Salah satu masalah terbesar yang belum terpecahkan dalam fisika berkaitan dengan bilangan yang dikenal sebagai konstanta kosmologis. Nilai ini menggambarkan energi yang bertanggung jawab atas percepatan perluasan alam semesta. Hal ini juga menjadi inti konflik besar antara dua teori ilmiah paling sukses.
Menurut teori medan kuantum (QFT), kerangka yang menggambarkan partikel elementer dan interaksinya, ruang kosong seharusnya diisi dengan fluktuasi kuantum yang menghasilkan energi dalam jumlah besar. Faktanya, perhitungan menunjukkan bahwa konstanta kosmologis seharusnya sangat besar, mendekati tak terhingga.
Namun pengamatan menunjukkan sesuatu yang sangat berbeda. Nilai sebenarnya dari konstanta kosmologis sangatlah kecil dibandingkan dengan prediksi teori.
Para peneliti di Brown University telah mengajukan penjelasan yang mungkin.
Pekerjaan mereka menunjukkan bahwa fitur matematika dari ruang-waktu itu sendiri dapat mencegah konstanta kosmologis mencapai nilai yang sangat besar yang diharapkan dari fisika kuantum. Idenya didasarkan pada hubungan tak terduga antara gravitasi kuantum dan efek Hall kuantum, sebuah fenomena luar biasa dalam fisika benda terkondensasi.
Hubungan yang mengejutkan antara gravitasi kuantum dan efek Hall kuantum
Tim menemukan bahwa matematika di balik pendekatan sederhana terhadap gravitasi kuantum sangat mirip dengan matematika yang menggambarkan efek Hall kuantum, suatu keadaan materi yang tidak biasa di mana konduktansi listrik memiliki nilai yang sangat tepat.
Dalam efek Hall kuantum, nilai-nilai ini tetap meskipun bahan penghantar mengandung ketidaksempurnaan. Stabilitas berasal dari topologi, cabang matematika yang berkaitan dengan “bentuk” atau struktur yang mendasari suatu sistem.
Para peneliti berpendapat bahwa jenis topologi serupa muncul di negara bagian Chern-Simons-Kodama, sebuah keadaan dasar gravitasi kuantum yang diusulkan.
“Apa yang kami tunjukkan adalah jika ruangwaktu memiliki topologi non-trivial, maka hal tersebut memecahkan salah satu masalah konstanta kosmologis yang paling mematikan,” kata Stephon Alexander, salah satu penulis studi dan profesor fisika di Brown. “Semua gangguan kuantum yang seharusnya menyebabkan nilai konstanta kosmologis meledak menjadi inert oleh topologi ini, yang menjaga nilai konstanta tetap stabil.”
Studi ini, ditulis bersama oleh rekan Alexander dan Brown Center for Theoretical Physics Aaron Hui dan Heliudson Bernardo, diterbitkan di Surat Pemeriksaan Fisik.
Konstanta kosmologis Einstein yang ‘jelek’
Konstanta kosmologis pertama kali muncul dalam persamaan relativitas umum Albert Einstein, teorinya tentang ruang, waktu, dan gravitasi.
Pada saat itu, Einstein percaya bahwa alam semesta bersifat statis. Untuk mencegah persamaannya memprediksi keruntuhan alam semesta, ia memperkenalkan konstanta kosmologis sebagai semacam efek tolak-menolak di ruang kosong yang mengimbangi gravitasi.
Gagasan ini tampaknya tidak diperlukan setelah Edwin Hubble pada tahun 1929 menemukan bahwa alam semesta mengembang. Karena kosmos pada dasarnya tidak statis, Einstein menghilangkan istilah tersebut dari persamaannya. Dia rupanya tidak menyukai hal ini secara terus-menerus dan kemudian menyebutnya sebagai “kesalahan terbesarnya”.
Selama beberapa dekade, konstanta kosmologis telah kehilangan arti pentingnya.
Kemudian, pada tahun 1998, para astronom menemukan sesuatu yang mengejutkan: perluasan alam semesta semakin cepat. Alih-alih menghilang dari cerita, konstanta kosmologis tiba-tiba menjadi penting kembali karena dapat menjelaskan percepatan perluasan ini.
Masalah konstanta kosmologis
Kebangkitan konstanta kosmologis telah menimbulkan masalah serius.
Selama tahun-tahun ketika konstanta tidak lagi disukai, teori medan kuantum telah menjadi salah satu teori ilmiah paling sukses dan landasan Model Standar fisika partikel.
QFT mendeskripsikan ruang kosong sebagai sesuatu yang tidak kosong. Sebaliknya, ia dipenuhi dengan partikel yang terus-menerus muncul dan menghilang karena fluktuasi kuantum.
Semua aktivitas ini harus menyumbangkan energi vakum dalam jumlah besar. Energi vakum ini dikaitkan dengan konstanta kosmologis, yang berarti konstanta tersebut pasti sangat besar.
Namun pengamatan menunjukkan bahwa hal ini tidak terjadi.
Jika konstanta kosmologis sebesar prediksi QFT, alam semesta akan mengembang begitu cepat sehingga galaksi, bintang, planet, dan kehidupan tidak akan pernah terbentuk.
Ketidaksesuaian antara teori dan observasi tetap menjadi salah satu masalah paling membingungkan dalam fisika modern. Teka-teki ini semakin mengejutkan karena eksperimen telah berulang kali mengkonfirmasi ketepatan luar biasa teori medan kuantum dalam konteks lain.
Solusi topologi
Alexander menghabiskan waktu bertahun-tahun mempelajari teori Chern-Simons-Kodama (CSK), sebuah usulan keadaan gravitasi kuantum yang muncul dari teori medan kuantum.
Fisikawan masih belum memiliki teori gravitasi kuantum lengkap yang menjelaskan gravitasi pada skala terkecil. Menurut Alexander, pendekatan CSK merupakan salah satu kemungkinan yang paling sederhana.
“Ini adalah pendekatan yang sangat konservatif dalam mengukur tingkat keparahan,” katanya. “Ini adalah pendekatan yang digunakan oleh orang-orang seperti Dirac, Schrödinger, dan Wheeler. Ini hanyalah kuantifikasi kuno yang bagus.”
Alexander telah lama memperhatikan kesamaan antara teori CSK dan matematika efek Hall kuantum. Untuk lebih memahami hubungan ini, dia berkolaborasi dengan Hui, asisten profesor di Brown yang mempelajari sistem topologi.
“Itulah keindahan dari Brown Theoretical Physics Center,” kata Alexander. “Kami ingin menjadi tempat di mana banyak perspektif bercampur, dan kami mempraktikkan apa yang kami khotbahkan: seorang kosmolog yang bekerja erat dengan ahli teori materi terkondensasi.”
Bagaimana Topologi Menciptakan Stabilitas
Para peneliti menemukan bahwa konstanta kosmologis dalam kerangka CSK tampaknya mendapat manfaat dari jenis perlindungan topologi yang sama seperti yang terlihat pada efek kuantum Hall.
Efek kuantum Hall terjadi ketika listrik mengalir melalui material yang sangat tipis yang terkena medan magnet.
Bayangkan sepotong logam tipis berbentuk persegi panjang yang dialiri arus listrik. Ketika medan magnet diterapkan, tegangan kedua timbul tegak lurus terhadap arus. Efek ini menghasilkan apa yang disebut tegangan Hall (dinamai menurut Edwin Hall yang menemukannya).
Dalam kondisi biasa, tegangan Hall berubah secara bertahap seiring dengan meningkatnya medan magnet.
Namun, pada suhu yang sangat dingin dan medan magnet yang sangat kuat, perilakunya berubah secara dramatis. Alih-alih bervariasi secara bertahap, tegangan Hall meningkat dalam tahapan dan dataran tinggi yang berbeda. Hebatnya, nilai-nilai tersebut tetap sama terlepas dari bahan yang digunakan atau ketidaksempurnaan yang dikandungnya.
Keandalan ini berasal dari topologi.
Dalam kondisi ekstrim ini, elektron berperilaku kolektif dan memasuki keadaan kuantum yang sangat berkorelasi. Topologi keadaan ini menetapkan nilai langkah dan dataran tinggi, menjadikannya tahan terhadap gangguan dan kesalahan.
Para peneliti Brown mengatakan proses analog terjadi dalam deskripsi gravitasi kuantum CSK.
Sama seperti topologi yang mengunci tegangan Hall dalam nilai tertentu, topologi ruangwaktu dapat mengunci konstanta kosmologis dalam nilai stabil, melindunginya dari fluktuasi kuantum yang akan mendorongnya jauh lebih tinggi.
“Apa yang kami temukan adalah kuantifikasi konduktansi listrik di Aula kuantum memiliki analogi dengan konstanta kosmologis,” kata Hui. “Ia juga akhirnya dikuantisasi karena alasan topologi. Ternyata ada batasan dalam teori yang memaksa konstanta kosmologis mengambil nilai terkuantisasi tertentu yang diperbolehkan.”
Arah baru gravitasi kuantum
Alexander menunjukkan bahwa diperlukan lebih banyak penelitian sebelum penjelasan topologi tentang konstanta kosmologis dapat ditetapkan sepenuhnya.
Namun ia percaya bahwa hasil ini mewakili langkah penting menuju penyelesaian masalah gravitasi. Penelitian ini juga memperkuat argumen bahwa negara bagian CSK merupakan kandidat serius bagi teori gravitasi kuantum di masa depan.
“Kami mengambil sesuatu yang lama, yaitu pendekatan konservatif dan kanonik terhadap gravitasi kuantum, dan menemukan sesuatu yang baru yang telah ada selama ini,” kata Alexander. “Sekarang kami sedang mengerjakan pandangan yang lebih luas tentang bagaimana fenomena ini terjadi.”
