10. Fisikawan Yahudi di Balik Ilmu Fisika Kuantum

Siapa pun yang tidak terguncang akal budinya oleh teori kuantum tidak memahaminya (Niels Bohr)

Dari 28 fisikawan yang meneliti ilmu fisika kuantum dan disebut dalam bab ini, 12 di antaranya berdarah Yahudi. Mereka mencakup Albert Einstein, Niels Bohr, Enrico Fermi, Murray Gell-Mann, Jerome I. Friedman, Leon M. Lederman, Martin L. Perl, Frederik Reines, Wolfgang Pauli, Steven Weinberg, Sheldon Glashow, David Bohm, dan Richard Feynman. Kecuali Enrico Fermi dan David Bohm, ke-10 fisikawan berdarah Yahudi lainnya adalah peraih atau ikut meraih Hadiah Nobel untuk Ilmu Fisika.

Richard Feynman

Ilmu Fisika Kuantum

Ilmu fisika kuantum, disebut juga mekanika kuantum, adalah sains tentang materi atau benda-benda yang begitu kecil sehingga sifat kuantum dari realitas punya suatu akibat. Kuantum berarti "jumlah dengan ciri tersendiri atau berlainan"; ia bisa diartikan secara longgar sebagai "porsi". Max Planck (1858-1917), seorang fisikawan Jerman dan peraih Hadiah Nobel untuk Ilmu Fisika 1918, dipandang pendiri teori kuantum modern. Dia menemukan pada tahun 1900 bahwa benda apa pun, seperti secarik kertas, yang Anda bagi-bagi menjadi makin kecil akhirnya tidak bisa dibagi lagi. Dengan kata lain, ada suatu batas minimum yang tidak bisa Anda lewati ketika Anda ingin membagi-bagi benda itu menjadi lebih kecil lagi. Batas minimum ini sekarang disebut unit Planck.

David Bohm

Atom dan Partikel Subatomik

Semua benda di sekitar kita - orang, hewan, tanaman, mobil, pesawat terbang, rumah, pohon, gelas, senduk, air, awan, gas - dibentuk oleh potongan-potongan sangat kecil dari materi. Lalu, apakah materi paling kecil itu?

Di masa awal penelitian tentang materi paling kecil, para ilmuwan mengatakan atomlah materi yang paling kecil, tidak bisa dibagi lagi menjadi lebih kecil. Istilah ilmu fisika modern untuk materi paling kecil ini adalah partikel atau zarah. Suatu partikel adalah suatu potongan sangat kecil dari materi yang menjadi suatu bagian dari atom. Ukuran sangat kecil ini bisa kita bayangkan melalui sebutir pasir atau debu - kecil sekali, bukan? Tapi partikel sebagai bagian dari atom lebih kecil dari butir pasir atau debu.

Suatu cabang Ilmu Fisika yang memelajari partikel-partikel disebut Ilmu Fisika Partikel. Ilmu ini menemukan kemudian hari bahwa atom ternyata bukanlah potongan materi paling kecil dalam alam semesta. Ketika atom dibagi-bagi atau dibelah, ilmuwan menemukan bahwa ia terdiri dari partikel-partikel. Ada di dalamnya partikel bernama elektron dan inti atom; elektron mengitari inti atom. Sesudah diteliti lebih dalam, ternyata inti atom masih bisa dibagi menjadi lebih kecil: proton dan neutron. Ternyata proton dan neutron dibentuk oleh zarah-zarah yang lebih kecil, disebut kuark-kuark.

Bagian-bagian atau belahan-belahan yang lebih kecil dari atom tadi dipandang berada subatom, di bawah atom. Partikel-partikel yang sifatnya adalah di bawah atom lalu disebut partikel-partikel atau zarah-zarah subatomik.

Para fisikawan yang meneliti partikel-partikel percaya kuark, suatu partikel subatomik, bersifat mendasar. Artinya, zarah subatomik ini tidak bisa dibagi lagi menjadi lebih kecil.

Partikel Elementer atau Fundamental

Struktur materi: Materi dibentuk oleh partikel-partikel sangat kecil bernama atom-atom. Selanjutnya, atom dibentuk oleh inti sangat kecil yang dikitari suatu awan partikel bernama elektron. Inti atom terdiri dari proton dan neutron, masing-masing dibentuk oleh partikel-partikel lebih kecil yang disebut kuark. Kuark dipercaya bersifat fundamental, tidak bisa lagi dibelah menjadi partikel yang lebih kecil

Zarah-zarah subatomik yang oleh ilmuwan dipercaya tidak bisa dibelah lagi menjadi lebih kecil disebut partikel-partikel elementer atau partikel-partikel fundamental. Partikel-partikel fundamental menyediakan satuan-satuan dasar yang membentuk semua materi dan energi di alam semesta.

Materi = energi

Frasa "materi dan energi" menyiratkan suatu gagasan besar dari Albert Einstein. Suatu persamaan matematiknya yang anggun adalah: E=mc2. Melalui persamaan ini, dia meramalkan bahwa energi bisa diubah menjadi materi.

Fermion atau boson

Apakah kuark satu-satunya partikel fundamental yang tidak bisa dibelah lagi? Ternyata tidak. Di samping kuark, ada tiga partikel fundamental lain: lepton, boson yang menyalurkan forsa, dan boson Higgs.

Penelitian lebih mendalam dari partikel-partikel elementer menunjukkan bahwa materi - seperti planet, orang, rumah, hewan, tanaman, dan atom - ternyata bisa dikelompokkan ke dalam salah satu dari dua kategori partikel subatomik: fermion atau boson. Yang menetapkan apakah berbagai jenis materi tergolong pada fermion atau boson adalah perilaku suatu partikel atau kelompok partikel di dalamnya. Beda antara kedua kategori ini tidak tampak pada skala besar, seperti pada rumah atau orang, tapi ia punya implikasi yang jauh dalam dunia atom dan zarah-zarah elementer. Partikel-partikel elementer dikelompokkan entah sebagai fermion atau boson. Fermion-fermion fundamental bergabung membentuk atom dan partikel-partikel lain yang lebih khas. Sementara itu, boson-boson fundamental menyalurkan keempat forsa fundamental alam semesta antara partikel-partikel dan memberi massa atau bobot pada partikel-partikel. Secara khusus, zarah-zarah yang menyalurkan keempat forsa fundamental berpengaruh pada materi dan lawannya, antimateri; zarah-zarah dengan peranan ini adalah boson-boson yang disebut penyalur forsa-forsa (force carriers).

Kedua istilah tadi berasal dari nama dua orang fisikawan tenar abad ke-20. Fermion dinamakan sesuai sebagian nama Enrico Fermi, fisikawan berdarah Yahudi yang sudah kita kenal dari suatu tulisan sebelumnya. Boson mengacu pada Bose, nama marga atau kedua seorang matematikawan India bernama Satyendra Bose.

Fermion-fermion fundamental yang membentuk materi tergolong pada dua kategori: lepton dan kuark. Setiap lepton dan kuark punya pasangan antipartikelnya; antipartikel ini punya massa yang sama dengan pasangannya - lepton dan kuark - tapi muatan listriknya berbeda.

Penggagas teori tentang kuark adalah Murray Gell-Man, seorang fisikawan AS. Dia membuat riset tentang interaksi zarah-zarah elementer. Melalui riset ini, dia mengajukan teorinya tentang kuark. Teori ini mengantarnya untuk meraih Hadiah Nobel dalam Ilmu Fisika pada tahun 1969.

Meskipun demikian, teori kuark Murray Gell-Mann belum dibuktikan melalui eksperimen ilmiah. Ini baru dilakukan tahun 1969 oleh tiga orang fisikawan: Jerome Friedman dan Henry Kendall dari Amerika Serikat serta Richard Taylor dari Kanada. Eksperimen mereka menunjukkan bahwa proton punya struktur internal. Eksperimen tersebut mengantar mereka untuk meraih Hadiah Nobel Ilmu Fisika tahun 1990.

Leon Lederman dari AS dan koleganya menemukan suatu generasi ketiga kuark pada tahun 1977. Partikel fundamental ini mereka namakan kuark bottom.

Para fisikawan percaya masih ada lagi sejenis boson fundamental lain yang mereka namakan boson Higgs. Boson Higgs memberi massa pada materi dan antimateri. Tapi mereka sejauh ini belum menemukan boson Higgs.

Kata "Higgs" mengacu pada nama keluarga seorang fisikawan asal Inggris: Peter Higgs. Dialah yang mengajukan teori tentang adanya boson itu pada tahun 1964, kemudian boson Higgs dijadikan suatu istilah ilmu fisika kuantum sebagai suatu tanda penghormatan baginya.

Tahun 1983, suatu partikel penyalur forsa nuklir lemah ditemukan oleh Carlo Rubbia, seorang fisikawan asal Italia, dan koleganya. Partikel ini dinamakan boson W dan Z. Rubbia dan Simon Van der Meer, seorang fisikawan dari Belanda, meraih bersama-sama Hadiah Nobel untuk Ilmu Fisika tahun 1984 karena karya mereka tentang penemuan boson W dan Z.

Neutrino, muon, dan tau

Penelitian-penelitian makin jauh menemukan lagi bahwa lepton masih ada berbagai jenisnya. Jenis-jenis ini diberi nama-nama khas dan generasinya.

Bagaimanakah lepton generasi pertama dibentuk? Melalui rerasan (decay) atomik. Ketika mereras, atom-atom secara radioaktif terkadang memancarkan suatu elektron dalam suatu proses yang disebut rerasan beta.

Rerasan beta dikaji dan para ilmuwan menemukan suatu partikel fundamental baru yang mereka namakan neutrino elektron. Ia ternyata suatu jenis lepton tanpa muatan listrik. Jenis neutrino ini adalah juga generasi pertama lepton. Atom melepaskan neutrino bersama elektron ketika melepaskan rerasan beta.

Para fisikawan lalu menemukan lagi suatu partikel yang mirip elektron dan proton. Tapi ia lebih berat dari elektron dan lebih ringan dari suatu proton. Partikel ini disebut muon, generasi kedua lepton yang bermuatan listrik.

Penemu muon pada tahun 1947 adalah Carl Anderson dan Seth Neddermeyer, dua orang fisikawan. Ini indikasi pertama suatu jenis lepton yang baru.

Penemuan muon mengantar para fisikawan pada penemuan sejenis lepton yang baru yang disebut neutrino muon pada tahun 1962. Ternyata, muon punya mitra yang secara listrik netral terhadapnya. Itulah neutrino muon. Jenis neutrino ini punya massa yang sangat kecil atau tanpa massa. Muon neutrino dilepaskan ketika suatu muon mereras. Muon dan neutrinonya dipandang generasi kedua lepton.

Dua orang fisikawan AS yang lain, Martin Perl dan Frederick Reines, bersama koleganya menemukan tau, suatu lepton generasi ketiga yang bermuatan listrik. Seperti neutrino muon, tau punya suatu mitra netral secara listrik bernama neutrino tau. Neutrino tau punya massa yang sangat kecil. Karena penemuannya, Perl dan Reines kemudian meraih Hadiah Nobel untuk Ilmu Fisika tahun 1995.

Fermion, asas ekslusi, dan neutrino elektron

Wolfang Pauli, seorang fisikawan AS berdarah Yahudi kelahiran Austria, berjasa dalam merumuskan suatu aturan ilmu fisika. Ilmu ini lalu menolong merumuskan fermion-fermion.

Dia juga menunjukkan bahwa setiap elektron unik. Unik dalam arti tidak satupun dari dua elektron bisa punya sifat dan lokasi yang sama.

Wolfgang Pauli terkenal juga karena suatu gagasan besarnya dalam ilmu fisika kuantum. Itulah asas ekslusi. Asas ini menjelaskan mengapa semua elektron dalam atom-atom punya jumlah energi yang agak berbeda. Asas ini belum dikukuhkan secara matematik.

Pembuktiannya kemudian dilakukan oleh Enrico Fermi dan Paul Dirac, seorang fisikawan Inggris. Mereka berdua mengembangkan persamaan matematik yang memerikan perilaku elektron. Persamaan mereka menyediakan bukti matematik dari asas ekslusi. Karena berjasa dalam menemukan asas ekslusi, Wolfgang Pauli meraih Hadiah Nobel untuk Ilmu Fisika tahun 1945.

Para fisikawan lalu menyebut partikel-partikel yang mematuhi asas ekslusi sebagai fermion-fermion. Contoh-contoh fermion mencakup proton, neutron, dan kuark.

Awal abad ke-20, para ilmuwan memelajari rerasan beta. Mereka memerhatikan bahwa jumlah massa dan energi sebelum rerasan itu lebih besar dari jumlah massa dan energi yang ada sesudah rerasan itu. Untuk menghitung energi yang hilang itu, Wolfgang Pauli mengusulkan tahun 1928 bahwa ada suatu partikel baru.

Hipotetisnya terbukti betul. Partikel itu sekarang dikenal dengan sebutan neutrino listrik.Ia tanpa muatan listrik dan tanpa muatan warna.

Hampir 30 tahun sesudah Pauli pertama kali mengusulkan adanya partikel tadi, dua orang fisikawan AS menemukan neutrino itu pertama kali tahun 1956. Mereka adalah Frederick Reines dan Clyde Cowen. Reines berbagi Hadiah Nobel untuk Ilmu Fisika tahun 1995 dengan seorang fisikawan lain untuk eksperimennya.

Partikel yang tidak mematuhi asas ekslusi

Foton atau partikel cahaya tergolong pada beberapa partikel yang tidak mematuhi asas eksklusi. Dua foton atau lebih bisa punya ciri yang persis sama.

Ciri tadi dinyatakan Albert Einstein dan Satyendra Bose. Mereka berdua mengembangkan seperangkat persamaan matematik yang memerikan perilaku partikel yang tidak mematuhi asas ekslusi.

Zarah antimateri

Dalam alam semesta, ada materi dan lawannya, antimateri. Akan tetapi, materi masa kini lebih banyak dari antimateri. Mengapa ada kepincangan ini, para ilmuwan belum menemukan jawaban yang tuntas. Ada materi dan antimateri berarti ada partikel dan antipartikel.

Paul Dirac meramalkan pada tahun 1928 bahwa ada antipartikel, yang bergabung membentuk antimateri. Antipartikel punya massa yang sama dengan pasangan partikel normalnya, tapi punya beberapa jumlah yang berlawanan, seperti muatan listrik dan muatan warna.

Semua fermion punya antipartikel-antipartikel. Partikel anti dari suatu elektron disebut positron dan partikel anti dari proton disebut antiproton. Antiproton terdiri dari antikuark.

Penemu positron adalah Carl Anderson. Dia mengukuhkan teori Paul Dirac tentang pasangan antipartikel dan antimateri, yaitu partikel dan materi. Karena penemuannya, Anderson berbagi Hadiah Nobel untuk Ilmu Fisika tahun 1936.

Penyatuan dua forsa dan model baku

Berbeda dengan fisikawan-fisikawan tadi, Steven Weinberg dan Sheldon Glashow dari AS serta Abdus Salam dari Pakistan berhasil menyatukan forsa elektromagnetik dan nuklir lemah pada tahun 1967. Karena hasil risetnya, ketiga fisikawan ini berbagi Hadiah Nobel untuk Ilmu Fisika tahun 1979.

Mereka bertiga pun terkenal dalam ilmu fisika modern karena teori mereka yang dikenal sebagai model baku (standard model) ilmu fisika tentang zarah-zarah. Teori ini adalah hasil pengembangannya secara matematik tentang hakekat dan perilaku partikel-partikel elementer. Teori mereka sangat memajukan pemahaman tentang partikel-partikel fundamental dan forsa-forsa di alam semesta.

Realitas Kuantum yang Aneh

Niels Bohr, salah seorang ilmuwan kunci di balik ilmu fisika kuantum modern, mengatakan, "Siapa pun yang tidak terguncang akal budinya oleh teori kuantum tidak memahaminya." Pernyataannya menyiratkan realitas aneh dunia kuantum, realitas yang sering menantang logika sehari-hari kita.

Bagaimanakah kita memahami keanehan dunia kuantum? Bisa melalui tiga eksperimen yang disebut eksperimen melalui celah ganda, eksperimen dengan bola lampu listrik, dan eksperimen dengan kucing Schroedinger.

Eksperimen celah ganda

Ini yang paling mudah dari ketiga-tiganya. Percobaan ini melibatkan penyinaran seberkas cahaya melalui dua celah yang sama ukurannya dan sejajar. Di belakang kedua celah itu terbentang layar. Kemudian, suatu foton tunggal atau partikel cahaya ditembak melalui salah satu celah. Anehnya, foton tunggal itu menyela dirinya sendiri pada layar, seakan-akan ia bergerak melewati kedua celah itu secara serentak.

Untuk memahami secara mendasar eksperimen ini, ada visualisasinya ditambah suara dalam bahasa Inggris di Internet. Ketiklah http://www.youtube.com/, lalu ketiklah pada kotak dialog untuk video dr quantum - double slit experiment. Anda akan melihat videonya, berisi gambar seorang lelaki berjubah kuning dan biru mirip Superman, separuh kepalanya berambut uban dan berkaca mata tebal. Dia secara menawan menjelaskan dalam bahasa Inggris yang sederhana keanehan dunia kuantum melalui eksperimen celah ganda.

Eksperimen dengan bola lampu listrik

Bayangkan kawat pijar sebuah bola lampu listrik yang memancarkan suatu foton. Pancaran foton tampaknya mengikuti suatu arah yang acak. Bagaimana bisa ada peluang untuk menemukan foton itu pada suatu titik tertentu? Akan tampak sejenis gelombang. Gelombang ini mirip suatu riak yang ditimbulkan sebuah batu kerikil yang dijatuhkan ke dalam suatu kolam air; mirip riak ini, pancaran foton tadi akan menjalar ke luar dari kawat pijar itu.

Keanehan kuantum terjadi ketika Anda membuat pengamatan. Begitu Anda melihat ke arah foton-foton, fungsi gelombang-gelombangnya ambruk menjadi suatu titik tunggal. Titik tunggal itulah realitas sesungguhnya dari foton-foton itu!

Eksperimen dengan kucing Schroedinger

Erwin Schrödinger

Erwin Schroedinger (1887-1961) adalah seorang fisikawan Austria. Dia terkenal dalam ilmu fisika modern karena suatu eksperimen pikiran (thought experiment) yang disebut eksperimen dengan kucing Schroedinger. Eksperimen ini menunjukkan sekali lagi keanehan dunia kuantum yang menantang logika sehari-hari kita. Dia ikut meraih Hadiah Nobel untuk Ilmu Fisika pada tahun 1933.

Percobaan ilmiah ini berasal dari teorinya. Dalam percobaan ini, seekor kucing piaraan dimasukkan ke dalam sebuah kotak yang berisi sebotol racun sianida. Kotak ini berisi juga perlengkapan lain yang memampukan suatu detektor mengamati suatu elektron yang terpisah. Selain itu, detektor ini bisa menetapkan apakah elektron itu spin up (berpusing-pusing ke atas) atau spin down (berpusing-pusing ke bawah). (Elektron tersebut bisa punya salah satu ciri ini, ciri yang tampaknya "dipilih" secara acak.) Kalau elektron itu spin up, botol sianida itu terbuka dan kucing memperolehnya. Sepuluh menit kemudian, kotak itu dibuka untuk melihat apakah kucing itu mati karena racun sianida atau hidup. Pertanyaannya ialah: kucing berada dalam keadaan mana antara detektor yang tengah aktif dan Anda yang tengah membuka kotak itu?

Mekanika kuantum menunjukkan bahwa sesudah suatu waktu kucing itu mati dan hidup sekaligus. Tapi begitu kita melihat ke dalam kotak itu, kita melihat bahwa kucing itu entah hidup atau entah mati.

Eksperimen pikiran Schroedinger bertujuan untuk membahas keanehan superposisi kuantum. Ini suatu keadaan yang di dalamnya suatu benda kuantum seperti sebuah atom berada dalam lebih dari satu keadaan pada suatu waktu. Atom ini, misalnya, bisa berada dalam banyak tempat sekaligus. Interferens atau interaksi antara keadaan-keadaan individual dalam superposisi membentuk keanehan kuantum. Dekoherens, kebalikan interferens, mencegah interaksi seperti itu dan, karena itu, menghancurkan perilaku kuantum.

Kucing Schroedinger: mati atau hidup?

Sepertinya, belum ada yang melakukan eksperimen ini. Tapi ia memang menunjukkan suatu paradoks (seseorang, sesuatu atau keadaan yang punya dua ciri yang berlawanan dan karena itu tampak aneh) yang muncul dalam beberapa interpretasi tentang dunia kuantum.

Enam Penafsiran tentang Keanehan Kuantum

Anda sebenarnya tidak perlu berpikir tentang keanehan dunia kuantum yang ditunjukkan ketiga eksperimen tadi. Tapi kalau Anda penasaran untuk memikirkannya, Anda harus percaya pada salah satu dari beberapa penafsiran berikut:

• Kesadaranmu memengaruhi perilaku zarah-zarah subatomik.


• Kalau penafsiran pertama Anda tolak, ada penafsiran lain: partikel-partikel bergerak ke belakang dan ke depan dalam waktu dan tampak dalam semua tempat yang mungkin ada secara serentak.


• Tidak sepakat dengan kedua penafsiran tadi? Ada penafsiran ketiga: alam semesta terpecah-belah dalam sepersekian dari sepersekian dari sepersekian dari sepersekian dari sepersekian dari sepersekian dari satu detik - ini disebut waktu Planck - menjadi miliaran alam semesta paralel.


• Masih ada penafsiran lain lagi kalau Anda tidak setuju dengan ketiga penafsiran tadi: alam semesta saling terkait dengan pengirim informasi yang lebih cepat dari cahaya.

Semua penafsiran yang berbeda-beda tentang ilmu fisika kuantum tadi saling bersaing. Yang dicari adalah arti atau makna semua gejala kuantum tadi. Meskipun berbeda penafsirannya, semuanya sama dalam menjelaskan semua fakta dan menjelaskan hasil setiap eksperimen secara tepat.

Di antara sekian penafsiran, kita akan menyoroti lebih jauh enam penafsiran yang berbeda. Pertama, penafsiran Kopenhagen; kedua, penafsiran tentang banyak dunia; ketiga, penafsiran tentang gelombang pemandu, variabel tersembunyi, dan ketertiban yang melibatkan; keempat, penafsiran tentang sejarah yang berganti-ganti; kelima, penafsiran tentang pembalikan waktu; dan, keenam, penafsiran transaksional.

Penafsiran Kopenhagen

Tokoh berpengaruh di balik penafsiran ini adalah Niels Bohr dari Universitas Kopenhagen di Denmark. Penafsiran ini tiba pada suatu kesimpulan: kesadaran dan ilmu fisika tentang partikel saling bertautan.

Penafsiran tentang banyak dunia

Penafsiran ini menghasilkan suatu konsep yang disebut dekoherens. Menurut konsep ini, berbagai alam semesta bisa bercabang-cabang ke luar secara cepat sehingga ada sedikit sekali hubungan antara cabang-cabang itu dalam suatu pecahan yang sangat kecil dari satu detik.

Penafsiran tentang banyak dunia termasuk salah satu yang paling populer tentang keanehan dunia kuantum. Ini berarti miliaran dari diri Anda terbelah-belah setiap sepersekian detik menjadi banyak alam semesta yang terpisah. Ini berarti juga setiap jenis materi apa pun ada dalam salah satu alam semesta ini. Timbullah suatu konsep yang sulit dicerna: suatu belahan Anda yang berusia 500 tahun ada dalam alam semesta yang lain sementara belahan lain mati sejak lahir dalam alam semesta lain lagi.

Penggagas interpretasi tentang banyak dunia adalah Max Tegmark dari Universitas Princeton, Amerika Serikat. Pada tahun 1997, dia mengajukan suatu eksperimen untuk membuktikan bahwa interpretasinya betul. Percobaan ini melibatkan suatu senapan yang berisi peluru, diarahkan pada kepalamu, dan pemicunya ditarik. Anda tewas seketika, bukan? Tapi, Tegmark akan bertanya balik: dalam alam semesta yang manakah Anda tewas? Lalu dia akan mengatakan Anda bisa tewas dan hidup sekaligus: tewas dalam satu alam semesta tapi hidup dalam alam semesta yang lain! Anda tentu akan hidup dalam alam semesta tempat senapan, untuk alasan apapun, gagal dipicu. Kalau tembakan senapan gagal setiap kali, Anda boleh menarik napas lega dan percaya penafsiran tentang banyak dunia benar. Jadi, dalam satu alam semesta, keluargamu akan meratap pada pemakamanmu tapi dalam alam semesta yang lain, mereka barangkali menggeleng-gelengkan kepala sambil menggerutu karena eksperimen dengan senapan yang berisi peluru gagal ketika pemicunya ditarik.

Penafsiran tentang gelombang pemandu, variabel tersembunyi, dan ketertiban yang melibatkan

Penafsiran ini berasal dari David Bohm (1917-1992), seorang fisikawan berotak sangat cemerlang. Teorinya tentang banyak dunia anggun tapi rumit.

Teori Bohm mengikuti beberapa wawasan asli Louis de Broglie (1892-1987). Fisikawan inilah yang pertama kali meneliti pada tahun 1924 sifat-sifat mirip gelombang dari perilaku zarah-zarah. De Broglie mengakui fungsigelombang (wavefunction) penafsiran Kopenhagen; fungsigelombang ini normal. Tapi dia menyatakan ada suatu gelombang kedua, jenis gelombang yang dia temukan. Menurut Bohm, gelombang kedua menetapkan suatu posisi yang tepat bagi suatu partikel pada waktu khusus apapun. Menurut teorinya, ada beberapa variabel tersembunyi yang menetapkan posisi yang tepat dari foton.

Selanjutnya, teori Bohm tentang gelombang kedua memang lebih cepat dari cahaya. Semakin jauh rambatannya, ia bukannya melemah melainkan menembus seluruh alam semesta secara cepat. Gelombang cahaya ini sekaligus berperan sebagai suatu penuntun bagi gerakan foton. Itulah sebabnya gelombang kedua Bohm disebut suatu "gelombang pemandu".

Teori David Bohm menjelaskan secara sempurna paradoks-paradoks ilmu fisika kuantum. Tapi teori ini memperkenalkan suatu gelombang yang lebih cepat dari cahaya. Konsep ilmiah ini memperkenalkan juga beberapa mekanisme yang tersembunyi untuk menetapkan arah tujuan gelombang itu, yaitu, untuk menciptakan suatu "ketertiban yang melibatkan (implicate order)". Gagasan Bohm tentang gelombang yang melebihi kecepatan cahaya mengganggu pikiran banyak fisikawan yang berpegang pada teori relativitas Einstein bahwa unsur paling cepat dalam alam semesta adalah cahaya.

Penafsiran tentang sejarah yang berganti-ganti

Meski sangat berbeda, penafsiran ini mirip penafsiran tentang banyak dunia. Penafsiran tentang sejarah yang berganti-ganti bersikukuh bahwa hanya hasil terakhir itulah dunia sesungguhnya; realitas-realitas lain yang di dalamnya kita ada sebenarnya tidak ada. Ini menyiratkan bahwa realitas-realitas itu "ambruk".

Penafsiran tentang pembalikan waktu

Penafsiran ini memberi penjelasan rasional tentang hasil percobaan melalui celah ganda. Mengapa satu partikel yang ditembakkan melalui satu celah saja bisa muncul pada dua tempat di layar monitor?

Penafsiran yang menjawab pertanyaan tadi berasal dari Richard Feynman (1918-1988). Dia seorang jenius yang mengembangkan suatu pendekatan baru terhadap mekanika kuantum. Prestasi puncak yang diresmikannya adalah suatu cabang ilmu fisika kuantum bernama Elektrodinamika Kuantum, teori ilmiah paling cermat yang pernah digagaskan. Dia juga mengembangkan Diagram Feynman, yang menandakan interaksi dua partikel sebagai pertukaran suatu zarah ketiga. Diagram ini menunjukkan waktu pada satu sumbu dan ruang pada sumbu lain; interaksi kedua partikel tadi bisa dipandang sebagai terjadi baik ke arah depan maupun ke arah belakang dalam waktu.

Suatu contoh yang memakai sebuah elektron bisa menjelaskan Diagram Feynman. Dalam perjalannya dari titik A ke titik B, sebuah elektron bisa bertabrakan dengan sebuah foton. Dalam diagramnya, tabrakan ini bisa digambarkan sebagai mengirimkan elektron itu ke arah belakang tidak hanya dalam ruang tapi juga dalam waktu. Kemudian, elektron itu bertabrakan dengan foton yang lain, yang menggerakkannya ke arah depan sekali lagi dalam waktu, tapi mengikuti suatu arah yang berbeda dalam ruang. Dengan cara ini, elektron itu bisa ada dalam dua tempat sekaligus.

Tidak diragukan lagi bahwa suatu diagram Feynman menawarkan cara yang paling gampang untuk meramalkan hasil suatu percobaan subatomik. Banyak fisikawan sudah melihat kehebatan alat ini dan mengambil langkah berikut: mereka mengajukan argumen bahwa perjalanan menembus waktu (time travel) ke arah belakang - ke masa lampau - adalah apa yang sesungguhnya terjadi dalam realitas. Sulit bagi orang awam dalam ilmu fisika modern tentang kuantum untuk memahami mengapa suatu foton mental ke sana kemari begitu rupa sehingga tampak muncul pada dua tempat sekaligus.

Penafsiran transaksional

Penafsiran ini dikemukakan John Cramer dengan mengandalkan simetri-waktu yang mendasar dari alam semesta. Dia berargumen bahwa zarah-zarah melakukan semacam "jabat tangan" sementara saling berinteraksi. Yang satu menimbulkan rambatan suatu gelombang ke arah depan dalam waktu, dan yang lain menimbulkan rambatan gelombang yang lain ke arah belakang dalam waktu.

9. Fisikawan Yahudi di Balik Teori Segala Sesuatu

Niels Bohr

Albert Einstein, Niels Bohr, Wolfgang Pauli, Lisa Meitner, Paul Ehrenfest, David Joseph Bohm, Brian Greene, David Gross, Alan Guth, Frederick Reines, Julian Schwinger, Richard Feynman, Eugene Wigner, dan Georg Wigner adalah nama beberapa fisikawan tenar berdarah Yahudi yang sumbangan pemikirannya ikut melahirkan pencarian apa yang disebut "Teori Segala Sesuatu". Ini semacam teori pamungkas dalam ilmu fisika modern, teori untuk mengakhiri segala teori. Ia bertujuan untuk menyatukan semua teori ilmu fisika ke dalam satu teori tunggal.

Tapi sebelum menuju ke sana, kita perlu memahami secara ringkas dan mendasar forsa-forsa fundamental yang mengendalikan alam semesta. Revolusi macam apakah dalam sejarah manusia yang dihasilkan setiap kali salah satu forsa fundamental ini dikuasai manusia? Bagaimanakah upaya para fisikawan untuk menyatukan keempat forsa ini menjadi suatu teori pamungkas? Apa itu dimensi kelima dan siapakah yang mengajukan teori ruang hiper ini? Teori masa kini manakah yang dipandang sebagai teori pamungkas itu dan apa ciri-cirinya?

Masalah Teori Medan Terpadu

Albert Einstein punya tiga teori besar dalam ilmu fisika modern. Pertama, teori relativitas khusus; kedua, teori relativitas umum; dan, ketiga, teori medan terpadu. Kedua teori pertama menghasilkan pengembangan bom atom dan teori masa kini tentang lubang-lubang hitam dan Dentuman Besar. Selain itu, kedua teori yang membuat terobosan-terobosan baru dalam ilmu fisika abad ke-20 ini mengakibatkan Einstein dipandang ilmuwan terbesar sesudah Isaac Newton. Teori ketiga bertujuan untuk menyatukan semua hukum ilmu fisika menjadi suatu kerangka kerja yang sederhana. Ia adalah tujuan akhir semua ilmu fisika, teori untuk mengakhiri semua teori.

Akan tetapi, upaya Einstein dan beberapa fisikawan lain sesudah dia untuk merumuskan teori medan terpadu itu tidak berhasil. Selama 30 tahun terakhir dari hidupnya, Einstein sia-sia berupaya merumuskan teori terbesar sepanjang masa itu. Selain dia, beberapa otak terbesar abad ke-20 seperti Werner Heisenberg dan Wolfgang Pauli berjuang untuk merumuskan teori alam semesta yang dimulai Einstein itu. Seperti Einstein, mereka juga angkat tangan.

Wolfgang Pauli

Muncullah teori Kaluza-Klein yang memberi harapan baru ke arah perumusan teori medan terpadu. Teori ini membahas dimensi kelima yang dipandang bisa memecahkan kebuntuan Einstein dan fisikawan-fisikawan lain dalam merumuskan teori medan terpadu.

Tapi teori mereka akan lebih mudah kita pahami kalau kita dahului dengan menyoroti empat forsa fundamental dalam alam semesta. Sorotan ini ada kaitannya dengan teori Kaluza-Klein tentang dimensi kelima.

Empat Forsa Fundamental

Sejauh ini diketahui bahwa ada empat forsa (force) fundamental dalam alam semesta. Forsa-forsa ini mengendalikan segala sesuatu dalam jagad raya yang diketahui: gravitasi, elektromagnetisme, nuklir kuat, dan nuklir lemah.

Gravitasi adalah forsa yang menahan kaki kita pada bumi yang berpusing-pusing. Gravitasi juga mengikat tata surya kita dan galaksi-galaksi. Tanpa gravitasi, kita akan segera terlontar ke ruang angkasa dengan kecepatan sekitar 1.610 kilometer per jam; matahari akan meledak dengan pancaran energi yang menghancurkan; bumi dan planet-planet dalam tata surya kita akan berpusing-pusing ke luar dan memasuki ruang angkasa yang dalam dan membeku; dan galaksi-galaksi akan beterbangan terpisah-pisah dan menjadi ratusan miliar bintang.

Elektromagnetisme adalah forsa yang menyinari kota-kota besar dan memberi forsa pada peralatan-peralatan rumah tangga yang memakai listrik milik kita. Selain itu, elektromagnetisme menghasilkan produk-produk sampingan seperti bola lampu, televisi, telepon, komputer, radio, radar, microwave, dan alat pencuci peralatan makan-minum. Tanpa elektromagnetisme, peradaban kita akan mundur ratusan tahun ke belakang, ke dunia primitif yang diterangi lilin dan api unggun.

Nuklir kuat memberi forsa pada matahari. Tanpa forsa nuklir kuat, bintang-bintang akan pudar dan langit menjadi gelap. Tanpa matahari, semua yang hidup di bumi akan lenyap ketika samudera-samudera berubah menjadi es padat. Forsa nuklir kuat yang memungkinkan adanya bentuk-bentuk hidup di bumi adalah juga forsa destruktif yang dilepaskan oleh sebuah bom hidrogen. Bom ini bisa dibandingkan dengan sepotong matahari yang diturunkan ke bumi.

Nuklir lemah berperan atas kerusakan radioaktif. Istilah teknis untuk “kerusakan radioaktif” adalah “rerasan radioaktif (radioactive decay).” Forsa nuklir lemah dimanfaatkan dalam rumah sakit modern berbentuk penjejak radioaktif (radioactive tracer) yang dipakai dalam pengobatan nuklir. Misalnya, gambar-gambar berwarna dramatik dari otak yang hidup karena berpikir dan mengalami emosi dimungkinkan oleh kerusakan gula radioaktif di otak.

Forsa Fundamental dan Peradaban Manusia

Penguasaan setiap forsa fundamental ini sudah mengubah setiap peradaban manusia. Misalnya, ketika Newton mencoba memecahkan teori gravitasinya, dia dipaksa mengembangkan suatu ilmu matematika baru dan merumuskan hukum gerak yang terkenal itu. Hukum-hukum mekanika ini kemudian menolong mengantar kita pada Revolusi Industri (pertengahan abad ke-19), yang sudah mengangkat manusia dari pekerjaan yang sangat melelahkan dan kesengsaraan selama ribuan tahun.

Sir Isaac Newton

Selanjutnya, penguasaan forsa elektromagnetisme oleh James Maxwell pada tahun 1860-an sudah menimbulkan revolusi pada cara hidup kita. Bilamana terjadi padam listrik total, kita terpaksa hidup mirip nenek-moyang kita di abad-abad yang lalu. Masa kini, lebih banyak dari separuh kekayaan sedunia dihubungkan, dengan satu dan lain cara, dengan forsa elektromagnetisme. Peradaban tanpa forsa elektromagnetisme tidak bisa dibayangkan.

Serupa dengan itu, ketika forsa nuklir dilepaskan melalui bom atom, sejarah manusia, untuk pertama kali, dihadapkan pada suatu perangkat pilihan yang menakutkan dan baru. Ini termasuk pemusnahan semua bentuk hidup dari muka bumi. Dengan forsa nuklir, kita akhirnya bisa memahami mesin dahsyat yang ada di dalam matahari dan bintang-bintang. Selain itu, kita bisa melihat sekilas untuk pertama kali akhir kemanusiaan sendiri.

Jadi, bilamana para ahli sains menguraikan rahasia-rahasia salah satu dari keempat forsa fundamental, forsa itu tanpa bisa dielakkan mengubah arah peradaban modern. Dalam arti tertentu, beberapa terobosan hebat dalam sejarah sains bisa ditelusuri pada pemahaman berangsur-angsur dari keempat forsa fundamental ini. Beberapa pakar mengatakan bahwa kemajuan sains selama 2000 tahun terakhir bisa diringkaskan oleh penguasaan forsa-forsa fundamental ini.

Mengingat pentingnya keempat forsa fundamental ini dalam alam semesta, timbul suatu pertanyaan. Apakah forsa-forsa itu bisa disatukan menjadi suatu adiforsa (super force)? Apakah forsa-forsa itu manifestasi dari suatu realitas yang lebih dalam?

Mengapa Teori Medan Terpadu Gagal

Teori medan terpadu yang diupayakan Einstein bertujuan untuk menjelaskan semua forsa yang lasim terdapat dalam alam, termasuk cahaya dan gravitasi. Tapi sampai dengan wafatnya, dia tidak mampu menyelesaikan perumusan teori itu.

Sebelumnya, dia berhasil merumuskan teori relativitas umumnya. Teori ini menyatakan bahwa kehadiran materi-energi menetapkan kelengkungan ruang-waktu yang mengelilinginya. Prinsip ini melandasi gerak bintang dan galaksi, lubang hitam, Dentuman Besar, dan barangkali nasib alam semesta itu sendiri.

Lengkungan ruang-waktu karena benda padat

Meskipun Einstein sudah menemukan prinsip ini, dia kekurangan peralatan matematik yang cukup kuat untuk mengungkapkan asasnya. Dia sia-sia mencari peralatan itu selama tiga tahun dan akhirnya matematikawan Marcel Groussman, sahabat karibnya, menemukan peralatan itu: karya Riemann dan tensor metriknya yang sudah diabaikan para fisikawan selama 60 tahun. (Tensor metrik Riemann berisi kumpulan angka-angka susunan Riemann untuk melakukan berbagai perhitungan matematik.) Dengan peralatan matematik Riemann, Einstein berhasil merumuskan persamaan matematiknya yang pada intinya menyatakan bahwa materi-energi menetapkan kelengkungan ruang-waktu di sekitarnya.

Persamaan ini menunjukkan suatu keanggunan yang belum pernah dilihat sebelumnya dalam ilmu fisika. Pemenang Hadiah Nobel dalam Ilmu Fisika dan berasal dari India, Subrahmanyan Chandrasekhar, pernah menyebut persamaan Einstein ini sebagai “teori paling indah yang pernah ada.”

Seindah apa pun teori ini, ia akhirnya tidak mampu memecahkan upaya Einstein selama 30 tahun untuk merumuskan teorinya yang ketiga: teori medan terpadu. Dia menjadi kecewa karena kegagalannya. Sumber frustrasinya adalah susunan persamaannya sendiri. Dia terganggu oleh suatu cacat fundamental dalam rumusan ini. Di satu pihak, dia menyukai susunan geometrik yang indah dari kelengkungan ruang-waktu. Di pihak lain, dia membenci sisi materi-energi dari persamaannya karena sisi ini adalah “suatu campur-baur yang mengerikan dari bentuk-bentuk yang tampaknya acak dan membingungkan, dari partikel subatomik, polimer, dan kristal sampai dengan batu, pohon, planet, dan bintang.” Tapi pada tahun 1920-an dan 1930-an, ketika Einstein tengah mengerjakan teori medan terpadunya, hakekat sesungguhnya dari materi masih tetap suatu misteri yang tidak terpecahkan.

Strategi besar Einstein adalah memberi suatu asal-usul geometrik yang lengkap pada materi. Tapi tanpa lebih banyak petunjuk fisikal dan suatu pemahaman fisikal yang lebih dalam dari materi, strateginya untuk mengubah materi-energi menjadi seindah kelengkungan ruang-waktu menjadi mustahil.

Kita barangkali bisa menunjukkan kesalahan Einstein. Kita ingat bahwa hukum-hukum alam menjadi sederhana dan menyatu dalam dimensi-dimensi yang lebih tinggi. Einstein betul ketika dia menerapkan asas ini dua kali, dalam teori relativitas khusus dan umumnya. Tapi pada upaya ketiga untuk merumuskan teori medan terpadu, dia mengabaikan asas fundamental ini. Sedikit sekali yang diketahui tentang susunan materi atomik dan nuklir pada zamannya. Sebagai akibatnya, tidak jelas bagaimana menggunakan ruang dimensional lebih tinggi sebagai suatu asas pemersatu.

Pemecahan yang melibatkan asas fundamental yang diabaikan Einstein akan datang dari seorang matematikawan tidak terkenal waktu itu. Dia akan menuntun kita pada dimensi kelima.

Dimensi Kelima Kaluza-Klein

Matematikawan tidak terkenal itu bernama Theodr Kaluza (non-Yahudi) dari Universitas Königsberg di Jerman yang terletak di Kaliningrad dari bekas Uni Soviet. Dia mengirimkan sepucuk surat yang diterima Einstein pada bulan April 1919 dan mengejutkannya. Surat itu berbentuk suatu artikel singkat sepanjang beberapa halaman. Di dalam surat itu, Kaluza mengajukan suatu pemecahan atas masalah teori medan terpadu itu. Dalam hanya beberapa baris, Kaluza menyatukan teori gravitasi Einstein dengan teori cahaya Maxwell dengan memperkenalkan dimensi kelima. Dimensi ini mencakup empat dimensi dari ruang dan satu dimensi dari waktu.

Kelahiran teori Kaluza-Klein

Apa yang mengejutkan Einstein adalah keberanian dan kesederhanaan artikel Kaluza. Seperti semua gagasan besar, argumen inti Kaluza anggun dan padat.

Dua tahun kemudian, Einstein menjadi yakin bahwa artikel Kaluza itu secara potensial penting. Dia menyerahkannya untuk diterbitkan oleh suatu lembaga ilmu pengetahuan di Jerman dengan judul yang mencolok, “Tentang Masalah Kesatuan Ilmu Fisika.”

Dalam sejarah ilmu fisika, tidak ada siapa pun yang sudah menemukan manfaat dari dimensi spasial keempat. Sejak Riemann, diketahui bahwa ilmu matematika tentang dimensi-dimensi yang lebih tinggi adalah suatu keindahan yang hebat, tapi tanpa penerapan fisikal. Untuk pertama kali, seseorang sudah menemukan suatu kegunaan bagi dimensi spasial keempat: untuk menyatukan hukum-hukum ilmu fisika! Dalam arti tertentu, Kaluza tengah menunjukkan bahwa keempat dimensi Einstein “terlalu kecil” untuk menampung forsa elektromagnetis dan gravitasional.

Pada tahun 1926, Oskar Klein, seorang matematikawan non-Yahudi, membuat beberapa perbaikan pada teori dimensi kelima dari Kaluza. Perbaikan ini lalu disatukan dengan teori Kaluza dan sejak itu terkenal dengan nama “Teori Kaluza-Klein.”

Sebelum diperbaiki Klein, teori Kaluza mulai menimbulkan pertanyaan pada kebanyakan fisikawan. Semua eksperimen di bumi menunjukkan bahwa kita hidup dalam suatu alam semesta dengan tiga dimensi ruang dan satu dimensi waktu. Kalau begitu, dimensi kelima ada di mana? Ini suatu pertanyaan yang memalukan.

Kaluza punya suatu tanggapan yang cerdik. Dimensi lebih tinggi berbeda dengan dimensi-dimensi yang lain karena dimensi jenis pertama tidak bisa diamati melalui eksperimen. Sesungguhnya, dimensi kelima sudah ambruk menjadi suatu lingkaran yang begitu kecil sampai atom sekalipun tidak bisa masuk ke dalamnya. Jadi, dimensi kelima adalah suatu dimensi fisikal yang menyediakan perekat untuk menyatukan elektromagnetisme dan gravitasi menjadi satu forsa, tapi dimensi itu justru terlalu kecil untuk diukur.

Siapa pun yang berjalan mengikuti arah dimensi kelima akhirnya akan menemukan dirinya balik ke tempat dia mulai perjalanannya. Ini karena dimensi kelima secara topologis sama dengan sebuah lingkaran, dan alam semesta secara topologis sama dengan sebuah silinder.

Peter Freund, seorang fisikawan teoritis ((non-Yahudi) kelahiran Romania, mememperjelas teori Kaluza-Klein tentang dimensi kelima. “Pikirkanlah beberapa orang imajiner yang tinggal di Tanahgaris, yang terdiri dari sebuah garis tunggal. Sepanjang sejarahnya, mereka percaya bahwa dunianya adalah sebuah garis tunggal. Lalu, seorang ilmuwan di Tanahgaris menyatakan bahwa dunianya tidak hanya sebuah garis ekadimensional, tapi juga sebuah dunia dwidimensional. Ketika ditanya di mana dimensi kedua yang tidak dapat dilihat dan misterius ini berada, dia akan menjawab bahwa dimensi kedua tergulung menjadi sebuah bola yang kecil. Jadi, orang-orang garis sebenarnya tinggal di permukaan sebuah silinder yang panjang tetapi sangat tipis. Radius silinder itu terlalu kecil untuk diukur; sesungguhnya, ia begitu kecil sehingga tampak bahwa dunia itu hanya sebuah garis.”

Seandainya radius silinder itu lebih luas, orang-orang garis bisa bergerak ke luar alam semestanya dan bergerak tegaklurus dengan dunia garisnya. Dengan kata lain, mereka bisa melakukan perjalanan interdimensional. Sementara mereka bergerak tegaklurus dengan Tanahgaris, mereka berjumpa dengan sejumlah tak terbatas dari dunia-dunia garis sejajar yang ada bersama-sama dengan alam semesta mereka. Sementara mereka bergerak lebih jauh ke dalam dimensi kedua, mereka akhirnya akan kembali ke dunia garisnya sendiri.

Sekarang, bayangkanlah bahwa dunia tridimensional kita masa kini sebenarnya punya dimensi lain yang sudah tergulung menjadi sebuah lingkaran. Demi argumen, anggaplah bahwa dimensi kelima panjangnya 10 kaki (sekitar 3 meter). Dengan melompat ke dalam dimensi kelima, kita sekadar lenyap seketika dari alam semesta kita masa kini. Begitu kita bergerak dalam dimensi kelima, kita menemukan bahwa, sesudah bergerak sejauh 10 kaki, kita kembali ke awal perjalanan kita.

Tapi mengapa dimensi kelima tergulung? Pada tahun 1926, matematikawan Oskar Klein membuat beberapa perbaikan pada teori dimensi kelima. Dia menyatakan bahwa barangkali teori kuantum bisa menjelaskan mengapa dimensi kelima tergulung. Atas dasar ini, dia menghitung bahwa ukuran dimensi kelima mencapai ukuran Planck, yaitu 10^-33 sentimeter. (Panjang Planck menyatakan bahwa ukuran dimensi kelima yang tergulung adalah 100 miliar miliar lebih kecil dari pada proton! Max Planck, seorang fisikawan Jerman non-Yahudi, adalah peletak dasar teori kuantum.) Ukuran ini terlalu kecil untuk diteliti bahkan oleh mesin penghancur atom terbesar kita sekalipun.

Apa implikasi dari ukuran yang demikian kecil dari dimensi kelima yang sudah tergulung itu? Di satu pihak, ini berarti teori dimensi kelima sesuai dengan eksperimen karena dimensi ini terlalu kecil untuk diukur. Di pihak lain, itu berarti juga bahwa dimensi kelima begitu kecil sehingga tidak seorang pun mampu membuat mesin-mesin yang cukup kuat untuk membuktikan bahwa teori itu memang betul.

Kematian teori Kaluza-Klein

Meskipun teori Kaluza-Klein menjanjikan karena memberi suatu landasan geometrik secara murni pada forsa-forsa alam, teori ini mati menjelang tahun 1930-an. Ada dua alasan utama kematiannya.

Di satu pihak, para fisikawan tidak yakin bahwa dimensi kelima memang ada. Dugaan Klein bahwa dimensi kelima tergulung menjadi sebuah lingkaran yang sangat kecil berukuran panjang Planck tidak bisa diuji. Energi yang dibutuhkan untuk meneliti jarak yang sangat kecil ini bisa dihitung, dan energi ini disebut energi Planck, atau 10¹⁹ miliar volt elektron. Energi yang sangat besar ini hampir di luar pemahaman kita. Energi ini 100 miliar miliar kali energi yang terkunci dalam proton. Energi sebesar ini di luar apa pun yang mampu kita hasilkan dalam beberapa abad mendatang.

Di pihak lain, para fisikawan membiarkan bidang riset ini berbondong-bondong karena penemuan akan suatu teori baru yang membuat revolusi dalam dunia sains. Gelombang air pasang yang dilepaskan teori dunia subatomik ini melanda sama sekali teori Kaluza-Klein. Teori baru itu disebut mekanika kuantum, dan ia membunyikan lonceng kematian bagi teori Kaluza-Klein selama 60 tahun mendatang. Lebih buruk lagi, mekanika kuantum menantang penafsiran geometrik yang mulus dari forsa-forsa dengan menggantikannya dengan paket-paket energi yang terpisah-pisah.

Kebangkitan kembali Kaluza-Klein

Sejak kematian teori Kaluza-klein, para fisikawan berupaya menyatukan teori kuantum dengan gravitasi. Kalau mereka berhasil, mereka akan menciptakan Teori Segala Sesuatu, yang oleh Einstein disebut teori medan terpadu. Barang siapa yang mampu menciptakan Teori Segala Sesuatu pasti akan dianugerahi Hadiah Nobel. Namun, upaya otak-otak paling hebat dalam ilmu fisika sekalipun tidak mampu menyatukan teori kuantum dengan gravitasi. Maka, Teori Segala Sesuatu yang ingin mereka ciptakan tetap menjadi “masalah ilmiah terbesar sepanjang masa.”

Menjelang tahun 1980-an, para fisikawan mencapai suatu jalan buntu. Gravitasi sendiri secara teguh berdiri terpisah dari ketiga forsa fundamental lain dalam alam semesta: elektromagnetisme, forsa nuklir kuat, dan forsa nuklir lemah. Sejak Newton, muncul dua macam teori gravitasi. Pertama, teori gravitasi klasikal yang muncul pertama kali dan dipahami melalui karya Newton. Kedua, teori kuantum dari gravitasi yang muncul kemudian untuk dipahami para fisikawan.

Saatnya sudah tiba untuk suatu revolusi. Itulah saat bagi kebangkitan kembali teori Kaluza-Klein yang sudah mati selama 60 tahun.

Kebangkitan kembali itu terjadi awal 1980-an. Para fisikawan yang sudah frustrasi karena gagal menyatukan gravitasi dengan forsa-forsa kuantum yang lain akhirnya berpaling pada teori- teori yang sebelumnya mereka curigai: dimensi-dimensi yang tidak kelihatan dan ruang hiper. Mereka sudah siap untuk sebuah alternatif dan itu adalah teori Kaluza-Klein.

Para fisikawan berharap teori Kaluza-Klein bisa membantu mereka menciptakan suatu teori geometrik yang anggun dan murni. Yang perlu mereka tahu adalah sifat materi-energi. Menjelang tahun 1970-an, mereka menemukan sifat itu: materi terdiri dari dua partikel subatomik yaitu kuark dan lepton. Kedua partikel ini ditahan oleh medan Yang-Mills – medan persamaan bagi forsa-forsa subatomik karya C. N. Yang (non-Yahudi) dan R. L. Mills (non-Yahudi) yang mengendalikan interaksi antara semua partikel subatomik – yang mematuhi simetri. Masalahnya adalah bagaimana memperoleh partikel-partikel dan simetri-simetri misterius ini dari materi-energi yang anggun dan bersih.

Susunan geometrik yang indah dari materi-energi

Supaya Teori Segala Sesuatu bisa diciptakan, para fisikawan berupaya membuat susunan geometrik yang indah, yang anggun dan murni, dari materi-energi. Salah satu cara adalah dengan memasukkan simetri ke dalam ilmu fisika. Ketika mereka memperluas teori pancadimensional yang lama dari Kaluza-Klein menjadi dimensi-dimensi N, mereka menyadari bahwa ada kebebasan untuk memasukkan simetri pada ruang hiper, ruang dengan dimensi yang lebih "tinggi" dari pada sekadar ruang tridimensional (panjang, lebar, tinggi atau dalam) ditambah waktu.

Dalam ilmu fisika, simetri adalah keadaan tetap dari bentuk suatu benda bahkan sesudah kita merusak atau mengubah bentuknya atau merotasinya.

Untuk melihat bagaimana simetri muncul dari ruang, pertimbangkanlah sebuah bola plastik besar untuk bermain-main di pantai. Ia punya simetri. Kita bisa merotasinya keliling pusatnya, dan bola pantai itu tetap mempertahankan bentuknya. Simetri sebuah bola pantai, atau sebuah bentuk bola (sphere), disebut O(3), atau rotasi dalam tiga dimensi. Serupa dengan itu, dimensi-dimensi lebih tinggi, sebuah ruang hiper bisa dirotasi keliling pusatnya dan mempertahankan bentuknya. Bentuk bola hiper itu punya suatu simetri yang disebut O(N), atau rotasi dalam dimensi N.

Sekarang, buatlah vibrasi atau getaran pada bola pantai itu. Riak-riak terbentuk di permukaan bola itu. Kalau kita secara hati-hati menggetarkan bola pantai itu dengan suatu cara tertentu, kita bisa menimbulkan getaran-getaran yang teratur padanya yang disebut resonansi-resonansi. Berbeda dengan riak-riak biasa, resonansi-resonansi ini bisa bergetar hanya pada frekuensi-frekuensi tertentu. Sesungguhnya, kalau kita menggetarkan bola pantai itu cukup cepat, kita bisa menciptakan nada-nada musikal dari suatu frekuensi yang pasti. Vibrasi-vibrasi ini kemudian bisa dikatalog oleh simetri O(3).

Seperti bola pantai, selembar membran atau selaput yang bisa menimbulkan frekuensi-frekuensi resonansi adalah suatu gejala yang lasim. Pita suara dalam tenggorokan kita, misalnya, adalah selaput-selaput yang direntangkan yang bergetar pada frekuensi-frekuensi, atau resonansi-resonansi, tertentu dan dengan cara demikian menghasilkan nada-nada musikal. Contoh lain adalah pendengaran kita. Gelombang bunyi dari semua jenis menimpa gendang telinga kita, kemudian beresonansi pada frekuensi-frekuensi tertentu. Getaran-getaran ini kemudian diubah menjadi sinyal-sinyal listrik yang dikirim ke dalam otak kita, yang menafsirkannya sebagai bunyi-bunyi.

Bagi sebuah bentuk bola hiper, efeknya sama. Seperti selembar selaput, bentuk bola hiper itu bisa beresonansi pada berbagai frekuensi, yang kemudian bisa ditetapkan oleh simetrinya, yaitu simetri O(N). Sebagai pilihan lain, para matematikawan sudah mencita-citakan lebih banyak permukaan yang canggih dalam dimensi-dimensi yang lebih tinggi yang diperikan oleh bilangan-bilangan rumit. (Bilangan-bilangan rumit menggunakan akar pangkat sekian.) Kemudian, mereka langsung menunjukkan bahwa simetri yang cocok dengan sebuah “bentuk bola hiper” yang rumit adalah SU(N).

Tibalah kita sekarang pada pokok masalahnya. Kalau fungsi gelombang dari suatu partikel bervibrasi sepanjang permukaan ini, fungsi itu akan mewarisi simetri SU(N) ini. Jadi, simetri-simetri SU(N) misterius yang timbul dari ilmu fisika subatomik sekarang bisa dilihat sebagai hasil-hasil sampingan dari ruang hiper yang bergetar! Dengan kata lain, kita sekarang punya suatu penjelasan bagi asal-usul simetri-simetri misterius dari materi-energi: Simetri-simetri itu benar-benar berasal dari susunan geometrik yang anggun dan murni.

Adigravitasi

Sesudah simetri materi-energi diketahui berasal dari simetri-simetri yang tersembunyi dari dimensi-dimensi yang tidak kelihatan, para fisikawan menempuh langkah berikut. Mereka ingin menciptakan materi-energi itu sendiri – terdiri dari kuark dan lepton – melulu dari susunan geometrik yang indah. Langkah berikut ini mereka sebut adigravitasi (supergravity).

Menciptakan adigravitasi ini tidak mudah karena semua partikel “berpusing-pusing.” Materi terdiri dari kuark dan lepton. Berdasarkan sifat perpusingannya, partikel-partikel subatomik ini disebut fermion-fermion. Akan tetapi, graviton, suatu paket energi yang diduga ada pada gravitasi sebagai suatu forsa fundamental, punya ciri-ciri perpusingan tertentu yang disebut boson-boson.

Secara tradisional, teori kuantum secara ketat memisahkan fermion dari boson. Sesungguhnya, upaya apa pun untuk mengubah materi-energi menjadi susunan geometrik yang indah pasti bergulat dengan fakta bahwa fermion dan boson punya sifat-sifat yang saling bertentangan karena kedua-duanya tidak bisa dipersatukan. Suatu pemecahan tampak di ujung jalan ketika para fisikawan menemukan suatu simetri yang baru yang disebut adisimetri (supersymmetry). Adisimetri inilah yang justru mempersatukan fermion dan boson tanpa mengganggu persamaan adisimetriknya.

Ini memberi kita kemungkinan untuk memasukkan semua partikel di alam semesta ke dalam satu persamaan! Kemungkinan yang luar biasa ini menggerakkan hati Abdus Salam (non-Yahudi), seorang fisikawan asal Pakistan dan pemenang Hadiah Nobel untuk Ilmu Fisika, untuk menyatakan, “Adisimetri adalah usul paling akhir bagi suatu penyatuan yang lengkap dari semua partikel.”

Dengan penemuan adisimetri tadi, tiga orang fisikawan segera menuliskan teori adigravitasi pada tahun 1976. Mereka mencakup Daniel Freedman, Sergio Ferrara, dan Peter van Nieuwenhuizen – semuanya non-Yahudi dan bekerja pada Universitas Negara Bagian New York di Stony Brook. Adigravitasi adalah upaya realistik pertama untuk membentuk suatu dunia yang disusun sama sekali dari geometri yang anggun dan bersih. Dalam suatu teori adisimetrik, semua partikel punya adimitranya yang disebut spartikel. Teori adigravitasi dari kelompok Stony Brook berisi hanya dua medan: medan graviton – sebuah boson – dan mitranya, gravitino (yang berarti “gravitasi kecil”). Karena partikel-partikel yang dibutuhkan tidak cukup, mereka mengadakan upaya-upaya untuk menggandeng teori adigravitasi dengan partikel-partikel yang lebih rumit.

Cara paling sederhana untuk memasukkan materi adalah dengan menuliskan teori adigravitasi dalam ruang berdimensi 11. Untuk menuliskan teori Kaluza-Klein pada tingkat adi dalam 11 dimensi, orang harus meningkatkan komponen-komponen dalam tensor Riemann secara luar biasa, sehingga menjadi tensor Riemann juga pada tingkat adi.

Kemerosotan teori adigravitasi

Para kritikus berangsur-angsur mulai melihat masalah-masalah dengan teori adigravitasi. Sesudah suatu pencarian yang intensif, mereka tidak menemukan spartikel-spartikel dalam eksperimen apa pun. Akan tetapi, para fisikawan yang mengerjakan teori itu sangat percaya bahwa, pada energi yang sangat tinggi yang ditemukan pada Penciptaan seketika, semua partikel disertai adimitranya. Hanya pada energi yang luar biasa ini barulah kita melihat suatu dunia adisimetrik secara sempurna.

Tapi sesudah beberapa tahun yang menunjukkan minat yang hebat dan beberapa konperensi internasional, teori adigravitasi gagal karena suatu alasan yang sangat sederhana. Bilamana kita mencoba menghitung bilangan dari teori ini, kita akan tiba pada ananta-ananta (infinites) yang tidak berarti. Meskipun teori ini punya ananta-ananta yang lebih sedikit dari pada yang ada dalam teori Kaluza-Klein yang asli, teori tersebut masih tidak bisa direnormalisasi.

Ada masalah lain. Simetri paling tinggi yang bisa dicakup adigravitasi disebut O(8). Simetri ini terlalu kecil untuk menampung simetri menurut Model Baku (Standard Model). Ini adalah model yang mampu menjelaskan setiap potongan data eksperimental yang berhubungan dengan partikel-partikel subatomik, setinggi 1 juta volt elektron dalam energi. Tampaknya, adigravitasi hanya langkah lain dalam perjalanan yang panjang ke arah suatu teori terpadu dari alam semesta. Ia memang mampu mengubah materi-energi menjadi susunan geometrik yang indah tapi gagal dalam upaya lain. Akan tetapi, justru ketika minat pada adigravitasi mulai memudar, suatu teori yang baru muncul. Teori ini barangkali adalah teori fisikal yang paling aneh tapi paling kuat yang pernah diajukan: teori adidawai dasadimensional (ten-dimensional superstring theory).

Sebelum menyoroti teori baru ini, kita perlu memahami ABC dari ilmu fisika tentang partikel. Pemahaman ini akan mempermudah kita memahami teori baru tadi. Beberapa orang ilmuwan Yahudi Diaspora memainkan peranan penting dalam pengembangan teori ini.