran kecil berjari-jari
R dan bahwa kita sedang menatap garis-garis medan yang berasal dari
sebuah titik kecil [lihat ilustrasi di bawah]. Ketika garis-garis medan
lebih dekat dengan titik tersebut dibandingkan jarak R, mereka dapat
tersebar seragam di keempat dimensi, sehingga gaya gravitasi turun seiring
kubik terbalik jarak. Namun, begitu garis-garis tersebar sepenuhnya ke seantero
lingkaran, hanya tiga dimensi yang tersisa bagi mereka untuk melanjutkan
penyebaran, sehingga untuk jarak yang jauh lebih besar dari R, gayanya
berubah seiring kuadrat terbalik jarak.
Dimensi
tambahan kecil yang melingkar (keliling pipa) mengubahdaya gravitasi
(garis merah) menyebar di ruang. Pada jarak kurangdari jari-jari lingkaran
(bidang biru), garis-garis gaya menyebar pesat ke semua dimensi.
Pada jarak yang lebih besar (lingkaran kuning), garis-garis gaya telah
mengisi dimensi tambahan, sehingga tak memiliki efek lanjutan terhadap
garis gaya.
Efek
yang sama terjadi jika ada banyak dimensi tambahan, semuanya tergulung menjadi
lingkaran berjari-jari R. Untuk n dimensi ruang tambahan pada
[besaran] jarak kurang dari R, gaya gravitasi akan mengikuti hukum
pangkat 2+n terbalik. Karena kita mengukur gravitasi hingga [kisaran
jarak] sekitar satu milimeter saja, kita terlupa akan perubahan gravitasi yang
disebabkan oleh dimensi-dimensi tambahan yang mengakibatkan R kurang
dari satu milimeter. Lebih jauh, hukum pangkat 2+n akan menyebabkan
gravitasi menyentuh kekuatan skala Planck jauh di atas 10-35 meter.
Dengan kata lain, panjang Planck (yang ditetapkan oleh tempat gravitasi
menguat) tidak sekecil itu, dan persoalan hirarki berkurang.
Kita dapat memecahkan persoalan hirarki sepenuhnya dengan mempostulatkan dimensi-dimensi tambahan dalam jumlah cukup untuk menggeser skala Planck mendekati skala elektrolemah. Unifikasi final gravitasi dengan gaya-gaya lain, dengan demikian, akan terdapat di dekat [besaran] 10-19 ketimbang 10-35 yang biasa diasumsikan. Banyaknya dimensi yang diperlukan tergantung pada seberapa besar mereka. Sebaliknya, untuk dimensi tambahan dalam jumlah tertentu, kita dapat mengkomputasi seberapa mereka harus besar agar gravitasinya kuat, dekat besaran 10-19 meter. Jika ada satu dimensi tambahan saja, jari-jari R harus kurang-lebih sama dengan jarak antara bumi dan matahari. Karenanya, kemungkinan ini sudah dikesampingkan oleh observasi. Namun, dua dimensi tambahan dapat memecahkan persoalan hirarki jika mereka berukuran sekitar satu milimeter—persis [sama dengan besaran] di mana pengetahuan kita tentang gravitasi mogok. Jika kita menambahkan lebih banyak lagi, dimensi-dimensi [tambahan] itu semakin kecil;
sedangkan untuk tujuh dimensi tambahan, mereka harus sebesar sekitar 10-14 meter, kurang-lebih seukuran nukleus uranium. Ini amat kecil menurut standar sehari-hari tapi amat besar menurut ukuran fisika partikel.
Mempostulatkan dimensi tambahan mungkin terasa ganjil dan istimewa, tapi bagi fisikawan itu merupakan ide lama dan familiar yang berawal sejak tahun 1920-an, ketika matematikawan Polandia, Theodor Kaluza, dan fisikawan Swedia, Oskar Klein, mengembangkan teori gravitasi dan elektromagnetisme terpadu mengagumkan yang mensyaratkan satu dimensi tambahan. Ide ini telah dihidupkan kembali dalam teori-teori string modern, yang mensyaratkan total 10 dimensi ruang demi konsistensi matematis internal. Di masa lalu, fisikawan berasumsi bahwa dimensi-dimensi tambahan tergulung menjadi lingkaran kecil berukuran hampir 10-35 meter (panjang Planck tradisional), menjadikan mereka tak terdeteksi dan juga menyisakan teka-teki persoalan hirarki. Kontrasnya, dalam teori baru yang sedang kita bahas, dimensi-dimensi tambahan membelit menjadi lingkaran besar berjari-jari sekurangnya 10-14 meter dan mungkin juga sebesar satu milimeter.
Alam Semesta Kita di Dinding
Jika dimensi-dimensi ini sebesar itu, mengapa kita belum melihatnya? Dimensi tambahan sebesar satu milimeter akan bisa dilihat oleh mata telanjang dan akan terlihat jelas dengan mikroskop. Dan walaupun belum mengukur gravitasi jauh di bawah besaran sekitar satu milimeter, kita memiliki banyak pengetahuan eksperimen mengenai semua gaya lain pada [besaran] jarak lebih pendek, mendekati 10-19 meter, yang kesemuanya konsisten dengan ruang tiga-dimensi. Bagaimana mungkin ada dimensi-dimensi tambahan besar?
Jawabannya sederhana sekaligus aneh: seluruh materi dan gaya yang kita kenal—kecuali gravitasi—melekat pada sebuah “dinding” di ruang dimensi tambahan [lihat ilustrasi di bawah]. Elektron, proton, photon, dan semua partikel lain dalam Standard Model tidak bisa bergaul di dimensi-dimensi tambahan; garis-garis medan listrik dan magnet tidak bisa tersebar ke ruang dimensi tinggi. Dinding hanya memiliki tiga dimensi, dan bagi partikel-partikel ini, alam semesta juga tiga-dimensi. Hanya garis-garis medan gravitasi yang dapat mengulur ke ruang dimensi tinggi, dan hanya partikel pembawa gravitasi, graviton, yang dapat melancong bebas ke dimensi-dimensi tambahan. Keberadaan dimensi tambahan hanya bisa dirasakan melalui gravitasi.
Kita dapat memecahkan persoalan hirarki sepenuhnya dengan mempostulatkan dimensi-dimensi tambahan dalam jumlah cukup untuk menggeser skala Planck mendekati skala elektrolemah. Unifikasi final gravitasi dengan gaya-gaya lain, dengan demikian, akan terdapat di dekat [besaran] 10-19 ketimbang 10-35 yang biasa diasumsikan. Banyaknya dimensi yang diperlukan tergantung pada seberapa besar mereka. Sebaliknya, untuk dimensi tambahan dalam jumlah tertentu, kita dapat mengkomputasi seberapa mereka harus besar agar gravitasinya kuat, dekat besaran 10-19 meter. Jika ada satu dimensi tambahan saja, jari-jari R harus kurang-lebih sama dengan jarak antara bumi dan matahari. Karenanya, kemungkinan ini sudah dikesampingkan oleh observasi. Namun, dua dimensi tambahan dapat memecahkan persoalan hirarki jika mereka berukuran sekitar satu milimeter—persis [sama dengan besaran] di mana pengetahuan kita tentang gravitasi mogok. Jika kita menambahkan lebih banyak lagi, dimensi-dimensi [tambahan] itu semakin kecil;
sedangkan untuk tujuh dimensi tambahan, mereka harus sebesar sekitar 10-14 meter, kurang-lebih seukuran nukleus uranium. Ini amat kecil menurut standar sehari-hari tapi amat besar menurut ukuran fisika partikel.
Mempostulatkan dimensi tambahan mungkin terasa ganjil dan istimewa, tapi bagi fisikawan itu merupakan ide lama dan familiar yang berawal sejak tahun 1920-an, ketika matematikawan Polandia, Theodor Kaluza, dan fisikawan Swedia, Oskar Klein, mengembangkan teori gravitasi dan elektromagnetisme terpadu mengagumkan yang mensyaratkan satu dimensi tambahan. Ide ini telah dihidupkan kembali dalam teori-teori string modern, yang mensyaratkan total 10 dimensi ruang demi konsistensi matematis internal. Di masa lalu, fisikawan berasumsi bahwa dimensi-dimensi tambahan tergulung menjadi lingkaran kecil berukuran hampir 10-35 meter (panjang Planck tradisional), menjadikan mereka tak terdeteksi dan juga menyisakan teka-teki persoalan hirarki. Kontrasnya, dalam teori baru yang sedang kita bahas, dimensi-dimensi tambahan membelit menjadi lingkaran besar berjari-jari sekurangnya 10-14 meter dan mungkin juga sebesar satu milimeter.
Alam Semesta Kita di Dinding
Jika dimensi-dimensi ini sebesar itu, mengapa kita belum melihatnya? Dimensi tambahan sebesar satu milimeter akan bisa dilihat oleh mata telanjang dan akan terlihat jelas dengan mikroskop. Dan walaupun belum mengukur gravitasi jauh di bawah besaran sekitar satu milimeter, kita memiliki banyak pengetahuan eksperimen mengenai semua gaya lain pada [besaran] jarak lebih pendek, mendekati 10-19 meter, yang kesemuanya konsisten dengan ruang tiga-dimensi. Bagaimana mungkin ada dimensi-dimensi tambahan besar?
Jawabannya sederhana sekaligus aneh: seluruh materi dan gaya yang kita kenal—kecuali gravitasi—melekat pada sebuah “dinding” di ruang dimensi tambahan [lihat ilustrasi di bawah]. Elektron, proton, photon, dan semua partikel lain dalam Standard Model tidak bisa bergaul di dimensi-dimensi tambahan; garis-garis medan listrik dan magnet tidak bisa tersebar ke ruang dimensi tinggi. Dinding hanya memiliki tiga dimensi, dan bagi partikel-partikel ini, alam semesta juga tiga-dimensi. Hanya garis-garis medan gravitasi yang dapat mengulur ke ruang dimensi tinggi, dan hanya partikel pembawa gravitasi, graviton, yang dapat melancong bebas ke dimensi-dimensi tambahan. Keberadaan dimensi tambahan hanya bisa dirasakan melalui gravitasi.
Alam
semesta kita mungkin eksis di sebuah dinding, atau membran, di dimensi
tambahan. Garis sepanjang silinder (bawah) dan bidang datar
merepresentasikan alam semesta tiga-dimensi kita, yang padanya semua partikel
dan gaya kecuali gravitasi melekat. Gravitasi (garis merah) menjalar ke
semua dimensi. Dimensi tambahan mungkin sebesar satu millimeter, tanpa melanggar
observasi yang ada.
Sebagai
analogi, bayangkan semua partikel dalam Standard Model, seperti elektron dan
proton, adalah bola biliar yang bergerak di permukaan meja biliar yang amat
luas. Bagi mereka, alam semesta adalah dua-dimensi. Meski demikian, penghuni
meja biliar yang terdiri dari bola-bola biliar masih dapat mendeteksi dunia
dimensi tinggi: ketika dua bola saling bertubrukan cukup keras, mereka menghasilkan
gelombang suara, yang berjalan ke tiga dimensi, mengangkut sebagian energi dari
permukaan meja. Gelombang suara analogis dengan graviton, yang bisa berjalan ke
ruang dimensi tinggi utuh. Dalam tubrukan partikel high-energy, kita
berharap bisa melihat hilangnya energi, akibat larinya graviton ke
dimensi-dimensi tambahan.
*Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos, dan Georgi Dvali menyusun teori dimensi tambahan di Universitas Stanford pada Februari 1998. Arkani-Hamed lahir di Houston dan pada 1997 menerima gelar Ph.D. fisika di universitas California, Berkeley, di mana dia menjadi asisten profesor sejak 1999. Ketika tidak sedang menggali kemungkinan-kemungkinan teoritis di luar Standard Model fisika partikel, dia senang melakukan hiking di High Sierra dan gurun California. Dimopoulos tumbuh di Athena, menerima gelar Ph.D. dari Universitas Chicago dan telah menjadi profesor fisika di Stanford sejak 1979. Risetnya sebagian besar didorong oleh pencarian di luar Standard Model. Pada 1981, bersama Howard Georgi dari Universitas Harvard, dia mengajukan Standard Model supersimetris. “Gia” Dvali dibesarkan di negara yang kini bernama Republik Georgia dan pada 1992 menerima gelar Ph.D.-nya dalam fisika high-energy dan kosmologi dari Tbilisi State University. Pada 1998 dia menjadi profesor tamu bidang fisika di Universitas New York. Dia senang mengatasi gravitasi dengan mendaki gunung dan memanjat batu dan es.
Sumber: Scientific
American, Special Edition – The Once and Future Cosmos, 31 Desember
2002, hal. 66-73
Tidak ada komentar:
Posting Komentar