Kenapa massa elektron persis segitu?
Fisikawan bisa mengukurnya, tapi teori partikel yang dipakai sekarang menerima nilai itu sebagai masukan. Hal yang sama berlaku untuk angka lain yang menentukan perilaku partikel.
Salah satu usulannya adalah angka itu berbeda antar semesta. Teori string memungkinkan banyak susunan dimensi ekstra dan medan. Kumpulan ini, yang disebut landscape, bisa menghasilkan semesta dengan fisika yang berbeda. Teori ini juga punya brane, objek dengan beberapa dimensi. Dalam model braneworld, semesta kita bisa berupa salah satu objek itu di dalam ruang yang lebih besar, kayak bulk di Interstellar.
Konstanta alam
Fisika menjelaskan partikel dan gaya yang kita kenal lewat sebuah teori yang disebut Model Standar. Teori ini salah satu teori yang pengujiannya paling presisi dalam fisika. Teori ini juga berisi sederet angka yang nggak bisa diprediksi oleh teorinya sendiri. Kamu harus mengukurnya dan memasukkannya secara manual: massa partikel-partikel, kekuatan gaya-gaya, dan beberapa lagi. Fred Adams menghitungnya di The degree of fine-tuning in our universe, and others: 19 angka, atau 26 kalau massa neutrino ikut dihitung.
Angka yang paling terkenal di antaranya adalah konstanta struktur halus, yang menentukan kekuatan elektromagnetisme. Nilainya sekitar 1/137,036. Ubah sedikit aja, dan atom serta kimia bakal bekerja dengan cara yang berbeda.
Beberapa angka ini kayaknya berada di rentang sempit yang memungkinkan adanya struktur kompleks, kayak bintang, karbon, dan manusia. Fisikawan menyebut ini fine tuning. Tahun 1953, astronom Fred Hoyle berargumen bahwa bintang cuma bisa menghasilkan karbon sebanyak yang kita amati kalau inti karbon punya keadaan tereksitasi tertentu pada energi tertentu. Kelompok Ward Whaling di Caltech mencarinya dan menemukannya di tahun yang sama, pada 7,68 MeV, di The 7.68-Mev State in C12. Hoyle berangkat dari jumlah karbon di bintang dan memprediksi sesuatu soal fisika nuklir. Sejarawan Helge Kragh menunjukkan di When is a prediction anthropic? bahwa Hoyle nggak bernalar dari keberadaan kehidupan. Tafsiran prediksinya yang kayak gitu baru muncul di tahun 1980-an.
Masalah konstanta kosmologi
Energi ruang hampa menimbulkan masalah yang lebih sulit.
Tahun 1998, dua tim astronom mengukur cahaya dari bintang-bintang jauh yang meledak dan menemukan bahwa ekspansi alam semesta makin cepat. Pemimpin kedua tim itu, Saul Perlmutter, Brian Schmidt, dan Adam Riess, memenangkan Hadiah Nobel Fisika tahun 2011 "for the discovery of the accelerating expansion of the Universe through observations of distant supernovae". Penjelasan paling sederhana untuk percepatan ini adalah bahwa ruang hampa itu sendiri punya sedikit energi, yang disebut konstanta kosmologi, atau dengan istilah yang lebih longgar, energi gelap.
Fisika kuantum juga bilang bahwa ruang hampa seharusnya punya energi. Waktu fisikawan mencoba memperkirakan berapa banyak, perkiraan sederhananya keluar sekitar 10 pangkat 120 kali lipat lebih besar daripada nilai yang terukur. Ulasan Sean Carroll, The Cosmological Constant, menyebutnya "the famous discrepancy of 120 orders of magnitude". Itu angka 1 yang diikuti 120 nol.
Selisih itu berarti ada sesuatu yang belum dijelaskan oleh perkiraannya. Fisikawan belum tahu kenapa nilai yang terukur begitu kecil.
Kalau konstanta kosmologi jauh lebih besar, ruang bakal mengembang begitu cepat sampai materi nggak pernah bisa menggumpal jadi galaksi. Tanpa galaksi, nggak ada bintang, nggak ada planet, dan nggak ada siapa pun yang bisa mengukur apa pun. Tahun 1987, lebih dari sepuluh tahun sebelum pengukuran itu, Steven Weinberg memakai argumen itu di Anthropic bound on the cosmological constant untuk menetapkan batas atas konstanta kosmologi. Joseph Polchinski belakangan memasukkan "the cosmological constant is not zero" ke daftar prediksi dari cara bernalar kayak gini di sekitar tahun 1987, di The Cosmological Constant and the String Landscape. Pengukuran tahun 1998 menemukan nilai yang kecil tapi bukan nol, di bawah batas Weinberg.
Sebagai penjelasan untuk nilai yang kita amati, argumen ini mengasumsikan wilayah yang berbeda bisa punya konstanta kosmologi yang berbeda. Pengamat bakal berada di wilayah yang memungkinkan galaksi terbentuk. Argumen ini berbeda dari prediksi Hoyle, yang berangkat dari kelimpahan karbon yang diamati.
Teori string
Teori string adalah kandidat untuk teori fisika yang lebih mendasar. Dalam teori ini, getaran yang berbeda pada string mungil tampak sebagai partikel yang berbeda. Perbandingan: satu senar gitar bisa menghasilkan nada berbeda sesuai cara bergetarnya. Teori string menerapkan ide itu pada partikel dan sifatnya.
Salah satu alasan fisikawan meneliti teori string adalah karena teori ini memperlakukan gravitasi dalam fisika kuantum. Teori superstring yang biasa punya sepuluh dimensi ruang dan waktu: satu waktu dan sembilan ruang. Penelitian Edward Witten tahun 1995 tentang hubungan di antaranya membantu membentuk kerangka sebelas dimensi yang disebut teori M.
Enam dimensi ruang ekstra dalam teori superstring bisa tergulung terlalu kecil untuk dilihat. Perbandingan: selang taman kelihatan kayak garis dari jauh. Semut di permukaannya juga bisa berjalan mengelilingi selang. Arah kedua itu tetap ada meski kamu nggak bisa membedakannya. Brian Greene memakai selang dalam The Elegant Universe, bukunya tahun 1999.
Dalam banyak model string, enam dimensi ekstra itu bakal tergulung jadi bentuk yang mungil dan rumit di setiap titik ruang kita.
Teori string belum punya konfirmasi eksperimen langsung. Sebuah podcast Quanta Magazine dari Mei 2025 menggambarkan situasinya sebagai "despite its mathematical elegance, the theory still lacks empirical evidence." String sering dikaitkan dengan panjang sekitar 10−35 meter, kira kira 10 pangkat 15 kali di bawah skala yang bisa diselidiki Large Hadron Collider, meski ukurannya bergantung pada model. Not Even Wrong karya Peter Woit dan The Trouble with Physics karya Lee Smolin, keduanya terbit tahun 2006, mengkritik kurangnya pengujian eksperimen.
Landscape
Dimensi ekstra dan hukum fisika
Cara tergulungnya enam dimensi ekstra itu berpengaruh. Bentuknya menentukan partikel apa aja yang ada di energi sehari-hari, seberapa kuat gaya-gayanya, dan seberapa banyak energi yang dimiliki ruang hampa. Jadi bentuk itu menentukan angka-angka yang nggak bisa dijelaskan Model Standar.
Dimensi ekstra bisa punya banyak bentuk. Medan yang melewati dimensi itu juga bisa punya nilai berbeda. Gabungannya menentukan kemungkinan vacua, keadaan dalam teori yang membuat partikel dan gaya berperilaku dengan cara tertentu. Fisikawan meneliti keadaan mana yang bisa bertahan cukup lama untuk menjelaskan sebuah semesta.
Tahun 2000, Raphael Bousso dan Joseph Polchinski menunjukkan gimana medan di dimensi ekstra bisa menghasilkan banyak nilai konstanta kosmologi, termasuk nilai yang sangat kecil. Tahun 2003, Shamit Kachru, Renata Kallosh, Andrei Linde, dan Sandip Trivedi mengusulkan keadaan dengan konstanta kosmologi positif yang bisa bertahan selama rentang waktu kosmik.
Frederik Denef dan Michael Douglas meneliti cara menghitung kemungkinan itu pada 2004. Angka 10500 yang sering dikutip adalah perkiraan, bukan jumlah semesta yang udah diamati. Tahun 2015, Washington Taylor dan Yi Nan Wang memperkirakan sekitar 10272.000 kemungkinan dalam satu konstruksi teori F, kerangka yang berhubungan dengan teori string.
Tahun 2003, Leonard Susskind memberi nama untuk kumpulan ini di The anthropic landscape of string theory: "I will from now on call the space of all such string theory vacua the landscape." Bayangkan sebuah landscape energi dengan lembah yang jumlahnya luar biasa banyak. Setiap lembah adalah satu set hukum fisika yang mungkin.
Landscape ditambah inflasi abadi
Daftar kemungkinan vacua nggak memberi tahu mana yang terjadi di alam. Inflasi abadi menawarkan cara agar wilayah yang berbeda berakhir pada keadaan yang berbeda.
Kalau inflasi bisa menghasilkan gelembung dalam beberapa keadaan itu, gelembungnya bisa punya partikel, kekuatan gaya, dan konstanta kosmologi yang berbeda. Keadaan mana yang bisa dicapai bergantung pada model. Jumlah gelembung yang tak terhingga aja nggak menjamin setiap keadaan yang mungkin bakal terjadi.
Sebagian keadaan bakal mencegah galaksi terbentuk. Yang lain mungkin nggak memungkinkan atom stabil. Semesta yang berisi pengamat butuh kondisi yang mendukung keberadaan pengamat itu.
Prinsip antropik
Prinsip antropik mengatakan bahwa pengamatan kita dibatasi oleh kondisi yang diperlukan agar kita ada. Semesta yang nggak bisa memiliki pengamat nggak bakal punya siapa pun yang mengukur konstantanya.
Perbandingan: jarak Bumi dari Matahari memungkinkan air cair di permukaannya dengan kondisi yang ada di sini. Planet lain punya orbit lain. Pada September 2025, jumlah planet di sekitar bintang lain yang dikonfirmasi NASA melewati 6.000. Kebutuhan kita akan kondisi yang sesuai membantu menjelaskan kenapa kita mengamati dari planet ini. Hal itu nggak memberi tahu berapa banyak planet lain yang mendukung kehidupan.
Kalau diterapkan pada landscape, penalaran ini bisa menjelaskan kenapa kita mengamati konstanta kosmologi yang cukup kecil untuk memungkinkan galaksi terbentuk. Penjelasannya tetap butuh teori yang menghasilkan nilai berbeda itu, serta aturan untuk membandingkan seberapa sering pengamat menemukan setiap nilai.
Keberatan swampland
Tahun 2018, Georges Obied, Hirosi Ooguri, Lev Spodyneiko, dan Cumrun Vafa mengusulkan batasan yang bakal menyingkirkan keadaan stabil atau berumur panjang dengan konstanta kosmologi positif. Kalau benar, batasan itu menantang keadaan yang dipakai dalam penjelasan tentang semesta kita ini. Usulannya bagian dari program swampland, yang meneliti teori yang kelihatan konsisten pada energi rendah tapi mungkin nggak cocok dengan gravitasi kuantum.
Usulan itu berupa dugaan. Yang ditantangnya adalah keadaan tertentu tadi, bukan keberadaan setiap vacuum dalam teori string.
Brane
Apa itu brane
Teori string nggak cuma berisi string. Teori ini juga berisi objek-objek dengan dimensi yang lebih banyak, yang disebut brane, kependekan dari membrane. Jin Dai, Robert Leigh, dan Joseph Polchinski memperkenalkan salah satu jenisnya tahun 1989. Tahun 1995, di Dirichlet-Branes and Ramond-Ramond Charges, Polchinski menunjukkan bahwa brane adalah objek yang esensial dalam teori itu. Sebuah brane bisa punya dimensi berapa pun, sampai sebanyak jumlah dimensi ruang. Brane satu dimensi adalah string. Brane dua dimensi itu kayak lembaran. Brane tiga dimensi itu kayak satu ruang utuh.
Dalam teori string, sebagian string punya ujung yang menempel di sebuah brane. String-string itu bisa bergerak ke mana aja di sepanjang brane tapi nggak bisa meninggalkannya. String lain berupa lingkaran tertutup tanpa ujung, dan string ini bisa pergi ke mana aja, termasuk keluar dari brane. Partikel pembawa gravitasi bakal berupa string tertutup.
Ide braneworld
Mungkin seluruh semesta tiga dimensi kita adalah sebuah brane, yang mengambang di ruang yang lebih besar dengan setidaknya satu dimensi tambahan. Ruang yang lebih besar itu disebut bulk.
Dalam model yang membatasi materi biasa dan cahaya pada sebuah brane, keduanya bisa bergerak di sepanjang brane tapi nggak bisa meninggalkannya. Gravitasi bisa menjangkau bulk.
Perbandingan: bayangkan semut-semut yang hidup di selembar kertas. Mereka bisa jalan ke mana aja di kertas itu, tapi nggak bisa melangkah keluar darinya. Selembar kertas lain bisa aja mengambang satu milimeter di atas mereka, penuh dengan semut lain, dan mereka nggak bakal pernah melihatnya. Sekarang bayangkan semut-semut itu bisa merasakan getaran lewat udara di antara kedua lembar kertas. Getaran itulah gravitasi. Cuma getaran itu yang menghubungkan kedua lembar kertas.
Materi di brane lain bisa nggak terlihat oleh kita tapi tetap memengaruhi kita lewat gravitasi. Ada atau tidaknya brane seperti itu, serta seberapa kuat interaksinya dengan brane kita, bergantung pada model.
Kenapa gravitasi lemah banget
Braneworld juga menawarkan penjelasan untuk sesuatu yang aneh: gravitasi jauh lebih lemah dibanding gaya-gaya lain. Magnet kecil bisa mengangkat klip kertas melawan tarikan gravitasi seluruh Bumi.
Tahun 1998, Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos, dan Gia Dvali mengusulkan di The hierarchy problem and new dimensions at a millimeter bahwa gravitasi mungkin kelihatan lemah karena bocor ke dimensi-dimensi ekstra, sementara gaya-gaya lain tetap di brane kita. Tahun 1999, Lisa Randall dan Raman Sundrum mengusulkan versi dengan satu dimensi ekstra yang melengkung, yang bisa menjelaskan lemahnya gravitasi dengan cara yang berbeda.
Kalau gravitasi menyebar ke dimensi ekstra yang cukup besar, gravitasi seharusnya lebih kuat daripada prediksi hukum Newton di jarak yang sangat pendek. Eksperimen tahun 2020 di University of Washington menemukan bahwa hukum Newton cocok dengan pengukuran sampai jarak 52 mikrometer. Untuk dimensi ekstra yang tergulung menjadi lingkaran, hasil itu membatasi radius terbesar di bawah sekitar 30 mikrometer pada tingkat kepercayaan 95 persen. Bentuk lain butuh perhitungan tersendiri.
Collider partikel juga mencari tanda dimensi ekstra dan lubang hitam mungil yang diprediksi sebagian model. Dalam pencarian tahun 2018, eksperimen CMS di Large Hadron Collider nggak menemukan kelebihan yang signifikan di atas background yang diharapkan. CERN menjelaskan sinyal ini sebagai kemungkinan yang sedang diuji.
Hasil ini membatasi model dan ukuran dimensi ekstra tertentu. Hasilnya nggak menyingkirkan semua braneworld.
Semesta ekpyrotic
Tahun 2001, Justin Khoury, Burt Ovrut, Paul Steinhardt, dan Neil Turok mengusulkan di The ekpyrotic universe: colliding branes and the origin of the hot big bang bahwa Big Bang mungkin adalah tabrakan antara dua brane yang bergerak melintasi bulk. Mereka menyebutnya semesta ekpyrotic, dari kata Yunani untuk kebakaran besar. Ide ini dirancang sebagai alternatif untuk inflasi. Kalau ide ini benar, semesta kita bakal punya brane pasangan, dan Big Bang yang panas adalah momen ketika keduanya bertabrakan.
Interstellar dan bulk
Interstellar rilis bulan November 2014. Penasihat sains sekaligus produser eksekutifnya adalah Kip Thorne, fisikawan yang belakangan ikut meraih Hadiah Nobel Fisika 2017 untuk deteksi gelombang gravitasi. Thorne menulis buku yang terbit bareng film itu, The Science of Interstellar (W. W. Norton, 2014), dengan bab-bab berjudul "Bulk Beings" dan "The Tesseract". Di sepanjang buku itu, dia menandai setiap ide sebagai kebenaran, educated guess, atau spekulasi.
Film itu meminjam ide braneworld. Semesta kita adalah sebuah brane di dalam bulk dengan satu dimensi ekstra. Makhluk-makhluk yang hidup di bulk, yang di film disebut "they", bisa bergerak melintasi dimensi ekstra itu. Menjelang akhir film, Cooper jatuh ke lubang hitam dan berakhir di dalam tesseract, sebuah struktur yang dibangun makhluk-makhluk bulk itu, tempat dia bisa melihat momen-momen di kamar putrinya dari luar. Dia mengirim pesan balik ke putrinya pakai gravitasi, karena dalam gambaran braneworld, gravitasi adalah satu-satunya hal yang bisa merambat melintasi bulk.
Thorne sendiri memilah ide ini di sebuah artikel untuk Science Friday bulan November 2014. Dia menyebut bulk sebagai educated guess: "it seems likely from the quest to understand quantum gravity that our universe is a membrane". Anomali gravitasi yang jadi tumpuan film itu dia sebut spekulasi, dan dia mencatat bahwa "no convincing gravitational anomalies have ever been seen on Earth".
Pendapatku
Konstanta kosmologi yang kecil butuh penjelasan. Landscape menawarkan salah satunya kalau keadaan yang diperlukan itu ada dan inflasi bisa menghasilkan wilayah dalam keadaan tersebut.
Braneworld mengusulkan hal berbeda: dimensi ruang ekstra yang bisa dimasuki gravitasi. Kedua ide ini butuh dukungan eksperimen sebelum kita bisa bilang keduanya menjelaskan semesta kita.
Memuat komentar...