Mengungkap Misteri Terbentuknya Alam Semesta

Oleh Amien Nugroho

Sebuah bola yang jatuh dari gedung bertingkat 20 ke tanah disebabkan oleh gaya gravitasi yang dibawa partikel graviton. Sementara itu, pesawat televisi bisa menerima siaran langsung dari studio yang berjarak ribuan mil disebabkan oleh gelombang elektromagnetik yang dibawa partikel foton.

Selain dua contoh gaya atau interaksi fundamental alami itu, dikenal pula dua gaya lain, yakni gaya (interaksi) kuat dan gaya lemah. Dengan memanfaatkan sekelompok partikel subatom yang disebut gluon, gaya kuat mengikat proton-proton dan neutron-neutron dalam inti atom. Adapun gaya lemah bertanggung jawab atas peluruhan zat radioaktif dan memegang kendali dalam penggabungan inti atom (fusi) yang memberi tenaga pada bintang dan Matahari agar tetap bercahaya. Pembawa gaya lemah tak lain partikel W dan Z. Itulah empat gaya alam fundamental yang secara alami ada di sekitar, meski sering tak kita sadari.

Albert Einstein-lah yang kali pertama menggabungkan keempat gaya dalam teori umum, yakni Teori Segala Sesuatu (Theory of Everything). Pertama, dia menggabungkan gaya gravitasi dan elektromagnetik karena secara matematika kedua interaksi itu bersifat sama, yaitu berbanding terbalik dengan kuadrat jarak. Einstein menghabiskan lebih dari 30 tahun sisa hidupnya untuk berkutat dalam masalah itu. Namun dia gagal.

Namun mimpi Einstein tak berlalu begitu saja. Banyak fisikawan top dunia berupaya mewujudkan impian menggabungkan gaya di alam semesta ini menjadi gaya tunggal. Langkah paling kondang adalah upaya trio fisikawan terkemuka, Steven Weinberg, Sheldon W Glashow, dan Abdus Salam. Ketiganya dianugerahi Nobel bidang fisika tahun 1970 atas karya mereka memadukan gaya lemah dan gaya elektromagnetik menjadi gaya elektro lemah (electroweak theory). Tahun 1984, giliran Carlo Rubbia dan Simon van der Meer yang bekerja di Pusat Riset Nuklir Eropa (CERN) di Genewa, Swiss, memperoleh Nobel karena eksperimen mereka yang membuktikan keberadaan partikel W dan Z yang merupakan partikel pembawa gaya lemah.

Setelah teori elektro lemah diperteguh dengan hasil eksperimen Rubbia, para fisikawan top dunia makin bersemangat menyusun teori yang lebih komprehensif dengan memasukkan gaya kuat. Teori yang memadukan ketiga gaya alam fundamental — gaya lemah, gaya kuat, dan elektromagnetik — disebut Grand Unified Theory atau Teori Paduan Agung. Teori yang khusus membahas gaya kuat dinamakan kromodinamika kuantum (quantum chromodynamics).

Banyak versi Teori Paduan agung diajukan, antara lain grup simetri yang disebut SU(5). Pembuktian kesahihan teori itu antara lain berasal dari peluruhan proton yang sejauh ini dianggap stabil. Namun hingga saat ini belum ada konfirmasi akhir tentang proton yang meluruh dengan sendirinya atau secara spontan. Peluruhan proton itu menjadi mungkin dengan turut campurnya partikel hipotetik, yaitu partikel bermassa 10 pangkat 34 kali massa proton dan mempunyai momentum sudut spin intrinsik 0 atau 1 serta mempunyai warna yang sama dengan warna antiquark.

Teori Kemanunggalan Teori Segala Sesuatu memiliki banyak versi, antara lain Teori Supersimetri dan Superstring. Namun jelas, Teori Segala Sesuatu mempunyai arti sebagai teori “kemanunggalan agung” yang menggabungkan semua teori fisika menjadi hanya sebuah teori terpadu-manunggal yang biasanya diekspresikan dalam bentuk persamaan matematika tunggal yang agung.

Supersimetri boleh dikatakan merupakan penjelasan lebih lanjut dari Teori Paduan Agung dengan menambah satu gaya lagi, yakni gravitasi, pada ketiga gaya. Dalam teori itu, kakas atau gaya gravitasi yang dibawa partikel graviton digabungkan dengan ketiga gaya alami tersebut yang dibawa ermion dan boson. Semua partikel pembawa gaya merupakan boson, yakni partikel yang memiliki spin intrinsik bilangan bulat (0, 1, 2 dan seterusnya). Adapun fermion adalah partikel yang membentuk semua yang ada (partikel materi) di semesta ini dan memiliki spin intrinsik ž bilangan ganjil (1/2, 3/2, 5/2, dan seterusnya).

Dalam supersimetri, partikel boson paling besar adalah foton, graviton gluon, partikel W dan Z. Adapun partikel fermion dasar adalah quark (yang membangun proton dan neutron), neutrino, elektron dan keluarganya (tau serta mu).

Jika dalam supersimetri suatu partikel dianggap merupakan sebuah titik, dalam superstring partikel digambarkan sebagai sebuah dawai (string) yang berpilin. Teori itu lahir tanpa sengaja akhir tahun 60-an, ketika Leonard Susskind dari Stanford University menguraikan persamaan matematika Gabriele Veneziano (Itali) untuk interaksi kuat. Menurut teori itu, segalanya di alam semesta ñ semua partikel elementer dan interaksi dan bahkan ruang-waktu itu sendiri ñ dipandang sebagai dawai sepanjang kurang dari 10 pangkat -33 cm, namun memiliki tegangan sangat besar. Dawai itu bergetar dan berputar dalam suatu semesta multidimensi.

Satu dimensi tambahan ñ selain dimensi panjang, lebar, kedalaman, dan waktu ñ secara matematis diperlukan untuk menghindari tachyons (partikel yang bergerak lebih cepat daripada cahaya) dan ghosts (partikel yang dihasilkan dari probabilitas negatif). Dimensi-dimensi tambahan itu lantas termampatkan dan berpilin dalam bentuk lingkaran-lingkaran kecil yang tak dapat diamati. Partikel elementer yang berbeda berhubungan dengan dawai yang berosilasi dengan tingkatan berbeda pula. (Jika bagian ini terasa absurd, pada Anda, saya ucapkan, “Welcome to the jungle.”) Teori itu memungkinkan penggabungan medan gravitasi dan ketiga interaksi lain. Namun sampai sekarang belum ada satu pun teori yang betul-betul dapat diandalkan untuk menggabungkan keempat jenis interaksi itu, karena belum ada teori yang secara meyakinkan mampu menjelaskan keberadaan gravitasi kuantum.

Teori Relativitas Umum

Salah satu postulat Teori Relativitas Umum Einstein menyatakan, singularitas (suatu keadaan ketika kelengkungan ruang-waktu menjadi tak-hingga dan konsep mengenai ruang-waktu, dan tentu juga hukum-hukum fisika, kehilangan arti atau tak berlaku lagi) dapat terjadi, tetapi tak mampu menjawab pertanyaan kapan singularitas terjadi. Teori itu pun oleh para fisikawan dianggap belum lengkap, karena belum bisa digabungkan dengan asas ketidakpastian Heinsenberg yang merupakan pilar utama dari teori besar lain, yakni mekanika kuantum.

Mekanika kuantum yang dikembangkan pada permulaan abad ke-20 dan dipakai untuk menjelaskan perilaku sistem-sistem teramat kecil, seperti atom dan partikel elementer lain. Mekanika kuantum memprakirakan suatu elektron tidak memiliki posisi tertentu, tetapi mempunyai kebolehjadian tertentu untuk ditemukan di suatu posisi. Pada sebuah atom, elektron-elektron tersebar dalam suatu daerah tertentu di sekeliling inti atom dengan rapat kebolehjadian yang berhingga, bahkan di inti sekalipun.

Teori klasik memprakirakan rapat kebolehjadian menemukan elektron di inti atom adalah tak hingga. Keadaan itu mirip prakiraan relativitas umum klasik yang menyatakan terdapat singularitas saat Bing Bang (Dentuman Akbar). Karena itu, bila relativitas umum dan mekanika kuantum digabungkan menjadi sebuah teori gravitasi kuantum akan diketahui kemunculan singularitas adalah sebuah cacat yang sangat mengganggu.

Indikasi awal itu merupakan masalah utama adalah dari temuan runtuhnya bintang menjadi lubang hitam (black hole) yang ternyata tidak “benar-benar hitam” jika prinsip ketidakpastian Heisenberg diperhitungkan. Alih-alih lubang hitam akan memancarkan partikel dan radiasi dengan laju pancar yang terus meningkat sampai lubang hitam tersebut benar-benar lenyap dalam suatu denyar ledakan yang mahahebat, lenyapnya (penguapan) lubang hitam tetap tidak menandakan bahwa runtuhnya gravitasi akan membawanya menuju ke suatu akhir waktu yang sebenarnya.

Dalam Teori Relativitas Umum klasik yang tak melibatkan prinsip ketidakpastian, keadaan awal semesta merupakan sebuah titik yang berapat tak hingga. Akan sangat sulit menentukan syarat batas bagi semesta di titik singularitas itu. Namun bila mekanika kuantum diperhitungkan, akan terdapat kemungkinan terganggunya singularitas dan ruang-waktu akan membentuk permukaan empat dimensi yang tertutup dan tak berbatas seperti permukaan bumi kita, tetapi dengan tambahan dua dimensi ekstra.

Itu berarti semesta benar-benar berdiri sendiri dan memang tak membutuhkan syarat batas tertentu. Dan, tentu tak perlu pula memunculkan asumsi ada singularitas. Maka dapatlah dinyatakan syarat batas semesta adalah ketiadaan syarat batas.