Ketika kita memandang langit malam, melihat bertaburannya bintang-bintang, kadang kita bertanya, berapa luas alam semesta yang kita tempati? Sampai di mana batasnya ? Apakah ada alam semesta lain seperti yang kita tempati?
Memang, pertanyaan seperti ini selalu muncul, sehingga zaman dahulu orang mengira bahwa alam semesta adalah ruang kosong dan bumi sebagai salah satu planet yang berada di dalamnya, berbentuk datar seperti meja. Jika kita berlayar jauh, maka pada suatu saat akan sampai pada ujung bumi, kemudian jatuh ke dalam ruang kosong.
Anggapan ini masih dipakai orang sampai pada era Newton. Hanya saja, pada era tersebut, bumi dan planet lain yang berada di dalamnya berbentuk bulat, tidak lagi datar. Newton mengemukakan bahwa dinamika benda-benda dalam jagad raya dapat ditentukan melalui tiga kaidah atau hukum. Dia mengatakan bahwa jika tidak ada gaya, maka benda diam atau jika bergerak namun kecepatan tetap, tidak berubah. Kalau ada gaya yang berlaku, maka menimbulkan percepatan pada benda yang sebanding dengan jumlah gaya tersebut. Kalau ada gaya aksi, timbul gaya reaksi, yang arahnya saling berlawanan.
Kembaran jagad raya
Secara sederhana, Newton dapat menjelaskan mengapa planet-planet dapat memutari orbitnya dengan stabil. Sebagai contoh, Bumi memutari Matahari, karena ada gaya tarik Matahari terhadap Bumi (gaya sentripetal). Karena gerak Bumi memutar (sistem tidak inersial), timbul gaya yang arahnya menjauhi Matahari (gaya sentrifugal), sehingga orbit Bumi stabil (Gambar 1). Bandingkan jika kita sedang berada di dalam mobil. Ketika berbelok, terasa ada gaya dorong pada tubuh ke arah luar mobil. Oleh karena itu, pada tikungan yang tajam, selalu diaspal agak kasar dan badan jalan dibuat agak miring, sehingga mobil tidak terlempar keluar jalur ketika berbelok.
Pada tahun 1915, beberapa abad setelah Newton, Albert Einstein seorang pegawai pada kantor paten di Bern Swiss, mengemukakan teori baru yang memodifikasi teori yang telah ada. Dia memormulasikan teorinya, yang kemudian dikenal sebagai teori relativitas umum bahwa bentuk alam semesta sebanding dengan besarnya rapat materi yang ada di jagad raya. Teori ini sangat revolusioner, yang mengubah pandangan orang tentang konsep gaya yang diusulkan Newton.
Sebagai akibat sebandingnya materi dan bentuk alam semesta, maka di sekitar benda yang masif seperti Matahari (bintang yang paling dekat dalam sistem tata surya kita), ruang-waktunya melengkung. Hal ini memengaruhi orbit planet dalam tata surya. Jadi, orbit Bumi yang berputar mengelilingi Matahari bukan karena faktor gaya seperti pada konsep Newton di atas, tetapi karena menelusuri lengkungan ruang-waktu (Gambar 2).
Solusi menarik lainnya adalah, dengan menggunakan koordinat Kruskal, dapat ”dipetakan” kehadiran alam semesta lain, yang biasanya dikenal dengan alam semesta paralel. Pada saat itu, tidak terlalu digubris solusi ini, karena secara fenomenologis belum pernah diamati, sehingga ”dibuang” saja. Tetapi, pada perkembangan akhir-akhir ini, dengan kehadiran teori superstring, teori branes, dan dimensi ekstra, orang mulai menggali lagi kehadiran alam semesta paralel, sehingga jika solusi ini ada, berarti jagad raya yang kita tempati tidaklah tunggal, tetapi ada ”kembarannya”.
Teori string
Sampai pada tiga dekade lalu, paradigma benda dalam fisika selalu diambil sebagai titik tak berdimensi (berdimensi nol), bergerak dalam ruang-waktu yang membentuk garis berdimensi satu atau trayektori. Pada akhir abad ke-20, para ahli fisika mulai memandang bahwa benda atau partikel bukanlah titik tak berdimesi, tetapi berupa garis atau tali (string) dengan ukuran yang sangat kecil (panjang Planck) sekira satu dibagi angka dengan tiga puluh lima buah angka nol meter (10-35 meter).
Ukuran sekecil itu dapat diukur dengan menggunakan energi yang sangat tinggi, konon dengan energi sebesar saat alam semesta terbentuk. Dengan menggunakan pemercepat partikel yang ada sekarang, belum mampu mengukur panjang ”partikel” string. Akibatnya, kemunculan paradigma baru ini bukan didorong oleh observasi, tetapi lebih kepada hipotesis dan konsistensi dalam merumuskan teori kuantum gravitasi, yaitu penggabungan teori gravitasi Einstein dan teori kuantum.
Telah lama diketahui bahwa ada empat interaksi yang memengaruhi dinamika benda, dari galaksi yang sangat besar sampai partikel yang sangat kecil seperti quarks, masing-masing interaksi elektromaghnetik, lemah dan kuat, serta gravitasi. Karena teori yang ada mencakup juga benda-benda yang sangat kecil, teori yang dibangun haruslah konsisten dengan teori kuantum. Ketiga interaksi yang pertama dapat dirumuskan secara konsisten. Sebagai contoh, interaksi dalam model kuantum elektromagnetik di mediasi oleh foton, partikel cahaya yang tidak bermuatan listrik dengan massa diam nol.
Seharusnya, interaksi kuantum gravitasi di mediasi oleh graviton, partikel tidak bermuatan dan tidak bermassa dengan spin dua. Tetapi, masalahnya interaksi gravitasi tidak konsisten dengan kuantum. Kalau dipaksakan perumusannya, timbul suku tak hingga (divergensi) dalam orde perturbasinya (unrenormalizable). Nah, dengan memandang partikel sebagai string, gravitasi dapat digabung dengan kuantum. Sayangnya, ada yang harus ”dibayar”, yaitu berupa ruang-waktunya bukanlah berdimensi empat seperti yang kita alami sekarang, tetapi berdimensi sepuluh (satu dimensi waktu dan sembilan dimensi ruang).
Dengan memodelkan partikel sebagai string, timbul banyak pertanyaan, misalnya bagaimana menghubungkan string yang berbentuk tali, dengan partikel titik yang ada sekarang, misalnya elektron, proton, neutron, dan lain-lain? Yang lebih penting, bagaimana model string dapat mengakomodasi gravitasi. Kita perhatikan Gambar 3a, 3b, 3c. Pada Gambar 3a, partikel dimodelkan sebagai titik yang tidak berdimensi, kemudian berpropagasi dalam ruang dan waktu sehingga membentuk trayektori. Contohnya angkutan kota yang trayeknya (lintasannya) membentuk garis atau trayektori. Dari prinsip least action, trayek ini harus menempuh lintasan yang paling optimum.
Dalam kasus angkutan kota, misalnya optimalisasi bergantung pada banyaknya penumpang dan jarak tempuh. Dalam kasus partikel, energinya yang diambil optimum, sehingga harus dijumlahkan tiap titik pada trayek tersebut. Dengan cara ini, didapat persamaan gerak yang menggambarkan hasil optimum tadi dan telah diverifikasi kesesuaiannya antara teori dan eksperimen. Perlu ditambahkan bahwa untuk partikel yang sangat kecil, di mana konsep kuantum berlaku, trayektorinya banyak sekali, dan yang dioptimalisasi adalah jumlah semua trayek yang mungkin.
Dengan konsep yang sama, dapat digunakan untuk model string. Bedanya dengan partikel titik adalah di sini menjumlahkan luas (membrane), yang bentuknya bisa bermacam-macam, misalnya bentuk bola, bentuk kue donat, dan lain-lain (Gambar 3b). Untuk menghubungkan dengan dunia partikel yang telah ditemukan terlebih dahulu, maka eksitasi string yang frekuensinya berbeda-beda diinterpretasikan sebagai massa partikel yang ada (Gambar 3c). Misalnya pada keadaan yang paling dasar, yaitu keadaan tanpa eksitasi, partikelnya disebut tachyon yang bermassa diam imajiner (berarti partikel selalu bergerak, tidak pernah diam), sehingga kecepatan geraknya melebihi kecepatan cahaya.
Dark radiation
Akhir-akhir ini, para ahli fisika meluaskan konsep string lebih jauh. Bentuk partikel, bahkan jagad raya pun mengambil konsep di atas. Kita bukan hanya menjumlahkan luas (membrane), tetapi juga balok atau bentuk berikutnya, atau dikenalkan istilah Dimension-branes (D-branes). Misalnya untuk dimensi D=1 disebut string (1-branes atau membranes). Bentuk balok berkaitan dengan D=2. Alam semesta kita mempunyai dimensi ruang D=3 dikenal sebagai 3-branes.
Dengan menggunakan konsep teori gabungan (teori M) dalam ruang-waktu sebelas dimensi, kemudian enam dimensinya dikompaktifikasi menjadi panjang Planck, sehingga bersisa lima buah dimensi (satu dimensi waktu dan empat dimensi ruang). Selanjutnya satu dimensi ruang digunakan untuk merangkaikan bentuk 3-branes yang diilustrasikan pada Gambar 4 (F.P. Zen, et.al, Journal of High Energy Physics, 2006). Masing-masing 3-branes menduduki posisi tertentu pada rentang dimensi kelima, sehingga (seharusnya) pengaruh alam semesta paralel dapat di deteksi pada jagad raya kita. Ini berarti pula kita telah mengambil alam semesta dan ”kembarannya” untuk menggambarkan dinamika dalam kosmologi.
Konsekuensi yang menarik pada konsep ini adalah dapat dijelaskan kehadiran dark radiation dan dark matter dalam konsep kosmologi. Kehadiran kedua ”dark” tadi untuk menjelaskan mengapa alam semesta berekspansi mengembang, bukannya mengecil. Berarti mengembangnya alam semesta saat ini disebabkan karena kehadiran materi dan energi dari alam semesta paralel. Walaupun belum ditemukan bukti secara langsung kehadiran alam semesta paralel, tetapi setidak-tidaknya secara matematis dapat memecahkan beberapa problem dalam kosmologi (dan sekaligus menimbulkan problem lain). Mungkin ini akan dijelaskan dalam artikel lain.
