Kita hidup di zaman keemasan untuk belajar tentang alam semesta. Teleskop kita yang paling canggih telah mengungkapkan bahwa kosmos ternyata sangat sederhana pada skala terbesar yang terlihat. Demikian pula, “mikroskop” kita yang paling kuat, Large Hadron Collider, tidak menemukan penyimpangan dari fisika yang diketahui pada skala terkecil.
Temuan-temuan ini bukanlah apa yang diharapkan sebagian besar ahli teori. Saat ini, pendekatan teoritis yang dominan menggabungkan teori string, kerangka matematika yang kuat yang belum memiliki prediksi fisik yang berhasil, dan “inflasi kosmik” – gagasan bahwa, pada tahap awal, ukuran alam semesta membengkak dengan sangat besar. Kombinasi teori string dan inflasi meramalkan bahwa alam semesta akan menjadi sangat kompleks dalam skala kecil dan benar-benar kacau dalam skala yang sangat besar.
Sifat kompleksitas yang diperkirakan dapat terjadi dalam berbagai bentuk yang membingungkan. Atas dasar ini, dan meskipun tidak ada bukti pengamatan, banyak ahli teori yang mempromosikan gagasan “multiverse:” sebuah kosmos yang tidak terkendali dan tidak dapat diprediksi yang terdiri dari banyak alam semesta, masing-masing memiliki sifat fisik dan hukum yang sangat berbeda.
Sejauh ini, pengamatan menunjukkan hal sebaliknya. Apa yang harus kita ambil dari perbedaan tersebut? Salah satu kemungkinannya adalah bahwa kesederhanaan alam semesta hanyalah sebuah kebetulan dari terbatasnya rentang skala yang dapat kita selidiki saat ini dan ketika observasi dan eksperimen mencapai skala yang cukup kecil atau cukup besar, kompleksitas yang ditegaskan akan terungkap.
Kemungkinan lainnya adalah alam semesta benar-benar ada adalah sangat sederhana dan dapat diprediksi baik pada skala terbesar maupun terkecil. Saya yakin kemungkinan ini harus ditanggapi dengan lebih serius. Jika hal ini benar, kita mungkin lebih dekat dari yang kita bayangkan dalam memahami teka-teki paling mendasar di alam semesta. Dan beberapa jawabannya mungkin sudah terlihat jelas di hadapan kita.
Masalah dengan teori string dan inflasi
Ortodoksi yang ada saat ini adalah puncak dari upaya puluhan tahun yang dilakukan oleh ribuan ahli teori yang serius. Menurut teori string, bahan penyusun dasar alam semesta adalah lingkaran kecil yang bergetar dan potongan-potongan string sub-atom. Seperti yang dipahami saat ini, teori tersebut hanya berfungsi jika terdapat lebih banyak dimensi ruang daripada tiga dimensi yang kita alami. Jadi, para ahli teori string berasumsi bahwa alasan kita tidak mendeteksinya adalah karena mereka kecil dan meringkuk.
Sayangnya, hal ini membuat teori string sulit untuk diuji, karena ada banyak cara yang hampir tak terbayangkan yang dapat digunakan untuk menggulung dimensi kecil, yang masing-masing memberikan seperangkat hukum fisika yang berbeda pada dimensi besar lainnya.
Sementara itu, inflasi kosmik adalah skenario yang diusulkan pada tahun 1980an untuk menjelaskan mengapa alam semesta begitu halus dan datar pada skala terbesar yang bisa kita lihat. Idenya adalah bahwa alam semesta bayi itu kecil dan tidak rata, namun ledakan ekspansi ultra-cepat yang ekstrim meledakkannya menjadi sangat besar, menghaluskan dan meratakannya agar konsisten dengan apa yang kita lihat saat ini.
Inflasi juga populer karena berpotensi menjelaskan mengapa kepadatan energi di alam semesta awal sedikit berbeda dari satu tempat ke tempat lain. Hal ini penting karena wilayah yang lebih padat nantinya akan runtuh karena gravitasinya sendiri, sehingga memicu pembentukan galaksi.
Selama tiga dekade terakhir, variasi kepadatan telah diukur secara lebih akurat dengan memetakan latar belakang gelombang mikro kosmik – radiasi dari big bang – dan dengan memetakan distribusi tiga dimensi galaksi.
Dalam sebagian besar model inflasi, ledakan ekspansi awal yang ekstrim, yang memperhalus dan meratakan alam semesta, juga menghasilkan gelombang gravitasi dengan panjang gelombang panjang – riak-riak pada tatanan ruang-waktu. Gelombang-gelombang seperti ini, jika diamati, akan menjadi sinyal yang menegaskan bahwa inflasi memang benar-benar terjadi. Namun, sejauh ini pengamatan gagal mendeteksi sinyal tersebut. Sebaliknya, seiring dengan semakin membaiknya eksperimen yang dilakukan, semakin banyak model inflasi yang dikesampingkan.
Selain itu, selama inflasi, wilayah ruang yang berbeda dapat mengalami jumlah perluasan yang sangat berbeda. Dalam skala yang sangat besar, hal ini menghasilkan multiverse alam semesta pasca-inflasi, yang masing-masing memiliki sifat fisik berbeda.
Skenario inflasi didasarkan pada asumsi mengenai bentuk energi yang ada dan kondisi awal. Meskipun asumsi-asumsi ini memecahkan beberapa teka-teki, namun juga menciptakan teka-teki lainnya. Para ahli teori string dan inflasi berharap bahwa di suatu tempat di multiverse inflasi yang luas, terdapat wilayah ruang dan waktu dengan sifat yang tepat untuk menyamai alam semesta yang kita lihat.
Namun, bahkan jika hal ini benar (dan belum ada satu pun model yang ditemukan), perbandingan teori yang adil harus mencakup “faktor Occam,” yang mengukur pisau cukur Occam, yang menghukum teori dengan banyak parameter dan kemungkinan dibandingkan teori yang lebih sederhana dan lebih prediktif. . Mengabaikan faktor Occam berarti berasumsi bahwa tidak ada alternatif selain hipotesis yang kompleks dan tidak dapat diprediksi ini – sebuah klaim yang saya yakini tidak memiliki dasar yang kuat.
Selama beberapa dekade terakhir, terdapat banyak peluang untuk eksperimen dan observasi untuk mengungkap sinyal spesifik dari teori string atau inflasi. Tapi tidak ada satupun yang terlihat. Berkali-kali, observasi menjadi lebih sederhana dan minimal dari yang diperkirakan.
Saya yakin ini adalah saat yang tepat untuk mengakui dan belajar dari kegagalan ini, dan mulai mencari alternatif yang lebih baik secara serius.
Alternatif yang lebih sederhana
Baru-baru ini, rekan saya Latham Boyle dan saya mencoba membangun teori yang lebih sederhana dan lebih dapat diuji yang menghilangkan teori inflasi dan string. Berdasarkan observasi yang kami lakukan, kami telah berupaya memecahkan beberapa teka-teki kosmik yang paling mendalam dengan asumsi teoritis yang minimal.
Upaya pertama kami berhasil melampaui harapan kami yang paling optimis. Waktu akan membuktikan apakah mereka lolos dari pengawasan lebih lanjut. Namun, kemajuan yang telah kita capai meyakinkan saya bahwa, kemungkinan besar, hal itu akan terjadi adalah alternatif terhadap standar ortodoksi – yang telah menjadi sebuah hambatan yang harus kita tinggalkan.
Saya berharap pengalaman kami dapat mendorong orang lain, terutama peneliti muda, untuk mengeksplorasi pendekatan baru yang dipandu oleh kesederhanaan pengamatan – dan menjadi lebih skeptis terhadap prasangka orang tua mereka. Pada akhirnya, kita harus belajar dari alam semesta dan menyesuaikan teori kita dengan alam semesta, bukan sebaliknya.
Boyle dan saya memulai dengan mengatasi salah satu paradoks kosmologi terbesar. Jika kita mengikuti perkembangan alam semesta mundur ke masa lalu, dengan menggunakan teori gravitasi Einstein dan hukum fisika yang diketahui, ruang angkasa akan menyusut hingga ke satu titik, yaitu “singularitas awal”.
Dalam upaya untuk memahami awal yang sangat padat dan panas ini, para ahli teori termasuk peraih Nobel Roger Penrose menunjukkan adanya simetri yang mendalam dalam hukum dasar yang mengatur cahaya dan partikel tak bermassa. Simetri ini, yang disebut simetri “konformal”, berarti baik cahaya maupun partikel tak bermassa tidak mengalami penyusutan ruang saat Big Bang.
Dengan memanfaatkan simetri ini, seseorang dapat mengikuti cahaya dan partikel hingga ke awal. Dengan melakukan hal tersebut, Boyle dan saya menemukan bahwa kami dapat menggambarkan singularitas awal sebagai “cermin”: batas yang mencerminkan waktu (dengan waktu yang bergerak maju di satu sisi dan mundur di sisi lain).
Membayangkan Big Bang sebagai cermin menjelaskan dengan jelas banyak fitur alam semesta yang mungkin tampak bertentangan dengan hukum fisika paling dasar. Misalnya, untuk setiap proses fisika, teori kuantum mengijinkan adanya proses “cermin” yang mana ruang dibalik, waktu dibalik, dan setiap partikel diganti dengan antipartikelnya (sebuah partikel yang serupa dalam hampir segala hal tetapi dengan sifat listrik yang berlawanan). mengenakan biaya).
Menurut simetri yang kuat ini, yang disebut simetri CPT, proses “cermin” harus terjadi dengan kecepatan yang sama persis dengan proses aslinya. Salah satu teka-teki paling mendasar tentang alam semesta adalah apa yang tampak [violate CPT symmetry] karena waktu selalu berjalan maju, dan jumlah partikel lebih banyak daripada antipartikel.
Hipotesis cermin kami mengembalikan simetri alam semesta. Saat Anda bercermin, Anda melihat bayangan cermin Anda di belakangnya: jika Anda kidal, bayangannya adalah kidal, dan sebaliknya. Kombinasi Anda dan bayangan cermin Anda lebih simetris dibandingkan Anda sendiri.
Demikian pula, ketika Boyle dan saya mengekstrapolasi alam semesta kita kembali melalui Big Bang, kami menemukan bayangan cerminnya, sebuah alam semesta sebelum terjadinya ledakan di mana (relatif terhadap kita) waktu berjalan mundur dan jumlah antipartikel melebihi jumlah partikel. Agar gambaran ini benar, kita tidak perlu alam semesta cermin menjadi nyata dalam pengertian klasik (sama seperti bayangan Anda di cermin yang tidak nyata). Teori kuantum, yang mengatur mikrokosmos atom dan partikel, menantang intuisi kita sehingga pada titik ini hal terbaik yang dapat kita lakukan adalah menganggap cermin alam semesta sebagai perangkat matematika yang memastikan bahwa kondisi awal alam semesta tidak melanggar simetri CPT.
Yang mengejutkan, gambaran baru ini memberikan petunjuk penting tentang sifat substansi kosmik tak dikenal yang disebut materi gelap. Neutrino adalah partikel yang sangat ringan dan tidak jelas yang biasanya bergerak mendekati kecepatan cahaya dan berputar seiring pergerakannya, seperti gasing kecil. Jika Anda mengarahkan ibu jari tangan kiri ke arah pergerakan neutrino, maka keempat jari Anda menunjukkan arah perputarannya. Neutrino ringan yang diamati disebut neutrino “kidal”.
Neutrino berat “bertangan kanan” belum pernah terlihat secara langsung, namun keberadaannya disimpulkan dari sifat-sifat neutrino ringan bertangan kiri yang diamati. Neutrino tangan kanan yang stabil akan menjadi kandidat sempurna untuk materi gelap karena mereka tidak berpasangan dengan gaya apa pun yang diketahui kecuali gravitasi. Sebelum penelitian kami dilakukan, tidak diketahui bagaimana mereka bisa terbentuk di alam semesta awal yang panas.
Hipotesis cermin kami memungkinkan kami menghitung dengan tepat berapa banyak yang akan terbentuk, dan menunjukkan bahwa mereka dapat menjelaskan materi gelap kosmik.
Sebuah prediksi yang dapat diuji menyusul: jika materi gelap terdiri dari neutrino beraliran kanan yang stabil, maka salah satu dari tiga neutrino terang yang kita ketahui pastilah tidak bermassa. Hebatnya, prediksi ini kini sedang diuji menggunakan pengamatan pengelompokan gravitasi materi yang dilakukan melalui survei galaksi skala besar.
Entropi alam semesta
Didorong oleh hasil ini, kami mulai memecahkan teka-teki besar lainnya: mengapa alam semesta begitu seragam dan datar secara spasial, tidak melengkung, pada skala terbesar yang terlihat? Skenario inflasi kosmik diciptakan oleh para ahli teori untuk memecahkan masalah ini.
Entropi adalah sebuah konsep yang mengkuantifikasi banyaknya cara berbeda yang dapat diatur oleh suatu sistem fisik. Misalnya, jika kita memasukkan beberapa molekul udara ke dalam sebuah kotak, konfigurasi yang paling mungkin adalah konfigurasi yang memaksimalkan entropi – dengan molekul-molekul tersebut menyebar dengan lancar ke seluruh ruang dan berbagi energi total kurang lebih sama. Argumen semacam ini digunakan dalam fisika statistik, bidang yang mendasari pemahaman kita tentang panas, kerja, dan termodinamika.
Mendiang fisikawan Stephen Hawking dan kolaboratornya menggeneralisasikan fisika statistik dengan memasukkan gravitasi. Dengan menggunakan argumen yang elegan, mereka menghitung suhu dan entropi lubang hitam. Dengan menggunakan hipotesis “cermin” kami, Boyle dan saya berhasil memperluas argumen mereka ke kosmologi dan menghitung entropi seluruh alam semesta.
Yang mengejutkan kami, alam semesta dengan entropi tertinggi (artinya yang paling mungkin, sama seperti atom-atom yang tersebar di dalam kotak) adalah datar dan mengembang dengan kecepatan yang dipercepat, sama seperti alam semesta sebenarnya. Jadi, argumen statistik menjelaskan mengapa alam semesta datar dan mulus serta memiliki percepatan ekspansi positif yang kecil tanpa memerlukan inflasi kosmik.
Bagaimana variasi kepadatan primordial, yang biasanya disebabkan oleh inflasi, dapat dihasilkan di alam semesta cermin simetris kita? Baru-baru ini, kami menunjukkan bahwa jenis medan kuantum tertentu (bidang berdimensi nol) menghasilkan jenis variasi kepadatan yang persis seperti yang kita amati tanpa inflasi. Yang penting, variasi kepadatan ini tidak disertai dengan gelombang gravitasi dengan panjang gelombang panjang seperti yang diprediksi oleh inflasi – dan belum pernah terlihat.
Hasil ini sangat menggembirakan. Namun, diperlukan lebih banyak penelitian untuk menunjukkan bahwa teori baru kami masuk akal secara matematis dan realistis secara fisik.
Sekalipun teori baru kami gagal, hal ini telah memberi kami pelajaran berharga. Mungkin ada penjelasan yang lebih sederhana, lebih kuat, dan lebih dapat diuji mengenai sifat-sifat dasar alam semesta dibandingkan penjelasan yang diberikan oleh ortodoksi standar.
Dengan menghadapi teka-teki kosmologi yang mendalam, dipandu oleh pengamatan dan penjelajahan arah yang belum terjelajahi, kita mungkin dapat meletakkan landasan yang lebih kokoh bagi fisika fundamental dan pemahaman kita tentang alam semesta.
Artikel ini awalnya diterbitkan di The Conversation oleh Neil Turok di Universitas Edinburgh. Baca artikel aslinya di sini.