Skip to content Skip to sidebar Skip to footer

Gravitasi Kuantum

Gravitasi kuantum adalah istilah yang diberikan terhadap setiap model teori yang mendeskripsikan gravitasi (teori relativitas umum) menurut prinsip mekanika kuantum. Hingga kini belum ada teori semacam ini yang dapat diterima secara umum dan dibuktikan secara eksperimen, sehingga menjadikan gravitasi kuantum sebagai masalah ilmiah terbuka paling penting untuk diteliti. Gravitasi kuantum adalah cawan suci bagi fisikawan teoretis modern - sebuah struktur tunggal yang menyatukan dua teori terbesar abad ke-20; mekanika kuantum dan teori relativitas umum Einstein. 

Gravitasi kuantum. Sumber ilustrasi: Inside Science

Perkembangan fisika di abad ke-20 memberikan kita dua teori fisika yang luar biasa sukses sebagai fondasi utama dalam perkembangan ilmu fisika modern. Teori yang pertama; mekanika kuantum, bekerja dengan sangat baik pada skala yang sangat kecil – sangat berhasil dalam menjelaskan atom, partikel subatom atau partikel elementer dan fenomena lainnya dalam skala mikroskopik. Teori yang kedua; relativitas umum Einstein, dengan sangat tepat menggambarkan dan menjelaskan gravitasi, fenomena kosmologi serta fenomena makroskopik lainnya. Kedua teori ini berdiri kokoh hingga sekarang dengan ditopang oleh berbagai eksperimen - belum ada satupun eksperimen yang membantah keabsahan kedua teori tersebut, setidaknya sampai saat ini.

Mekanika kuantum telah mengubah pemahaman kita secara mendalam tentang materi, energi, dan kausalitas (hubungan sebab-akibat). Demikian pula relativitas umum yang dikembangkan oleh Einstein, telah mengubah pemahaman kita secara mendalam tentang apa itu ruang dan waktu. Meskipun kedua teori ini bekerja dengan sangat baik di domain-nya masing-masing, keduanya sama sekali tidak bisa saling bekerja sama, karena keduanya dirumuskan berdasarkan prinsip yang secara eksplisit bertentangan satu sama lain.

Karena itu walaupun ilmu pengetahuan telah berkembang sangat pesat, revolusi ilmiah yang dibuka oleh relativitas umum dan mekanika kuantum pada awal abad ke-20 belumlah selesai. Hal ini membuat fisikawan teoretis di abad 21 berusaha untuk melampaui mekanika kuantum dan relativitas umum dengan mengembangkan satu teori gabungan yang dapat menjelaskan perilaku alam semesta pada skala kuantum yang disebut sebagai gravitasi kuantum.

Premis sederhananya adalah alam semesta merupakan satu kesatuan. Debu, pasir, manusia, bintang dan galaksi, dan objek pembentuk alam semesta lainnya adalah satu kesatuan. Apel ‘Newton’ tersusun dari jutaan atom yang diatur oleh mekanika kuantum, jatuh ke tanah (bumi) akibat medan gravitasi bumi yang diatur oleh gravitasi universal Newton, yang tidak lain adalah bentuk khusus dari relativitas umum Einstein. Secara tidak langsung ini menunjukkan bahwa seharusnya ada satu kerangka kerja atau satu hukum alam yang utuh di mana teori kuantum dan teori relativitas umum hanya dipandang sebagai aspek yang berbeda dari satu hukum alam yang sama. Tidak masuk akal jika ada dua hukum fisika yang tidak dapat didamaikan - hukum yang satu untuk satu domain, sedangkan yang satu lagi untuk domain yang lain.

Dalam tingkatan yang lebih ekstrim keberadaan teori gravitasi kuantum diharapkan mampu menguak beberapa misteri alam semesta, yang mana teori yang sudah ada saat ini tidak bisa menjelaskannya lebih jauh. Dalam model kosmologi standar, alam semesta sangat padat dan sangat panas di masa-masa awal terbentuknya alam semesta yang dijelaskan oleh teori Big-bang. Menurut teori Big-bang alam semesta lahir dari sebuah titik tunggal dengan kerapatan, suhu, dan kelengkungan ruang-waktu tak berhingga, atau yang dikenal sebagai singularitas ruang-waktu.

Singularitas adalah definisi dari keterbatasan hukum fisika dalam menjelaskan fenomena fisika pada skala yang sangat kecil dengan kerapatan materi yang sangat tinggi. Artinya persamaan medan Einstein (relativitas umum) tidak bisa menjelaskan lebih jauh lagi fenomena apa yang terjadi pada ‘singularitas’ atau dengan kata lain teori relativitas umum dan kelengkungan ruang-waktu menjadi ‘rusak’ atau menyimpang dalam menjelaskan fenomena gravitasi dalam singularitas tersebut.

Mekanika kuantum dan relativitas umum dirumuskan berdasarkan prinsip yang secara eksplisit bertentangan satu sama lain. Mekanika kuantum mengasumsikan ruang dan waktu sebagai latar belakang (arena atau panggung) dimana segala aktivitas dan perilaku objek kuantum berlangsung. Sedangkan dalam teori relativitas umum ruang-waktu itu bersifat relatif atau dinamis, bukan sesuatu struktur yang kaku dan tetap.

Menurut teori relativitas umum Einstein gravitasi adalah fenomena kelengkungan ruang-waktu. Dengan kata lain gravitasi adalah properti atau sifat dari ruang-waktu itu sendiri (sifatnya melengkung). Hal ini berarti ruang-waktu dan medan gravitasi adalah wujud (entitas) fisik yang sama. Karena itu relativitas umum bebas latar belakang atau tidak bergantung pada latar belakang, berbeda atau berkebalikan dengan mekanika kuantum. Selain itu, kelengkungan ruang-waktu (gravitasi) bergantung pada massa objek. Dalam skala kuantum massa objek sangat amat kecil sehingga sulit untuk membayangkan efek kelengkungan yang bisa diakibatkan oleh objek kuantum - normalnya, dalam skala kuantum efek gravitasi diabaikan. Beberapa alasan di atas menjadikan kedua teori yang lahir dari prinsip yang berbeda tersebut sulit untuk disatukan.

Kesulitan lain dalam merumuskan teori gravitasi kuantum adalah bahwa efek gravitasi kuantum hanya terjadi pada skala panjang Planck yaitu sekitar 10 pangkat minus 35 meter. Ini merupakan skala yang jauh amat sangat kecil yang hanya dapat diakses dengan energi yang sangat tinggi, lebih tinggi dari pada energi yang tersedia saat ini di akselerator (pemercepat) partikel energi tinggi. Hal inilah yang membuat fisikawan kekurangan data eksperimen untuk digunakan dalam menguji kandidat-kandidat teori gravitasi kuantum yang terus bersaing satu sama lain sampai saat ini. Dengan demikian fisikawan hanya dapat mengandalkan sebuah pendekatan lewat eksperimen pikiran sebagai alat atau metode untuk menguji teori-teori kandidat tersebut.

Ada sejumlah teori gravitasi kuantum yang diusulkan, namun masih belum ada teori gravitasi kuantum yang lengkap dan konsisten. Hal ini dikarenakan teori gravitasi kuantum harus berhadapan dengan masalah paling mendasar yaitu masalah eksperimental. Tanpa dukungan tes eksperimental kita tidak memiliki referensi untuk membandingkan teori-teori kandidat yang diusulkan sampai saat ini. Jadi teori-teori kandidat sejauh ini hanya sebatas pendekatan yang mungkin. Ada banyak teori kandidat yang diusulkan sebagai teori gravitasi kuantum, namun sejauh ini hanya ada dua teori yang menjadi kandidat utama sebagai teori gravitasi kuantum.

Kandidat pertama adalah teori string (string = dawai). Teori string bukan teori gravitasi kuantum dalam arti sempit, karena tujuannya lebih luas yaitu sebagai teori yang bertujuan untuk memberikan deskripsi terpadu tentang dunia fisis, di mana semua entitas fisis dipahami sebagai manifestasi (perwujudan) gerak satu objek yang disebut string. Dalam teori string gravitasi muncul sebagai salah satu aspek dinamika string. Teori string merupakan teori yang menarik banyak minat ilmuwan dan saat ini menjadi kandidat terpopuler dengan jumlah penelitian lebih banyak dibandingkan teori kandidat yang lain.

Teori yang kedua adalah Loop quantum gravity (LQG). LQG adalah upaya untuk mengkuantisasikan (mengkuantumkan) gravitasi atau ruang-waktu, yang didefinisikan oleh relativitas umum. Dengan kata lain LQG adalah upaya menemukan versi kuantum dari teori relativitas umum. Teori ini konsisten dengan teori fisika fundamental lainnya seperti model standar dalam fisika partikel, tetapi tidak menyatukan gravitasi dengan ketiga interaksi (gaya) dasar yang lain dalam model standar fisika partikel seperti halnya teori string. Jadi LQG tidak berusaha menyajikan unifikasi (penggabungan) gravitasi dan interaksi yang lain sebagai teori terpadu (teori segalanya) seperti teori string.

Selain kedua kandidat di atas masih ada teori kandidat yang lain, seperti teori twistor yang dikembangkan oleh Roger Penrose; salah satu peraih nobel fisika 2020, teori Coset (Causal Set Theory) oleh Rafael Sorkin, pendekatan Bohmian, geometri non-komutatif, supergravity, gravitasi kuantum Euclidean dan sebagainya. Pencarian teori gravitasi kuantum masih menjadi lapangan terbuka untuk dijelajahi lewat berbagai pandangan. Karena itu adanya banyak teori kandidat merupakan suatu kewajaran alamiah yang menunjukkan adanya landscape penelitian yang sehat.

Sumber:

[1] Quantum Gravity Carlo Rovelli. 2008 https://www.scholarpedia.org/article/quantum_gravity.

[2] Quantum Gravity, https://plato.stanford.edu/entries/quantum-gravity/.

[3] Loop Quantum Gravity. 2003 https://www.edge.org/conversation/lee_smolin-loop-quantum-gravity-lee-smolin.

[4] Quantum Gravity https://en.m.wikipedia/org/wiki/quantum_gravity.

[5] Greene, B. 2000. The Elegant Universe. New York: Vintage.

[6] Rovelli, C. (2004). Quantum Gravity.. Cambridge University Press, Cambridge Inggris.


Ricky Hamanay
Ricky Hamanay Yuditya Hamdani Hamanay; penulis sains amatir. Blogger sejak 2013