Teori
gravitasi kuantum (quantum gravity) adalah sebuah nama untuk teori yang
sampai sekarang belum terwujud, yang seyogyanya mengawinkan teori
kuantum dengan teori relativitas (yaitu teori tentang ruang-waktu dan
gravitasi) dalam satu framework : one unified theory, atau theory of
everything, atau terserah anda sebut apa namanya. Kedua teori ini adalah
pilar utama fisika modern, dan keduanya berhasil dalam domainnya
masing-masing dan telah teruji dengan berbagi eksperimen : fisika
kuantum berhasil dalam menjelaskan atom, partikel elementer, dan
fenomena mikro lainnya; sedangkan fisika relativitas berhasil
menjelaskan gravitasi, kosmologi, dan fenomena makro lainnya. Keduanya
membawa sudut pandang yang revolusioner mengenai realita: teori
relativitas merubah pandangan mengenai ruang dan waktu, sedangkan teori
kuantum merubah pandangan mengenai pengamat dan yang diamati. Tak heran
jika banyak orang yang memberikan timeline bahwa fisika modern adalah
fisika setelah ditemukannya teori relativitas dan kuantum, dan fisika
klasik adalah fisika sebelumnya. Namun keduanya cukup berbeda dan usaha
untuk menyatukannya belum berhasil sampai saat ini. Bisa dikatakan bahwa
teori kuantum gravitasi adalah "holy grail" dari fisika teori.
Untuk
memahami sedikit dari kedua teori tersebut, ada baiknya kita
membandingkan fisika relativitas dan kuantum dengan fisika klasik
(fisika Newton).
Pertama,
kita tinjau fisika relativitas. Dalam fisika klasik, kita menganggap
ruang dan waktu sebagai latar yang tetap (fixed background), yaitu
seperti panggung atau arena, di mana partikel-partikel menari di
atasnya. Dengan sudut pandang itu, kita bisa membuat model geometri yang
tetap untuk ruang dan waktu, lalu setelahnya kita bisa merumuskan
persamaan untuk mengambarkan dinamika dari partikel-partikel, dan
ruang-waktu bersifat absolut, tidak terpengaruh oleh gerakan
partikel-partikel. Mungkin gambaran seperti ini yang sekilas bisa kita
terima berdasarkan intuisi dan pengalaman sehari-hari. Namun teori
relativitas membuktikan bahwa sudut pandang itu adalah salah, dan teori
relativitas telah diuji melalui eksperimen. Menurut teori relativitas,
ruang-waktu adalah dinamis. Geometri ruang-waktu tidaklah statis, tetapi
bergantung pada distribusi materi dan energi. Jadi sudut pandang teori
relativitas adalah bahwa ruang-waktu adalah relasional, bukan absolut.
Dalam fisika klasik, seandainya semua materi dihilangkan dari alam
semesta, akan tertingal sebuah ruang-waktu yang absolut. Tetapi dalam
fisika relativitas, jika semua materi dihilangkan, tidak ada yang
tersisa - tidak ada ruang-waktu jika tidak ada materi. Ruang-waktu
tidaklah eksis dengan sendirinya, tapi ruang-waktu adalah network dari
hubungan dan perubahan. Jadi pelajaran utama dari teori relativitas
adalah bahwa teori fisika haruslah bebas latar (background independent),
yaitu bahwa teori fisika tidak didefinisikan dalam latar ruang-waktu
yang statis seperti dalam fisika klasik.
Sekarang,
kita tinjau fisika kuantum. Dalam fisika klasik, deskripsi sebuah
partikel atau sebuah sistem dapat diberikan dengan pasti, dan pengukuran
besaran yang diamati (observable) dapat dilakukan secara pasti, dan
secara prinsip keadaan sistem tidak terpengaruh oleh proses pengukuran.
Namun dalam fisika kuantum, keadaan sistem dan pengamatan tidaklah
demikian, karena ada dua prinsip utama dalam fisika kuantum yang terasa
asing bila ditinjau dari kacamata fisika klasik. Misalkan kita ingin
mengambarkan sebuah sistem dalam keadan kuantum. Misalkan sistemnya
adalah gas dalam kotak, maka keadaannya terdiri dari posisi dan
kecepatan masing-masing molekul gas. Namun, ada kendala tertentu dalam
mengambarkan sebuah sistem kuantum, yaitu prinsip ketidakpastian
Heisenberg, yang mengatakan bahwa terdapat pasangan observables yang
tidak bisa diamati keduanya secara akurat : jika salah satu akurasinya
bertambah, maka yang lainnya akurasinya berkurang. Misalnya posisi dan
kecepatan adalah pasangan observables demikian. Jadi misalnya state kita
hanya bisa mengandung posisi eksak atau kecepatan eksak, tetapi tidak
keduanya.
Satu
hal lagi yang cukup membingungkan dalam teori kuantum, adalah prinsip
superposisi. Misalkan sistem kita dapat berada dalam dua keadan yang
berbeda : keadaan A dan keadaan B. Prinsip superposisi menyatakan bahwa
sistem itu dapat juga berada dalam kombinasi antara A dan B. Jadi
keadaan kuantum kita adalah superposisi dari A dan B : a x A + b x B, di
mana a dan b adalah bilangan. Keadaan superposisi a x A + b x B jelas
memiliki sifat-sifat yang berbeda dengan keadan A dan B. Dan jika kita
melakukan pengukuran, jelas kita tidak akan mengamati keadan superposisi
tadi - yang kita amati adalah entah A atau B : kita akan mengamati A
dengan peluang a^2, dan B dengan peluang b^2. Dalam fisika klasik kita
selalu mengambarkan keadaan sistem dalam keadaan pasti, dan melakukan
pengukuran juga besaran yang pasti. Namun dalam fisika kuantum, apa yang
kita amati berbeda dengan apa yang sebenarnya. Realita kuantum seperti
inilah yang agak sulit untuk dicerna, sehingga sampai sekarang pun belum
ada satu interpretasi kuantum yang bisa diterima oleh semua orang.
Mungkin sebuah contoh yang paling populer adalah sebuah eksperimen
pikiran (bukan eksperimen sebenarnya loh ) : paradoks kucing
Schrodinger ( lihat misalnya
http://en.wikipedia.org/wiki/Schrodingers_cat ).
Jadi
teori relativitas memberikan sudut pandang baru mengenai ruang-waktu,
namun sayangnya teori relativitas masih mengikuti fisika klasik dalam
memandang realita dan pengamatan.
Begitu
juga teori kuantum memberikan sudut pandang baru mengenai pengamat dan
yang diamati, namun sayangnya teori kuantum masih mengunakan latar
ruang-waktu statis seperti fisika klasik.
Mungkin
anda mengusulkan : bagaimana kalau teori relativitas kita modifikasi
sehingga memasukkan konsep kuantum mengenai pengamatan, atau bagaimana
kalau teori kuantum kita modifikasi sehingga memasukkan konsep
bebas-latar dari teori relativitas?
Secara
tradisional, memang ada dua jalan utama dalam riset mewujudkan teori
kuantum gravitasi. Yang pertama berakar dari teori relativitas, yaitu
loop quantum gravity atau canonical quantum gravity. Yang kedua berakar
dari teori kuantum (atau teori medan kuantum), yaitu string theory (atu
M-theory). Kedua jalan ini pendekatannya memang berbeda, walaupun
keduanya setuju bahwa dalam skala kecil (sangat sangat kecil, yaitu
sekitar 10^-33cm) ruang-waktu tidak lagi mulus seperti yang kita amati
pada skala besar. Tentunya ada juga jalan lain yang tidak mengikuti
jalan-jalan tradisional tadi, misalnya twistor theory, non-commutative
geometry, topos theory, dan lain sebagainya.
Tentunya
sebaik apa puh teori, dia tidak akan beridir dengan kokoh tanpa
didukung oleh eksperimen. Sampai sekarang belum ada eksperimen yang bisa
membenarkan atau menyalahkan teori-teori gravitasi kuantum, walaupun
ada beberapa proposal yang kelihatannya cukup mungkin untuk
dilaksanakan.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar