Dimensi-dimensi Alam Semesta yang Tak Terlihat Bagian Kedua


Oleh Graham P. Collins (Staf editor dan penulis)

DIMENSI. Alam semesta kita memiliki empat dimensi: tiga dimensi ruang (atas-bawah, kiri-kanan, depan-belakang) dan satu dimensi waktu. Walaupun kita hampir tidak bisa membayangkan dimensi-dimensi tambahan, matematikawan dan fisikawan sudah lama menganalisa atribut ruang-ruang teoritis yang memiliki bilangan dimensi berapapun. UKURAN DIMENSI. Keempat dimensi ruangwaktu alam semesta kita sangat luas. Dimensi waktu mengulur sekurangnya 13 miliar tahun ke masalampau dan mungkin mengulur tak terhingga ke masa depan. Tiga dimensi ruang mungkin tak terhingga; teleskop kita telah mendeteksi objek-objek berjarak lebih dari 12 miliar tahun-cahaya. Dimensi juga bisa teringga. Contoh, dua dimensi permukaan bumi hanya mengulur sekitar 40.000 kilometer—panjang lingkaran besar.

DIMENSI TAMBAHAN KECIL. Beberapa teori fisika modern mempostulatkan dimensi-dimensi riil tambahan yang melingkar begitu kecil (barangkali berjari-jari 10-35 meter) sehingga kita belum mendeteksi mereka. Bayangkan seutas benang: menurut penaksiran bagus, ia adalah objek satu-dimensi. Bilangan tunggal dapat menetapkan lokasi seekor semut di benang tersebut. Tapi menggunakan mikroskop, kita melihat tungau-tungau merayap di permukaan dua-dimensi benang: menyusuri dimensi panjang yang panjang dan mengelilingi dimensi keliling yang pendek.

DIMENSI TAMBAHAN BESAR. Belakangan fisikawan sadar bahwa dimensi-dimensi tambahan sebesar satu millimeter boleh jadi eksis tapi masih tak terlihat oleh kita. Yang mengejutkan, data eksperimen tidak menyingkirkan teori ini, dan ini dapat menjelaskan beberapa misteri fisika partikel dan kosmologi. Kita dan semua kandungan alam semesta tiga-dimensi kita (kecuali gravitasi) melekat pada membran, seperti bola yang bergerak di atas taplak hijau dua-dimensi sebuah meja biliar.


Bola di meja biliar analogis dengan partikel-partikel fundamental di membran yang merupakan alam semesta kita.Tubrukan bola biliar memancarkan energi ke tiga dimensi sebagai gelombang suara (merah), analogis dengan graviton.Studi presisi terhadap gerakan bola dapat mendeteksi energi yang hilang tersebut dan dimensi-dimensi tinggi.

DIMENSI DAN GRAVITASI. Perilaku gravitasi—terutama kekuatannya—amat terkait dengan berapa banyak dimensi yang dirembesinya. Studi-studi gravitasi yang beraksi pada jarak kurang dari satu millimeter, dengan demikian, dapat menyingkap dimensi-dimensi tambahan besar kepada kita. Eksperimen semacam itu sedang berjalan. Dimensi-dimensi ini juga akan meningkatkan produksi objek ganjil gravitasi quantum semisal black hole mikro, partikel graviton, dan superstring, yang semuanya bisa dideteksi pada dekade ini di akselerator partikel high-energy.

Walaupun terasa aneh bahwa beberapa partikel terkurung di dinding, fenomena serupa cukup familiar dengan kita. Contoh, elektron pada kabel tembaga hanya bisa bergerak sepanjang ruang satu-dimensi kabel tersebut dan tidak berjalan ke ruang tiga-dimensi di sekelilingnya. Demikian pula, gelombang air berjalan utamanya di permukaan samudera, tidak menerobos kedalamannya. Skenario spesifik yang kami gambarkan, di mana semua partikel kecuali gravitasi melekat pada dinding, dapat timbul secara alami dalam teori string. Nyatanya, salah satu pemahaman utama yang memicu terobosan mutakhir dalam teori string adalah pengakuan bahwa teori ini memuat dinding semacam itu, dikenal sebagai bran-D (“bran” berasal dari kata “membran”, dan “D” adalah singkatan dari “Dirichlet”, yang mengindikasikan atribut matematis bran.)

Bran-D memiliki fitur yang persis dibutuhkan: partikel-partikel seperti elektron dan photon direpresentasikan oleh panjang string amat pendek yang masing-masing memiliki dua titik ujung yang harus melekat pada bran-D. Graviton, di sisi lain, merupakan simpal string kecil tertutup yang bisa mengeluyur ke semua dimensi sebab mereka tak memiliki titik ujung yang menjangkarkannya ke bran-D.

Apakah Masih Hidup?

Salah satu hal pertama yang diperbuat para teoris hebat ketika mendapatkan teori baru adalah mencoba mematahkannya dengan mencari inkonsistensi dengan temuan eksperimen. Teori dimensi tambahan besar mengubah gravitasi pada jarak makroskopis dan mengubah fisika lain pada energi tinggi, jadi ia pasti mudah dipatahkan. Namun, luar biasanya, ia tidak berkontradiksi dengan eksperimen manapun. Beberapa contoh menunjukkan betapa kesimpulan ini mengejutkan.

Kita mungkin mulanya khawatir gravitasi akan mempengaruhi objek-objek yang kesatuannya dijaga olehnya, semisal bintang dan galaksi. Tapi mereka tak terpengaruh. Gravitasi hanya berubah pada jarak kurang dari satu milimeter, sedangkan di sebuah bintang, misalnya, gravitasi beraksi mencakupi jarak ribuan kilometer untuk menjaga kesatuan bagian-bagian jauh bintang tersebut.

Kecemasan yang jauh lebih serius adalah berkenaan dengan graviton, partikel hipotetis yang mentransmisikan gravitasi dalam teori quantum. Dalam teori dimensi tambahan, graviton berinteraksi jauh lebih kuat dengan materi, sehingga semestinya graviton yang dihasilkan dalam tubrukan partikel high-energy jauh lebih banyak. Di samping itu, mereka menjalar ke semua dimensi, sehingga membawa pergi energi dari dinding, atau membran, yakni alam semesta tempat kita tinggal.

Ketika sebuah bintang kolaps dan meledak sebagai supernova, temperatur tinggi dapat merebus graviton lalu mendorongnya ke dimensi-dimensi tambahan [lihat ilustrasi di bawah]. Namun, dari observasi terhadap supernova terkenal bernama 1987A, kita tahu bahwa ledakannya memancarkan sebagian besar energinya sebagai neutrino, menyisakan sedikit ruang untuk kebocoran energi graviton. Pemahaman kita akan supernova, karenanya, membatasi seberapa kuat graviton dapat berpasangan dengan materi. Batasan ini dapat dengan mudah mematahkan ide dimensi tambahan besar, tapi kalkulasi detil menunjukkan bahwa teori ini dapat bertahan. Batasan terkeras adalah untuk dua dimensi tambahan, di mana graviton terlalu mendinginkan supernova.


Supernova terjadi ketika kolapsnya sebuah bintang massif menghasilkan ledakan gelombang kejut. Sebagian besar energi dipancarkan sebagai neutrino (biru). Jika dimensi-dimensi tambahan eksis, graviton yang dipancarkan (merah) membawa lari energi lebih banyak daripada yang mereka bawa ke tiga dimensi biasa. Para teoris membatasi atribut dimensi tambahan dengan mensyaratkan kebocoran energi graviton tidak menyebabkan supernova gagal terjadi.

Para teoris telah memeriksa banyak batasan potensial lain berdasarkan perubahan yang tak bisa diterima. Teori ini lulus semua pemeriksaan eksperimen, yang ternyata kurang keras daripada batasan supernova. Yang mengejutkan, batasan tersebut menjadi kurang keras begitu semakin banyak dimensi ditambahkan ke dalam teori. Kita menyaksikan ini dari awal: kasus satu dimensi tambahan dikesampingkan cepat-cepat sebab gravitasi diubah pada jarak tata surya. Ini mengindikasikan mengapa semakin banyak dimensi justru semakin aman: penguatan dramatis gravitasi di mulai pada jarak pendek dan karenanya memiliki dampak lebih kecil terhadap proses-proses jarak panjang.

Jawaban Pada 2010

Teori ini memecahkan persoalan hirarki dengan menjadikan gravitasi gaya yang kuat, dekat [besaran] energi TeV, persisnya skala energi yang akan diselidiki menggunakan akselerator-akselerator partikel mendatang.

Oleh sebab itu, eksperimen-eksperimen di Large Hadron Collider (LHC), dijadwalkan dimulai sekitar 2007, semestinya menyingkap alam gravitasi quantum! Contoh, jika teori string merupakan deskripsi gravitasi quantum yang tepat, maka partikel-partikel adalah seperti simpal string kecil yang bisa bervibrasi mirip string biola. Partikel fundamental yang dikenal bisa kita samakan dengan string yang tidak bervibrasi, seperti string biola yang tidak digesek. Masing-masing “not musik” yang dapat dibawakan sebuah string dengan cara bervibrasi akan terlihat sebagai partikel eksotis baru yang berbeda. Dalam teori-teori string konvensional, string dianggap berpanjang 10-35 meter saja, dan partikel-partikel baru akan memiliki massa pada orde energi Planck tradisional—“musik” string-string tersebut ber-pitch terlalu tinggi untuk dapat kita “dengar” di particle collider. Tapi dengan dimensi-dimensi tambahan besar, string-string jauh lebih panjang, hampir 10-19 meter, dan partikel-partikel baru akan muncul pada [besaran] energi TeV—cukup rendah untuk didengar di LHC.

Demikian halnya, energi yang diperlukan untuk menciptakan black hole mikro dalam tubrukan partikel akan terjangkau oleh eksperimen [lihat ilustrasi di bawah].


Black hole mikro bisa diciptakan di akselerator partikel semisal Large Hadron Collider dengan  menubrukkan proton-proton (kuning) pada energi tinggi. Black hole akan menguap pesat dengan memancarkan radiasi Hawking berupa partikel-partikel Standard Model (biru) dan graviton (merah).

Bahkan pada [besaran] energi yang terlalu rendah untuk menghasilkan string bervibrasi atau black hole, tubrukan partikel akan menghasilkan banyak graviton, sebuah proses yang sepele dalam teori-teori konvensional. Eksperimen tidak bisa langsung mendeteksi graviton yang terpancarkan, tapi energi yang mereka bawa lari akan muncul sebagai energi yang hilang dari puing tubrukan. Teori memprediksi atribut spesifik energi yang hilang itu—bagaimana ia berubah seiring perubahan energi tubrukan dan sebagainya—sehingga bukti produksi graviton dapat dibedakan dari proses-proses lain yang membawa lari energi pada partikel-partikel tak tampak. Data mutakhir dari akselerator high-energy sudah dengan ringan membatasi skenario dimensi-dimensi besar. Eksperimen di LHC semestinya melihat bukti graviton atau mulai mengesampingkan teori lantaran ketiadaan graviton.

Tipe eksperimen yang sama sekali berbeda juga dapat memperkuat teori, barangkali jauh lebih cepat daripada particle collider. Ingat, agar dua dimensi tambahan memecahkan persoalan hirarki, kedua dimensi itu harus sebesar satu milimeter. Pengukuran gravitasi lalu akan mendeteksi perubahan dari hukum kuadrat terbalik Newton menjadi hukum pangkat empat terbalik pada jarak hampir satu milimeter. Perluasan kerangka teoritis dasar menghasilkan sekumpulan kemungkinan penyimpangan lain dari gravitasi Newtonian, yang paling menarik adalah gaya tolak yang lebih dari sejuta kali lebih kuat dibanding gravitasi yang terdapat di antara [dua] massa yang terpisah [jarak] kurang dari satu milimeter. Eksperimen meja menggunakan detektor yang dibangun secara cermat kini sedang berjalan, menguji hukum Newton dari kisaran [jarak] centimeter hingga sepuluh mikron [lihat ilustrasi di bawah].


Osilator torsi di Universitas Colorado mencari perubahan gravitasi pada jarak 0,05 sampai 1 milimeter. Piezoelektrik menggetarkan tungsten massa sumber (biru) seperti papan selam. Gaya apapun yang beraksi di antara massa sumber dan tungsten detektor (merah) menghasilkan osilasi torsi detektor (gambar inset; osilasinya adalah rekaan), yang dirasakan oleh perangkat elektronik. Perisai berlapis emas (kuning) menekan gaya-gaya elektrostatik, dan suspensi dari kuningan cerobong isolasi mencegah getaran berjalan dari sumber ke detektor. Perisai elektrostatik yang melingkungi alat ini tidak diperlihatkan. Untuk sensitivitas maksimum,  helium cair mendinginkan alat ini hingga empat kelvin.

Untuk menyelidiki gaya gravitasi pada jarak submilimeter, kita harus memakai objek yang tidak lebih besar dari satu milimeter, yang karenanya memiliki massa amat kecil. Kita harus dengan teliti menyaring banyak efek, misalnya gaya elektrostatik sisa, yang dapat menutupi atau menyerupai tarikan gravitasi kecil. Eksperimen semacam itu sangat sulit dan rumit, tapi menggairahkan sekali bahwa ini dapat menyingkap fisika baru yang dramatis. Bahkan terlepas dari pencarian dimensi tambahan, penting sekali memperluas pengetahuan langsung kita tentang gravitasi hingga jarak-jarak pendek ini. Periset di Universitas Washington telah melakukan pengukuran gravitasi hingga [jarak] seperlima milimeter dan tak menemukan penyimpangan dari gravitasi Newton. Oleh sebab itu, dimensi-dimensi baru yang besar harus berukuran kurang dari seperlima milimeter. Beberapa kelompok kini sedang mempertimbangkan menyempurnakan pengukuran ini.

Ide dimensi tambahan praktisnya melanjutkan tradisi Copernican dalam memahami kedudukan kita di dunia:

Bumi bukanlah pusat tata surya, matahari bukanlah pusat galaksi kita, galaksi kita hanyalah salah satu dari miliaran [galaksi] di alam semesta tak berpusat, dan kini keseluruhan alam semesta tiga-dimensi kita hanyalah sebuah membran tipis di ruang dimensi utuh. Jika kita mempertimbangkan irisan-irisan yang membentang di dimensi tambahan, alam semesta kita akan menempati sebuah titik infinitesimal (amat kecil) di tiap irisan, dikelilingi oleh kehampaan.

Barangkali cerita ini belum selesai. Sebagaimana Bima Sakti bukan satu-satunya galaksi di alam semesta, mungkinkah alam semesta kita tidak sendirian di dimensi-dimensi tambahan? Membran-membran alam semesta tiga-dimensi lainnya boleh jadi terletak sejajar dengan alam semesta kita, hanya berjarak satu milimeter dari kita di dimensi-dimensi tambahan [lihat ilustrasi di bawah]. Demikian halnya, walaupun semua partikel Standard Model harus melekat pada alam semesta membran kita, partikel lain di luar Standard Model mungkin menjalar ke dimensi tambahan. Dimensi-dimensi tambahan boleh jadi memiliki banyak struktur menarik, sama sekali tidak hampa.


Alam-alam semesta paralel mungkin eksis berdampingan  dengan alam semesta kita namun tak terlihat, mereka berada di membran masing-masing yang berjarak kurang dari satu millimeter dari membran kita. Alam-alam semesta parallel mungkin juga merupakan lembaran lain alam semesta kita yang terlipat balik. Dark matter dapat dijelaskan oleh bintang dan galaksi biasa di lembar-lembar terdekat: gravitasi mereka (merah) bisa menjangkau kita dengan mengambil jalan pintas melintasi dimensi tambahan, tapi kita tak bisa melihat dimensi-dimensi itu sebab cahaya (kuning)] harus menempuh miliaran tahun-cahaya menuju lipatan dan berbelok sebelum akhirnya menjangkau bumi.

Efek partikel-partikel baru dan alam-alam semesta di dimensi tambahan dapat menyediakan jawaban untuk banyak misteri fisika partikel dan kosmologi yang belum terpecahkan. Bukti mengesankan dari eksperimen Super Kamiokande di Jepang mengindikasikan bahwa neutrino, yang lama dianggap tak bermassa, memiliki massa amat kecil tapi tidak nol. Neutrino bisa memperoleh massanya dengan berinteraksi dengan medan partner yang berada di dimensi tambahan. Adapun gravitasi, interaksinya sangat dilemahkan oleh ketersebaran partner tersebut di dimensi tambahan, sehingga neutrino memperoleh massa yang kecil saja.

Alam Semesta Paralel

Contoh lain adalah misteri dalam kosmologi tentang apa itu dark matter, zat bergravitasi dan invisible yang kelihatannya menyusun lebih dari 90% massa alam semesta. Dark matter mungkin berada di alam-alam semesta paralel. Materi semacam itu akan mempengaruhi alam semesta kita lewat gravitasi dan pasti “gelap” sebab jenis photon kita melekat pada membran kita, sehingga photon tidak bisa berjalan melintasi kehampaan dari materi paralel ke mata kita.

Alam-alam semesta paralel demikian mungkin berbeda jauh dari punya kita, memiliki partikel dan gaya berbeda dan bahkan barangkali terkurung di membran-membran berdimensi lebih sedikit atau lebih banyak. Namun dalam sebuah skenario menggairahkan, mereka memiliki atribut identik dengan dunia kita. Bayangkan dinding yang kita tinggali terlipat berkali lipat di dimensi tambahan [lihat ilustrasi di atas].

Objek-objek di sisi lain sebuah lipatan akan terlihat sangat jauh meskipun mereka berjarak kurang dari satu milimeter dari kita di dimensi tambahan: cahaya yang mereka pancarkan harus berjalan ke lipatan lalu berbelok untuk menjangkau kita. Jika lipatannya puluhan miliar tahun-cahaya jauhnya, tak ada cahaya dari sisi lain dapat menjangkau kita sejak alam semesta mulai [eksis].

Dark matter mungkin tersusun dari materi biasa, barangkali bintang dan galaksi biasa, yang bersinar cerlang di lipatan mereka sendiri. Bintang demikian akan menghasilkan efek menarik yang bisa diamati, misalnya gelombang gravitasi dari supernova. Detektor gelombang gravitasi yang dijadwalkan rampung dapat segera menemukan bukti [adanya] lipatan dengan mengobservasi sumber-sumber besar radiasi gravitasi yang tidak bisa diterangkan oleh materi yang terlihat di alam semesta kita.

Teori kami bukan proposal pertama yang melibatkan dimensi tambahan berukuran lebih dari 10-35 meter. Pada 1990, Ignatios Antoniadis dari École Polytechnique di Prancis menyatakan bahwa sebagian dari dimensi-dimensi dalam teori string mungkin sebesar 10-19 meter. Pada 1996, Petr Hořava dari California Institute of Technology and Edward Witten dari Institute for Advanced Study di Princeton, New Jersey, menguraikan bahwa satu dimensi tambahan 10-30 meter akan menyatukan gaya-gaya dengan rapi. Menyusul ide ini, Joseph Lykken dari Fermi National Accelerator Laboratory di Batavia, Illinois, berupaya menurunkan skala unifikasi ke [besaran] hampir 10-19 meter. Keith Dienes dari Universitas Arizona, Emilian Dudas dari Universitas Paris-South, dan Tony Gherghetta (kini di Universitas Minnesota, mengamati pada 1998 bahwa dimensi-dimensi tambahan berukuran kurang dari 10-19 meter dapat memungkinkan gaya-gaya bersatu pada [kisaran] jarak lebih dari 10-32 meter.

Sejak proposal kami tahun 1998, sejumlah variasi menarik telah bermunculan, menggunakan komposisi dasar yang sama yakni dimensi tambahan dan keberadaan alam semesta kita di dinding. Dalam model yang menggairahkan, Lisa Randall dari Universitas Harvard dan Raman Sundrum dari Universitas John Hopkins mengajukan bahwa gravitasi sendiri mungkin terkonsentrasi di sebuah membran di ruangwaktu lima-dimensi yang [membentang] tak terhingga ke semua arah. Wajar gravitasi terasa amat lemah di alam semesta kita jika kita berada di membran berbeda.

Selama 20 tahun, pendekatan konvensional untuk mengatasi persoalan hirarki, dan karenanya memahami mengapa gravitasi begitu lemah, berasumsi bahwa skala Planck dekat [besaran] 10-35 meter adalah sangat fundamental dan bahwa fisika partikel harus berubah dekat [besaran jarak] 10-19 meter. Dahulu gravitasi quantum terus berada di alam spekulasi, tak terjangkau oleh eksperimen. Sekarang kita sadar tidak demikian. Jika terdapat dimensi-dimensi baru yang besar, dalam beberapa tahun ke depan kita bisa menemukan penyimpangan dari hukum Newton dekat [besaran jarak] katakanlah 6 x 10-5 meter, dan kita akan mendeteksi vibrasi string atau black hole di LHC. Gravitasi quantum dan teori string akan menjadi sains yang bisa diuji. Apapun yang terjadi, eksperimen akan menunjukkan jalan untuk menjawab pertanyaan berumur 300 tahun. Pada 2010, kita akan membuat kemajuan menentukan menuju pemahaman mengapa gravitasi begitu lemah. Dan kita mungkin menemukan bahwa kita hidup di Flatland yang aneh, sebuah alam semesta membran di mana gravitasi quantum sudah di ambang pintu.

Sumber: Scientific American, Special Edition – The Once and Future Cosmos, 31 Desember 2002, hal. 66-73

Tidak ada komentar: