craig hogan percaya dunia ini mirip bulu. ini bukan kiharapann. hogan, fisikawan di universitas chicago dan direktur fermilab particle astrophysics center dekat batavia, illinois, menerka andai kita mengintip subdivisi ruang dan waktu terkecil, kita akan mendapati alam semesta dipenuhi kerlipan intrinsik, dengungan statis yang sibuk. dengungan ini bukan berharapanl dari partikel-partikel yang melambung muncul dan lenyap atau jenis-jenis omong-kosong quantum lain yang diperdebatkan fisikawan di mharapan lalu. derau hogan timbul bila ruang tidak halus dan tidak malar (smooth and continuous), bukan mirip asumsi lama kita; menjadi latar untuk tarian medan-medan dan partikel-partikel. derau hogan timbul bila ruang terbuat dari bongkah-bongkah. blok-blok. bit-bit. derau hogan mengimplikasikan alam semesta ini digital.
suatu sore di awal animo gugur, berangin sepoi, hogan mengajak aku melihat mesin yang dibangunnya untuk menemukan derau ini. bangsal biru cerah menjulang dari padang rumput kecokelatan kampus fermilab, satu-satunya tanda konstruksi baru di fasilitas berumur 45 tahun ini. sebuah pipa selebar kepalan tangan membentang 40 meter dari bangsal menuju bunker panjang tegak lurus, bekas rumah sorot yang selama berdekade-dekade menembakkan partikel-partikel subatom ke minnesota di utara. bunker ini dijsaudara termudaan, kata hogan, sebagai holometer, perangkat yang dirancang untuk memperkuat kerlipan di struktur ruang.
dia mengeluarkan sepotong tebal kapur trotoar dan mulai menulis pada samping bangsal biru langit tersebut, kuliah dadakan yang memperinci bagaimana beberapa laser yang melambung lewat pipa-pipa dapat memperkuat struktur halus ruang. dia mengawali dengan menterangkan bagaimana dua teori tersukses di abad 20—mekanika quantum dan relativitas umum—tak mungkin bisa direkonsiliasikan. pada skala terkecil, keduanya runtuh menjadi bualan. tapi, untuk alharapann lain, skala ini juga rupanya istimewa: ia kebetulan terhubung intim dengan sains berita—0 dan 1-nya alam semesta. selama beberapa dekade terakhir, fisikawan telah membongkar pemahaman mendalam perihal bagaimana alam semesta menyimpan berita—bahkan mereka menyatakan bahwa berita, bukan materi dan energi, merupakan satuan keberadaan paling dharapanr. berita menunggang bit-bit kecil; dari bit-bit inilah kosmos berharapanl.
bila kita mengambil serius garis pemikiran ini, kata hogan, semestinya kita bisa mengukur derau digital ruang. maka dari itu, dia telah merancang sebuah eksperimen untuk mengeksplorasi dengungan pada skala paling fundamental di alam semesta. dia akan menjadi orang pertama yang memgosiphu anda bahwa ini mungkin tidak bekerja—bahwa dia mungkin tidak melihat apa-apa sama sekali. upayanya merupakan eksperimen dalam pengertian paling sejati—sebuah percobaan, sebuah penyelidikan hal-hal tak dikenal. “anda tak bisa memakai fisika ruangwaktu yang sudah teruji dan fisika mekanika quantum yang sudah teruji lalu mengkalkulasi apa yang akan kita lihat,” ujar hogan. “tapi bagi aku, itulah alharapann melakukan eksperimen ini—untuk masuk dan melihat.”
lantas bila dia betul-betul melihat kerlipan ini? maka ruang dan waktu tidak mirip yang kita pikirkan. “ini mengubah arsitektur fisika,” kata hogan.
singkatnya
ruang mungkin tidak lembut dan malar. justru kemungkinan ia digital, terdiri dari bit-bit kecil. fisikawan berasumi bit-bit ini terlampau kecil untuk diukur dengan teknologi sekarang.
tapi salah seorang ilmuwan merharapan menemukan cara untuk mendeteksi struktur ruang mirip bit. mesinnya—kini sedang dikonstruksi—akan berupaya mengukur sifatnya yang mirip butir.
eksperimen ini salah satu yang pertama menyelidiki prinsip bahwa alam semesta timbul dari berita—rincinya, berita yang tercetak pada lembar dua-dimensi.
bila sukses, eksperimen ini akan menggeser fondasi segala yang kita ketahui perihal ruang dan waktu, menyediakan pandangan fisika baru yang dapat menggantikan pemahaman kita ketika ini.
selama bertahun-tahun, fisika partikel tidak membedah model eksplorasi jenis ini. para ilmuwan menghabiskan akhir 1960-an dan awal 1970-an dengan mengembangkan jejaring teori dan pemahaman yang kini kita kenal sebagai standard model fisika partikel. selama berdekade-dekade, semenjak ketika itu, eksperimen-eksperimen mengujinya dengan kedalaman dan presisi yang kian meningkat. “polanya ialah, komunitas teori sudah menelurkan sebuah wangsit—contoh, boson higgs—dan kita memperoleh model. dan model membuat prediksi, lalu eksperimen menyingkirkannya atau tidak,” kata hogan. teori duluan, eksperimen menyusul.
konservatisme ini eksis untuk alharapann yang sangat bagus: eksperimen fisika partikel bisa amat mahal. large hadron collwangsitr (lhc) di cern dekat jenewa membutuhkan sekitar $5 miliar untuk dirakit dan sekarang menyita perhatian ribuan fisikawan di seluruh dunia. ia ialah kompleks paling canggih dan mesin paling presisi yang pernah dibangun. ilmuwan terang-terangan bertanya apakah particle collwangsitr generasi berikutnya—dengan energi lebih tinggi, ukuran lebih besar, dan biaya lebih mahal—terlalu ambisius. insan pantas menolak membiayainya.
eksperimen tipikal di lhc melibatkan lebih dari 3.000 periset. di fermilab, hogan telah membangun tim longgar yang terdiri dari kira-kira 20 orang, sudah termasuk para penasehat senior di massachusetts institute of technology dan universitas michigan yang tidak berpartisipasi dalam pekerjaan harian di lokasi. hogan utamanya ialah fisikawan teoritis—tidak terlalu familiar dengan tingkah aneh pompa vakum dan laser status-pnorma (solid-state laser)—jadi dia menunjuk aaron chou, eksperimentalis yang kebetulan tiba di fermilab hampir bersamaan dengan pengajuan proposal hogan, sebagai wakil pimpinan. animo panas lalu, mereka dihadiahi $2 juta, yang kalau di lhc hanya cukup untuk membeli magnet superkonduktif dan secangkir kopi. uang ini akan mendanai seluruh proyek. “kami tidak akan mengerjakan urusan high-tech bila low-tech mencukupi,” ujar hogan.
eksperimen ini begitu murah alharapannnya ialah pada dharapanrnya merupakan pembaruan eksperimen yang terkenal meruntuhkan kearifan kokoh abad 19 perihal latar belakang keberadaan. menjelang awal 1800-an, fisikawan tahu bahwa cahaya berperilaku sebagai gelombang. dan ilmuwan mengenal gelombang. dari riakan di kolam hingga bunyi di udara, semua gelombang membuatkan beberapa fitur esensial. mirip seni ukir, gelombang selalu memerlukan medium—suatu substrat fisik yang harus ditempuh gelombang. karena cahaya ialah gelombang, lanjut pemikiran ini, ia juga sempurna memerlukan medium, zat gaib yang merembesi alam semesta. ilmuwan menyebut medium tersembunyi ini sebagai eter.
pada 1887, albert michelson dan edward morley merancang eksperimen yang akan mencari eter ini. mereka membuat sebuah interferometer—perangkat berbentuk l dengan dua lengan, dioptimisasi untuk mengukur perubahan. satu sumber cahaya menempuh panjang kedua lengan, memantul dari cermin-cermin di ujung, lalu bergabung kembali di titik awal. bila lama waktu yang diharapkan cahaya untuk menyusuri tiap lengan berubah sepecahan mikrodetik saja, maka cahaya rekombinasi akan lebih gelap. michelson dan morley membangun interferometer mereka dan memonitor cahaya tersebut selama berbulan-bulan sementara bumi mengelilingi matahari. tergantung pada arah mana yang ditempuh bumi, eter stasioner semestinya mengubah waktu yang diharapkan cahaya untuk melambungi lengan-lengan tegak lurus. ukur perubahan ini, maka anda temukan eter.
tentu saja, eksperimen ini tidak menemukan hal demikian, hingga mengawali kerunilahi kosmologi berumur ratusan tahun. tapi mirip hutan yang dilalap api, menyingkirkan eter memungkinkan tumbuhnya wangsit-wangsit baru dan revolusioner. tanpa eter, cahaya berjalan dengan kecepatan yang sama, tak peduli bagaimana anda bergerak. berdekade-dekade kemudian, albert einstein menangkap pengertian ini untuk menerima teori-teori relativitasnya.
interferometer milik hogan akan mencari latar belakang yang sangat mirip eter—substrat gaib (dan mungkin imajiner) yang merembesi alam semesta. dengan memakai dua interferometer michelson yang ditumpuk, dia bermaksud menyelidiki skala-skala terkecil di alam semesta, jminuman beralkohol di mana mekanika quantum dan relativitas runtuh—kawharapann di mana berita hidup sebagai bit-bit.
skala planck tak hanya kecil—ia paling kecil. bila anda mengurung sebuah partikel di dalam kubus yang panjang tiap sisinya kurang dari satu panjang planck, relativitas umum menyebut beratnya lebih dari black hole berukuran sama. tapi hukum mekanika quantum menyatakan black hole yang lebih kecil dari panjang planck harus memiliki kurang dari satu quantum energi, yang mana mustahil. pada panjang planck terdapat paradoks.
tapi panjang planck lebih dari sekadar ruang di mana mekanika quantum dan relativitas ambruk. pada beberapa dekade lalu, sebuah argumen mengenai sifat black hole telah menyingkap pemahaman yang sama sekali baru perihal skala planck. teori-teori terbaik kita mungkin runtuh di sana, tapi di tempat mereka, muncullah sesuatu yang lain. esensi alam semesta ialah berita, demikian bunyi garis pemikiran ini, dan bit-bit fundamental berita yang melahirkan alam semesta hidup pada skala planck.
“berita berarti pembedaan benda-benda,” terang fisikawan universitas stanford, leonard susskind, dalam sebuah kuliah di universitas new york animo panas lalu. “ada sebuah prinsip fisika amat dharapanr bahwa pembedaan tak pernah hilang. mereka mungkin berdesakan atau bercampur aduk, tapi mereka tak pernah lenyap.” bahkan setelah majalah [scientific american] ini dilarutkan menjadi bubur kertas di pabrik daur ulang, berita di halaman-halaman ini akan tersusun kembali, bukan terhapus. secara teori, pembusukan dapat dibalik—bubur kertas direkonstruksi menjadi goresan pena dan foto—sekalipun, secara praktek, tugas ini terharapan mustahil.
fisikawan sudah lama menyepakati prinsip ini kecuali dalam satu kasus khusus. bagaimana seandainya majalah ini dilempar ke dalam black hole? bagaimanapun tak ada yang pernah muncul dari black hole. lempar halaman-halaman ini ke dalam black hole, maka black hole tersebut terlihat nyaris sama persis mirip sebelumnya—barangkali beberapa gram lebih berat. bahkan setelah stephen hawking menawarkan pada 1975 bahwa black hole dapat meradiasikan materi dan energi (dalam bentuk yang kini kita sebut radiasi hawking), radiasi ini tak berstruktur, [cuma bunyi] embékan datar di kosmos. dia menyimpulkan black hole sempurna menghancurkan berita.
omong-kosong, sanggah sejumlah kolega hawking, di antaranya susskind dan gerard ‘t hooft, fisikawan di universitas utrecht, belanda, yang kemudian memenangkan hadiah nobel. “struktur segala yang kita kenal akan hancur bila anda membuka pintu sesedikit apapun untuk gagharapann hilangnya berita,” terang susskind.
namun hawking tak beliah diyakinkan. jadi selama dua dekade berikutnya fisikawan mengembangkan sebuah teori baru yang dapat mengambarkan selisih tersebut. inilah prinsip holografi, berpandangan bahwa ketika sebuah objek jatuh ke dalam black hole, materi di dalamnya mungkin hilang, tapi berita objek entah bagaimana tercetak pada permukaan sekeliling black hole. dengan alat yang sempurna, secara teoritis anda dapat merekonstruksi majalah ini dari black hole selayaknya dari bubur kertas di pabrik daur ulang. horizon peristiwa black hole—titik tanpa kembali—bertugas ganda sebagai bukubesar. berita tidak hilang.
prinsip ini lebih dari sekadar trik akuntansi. ia mengimplikasikan bahwa sementara dunia sekeliling kita tampak menempati tiga dimensi, semua berita perihalnya tersimpan pada permukaan yang memiliki dua dimensi saja [lihat “berita di alam semesta holografis”, goresan pena jacob d. bekenstein, scientific american, agustus 2003]. lebih jauh, ada batharapann untuk jumlah berita yang dapat disimpan pada area permukaan tertentu. bila anda membagi permukaan mirip papan permainan dam, di mana tiap persegi memiliki sisi dua panjang planck, kandungan berita akan selalu kurang dari jumlah persegi.
dalam serangkaian mlogikaah di tahun 1999 dan 2000, raphael bousso, kini di universitas california, berkeley, menawarkan cara memperluas prinsip holografi ini di luar permukaan-permukaan sederhana sekitar black hole. dia membayangkan sebuah objek dikelilingi bohlam-bohlam potret (flashbulb) yang padam dalam gelap. cahaya yang berjalan ke dalam menetapkan satu permukaan—gelembung yang kempis dengan kecepatan cahaya. pada permukaan dua-dimensi inilah—yang disebut tilam cahaya—semua berita perihal anda (atau virus flu atau supernova) tersimpan [lihat boks di bawah].
berita tilam
tilam cahaya ini, menurut prinsip holografi, melakukan banyak pekerjaan. ia berisi berita posisi setiap partikel di dalam tilam, setiap elektron, quark, dan neutrino, dan setiap gaya yang beraksi terhadap mereka. tapi keliru bila anda membayangkan tilam cahaya sebagai sepotong film, secara pasif merekam kejadian nyata yang bereksklusif di dunia. justru tilam cahaya duluan. ia memproyeksikan berita yang terkandung di permukaannya ke dunia, menciptakan segala yang kita lihat. dalam beberapa interpretasi, tilam cahaya bukan hanya menghasilkan semua gaya dan partikel—ia melahirkan struktur ruangwaktu itu sendiri. “aku yakin ruangwaktulah yang muncul,” kata hermant verlinde, fisikawan di universitas princeton dan bekas mahasiswa ‘t hooft. “ia akan keluar dari segerombol 0 dan 1.”
satu mharapanlah: walaupun fisikawan hampir sepakat bahwa prinsip holografi itu benar—bahwa berita pada permukaan sekitar mengandung semua berita perihal dunia—mereka tidak tahu bagaimana berita tersebut dienkode, atau bagaimana alam memproses 1 dan 0, atau bagaimana hasil pemrosesan tersebut melahirkan dunia. mereka curiga alam semesta bekerja mirip komputer—berita menghasilkan apa yang kita persepsikan sebagai realitas fisik—tapi kali ini komputernya ialah kotak hitam besar.
puncaknya, alharapann mengapa fisikawan begitu bergairah dengan prinsip holografi, alharapann mengapa mereka menghabiskan berdekade-dekade untuk mengembangkannya—tentu saja selain untuk meyakinkan hawking bahwa dirinya keliru—ialah karena prinsip ini mengartikulasikan kekerabatan mendalam antara berita, materi, dan gravitasi. pada akhirnya, prinsip holografi dapat mengungkap cara merekonsiliasikan dua pilar fisika abad 20 yang sangat sukses tapi tidak rukun: mekanika quantum dan relativitas umum. “prinsip holografi ialah papan penunjuk jalan menuju gravitasi quantum,” kata bousso, sebuah tinjauan yang mengarah pada teori yang akan menggantikan pemahaman terkini kita akan dunia. “mungkin kita butuh lebih banyak papan penunjuk jalan.”
ke dalam kekacauan inilah hogan masuk, tanpa theory of everything yang hebat, bersenjatakan holometer sederhana. tapi hogan tidak butuh teori hebat. dia tak harus memecahkan semua duduk perkara sulit ini. dia hanya perlu memahami satu fakta fundamental: apakah alam semesta ialah dunia mirip bit, atau bukan? bila dia bisa melakukannya, dia akan menghasilkan satu papan penunjuk jalan—anak panah raksharapan yang menunjuk ke arah alam semesta digital, dan fisikawan akan tahu arah mana yang harus ditempuh.
menurut hogan, di dunia mirip bit, ruang sendiri [bersifat] quantum—ia muncul dari bit-bit diskret terquantisasi pada skala planck. dan bila ia quantum, ia sempurna mengidap ketidaksempurnaan mekanika quantum yang inheren. ia tidak duduk membisu, latar halus untuk kosmos. sebaliknya, fluktuasi-fluktuasi quantum menjsaudara termudaan ruang meremang dan bervibrasi, menggeser dunia bersamanya. “alih-alih alam semesta ala eter klasik, transparan, bertipe kristal,” kata nicholas b. suntzeff, astronom di texas a&m university, “pada skala amat sangat kecil, terdapat fluktuasi-fluktuasi kecil mirip buih. ini mengubah tekstur alam semesta secara luar biharapan.”
triknya ialah turun ke level buih ruangwaktu ini dan mengukurnya. dan di sini kita menjumpai duduk perkara panjang planck. holometer hogan merupakan perjuangan untuk melancarkan serbuan besar-besaran terhadap panjang planck—satuan yang demikian kecil, hingga-hingga untuk mengukurnya dengan eksperimen konvensional (semisal akselerator partikel) perlu membangun mesin seukuran bima sakti.
dahulu, ketika michelson dan morley menyelidiki eter (khayali), interferometer mereka mengukur perubahan kecil—perubahan pada kecepatan cahaya sementara bumi mengelilingi matahari—dengan membandingkan dua sorot cahaya yang berjalan lumayan jauh. praktisnya, jminuman beralkohol tersebut melipatgandakan sinyal. demikian pula dengan holometer hogan. strateginya untuk turun ke [level] panjang planck ialah dengan mengukur akumulasi error yang bertambah ketika berurusan dengan sistem quantum berkerlip-kerlip.
“bila aku memandang tv atau monitor komputer, segalanya tampak mengagumkan dan halus,” kata chou. “tapi bila anda memandangnya dari dekat, anda bisa melihat piksel-piksel.” begitu pula dengan ruangwaktu. pada level yang nyaman bagi kita insan—skala orang, bangunan, dan mikroskop—ruang tampak halus dan malar. kita tak pernah melihat kendaraan beroda empat melaju di jalan raya dengan melompat seketika dari satu tempat ke tempat sebelahnya seolah disinari dengan lampu strob ilahi.
tapi di dunia holografis hogan, persis inilah yang terjadi. ruang sendiri [bersifat] diskret—atau, menurut istilah di zaman kita, “terquantisasi” [lihat “atom ruang dan waktu”, goresan pena lee smolin, scientific american, januari 2004]. ia timbul dari suatu sistem yang lebih dalam, suatu sistem quantum secara fundamental, yang belum kita pahami. “rharapannya aku mirip menipu, alharapannnya ialah aku tidak punya teori,” kata hogan. “tapi ini baru langkah pertama. aku bisa katakan kepada para teoris gravitasi, ‘hei, kalian, pikirkan cara kerjanya.’”
holometer hogan dibentuk sangat mirip dengan buatan michelson dan morley, sekiranya michelson dan morley punya akses ke mikroelektronika dan laser dua watt. laser mengenai sebuah pembelah sorot yang memisahkan cahaya menjadi dua. sorot-sorot ini menempuh dua lengan interferometer berbentuk l sepanjang 40 meter, memantul dari cermin di tiap ujung, lalu kembali ke pembelah sorot dan bergabung kembali. tapi bukannya mengukur gerak bumi menerobos eter, hogan justru mengukur perubahan panjang jalur sebagai hasil dari terdorong-dorongnya pembelah sorot di struktur ruang. bila pada skala planck, ruangwaktu menggelepar-gelepar mirip laut bergolak, maka pembelah sorot ialah sampan yang terhempas-hempas menerobos buih. selama waktu yang dihabiskan sinar laser untuk melintas keluar dan kembali lewat holometer, pembelah sorot akan telah bergoncang [sejauh] panjang planck untuk terdeteksi [lihat boks di bawah].
cara kerja
mikroskop panjang planck
dengan holometernya, hogan akan mencoba mengukur kerlipan di ruangwaktu pada skala terkecil. perangkat ini terdiri dari dua interferometer, instrumen yang memperkuat perubahan kecil pada jminuman beralkohol [bawah satu]. terdeteksinya kerlipan mengindikasikan ruangwaktu ialah digital—terbagi menjadi paket-paket diskret [bawah dua].
holometer
kerlipan ruang
tentu saja anda dapat membayangkan banyak penyebab kenapa pembelah sorot bergerak ke sana kemari sejauh beberapa panjang planck—gemuruh mesin kendaraan beroda empat di luar gedung, misalnya, atau angin kencang illinois yang menggoncang fondasi.
urusan mirip ini telah menyusahkan para ilmuwan di balik proyek interferometer lainnya, detektor kembar laser interferometer gravitational-wave observatory (ligo) di luar livingston, los angeles, dan hanford, washington. eksperimen-eksperimen masif ini didirikan untuk mengobservasi gelombang gravitasi—riakan di ruangwaktu yang muncul setelah bencana kosmik mirip tubrukan bintang neutron. sial bagi ilmuwan ligo, gelombang-gelombang gravitasi menggoncang tanah pada frekudapan manisnsi yang sama dengan benda-benda yang tidak begitu menarik—truk lewat dan pohon jatuh misalnya. dengan demikian, detektor harus diisolasi total dari derau dan getaran. (proposal pembangunan ladang turbin angin dekat fasilitas hanford menimbulkan kekhawatiran di kalangan fisikawan alharapannnya ialah getaran sirip-siripnya saja akan membanjiri detektor dengan derau.)
goncangan yang dicari hogan bereksklusif jauh lebih cepat—vibrasi yang berkerlap-kerlip sejuta kali per detik. dengan demikian, ini tidak rentan terhadap derau tadi—namun ada kemungkinan interferensi dari stasiun-stasiun radio am sekitar yang bersiaran pada frekudapan manisnsi sama. “tak ada yang bergerak pada frekudapan manisnsi tersebut,” kata stephen meyer, fisikawan universitas chicago dan veteran ligo yang sedang mengerjakan holometer. “bila kami menemukan ada pergerakan, kami akan menganggapnya sebagai isyarat sempurna” bahwa kerlipan memang nyata.
dan di dunia fisika partikel, isyarat sempurna sulit didapat. “ini agak kuno,” kata hogan. “gaya kuno fisika ini dimintai bantuan, dengan kata lain, ‘kami akan mencaritahu apa yang alam lakukan, tanpa prharapanngka.’” sebagai ilustrasi, dia suka menceritakan perumpamaan harapanl-usul relativitas dan mekanika quantum. einstein menemukan teori relativitas umum dengan duduk di mejanya dan mengerjakan matematikanya dari prinsip-prinsip pertama. ada beberapa kegalauan eksperimen yang dipecahkan—padahal, uji eksperimen riil pertamanya baru datang bertahun-tahun kemudian. mekanika quantum, di sisi lain, dibebankan kepada teoris dengan hasil-hasil eksperimen memgalaukan. (tak ada teoris berotak waras yang mau menemukan mekanika quantum kecuali kalau dipaksa oleh data,” ujar hogan.) tapi ini telah menjadi teori tersukses dalam sejarah sains.
sama halnya, para teoris telah bertahun-tahun membangun teori-teori menawan mirip teori string, walaupun belum terang bagaimana atau apakah ia dapat diuji. hogan memandang tujuan holometer ini sebagai jalan untuk menciptakan data memgalaukan yang harus diterangkan oleh teoris di mharapan mendatang. “keadaan sudah lama tersendat,” katanya. “bagaimana anda melancarkannya? terkadang dilancarkan dengan eksperimen.”
