Skip to content Skip to sidebar Skip to footer

Loop Quantum Gravity

Loop quantum gravity (LQG) merupakan salah satu teori kandidat dari gravitasi kuantum. Dengan kata lain LQG adalah teori fisika yang bertujuan untuk menjelaskan sifat-sifat kuantum dari gravitasi. Sejak abad ke-20 pemahaman gravitasi sebagai interaksi fundamental dideskripsikan oleh teori relativitas umum Einstein. Dalam relativitas umum, gravitasi adalah kelengkungan ruang-waktu, ini berarti bahwa gravitasi adalah properti (sifat) dari ruang-waktu itu sendiri. Karena gravitasi adalah properti dari ruang-waktu itu sendiri maka LQG sering disebut juga sebagai teori ruang-waktu kuantum; teori yang berupaya mengkuantisasikan ruang-waktu.

Loop Quantum Gravity (LQG) disebut-sebut sebagai pesaing terbesar dari teori string, namun mendapat lebih sedikit perhatian dan publisitas jika dibandingkan dengan teori string. LQG memiliki tujuan yang secara fundamental lebih terbatas yaitu sebagai sebuah teori gravitasi kuantum. Sedangkan teori string memiliki tujuan yang lebih ambisius yaitu selain sebagai teori gravitasi kuantum, juga bertujuan untuk menyatukan semua jenis interaksi dasar menjadi satu teori (persamaan) tunggal yang disebut sebagai teori segalanya (theory of everything).

LQG adalah teori gravitasi kuantum yang bebas latar belakang; teori yang menjelaskan ruang-waktu dan bukan teori yang menempatkan gravitasi pada ruang-waktu yang sudah ada seperti halnya pada teori string. Dalam LQG ruang dapat dianggap terdiri dari garis-garis medan gaya yang membentuk medan tertutup yang disebut sebagai loop (garis-garis medan gaya ini tidak harus berupa garis lurus). Loop dapat berpotongan satu sama lain untuk menciptakan jaringan yang sangat halus, ini mirip seperti jaringan benang yang saling berpotongan satu sama lain untuk membentuk selembar kain – jaringan ini disebut sebagai spin network. Evolusi jaring-jaring spin (spin network) terhadap waktu disebut spin foam atau busa spin. Ukuran dari loop yang membentuk jejaring spin ini sangat kecil yaitu sepanjang ukuran panjang Planck.

Struktur ruang-waktu dalam skala kuantum menurut Loop Quantum Gravity. Credit: Max Planck Institute

LQG dimulai pada awal 1980-an ketika Amitabha Sen mencoba untuk merumuskan ulang (reformulasi) persamaan medan Einstein klasik (relativitas umum menggunakan tensor). Upaya Amitabha Sen kemudian disempurnakan oleh Abhay Ashtekar dan menghasilkan sebuah reformulasi baru (variabel Ashtekar) yang membawa bahasa matematis dan konseptual yang digunakan untuk menggambarkan ruang-waktu, lebih dekat ke bahasa yang digunakan dalam fisika partikel dan fisika kuantum. Artinya bahasa matematis dari persamaan medan yang dibuat Einstein atau relativitas umum Einstein yang berupa persamaan diferensial parsial itu, dirumuskan ulang dalam persamaan yang mirip dengan bahasa matematis yang digunakan dalam mekanika kuantum.

Pada tahun 1986 Lee Smolin dan Ted Jacobson menggunakan formalisme baru Ashtekar ini untuk mendapatkan solusi tentang ruang-waktu kuantum. Perlu diketahui bahwa sejak tahun 1950-an, persamaan kunci gravitasi kuantum disebut juga sebagai persamaan Wheeler-DeWitt. Bryce DeWitt dan John Wheeler-lah yang menuliskan persamaan tersebut, tetapi sejak saat itu belum ada yang bisa menyelesaikannya. Lee Smolin dan Ted Jacobson pada akhirnya dapat menyelesaikan dan menemukan solusi eksaknya menggunakan formulasi baru dari Ashtekar.

Solusi eksak tersebut mengungkapkan struktur mikroskopis pada geometri ruang serta memberi definisi teoritis bahwa ruang pada skala Planck, terlihat seperti jaringan dengan tepi diskrit yang jika digabungkan akan membentuk graf (grafik). Tahun berikutnya Lee Smolin bergabung dengan Carlo Rovelli membuat solusi lengkap dari teori gravitasi kuantum yang kemudian dikenal sebagai loop quantum gravity.

Loop quantum gravity (LQG) berbeda dari teori kandidat gravitasi kuantum yang lain, termasuk teori string. Selain menggunakan formalisme Ashtekar, LQG sama sekali tidak memodifikasi prinsip relativitas umum maupun teori quantum. Menurut para pendiri teori LQG prinsip-prinsip dalam relativitas Einstein maupun teori kuantum telah teruji dengan baik melalui eksperimen, sehingga tidak perlu dimodifikasi. Jadi LQG didasarkan pada usaha penyatuan yang konsisten dari kedua teori tersebut, tidak lebih.

Dalam pendekatan LQG, relativitas umum dengan tiga dimensi ruang dan materi, serta satu dimensi waktu yang kurang lebih seperti yang kita amati dalam kehidupan sehari-hari digabungkan dengan mekanika kuantum yang kurang lebih dalam bentuk yang disajikan oleh Erwin Schrodinger, Paul Dirac, Werner Heisenberg, dkk. Hal ini menghasilkan teori terperinci yang memberi gambaran baru tentang sifat ruang-waktu yang muncul ketika ditelusuri pada skala Planck (skala kuantum). Aspek yang paling mengejutkan adalah bahwa pada skala tersebut, ruang tidak bersifat kontinu melainkan tersusun dari elemen-elemen diskrit. Jadi dalam LQG tidak dikenal yang namanya dimensi ekstra atau ruang-waktu 10 dimensi, 11 dimensi bahkan 26 dimensi seperti halnya dalam teori string.

Keadaan kuantum dari ruang
 


 
Evolusi dari spin network dilihat dalam bentuk 3 dimensi spasial dan 1 dimensi waktu

Ada satuan ruang terkecil dalam skala kuantum, dan untuk volume minimumnya secara kasar ditentukan oleh pangkat tiga dari panjang Planck (yaitu 10 pangkat minus 33 cm). Dalam skala normal atau skala makro, volume suatu ruang bisa bernilai berapa saja, tergantung pada ukuran atau nilai dari dimensi-dimensi panjang dari ruang tersebut. Karena hal ini maka volume suatu ruang dalam skala normal bersifat kontinu, begitu pula dengan panjang dan luas-nya. 

Dalam LQG, volume ruang dalam skala kuantum tidak bisa bernilai sembarang. Volume ruang dalam skala kuantum harus berupa rangkaian angka tertentu (diskrit), seperti energi elektron dalam atom atau seperti tingkat energi pada atom. Volume terkecil disebut volume Planck (pangkat 3 dari panjang Planck). Setiap kelipatan dari volume Planck ini membentuk rangkaian volume ruang yang lebih besar atau dengan kata lain ukuran atau nilai volume ruang dalam skala kuantum adalah kelipatan dari volume Planck.

Hal yang sama juga berlaku pada luas dan panjang dari dimensi ruang dalam skala kuantum. Luas dalam skala kuantum merupakan kelipatan dari luas Planck (luas minimum) dan panjang dalam skala kuantum juga merupakan kelipatan dari panjang planck (panjang minimum). Jadi ukuran atau nilai dari dimensi spasial atau dimensi ruang baik itu panjang, luas, maupun volume dalam skala kuantum bernilai tertentu atau dalam satuan diskrit atau terpaket-paket, tidak bisa bernilai sembarang.

Selain dimensi spasial, dimensi waktu dalam skala kuantum juga bersifat diskrit atau bernilai tertentu dan bukan bernilai kontinu atau ‘mengalir’ seperti pada pengalaman kita sehari-sehari. Ingat bahwa dalam relativitas umum, ruang dan waktu itu merupakan kesatuan, jadi jika ruang bersifat diskrit maka waktu-pun bersifat diskrit. Bernilai diskrit dalam hal ini memiliki arti konseptual bernilai tertentu, atau nilai-nya berada dalam bundle atau ukuran paket-paket tertentu, atau yang dalam ilmu fisika disebut kuanta (jamak; kuantum).

Sama seperti teori-teori kandidat gravitasi kuantum yang lainnya termasuk teori string, sebagai teori yang belum bisa dibuktikan secara eksperimen LQG juga memiliki beberapa kelemahan. Kelemahan terbesar dalam loop quantum gravity adalah bahwa LQG belum berhasil menunjukkan bahwa kita dapat mengambil ruang-waktu yang terkuantisasi lalu mengekstrak ruang-waktu yang mulus dari ruang-waktu yang terkuantisasi tersebut.

Menurut LQG ruang-waktu dalam skala kuantum bersifat diskrit atau terkuantisasi, sedangkan dalam skala normal atau skala makro ruang-waktu bersifat mulus (kontinu). Sampai saat ini LQG belum mampu menjelaskan bagaimana ruang-waktu yang mulus (kontinu) dalam skala normal bisa muncul (terekstrak) dari ruang-waktu yang terkuantisasi. Atau dengan kata lain, bagaimana cara ruang-waktu kuantum yang bersifat diskrit itu, saat berkembang (berevolusi) menjadi ruang-waktu berskala makro (skala normal) bisa berubah menjadi bersifat kontinu? Ini belum bisa dipecahkan dan menjadi pekerjaan rumah utama dari teori Loop Quantum Gravity.

Sumber:

[1] Gambini, R and Pullin, J. 2011. A First Course in Loop Quantum Gravity. UK: Oxford University Press.

[2] Jones, A. Z. 2010. String Theory for Dummies. USA: Wiley Publishing, Inc.

[3] Rovelli, C. 2004. Quantum Gravity. UK: Cambridge University Press.

[4] Rovelli, C. 2014. Reality is not What it Seems the Journey to Quantum Gravity.
[6] Smolin, Lee. 2017. Three Roads to Quantum Gravity. New York: Basic Books.

[7] Smolin, Lee. 2004. Atoms of Space and Time. New York: USA: Scientific American.
Ricky Hamanay
Ricky Hamanay Yuditya Hamdani Hamanay; penulis sains amatir. Blogger sejak 2013