Pengantar
Kosmolog telah menghabiskan puluhan tahun berjuang untuk memahami mengapa alam semesta kita begitu mempesona. Tidak hanya halus dan datar sejauh yang bisa kita lihat, tetapi juga meluas dengan kecepatan yang semakin lambat, ketika kalkulasi naif menunjukkan bahwa — keluar dari Big Bang — ruang seharusnya menjadi kusut oleh gravitasi dan diledakkan oleh energi gelap yang menjijikkan.
Untuk menjelaskan kerataan kosmos, fisikawan telah menambahkan bab pembuka yang dramatis pada sejarah kosmik: Mereka mengusulkan bahwa ruang angkasa mengembang dengan cepat seperti balon pada awal Big Bang, menghilangkan kelengkungan apa pun. Dan untuk menjelaskan pertumbuhan halus ruang setelah mantra awal inflasi, beberapa berpendapat bahwa alam semesta kita hanyalah satu di antara banyak alam semesta yang kurang ramah di multiverse raksasa.
Tapi sekarang, dua fisikawan telah mengubah pemikiran konvensional tentang alam semesta vanilla kita. Mengikuti serangkaian penelitian yang dimulai oleh Stephen Hawking dan Gary Gibbons pada tahun 1977, keduanya telah menerbitkan perhitungan baru yang menunjukkan bahwa kepolosan kosmos diharapkan, bukannya langka. Alam semesta kita adalah apa adanya, menurut Neil Turok dari Universitas Edinburgh dan Latham Boyle dari Perimeter Institute for Theoretical Physics di Waterloo, Kanada, untuk alasan yang sama bahwa udara menyebar secara merata ke seluruh ruangan: Pilihan yang lebih aneh dapat dibayangkan, tetapi sangat tidak mungkin.
Alam semesta "mungkin tampak sangat halus, sangat tidak mungkin, tetapi [mereka] berkata, 'Tunggu sebentar, ini yang disukai,'" kata Thomas Hertog, seorang ahli kosmologi di Catholic University of Leuven di Belgia.
“Ini adalah kontribusi baru yang menggunakan metode berbeda dibandingkan dengan apa yang dilakukan kebanyakan orang,” kata Steffen Gielen, kosmolog di University of Sheffield di Inggris.
Kesimpulan provokatif bertumpu pada trik matematika yang melibatkan peralihan ke jam yang berdetak dengan angka imajiner. Menggunakan jam imajiner, seperti yang dilakukan Hawking di tahun 70-an, Turok dan Boyle dapat menghitung kuantitas, yang dikenal sebagai entropi, yang tampaknya sesuai dengan alam semesta kita. Tapi tipuan waktu imajiner adalah cara menghitung entropi secara tidak langsung, dan tanpa metode yang lebih ketat, makna kuantitas tetap diperdebatkan dengan hangat. Sementara fisikawan membingungkan interpretasi yang benar dari perhitungan entropi, banyak yang melihatnya sebagai tonggak baru di jalan menuju fundamental, sifat kuantum ruang dan waktu.
"Entah bagaimana," kata Gielen, "itu memberi kita jendela untuk melihat struktur mikro ruang-waktu."
Jalan Imajiner
Turok dan Boyle, kolaborator yang sering, terkenal karena merancang ide-ide kreatif dan tidak ortodoks tentang kosmologi. Tahun lalu, untuk mempelajari seberapa besar kemungkinan alam semesta kita, mereka beralih ke teknik yang dikembangkan pada tahun 1940-an oleh fisikawan Richard Feynman.
Bertujuan untuk menangkap perilaku probabilistik partikel, Feynman membayangkan bahwa sebuah partikel menjelajahi semua kemungkinan rute yang menghubungkan awal hingga akhir: garis lurus, kurva, putaran, ad infinitum. Dia menemukan cara untuk memberi setiap jalur nomor yang terkait dengan kemungkinannya dan menjumlahkan semua angka. Teknik "integral jalur" ini menjadi kerangka kerja yang kuat untuk memprediksi bagaimana kemungkinan besar perilaku sistem kuantum mana pun.
Segera setelah Feynman mulai mempublikasikan integral lintasan, fisikawan menemukan hubungan yang aneh dengan termodinamika, ilmu yang dihormati tentang suhu dan energi. Jembatan antara teori kuantum dan termodinamika inilah yang memungkinkan perhitungan Turok dan Boyle.
Pengantar
Termodinamika memanfaatkan kekuatan statistik sehingga Anda dapat menggunakan hanya beberapa angka untuk mendeskripsikan sistem dari banyak bagian, seperti gaji miliaran molekul udara yang berderak-derak di dalam ruangan. Suhu, misalnya — pada dasarnya kecepatan rata-rata molekul udara — memberikan gambaran kasar tentang energi ruangan. Properti keseluruhan seperti suhu dan tekanan menggambarkan "keadaan makro" ruangan.
Tapi keadaan makro adalah perhitungan kasar; molekul udara dapat diatur dalam banyak cara yang semuanya sesuai dengan keadaan makro yang sama. Geser satu atom oksigen sedikit ke kiri, dan suhunya tidak akan berubah. Setiap konfigurasi mikroskopis yang unik dikenal sebagai keadaan mikro, dan jumlah keadaan mikro yang sesuai dengan keadaan makro tertentu menentukan entropinya.
Entropi memberi fisikawan cara yang tajam untuk membandingkan kemungkinan hasil yang berbeda: Semakin tinggi entropi suatu keadaan makro, semakin besar kemungkinannya. Ada jauh lebih banyak cara bagi molekul udara untuk mengatur dirinya sendiri di seluruh ruangan daripada jika berkumpul di sudut, misalnya. Akibatnya, seseorang mengharapkan molekul udara menyebar (dan tetap menyebar). Kebenaran yang terbukti dengan sendirinya bahwa kemungkinan hasil adalah mungkin, ditulis dalam bahasa fisika, menjadi hukum termodinamika kedua yang terkenal: bahwa total entropi suatu sistem cenderung bertambah.
Kemiripan dengan integral jalur tidak salah lagi: Dalam termodinamika, Anda menjumlahkan semua konfigurasi yang mungkin dari suatu sistem. Dan dengan integral jalur, Anda menjumlahkan semua kemungkinan jalur yang dapat diambil sistem. Hanya ada satu perbedaan yang cukup mencolok: Termodinamika berhubungan dengan probabilitas, yaitu bilangan positif yang langsung dijumlahkan. Namun dalam integral lintasan, bilangan yang diberikan pada setiap lintasan bersifat kompleks, artinya melibatkan bilangan imajiner i, akar kuadrat dari −1. Bilangan kompleks dapat membesar atau menyusut saat dijumlahkan — memungkinkannya untuk menangkap sifat seperti gelombang dari partikel kuantum, yang dapat digabungkan atau ditiadakan.
Namun fisikawan menemukan bahwa transformasi sederhana dapat membawa Anda dari satu alam ke alam lainnya. Jadikan waktu imajiner (langkah yang dikenal sebagai rotasi Sumbu setelah fisikawan Italia Gian Carlo Wick), dan detik i memasuki integral jalur yang menghilangkan yang pertama, mengubah bilangan imajiner menjadi probabilitas nyata. Gantikan variabel waktu dengan kebalikan suhu, dan Anda mendapatkan persamaan termodinamika yang terkenal.
Trik Wick ini menyebabkan penemuan blockbuster oleh Hawking dan Gibbons pada tahun 1977, di akhir serangkaian penemuan teoretis tentang ruang dan waktu.
Entropi Ruang-Waktu
Beberapa dekade sebelumnya, teori relativitas umum Einstein telah mengungkapkan bahwa ruang dan waktu bersama-sama membentuk jalinan realitas yang terpadu - ruang-waktu - dan bahwa gaya gravitasi sebenarnya adalah kecenderungan benda untuk mengikuti lipatan dalam ruang-waktu. Dalam keadaan ekstrim, ruang-waktu dapat melengkung cukup tajam untuk menciptakan Alcatraz yang tak terhindarkan yang dikenal sebagai lubang hitam.
Pada tahun 1973, Jacob Bekenstein memajukan ajaran sesat bahwa lubang hitam adalah penjara kosmik yang tidak sempurna. Dia beralasan bahwa jurang harus menyerap entropi makanan mereka, daripada menghapus entropi itu dari alam semesta dan melanggar hukum kedua termodinamika. Tetapi jika lubang hitam memiliki entropi, mereka juga harus memiliki suhu dan memancarkan panas.
Stephen Hawking yang skeptis mencoba membuktikan Bekenstein salah, memulai perhitungan rumit tentang bagaimana partikel kuantum berperilaku dalam ruang-waktu melengkung lubang hitam. Yang mengejutkan, pada tahun 1974 dia ditemukan bahwa lubang hitam memang memancar. Perhitungan lain membenarkan tebakan Bekenstein: Sebuah lubang hitam memiliki entropi yang sama dengan seperempat luas cakrawala peristiwanya — titik tidak dapat kembali untuk objek yang jatuh.
Pengantar
Pada tahun-tahun berikutnya, fisikawan Inggris Gibbons dan Malcolm Perry, dan kemudian Gibbons dan Hawking, tiba di hasil yang sama dari arah lain. Mereka membuat integral jalur, pada prinsipnya menjumlahkan semua cara berbeda yang mungkin dibelokkan ruang-waktu untuk membuat lubang hitam. Selanjutnya, mereka memutar sumbu lubang hitam, menandai aliran waktu dengan bilangan imajiner, dan meneliti bentuknya. Mereka menemukan bahwa, dalam arah waktu imajiner, lubang hitam secara berkala kembali ke keadaan awalnya. Pengulangan seperti Hari Groundhog dalam waktu imajiner ini memberi lubang hitam semacam stasis yang memungkinkan mereka menghitung suhu dan entropinya.
Mereka mungkin tidak akan mempercayai hasilnya jika jawabannya tidak sama persis dengan yang dihitung sebelumnya oleh Bekenstein dan Hawking. Pada akhir dekade, kerja kolektif mereka telah menghasilkan gagasan yang mengejutkan: Entropi lubang hitam menyiratkan bahwa ruang-waktu itu sendiri terbuat dari potongan-potongan kecil yang dapat diatur ulang, sama seperti udara terbuat dari molekul. Dan ajaibnya, bahkan tanpa mengetahui apa itu "atom gravitasi", fisikawan dapat menghitung susunannya dengan melihat lubang hitam dalam waktu imajiner.
“Hasil itulah yang meninggalkan kesan mendalam bagi Hawking,” kata Hertog, mantan mahasiswa pascasarjana dan kolaborator lama Hawking. Hawking langsung bertanya-tanya apakah rotasi Sumbu akan bekerja lebih dari sekadar lubang hitam. “Jika geometri itu menangkap sifat kuantum lubang hitam,” kata Hertog, “maka hal yang sama tidak dapat ditolak untuk dilakukan dengan sifat kosmologis seluruh alam semesta.”
Menghitung Semua Alam Semesta yang Mungkin
Saat itu juga, Hawking dan Gibbons Wick-memutar salah satu alam semesta paling sederhana yang bisa dibayangkan — alam semesta yang hanya berisi energi gelap yang dibangun di luar angkasa itu sendiri. Alam semesta yang kosong dan mengembang ini, yang disebut ruang-waktu "de Sitter", memiliki cakrawala, di luarnya ruang mengembang begitu cepat sehingga tidak ada sinyal dari sana yang akan mencapai pengamat di tengah ruang. Pada tahun 1977, Gibbons dan Hawking menghitung bahwa, seperti lubang hitam, alam semesta de Sitter juga memiliki entropi yang setara dengan seperempat luas cakrawalanya. Sekali lagi, ruang-waktu tampaknya memiliki jumlah mikro yang dapat dihitung.
Tapi entropi alam semesta yang sebenarnya tetap menjadi pertanyaan terbuka. Alam semesta kita tidak kosong; itu penuh dengan cahaya yang memancar dan aliran galaksi dan materi gelap. Cahaya mendorong perluasan ruang yang cepat selama masa muda alam semesta, kemudian gaya tarik gravitasi materi memperlambat benda-benda hingga merangkak selama masa remaja kosmik. Sekarang energi gelap tampaknya telah mengambil alih, mendorong perluasan yang tak terkendali. “Sejarah ekspansi itu adalah perjalanan yang bergelombang,” kata Hertog. “Untuk mendapatkan solusi eksplisit tidaklah mudah.”
Selama sekitar setahun terakhir, Boyle dan Turok telah membangun solusi eksplisit seperti itu. Pertama, di bulan Januari, saat bermain dengan kosmologi mainan, mereka melihat bahwa menambahkan radiasi ke ruang-waktu de Sitter tidak merusak kesederhanaan yang diperlukan untuk memutar sumbu alam semesta.
Kemudian selama musim panas mereka menemukan bahwa teknik itu akan bertahan bahkan dengan masuknya materi yang berantakan. Kurva matematis yang menggambarkan sejarah perluasan yang lebih rumit masih termasuk dalam kelompok khusus fungsi yang mudah ditangani, dan dunia termodinamika tetap dapat diakses. “Rotasi Sumbu ini adalah bisnis yang suram ketika Anda menjauh dari ruang-waktu yang sangat simetris,” kata Guilherme Leite Pimentel, kosmolog di Scuola Normale Superiore di Pisa, Italia. "Tapi mereka berhasil menemukannya."
Dengan memutar sumbu sejarah ekspansi roller-coaster dari kelas alam semesta yang lebih realistis, mereka mendapatkan persamaan yang lebih serbaguna untuk entropi kosmik. Untuk berbagai keadaan makro kosmik yang ditentukan oleh radiasi, materi, kelengkungan, dan kerapatan energi gelap (sama seperti rentang suhu dan tekanan yang menentukan kemungkinan lingkungan yang berbeda dari suatu ruangan), rumus tersebut mengeluarkan jumlah keadaan mikro yang sesuai. Turok dan Boyle memposting hasil mereka online pada awal Oktober.
Pengantar
Para ahli memuji hasil kuantitatif yang eksplisit. Tapi dari persamaan entropi mereka, Boyle dan Turok menarik kesimpulan yang tidak konvensional tentang sifat alam semesta kita. “Di situlah menjadi sedikit lebih menarik, dan sedikit lebih kontroversial,” kata Hertog.
Boyle dan Turok percaya persamaan melakukan sensus dari semua sejarah kosmik yang bisa dibayangkan. Sama seperti entropi ruangan menghitung semua cara mengatur molekul udara untuk suhu tertentu, mereka menduga entropi mereka menghitung semua cara yang mungkin mencampurkan atom-atom ruang-waktu dan masih berakhir dengan alam semesta dengan keseluruhan sejarah tertentu, kelengkungan dan kepadatan energi gelap.
Boyle menyamakan prosesnya dengan mensurvei sekarung kelereng raksasa, masing-masing merupakan alam semesta yang berbeda. Mereka yang memiliki kelengkungan negatif mungkin berwarna hijau. Mereka yang memiliki banyak energi gelap mungkin adalah mata kucing, dan seterusnya. Sensus mereka mengungkapkan bahwa sebagian besar kelereng hanya memiliki satu warna - biru, katakanlah - sesuai dengan satu jenis alam semesta: yang secara luas mirip dengan kita, tanpa kelengkungan yang berarti dan hanya sentuhan energi gelap. Jenis kosmos yang lebih aneh semakin langka. Dengan kata lain, ciri-ciri aneh alam semesta kita yang telah memotivasi puluhan tahun teori tentang inflasi kosmik dan multiverse mungkin tidak aneh sama sekali.
“Ini hasil yang sangat menarik,” kata Hertog. Tapi "itu menimbulkan lebih banyak pertanyaan daripada jawaban."
Menghitung Kebingungan
Boyle dan Turok telah menghitung persamaan yang menghitung alam semesta. Dan mereka telah membuat pengamatan yang mencolok bahwa alam semesta seperti kita tampaknya bertanggung jawab atas bagian terbesar dari pilihan kosmik yang dapat dibayangkan. Tapi disitulah kepastian berakhir.
Duo ini tidak berusaha menjelaskan teori kuantum tentang gravitasi dan kosmologi yang mungkin membuat alam semesta tertentu menjadi umum atau langka. Mereka juga tidak menjelaskan bagaimana alam semesta kita, dengan konfigurasi khusus bagian-bagian mikroskopisnya, muncul. Pada akhirnya, mereka memandang kalkulasi mereka lebih sebagai petunjuk jenis alam semesta mana yang lebih disukai daripada apa pun yang mendekati teori kosmologi lengkap. “Apa yang kami gunakan adalah trik murahan untuk mendapatkan jawaban tanpa mengetahui apa teorinya,” kata Turok.
Pekerjaan mereka juga merevitalisasi pertanyaan yang tidak terjawab sejak Gibbons dan Hawking pertama kali memulai seluruh bisnis entropi ruang-waktu: Apa sebenarnya keadaan mikro yang dihitung oleh trik murahan itu?
“Kuncinya di sini adalah mengatakan bahwa kita tidak tahu apa arti entropi itu,” kata Henry Maxfield, seorang fisikawan di Universitas Stanford yang mempelajari teori gravitasi kuantum.
Pada intinya, entropi merangkum ketidaktahuan. Untuk gas yang terbuat dari molekul, misalnya, fisikawan mengetahui suhu — kecepatan rata-rata partikel — tetapi tidak mengetahui apa yang dilakukan setiap partikel; entropi gas mencerminkan jumlah opsi.
Setelah beberapa dekade kerja teoretis, fisikawan berkumpul pada gambaran serupa untuk lubang hitam. Banyak ahli teori sekarang percaya bahwa luas cakrawala menggambarkan ketidaktahuan mereka tentang hal-hal yang jatuh - semua cara mengatur blok bangunan lubang hitam secara internal agar sesuai dengan penampilan luarnya. (Para peneliti masih belum tahu apa sebenarnya keadaan mikro itu; gagasan mencakup konfigurasi partikel yang disebut graviton atau string teori string.)
Tetapi ketika berbicara tentang entropi alam semesta, fisikawan merasa kurang yakin tentang di mana letak ketidaktahuan mereka.
Pada bulan April, dua ahli teori berusaha menempatkan entropi kosmologis pada pijakan matematis yang lebih kokoh. Ted Jacobson, seorang fisikawan di Universitas Maryland yang terkenal karena menurunkan teori gravitasi Einstein dari termodinamika lubang hitam, dan mahasiswa pascasarjananya Batoul Banihashemi didefinisikan secara eksplisit entropi alam semesta de Sitter (kosong, mengembang). Mereka mengadopsi perspektif pengamat di tengah. Teknik mereka, yang melibatkan penambahan permukaan fiktif antara pengamat pusat dan cakrawala, lalu mengecilkan permukaan hingga mencapai pengamat pusat dan menghilang, menemukan jawaban Gibbons dan Hawking bahwa entropi sama dengan seperempat luas cakrawala. Mereka menyimpulkan bahwa entropi de Sitter menghitung semua kemungkinan keadaan mikro di dalam cakrawala.
Turok dan Boyle menghitung entropi yang sama dengan Jacobson dan Banihashemi untuk alam semesta kosong. Tetapi dalam perhitungan baru mereka yang berkaitan dengan alam semesta realistis yang dipenuhi materi dan radiasi, mereka mendapatkan jumlah keadaan mikro yang jauh lebih besar — sebanding dengan volume dan bukan luas. Dihadapkan dengan pertikaian yang nyata ini, mereka berspekulasi bahwa entropi yang berbeda menjawab pertanyaan yang berbeda: Entropi de Sitter yang lebih kecil menghitung keadaan mikro dari ruang-waktu murni yang dibatasi oleh cakrawala, sementara mereka menduga entropi mereka yang lebih besar menghitung semua keadaan mikro dari ruang-waktu yang diisi dengan materi dan energi, baik di dalam maupun di luar cakrawala. "Ini seluruh shebang," kata Turok.
Pada akhirnya, menyelesaikan pertanyaan tentang apa yang dihitung Boyle dan Turok akan membutuhkan definisi matematis yang lebih eksplisit dari ansambel keadaan mikro, serupa dengan apa yang telah dilakukan Jacobson dan Banihashemi untuk ruang de Sitter. Banihashemi mengatakan dia memandang perhitungan entropi Boyle dan Turok "sebagai jawaban atas pertanyaan yang belum sepenuhnya dipahami."
Adapun jawaban yang lebih mapan untuk pertanyaan “Mengapa alam semesta ini?”, kosmolog mengatakan inflasi dan multiverse masih jauh dari mati. Teori inflasi modern, khususnya, telah datang untuk memecahkan lebih dari sekadar kemulusan dan kerataan alam semesta. Pengamatan langit cocok dengan banyak prediksi lainnya. Argumen entropik Turok dan Boyle telah melewati ujian pertama yang penting, kata Pimentel, tetapi argumen itu harus menggunakan data lain yang lebih rinci untuk menyaingi inflasi secara lebih serius.
Sebagaimana layaknya kuantitas yang mengukur ketidaktahuan, misteri yang berakar pada entropi telah berfungsi sebagai pertanda fisika yang tidak diketahui sebelumnya. Pada akhir 1800-an, pemahaman yang tepat tentang entropi dalam hal pengaturan mikroskopis membantu memastikan keberadaan atom. Saat ini, harapannya adalah jika para peneliti menghitung entropi kosmologis dengan cara yang berbeda dapat menemukan dengan tepat pertanyaan apa yang mereka jawab, angka-angka itu akan membimbing mereka menuju pemahaman yang sama tentang bagaimana batu bata waktu dan ruang Lego menumpuk untuk menciptakan alam semesta yang mengelilingi kita.
“Perhitungan kami memberikan motivasi ekstra besar bagi orang-orang yang mencoba membangun teori mikroskopis gravitasi kuantum,” kata Turok. “Karena prospeknya adalah teori itu pada akhirnya akan menjelaskan geometri skala besar alam semesta.”
