Jika Anda terus memecah apel menjadi potongan-potongan yang semakin kecil, pada akhirnya Anda akan mendapatkan molekul, atom, dan kemudian partikel kecil dalam atom, seperti proton, quark, dan gluon. Namun menurut teori string, perjalanannya tidak berakhir di situ. Pada skala sekitar satu miliar triliun kali lebih kecil dari proton, fisikawan mengusulkan bahwa segala sesuatu dapat dibuat dari string yang sangat kecil dan bergetar.
Teori string pertama kali muncul pada tahun 1960-an sebagai cara yang mungkin untuk memecahkan salah satu masalah terbesar fisika: menggabungkan mekanika kuantum, yang mengatur partikel terkecil, dengan relativitas umum, teori Einstein yang menjelaskan gravitasi dan struktur alam semesta berskala besar. Para ilmuwan telah lama berjuang untuk menyatukan keduanya, karena persamaan tersebut sering kali berubah menjadi ketidakterbatasan matematis ketika gravitasi dimasukkan dalam skala kuantum.
Teori string menawarkan solusi potensial untuk masalah ini. Dalam teorinya, setiap partikel, termasuk graviton hipotetis yang membawa gaya gravitasi, berasal dari getaran string kecil yang berbeda. Matematika juga mensyaratkan bahwa rantai tersebut ada setidaknya dalam 10 dimensi, bukan empat dimensi yang dialami manusia.
Masih ada kendala besar. Menguji teori string secara langsung akan membutuhkan energi yang sangat ekstrim sehingga peneliti memerlukan penumbuk partikel sebesar galaksi.
Fisika bootstrap dan teori string
Karena eksperimen langsung tidak mungkin dilakukan dengan teknologi saat ini, fisikawan sedang menjajaki metode lain. Salah satu strategi yang menjanjikan dikenal sebagai pendekatan bootstrap. Daripada mendalilkan teori terperinci sejak awal, para ilmuwan memulai dengan beberapa prinsip umum yang harus dipatuhi oleh alam, dan kemudian menentukan hukum mana yang muncul secara alami.
Dalam studi baru berjudul “Strings from Almost Nothing”, yang diterima untuk dipublikasikan di Physical Review Letters, para peneliti dari Caltech, New York University, dan Institut de Fisica d’Altes Energies di Barcelona menggunakan strategi ini untuk mempelajari perilaku partikel pada energi yang sangat tinggi. Berangkat dari beberapa hipotesis tentang bagaimana partikel menyebar selama tumbukan, mereka secara tak terduga sampai pada ciri mendasar teori string.
“Stringnya melemah,” kata Clifford Cheung, profesor fisika teoretis dan direktur Forum Leinweber untuk Fisika Teoretis di Caltech. “Kami tidak memulai dengan asumsi apa pun tentang rantai tersebut, namun kemudian solusinya berisi ciri-ciri mendasar dari rantai tersebut.”
Meskipun hasilnya tidak membuktikan teori string secara eksperimental, Cheung mengatakan hasilnya mengejutkan karena banyak hasil matematis yang berbeda-beda yang mungkin terjadi. Sebaliknya, perhitungannya menunjuk pada satu solusi.
Menara partikel yang tak terbatas
Salah satu fitur terpenting yang muncul dari perhitungan ini dikenal sebagai spektrum string. Pada akhir tahun 1960-an, fisikawan teoretis Italia Gabriele Veneziano mengembangkan fungsi matematika di CERN yang menggambarkan “menara” partikel misterius yang diamati dalam eksperimen penumbuk. Partikel-partikel tersebut muncul dalam urutan di mana massa dan putaran meningkat secara teratur.
“Pada masa Veneziano, penumbuk partikel melihat semburan sampah yang keluar dari tumbukan, partikel dengan massa berbeda. Sungguh menakjubkan dan tidak ada yang tahu apa yang terjadi. Veneziano menulis sebuah fungsi untuk mendeskripsikan semua massa, mengungkap menara partikel yang tak terbatas,” kata Cheung.
Para peneliti kemudian menyadari bahwa pola ini menyerupai harmonik dawai yang bergetar. Saat senar biola dipetik, akan dihasilkan bunyi utama serta rangkaian nada tambahan. Teori string menyatakan bahwa partikel muncul dari pola getaran yang serupa.
Pada tahun 1974, fisikawan Caltech John Schwarz dan fisikawan Prancis Joël Scherk menyadari bahwa teori string juga dapat mencakup gravitasi. Penemuan ini menciptakan salah satu hubungan penting pertama antara teori string dan relativitas umum.
“Seperti semua fisikawan partikel pada masa itu, kami sebelumnya tidak tertarik pada gravitasi. Teori string berperilaku baik pada energi yang sangat tinggi, tidak seperti teori relativitas umum Einstein, yang bertahan sebagai perkiraan energi rendah. Oleh karena itu, meskipun masih banyak yang belum dipahami, kami sangat gembira bahwa versi teori string dapat memberikan teori kuantum terpadu untuk segala hal,” kata Schwarz.
Menurut teori string, mode getaran yang berbeda menghasilkan partikel yang berbeda. Foton, misalnya, berasal dari string terbuka yang bergetar dalam mode paling sederhana, sedangkan graviton berasal dari string bergetar tertutup.
Mengapa gravitasi kuantum runtuh
Studi baru ini berfokus pada hamburan amplitudo, ekspresi matematika yang menggambarkan hasil tumbukan partikel. Ketika para ilmuwan menggunakan relativitas umum untuk menghitung tumbukan pada energi yang sangat tinggi di dekat skala Planck, perhitungan tersebut berhenti bekerja dengan benar dan menghasilkan ketidakterbatasan.
“Jika Anda mengambil relativitas umum dan menyebarkan energi yang sangat tinggi pada apa yang disebut skala Planck – yaitu sekitar 19 kali lipat lebih tinggi dari massa proton – Anda mendapatkan hasil yang tidak masuk akal. Semuanya hancur total,” kata Cheung.
Teori string menghindari ketidakterbatasan ini berkat sifat yang disebut ultrasoftness. Pada energi yang sangat tinggi, string secara efektif mendistribusikan interaksi, mencegah perilaku kekerasan yang biasanya menyebabkan persamaan gagal.
“Dalam kerangka teori string, ketika Anda meningkatkan transfer energi antar partikel, Anda akan melihat penurunan cepat dalam kemungkinan partikel-partikel tersebut berhamburan. Seolah-olah partikel-partikel tersebut bahkan tidak ingin berhamburan satu sama lain, melainkan lewat dengan bebas,” kata Cheung. “Amplitudo hamburan tidak mencapai tak terbatas. Ini berperilaku lebih baik.”
Para peneliti menggunakan perilaku sangat lembut ini sebagai salah satu hipotesis awal mereka. Mereka juga memasukkan kondisi lain yang disebut “nol minimum”, yang membatasi jumlah titik di mana probabilitas difusi hilang.
“Hebatnya, koherensi mengharuskan amplitudo hamburan tidak hanya berinteraksi, tetapi juga tidak berinteraksi pada titik kinematik khusus yang disebut “nol”. Hipotesis “nol minimum” memerlukan jumlah titik hilang terkecil yang secara matematis diperbolehkan oleh persamaan,” jelas Cheung.
Hanya dengan menggunakan asumsi-asumsi ini, tim menunjukkan bahwa matematika yang dihasilkan secara alami mereproduksi ciri-ciri teori string, termasuk spektrum massa dan putaran partikel yang terkenal.
“Rincian yang tepat dari teori string muncul secara otomatis, termasuk menara partikel masif yang berputar tak terbatas yang membentuk ‘harmonik’ string yang menjadi teori terkenal tersebut,” kata rekan penulis Grant N. Remmen (PhD ’17), seorang rekan postdoctoral James Arthur di New York University.
Menghidupkan kembali ide lama dengan peralatan modern
Cheung membandingkan pendekatan bootstrap dengan memecahkan teka-teki sudoku. Beberapa aturan sederhana diberikan di awal, dan aturan ini pada akhirnya memandu Anda menuju satu solusi.
“Ironisnya adalah gagasan bootstrap yang kita kejar sekarang dengan alat dan gagasan modern ini sangat retro. Itu gagasan lama,” kata Cheung. “Penemuan asli spektrum Venesia dan karya John Schwarz mengambil pendekatan serupa. Mereka tidak dimulai dengan model teori string, namun solusinya datang dari prinsip pertama.”
Studi ini juga didasarkan pada penelitian sebelumnya oleh fisikawan Caltech Steven Frautschi dan fisikawan UC Berkeley Geoffrey Chew, yang memelopori pendekatan bootstrap dalam fisika partikel pada tahun 1960an. Karya mereka memberikan beberapa wawasan pertama tentang spektrum partikel tak terbatas, yang kemudian dikaitkan dengan teori string.
“Gagasan bootstrap sudah ketinggalan zaman, namun sekarang orang-orang seperti Cliff menghidupkannya kembali dan memodernisasikannya,” kata Hirosi Ooguri, Profesor Fisika Teoretis dan Matematika Fred Kavli di Caltech dan Ketua Kepemimpinan Kent dan Joyce Kresa di Divisi Fisika, Matematika, dan Astronomi. “Kami sekarang memiliki pemahaman yang lebih baik tentang asumsi dasar yang dapat kami buat, serta teknik yang lebih kuat untuk menerjemahkan asumsi tersebut ke dalam properti amplitudo hamburan dan observasi lainnya.”
Studi “Strings from Almost Nothing” menerima dana dari Departemen Energi AS, Institut Fisika Teoretis Walter Burke, Forum Leinweber untuk Fisika Teoretis, James Arthur Postdoctoral Fellowship Universitas New York, dan Next Generation EU. Penulis lain termasuk Francesco Sciotti dari Institut de Fisica d’Altes Energies di Barcelona dan Michele Tarquini, seorang mahasiswa pascasarjana di Caltech.
