More

    Mengapa Dunia Kita 3-dimensi?

    Eko Firmansah
    Eko Firmansahhttp://antinomi.org
    Interested in the fields of science, engineering, history, psychology, and philosophy.

    Artikel Terbaru

    Beberapa Catatan Tak Tuntas Tentang Kegilaan

    Konsep kegilaan, atau penyakit mental, mengacu pada deviasi dari pemikiran, penalaran, perasaan, attitude, dan perbuatan normal, yang oleh subjeknya, atau orang...

    Rekonstruksi Waktu dalam Pandangan Fisika Modern (Bagian 1)

    Tulisan ini memfokuskan pada ringkasan isi dari buku The Order of Time (Tatanan Waktu) karya Carlo Rovelli, seorang fisikawan teori terkenal...

    Masa Depan Relasi Filsafat Ilmu-Teknologi

    Don Ihde pada tahun 2004 menyebarkan keraguan dan harapan. Dengan artikelnya yang berjudul “Telah sampaikah filsafat teknologi? Keadaan Terbaru”, Ihde mengevaluasi...

    Kemungkinan Peran Fenomenologi dalam Memecahkan Teka-teki Kuantum

    Steven French berpendapat bahwa pada jantung problem pengukuran kuantum terdapat kesalahpahaman yang fatal dalam memahami hubungan subjek-objek. Jika melihat lebih dekat pada...

    Memahami Kembali Manusia di Era Teknologi

    Keberadaan teknologi membawa manusia pada koin dari harapan yang diandaikan memiliki dua sisi. Satu sisi dapat berperan sebagai upaya membebaskan manusia...

    [latexpage]

    Banyak sekali di antara kita yang, barang kali, tidak menyadari bahwa telah terjebak di ruang 3-dimensi (berdimensi 3) atau spatial 3-dimensi dengan tambahan 1-D temporal (waktu). Ruang yang menjebak kita ini sering disebut sebagai ruang berdimensi (3+1), oleh yang berkecimpung dalam bidang astrofisika dan kosmologi dengan salah satu pekerjaan mereka adalah memetakan alam semesta. Mungkin itu ungkapan yang kurang lebih tepat untuk menyatakan keadaan realistis kehidupan saat ini, meski Einstein mengatakan “reality is merely an illusion”. Secara kasat mata, hampir – atau bahkan semua – setiap benda yang kita lihat merupakan entitas tiga dimensi. Meja kursi untuk bekerja, tampilan mouse keyboard monitor komputer kita, hewan ternak dan peliharaan kesayangannya, bahkan kita – secara fisik – semua adalah wujud 3-dimensi. Begitu pula jika kita melihat bumi, dari ketinggian tertentu, planet-planet lain, matahari dan bintang-bintang lain, semua itu juga berwujud 3-dimensi. Atau bahkan giant supernova[1] dalam ruang mempunyai dimensi lebar, tinggi, dan kedalaman tertentu yang berarti juga 3-dimensi. Mengapa alam semesta ini memiliki bentuk atau berada di ruang berdimensi tiga (3-dimensi) atau (3+1-dimensi)?

    Suatu pertanyaan yang tentu saja akan menggelitik telinga para pecinta alam dan para “penafsu” pengetahuan serta beberapa agamawan yang tidak terkungkung oleh doktrin sejarah masa lalu. Salah satu pertanyaan yang membutuhkan effort luar biasa besar untuk menjawabnya, itupun belum tentu benar sepenuhnya. Terdapat beberapa upaya yang telah dilakukan oleh pemikir-pemikir ulung dari kelompok “top rantai makanan” alam ini. Beberapa diantaranya adalah jawaban yang didasarkan pada hukum termodinamika dan teori superstring. Ditambah dengan kajian terakhir pada tahun 2017, kedua penjelasan tersebut kami sajikan dalam artikel sederhana ini.

    Sekilas tentang Termodinamika dan superstring

    Termodinamika merupakan pengetahuan tentang kaitan antara bahang, usaha, temperatur, dan energi yang mulai dikenal sejak tahun 1789 saat diperkenalkannya bahang sebagai bentuk lain sebuah energi. Kaitan keempatnya dikemas secara sederhana ke dalam empat hukum dasar termodinamika yakni hukum kenol hingga hukum ketiga termodinamika.

    Konsep termodinamika diawali dengan keadaan termodinamika, kesetimbangan termodinamika, temperatur, usaha dan energi, dan total energi dalam.

    Dunia kita 3-Dimensi
    Menurut hukum kedua termodinamika; “Panas selalu mengalir dari benda bertemperatur tinggi ke benda bertemperatur lebih rendah.” Contoh sederhana dari ini adalah secangkir teh panas yang tertinggal di atas meja. Situasi ini tidak bertentangan dengan hukum pertama termodinamika. Karena energi yang hilang dari teh sama dengan energi yang diperoleh udara. Tetapi jika keadaan ini terjadi sebaliknya. Artinya, teh hangat terjadi karena mengambil energi dari lingkungan di sekitarnya. Kita tahu bahwa ini tidak akan terjadi, tetapi jika memang harus demikian, energi yang hilang saat kejadian ini berlangsung tidak akan bertentangan dengan hukum pertama lagi karena energi yang didapatkan teh akan sama besarnya.
    (Sumber gambar: muhendisbeyinler.net/wp-content/uploads/2015/04/termodinamigin-2.-yasasi-entropi-nedir.jpg)

     

    Sementara itu teori superstring atau didahului oleh munculnya teori string diawali pada tahun 1921 yakni bermula dari lahirnya teori Kaluza-Klein. Dalam teori ini dibahas tentang elektromagnetika yang dapat diturunkan dari gravitasi.

    Dunia kita 3-Dimensi
    Sebuah konstruksi untuk visualisasi komputer kurva-kurva kompleks oleh Jeff Bryant dan didasarkan pada konsep dari A.J. Hanson. (Sumber gambar: members.wolfram.com)

    Selanjutnya tiga orang ahli teoritis bidang partikel secara independen menyadari bahwa teori ganda yang dikembangkan pada tahun 1968 untuk menggambarkan spektrum partikel juga menggambarkan mekanika kuantum dari senar osilasi (oscillating strings). Inilah menandai kelahiran resmi teori string.

    Penelitian yang berkaitan dengan teori ini terus berlanjut, seperti pada tahun 1971 didapati adanya supersimetri. Puncak dari teori string adalah upaya diajukannya unified theory pada tahun 1974 yang memiliki goal akhir adalah menyatukan empat gaya fundamental yang teramati di alam.

    Supersimetri yang ditambahkan pada gravitasi, membuat lahirnya supergravitasi pada tahun 1976. Kemajuan ini sangat penting untuk teori string, di mana gravitasi tidak dapat dipisahkan dari spektrum eksitasi. Dan kemudian teori string ditambah supersimetri menghasilkan spektrum eksitasi yang memiliki jumlah fermion dan boson yang sama, menunjukkan bahwa teori string dapat dibuat secara total supersimetris. Benda yang dihasilkan disebut superstring yang ditemukan pada tahun 1980.

    Jawaban berdasarkan Hukum Termodinamika

    Jawaban atas pertanyaan mengapa alam semesta merupakan entitas tiga dimensi atau empat dimensi – satu dimensi temporal (waktu) – dijelaskan melalui hukum pertama dan hukum kedua termodinamika.

    Hukum pertama termodinamika menjelaskan berkaitan dengan alasan bahwa waktu memiliki satu dimensi (1-dimensi). Hukum tersebut menyatakan bahwa entropi[2] tidak dapat menurun atau berbalik. Dengan kata lain waktu dapat bergerak hanya satu arah saja.

    Lalu bagaimana hukum kedua termodinamika menjawab entitas 3-dimensi?

    Pada saat awal mula terjadinya alam semesta, jika penciptaan alam semesta berawal dari ledakan besar (Big Bang), maka pada titik ini tidak ada cara untuk menyatakan bahwa alam semesta 1-dimensi atau 99-dimensi. Hal ini dikarenakan alam semesta, yang terdiri dari materi dan energi, tidak memiliki arah yang jelas kemana keduanya akan dapat bergerak.

    Dunia kita 3-Dimensi
    Ledakan besar (Big Bang) adalah penjelasan utama tentang bagaimana alam semesta ini bermula. Secara singkat dan sederhana dapat dikatakan bahwa alam semesta, seperti yang kita ketahui saat ini, dimulai dengan sebuah singularitas kecil, lalu mengalami penggembungan selama 13,8 miliar tahun berikutnya ke kosmos seperti yang kita kenal sekarang.
    (Sumber gambar: quantumdiaries.org/wp-content/uploads/2013/07/BigBang.jpeg)

     

    Berdasarkan hukum kedua termodinamika yang menyatakan bahwa kalor (energi) mengalir secara spontan dari benda (keadaan) bertemperatur tinggi ke benda (keadaan) bertemperatur lebih rendah, tidak berlaku sebaliknya, kecuali pada kedua benda (keadaan) tersebut dilakukan pemaksaan dengan usaha luar. Dengan kata lain, kita tidak dapat memperoleh energi lebih besar dari yang kita telah lepaskan kecuali ada perlakuan secara khusus.

    Pada kasus alam semesta (selalu mengembang) yang berarti telah menempati lebih banyak ruang, sementara di saat yang bersamaan, kita tahu bahwa energi memiliki sifat lestari. Atau dapat dikatakan bahwa pada saat alam semesta mengembang, akan ada kekurangan energi pada volume ruang. Hal ini juga berarti bahwa alam semesta telah bertransisi ke dalam keadaan ekspansi dan tidak mungkin memiliki temperatur yang sama seperti sebelumnya.

    Setelah alam semesta mendingin, berarti harus terlibat dengan kuantitas termodinamika yang disebut dengan energi bebas Helmholtz, yakni semacam tekanan pada semua ruang. Dalam model ini, tekanan tersebut maksimal pada saat-saat setelah ledakan besar ketika hanya ada 3-dimensi. Karena alam semesta terus menerus mendingin sejak terjadinya ledakan besar, temperatur yang ada sangat rendah, sehingga tidak ada cukup energi yang dapat digunakan untuk memecahkan kepadatan energi bebas Helmholtz dan tidak ada cara untuk beralih ke ruang dengan dimensi yang lebih tinggi. Jadi, kita terjebak di ruang 3-dimensi sejak ledakan besar karena FISIKA.

    Jika dalam termodinamika, alam semesta 3-dimensi ditinjau melalui hukum pertama dan kedua termodinamika, bagaimana dengan alam semesta 3-dimensi yang ditinjau melalui teori superstring?

    Jawaban Teori Superstring

    Selain dari hasil penelitian yang dilakukan melalui hukum termodinamika, terdapat juga hasil lain yang mencoba menjelaskan alam semesta 3-dimensi ini yakni melalui teori superstring. Jika kita melihat kembali hasil penemuan beberapa tahun ke belakang, tepatnya pada tahun 2012, yakni pengembangan model komputerisasi kelahiran alam semesta yang di dasarkan pada teori superstring. Hasil ini diprakarsai oleh tiga ilmuwan dari Jepang. Dari pemodelan tersebut, didapatkan bahwa alam semesta yang lahir dari Big Bang (ledakan besar) berdimensi sepuluh (10-D), namun hanya dimensi tiga saja yang sanggup bertahan hingga saat ini. Inilah alasan beberapa orang menyatakan bahwa ruang tiga dimensi tempat kita berada saat ini lahir dari sepuluh dimensi – sekali lagi, hanya berdasarkan asumsi dari teori superstring.

    Dunia kita 3-Dimensi
    Salah satu bentuk visualisasi 10-dimensi: kemungkinan takberhingga dapat terjadi
    Sumber gambar: https://ultraculture.org/blog/2014/12/16/heres-visual-guide-10-dimensions-reality/

    Lebih lanjut, teori superstring menyarankan bahwa empat interaksi fundamental antar partikel elementer – gaya elektromagnetik, interaksi lemah, interaksi kuat, dan gravitasi – digambarkan sebagai berbagai macam mode osilasi benang-benang yang sangat halus. Karena gravitasi merupakan salah satu dari gaya-gaya fundamental, teori superstring juga mencakup penjelasan teori relativitas umum. Permasalahan yang muncul adalah, pada teori superstring memprediksi adanya dimensi sepuluh (9+1-dimensi) yakni sembilan dimensi (9-dimensi) keruangan (spasial) dan satu dimensi (1-dimensi) temporal. Hal ini tentu saja merupakan suatu permasalahan yang rumit mengingat alam semesta kita berdimensi tiga (3-dimensi).

    Masalah inilah yang kemudian diselesaikan oleh tiga peneliti berasal dari Jepang tersebut. Ketiganya masing-masing dari KEK, Shizuoka University, dan Osaka University. Mereka sukses membangun sebuah model kelahiran alam semesta didasarkan pada teori superstring.

    Dengan menggunakan sebuah superkomputer, mereka menemukan bahwa pada awal kejadian Big Bang, alam semesta mempunyai 10-dimensi, yakni 9-dimensi keruangan (spasial) dan 1-dimensi temporal. Akan tetapi, hanya 3 dari dimensi keruangan yang mampu mengikuti ekspansi alam semesta dan dimensi temporal juga tetap bertahan.

    Walaupun hasil ini hanya merupakan salah satu usulan dari pertanyaan mendasar tentang mengapa alam semesta memiliki 3-dimensi keruangan, tetapi ini setidaknya memberikan dukungan terhadap perkembangan ilmu pengetahuan, khususnya di dunia astrofisika dan kosmologi.

    Hal yang menarik dari kedua jawaban tersebut adalah baik dari kesimpulan yang dihasilkan oleh hukum termodinamika maupun teori superstring, sama-sama mampu menjelaskan secara gamblang alasan alam semesta 3-berdimensi. Tetapi rupanya, beberapa fisikawan atau ilmuan bidang lain tidak cukup terjawab rasa penasaran mereka. Mereka mencoba untuk menjelaskan asalan 3-dimensi alam semesta tersebut dengan pendekatan lainnya. Hal ini dapat kita lihat dari hasil penelitian paling terbaru untuk menjawab pertanyaan tersebut.

    Sebagai tambahan, – mungkin terbaru –  perlu menilik penjelasan lain mengenai mengapa alam semesta merupakan entitas 3-dimensi. Teori yang dikenal dengan out-of-box theory ini menjelaskan bahwa untaian benang kusut menjadi model yang menjelaskan entitas 3-dimensi alam semesta. Penjelasan ini dimuat dalam sebuah artikel dengan judul “Knotty inflation and the dimensionality of space time”, yang ditulis oleh Berera, dkk. di European Physical Journal C.

    Mungkin suatu saat akan ada penjelasan lain melalui metode dan pendekatan yang berbeda mengenai entitas 3-dimensi alam ini. Tetapi apakah gejala alamiah musti harus dicari penjelasannya secara tepat atau kita terima saja segala sesuatunya? Mungkin ya, mungkin saja tidak.

    Referensi:

    1. Julian Gonzalez-Ayala, F. Angulo-Brown. “Is the (3+1) nature of a thermodynamic necessity?” Cornell University Library. 15 February 2015.
    2. Amy Shira Teitel. Why do we live in three dimensions? 26 December 2016.
    3. Arjun, Berera, Roman V. Biuniy, Thomas W. Kephart, Heinrich Pas, Joao G. Rosa. “Knotty inflation and the dimensionality of spacetime. The European Physical Journal C, 2017; 77 (10).

    Catatan akhir:

    [1] Giant Supernova adalah sebuah peristiwa astronomi yang terjadi selama tahap evolusi terakhir sebuah bintang raksasa dari kehidupan bintang masif, yang kehancurannya ditandai oleh satu ledakan yang sangat besar.

    [2] Entropi merupakan besaran termodinamika yang mengukur energi dalam sistem per satuan temperatur yang tak dapat digunakan untuk melakukan usaha.

    Related articles

    Leave a reply

    Please enter your comment!
    Please enter your name here