Para ilmuwan mungkin telah menemukan bukti pengamatan pertama dari teori string, dan model baru percaya bahwa ruang-waktu adalah kuantum, dan kesimpulannya sangat sesuai dengan pengamatan energi gelap, yang diharapkan dapat mengungkapkan sifat ekspansi alam semesta yang semakin cepat.

Fisikawan telah mengusulkan model ruang-waktu baru, yang dapat memberikan "bukti pengamatan pertama" untuk teori string. Menurut studi pracetak baru, model tersebut bahkan dapat memecahkan misteri energi gelap – kekuatan misterius yang mendorong alam semesta untuk mengembang dengan kecepatan yang dipercepat.

Perhitungan para peneliti mengungkapkan bahwa ruang-waktu menunjukkan sifat kuantum yang mendalam pada skala kecil, yang sangat berbeda dari dunia yang halus dan berkelanjutan yang kita alami setiap hari. Temuan mereka menunjukkan bahwa koordinat ruang-waktu "tidak dapat dipertukarkan", yang berarti bahwa urutan di mana mereka muncul dalam persamaan matematika secara langsung mempengaruhi hasil perhitungan. Properti ini mirip dengan cara partikel dijelaskan dalam mekanika kuantum.

Dan salah satu konsekuensi yang paling mencengangkan dari ruang-waktu kuantum ini, yang diprediksi oleh teori string, adalah bahwa hal itu secara alami mengarah pada percepatan ekspansi alam semesta. Yang lebih menarik lagi, tim menemukan bahwa tingkat di mana model memprediksi laju ekspansi yang dipercepat melambat dari waktu ke waktu cocok dengan pengamatan terbaru dari Instrumen Spektroskopi Energi Gelap (DESI).

Michael Kavic, seorang profesor di State University of New York di Alderwestbury, rekan penulis studi tersebut, menjelaskan kepada Live Science melalui email: "Jika kita melihatnya melalui lensa penelitian kita, maka pengamatan DESI dapat dianggap sebagai bukti pengamatan pertama yang mendukung teori string, dan bahkan mungkin merupakan efek konkret pertama yang dapat diamati dari teori string dan teori gravitasi kuantum." ”

Kembali ke 1998, misteri perluasan alam semesta mengantarkan titik balik. Pada saat itu, dua tim peneliti terpisah, Proyek Kosmologi Supernova dan Tim Pencarian Supernova Pergeseran Merah Tinggi, menemukan fakta yang mencengangkan: alih-alih melambat seperti yang diperkirakan sebelumnya, perluasan alam semesta semakin cepat! Mereka mengandalkan pengamatan supernova jauh yang merupakan bintang sekarat yang jauh lebih terang dari yang diharapkan. Penemuan ini sangat mengisyaratkan kekuatan misterius yang tidak diketahui yang merasuki alam semesta, yang kemudian disebut "energi gelap".

Namun, dari mana tepatnya energi gelap itu berasal tetap menjadi pertanyaan terbuka. Hipotesis populer berspekulasi bahwa itu mungkin timbul dari fluktuasi kuantum dalam ruang hampa, seperti halnya fenomena yang diamati dalam medan elektromagnetik. Namun, ketika fisikawan mencoba menghitung tingkat ekspansi alam semesta berdasarkan gagasan ini, hasilnya mencengangkan: perhitungan teoretis adalah 120 orde besarnya lebih besar dari pengamatan! Kesenjangan besar ini tidak diragukan lagi merupakan tantangan serius bagi teori-teori yang ada.

Pengamatan terbaru dari DESI telah menambah kompleksitas baru pada misteri ini. Menurut Model Standar fisika partikel, jika energi gelap hanyalah manifestasi dari energi vakum, maka kepadatannya harus tetap konstan sepanjang sejarah alam semesta. Tetapi data DESI menceritakan kisah yang berbeda: laju ekspansi alam semesta yang dipercepat tidak statis, tetapi melambat seiring waktu. Inilah yang tidak dapat dijelaskan oleh Model Standar.

Untuk mengatasi dilema teoretis ini, para peneliti telah beralih ke teori string, salah satu kandidat paling menjanjikan untuk menyatukan gravitasi dan mekanika kuantum. Tidak seperti Model Standar, yang memperlakukan partikel elementer sebagai "titik" tanpa volume, teori string melukiskan gambaran yang lebih halus: unit dasar yang membentuk segalanya bukanlah titik, tetapi "senar" satu dimensi yang sangat kecil dan terus bergetar. Mode getaran yang berbeda dari senar ini sesuai dengan partikel berbeda yang kita amati, termasuk partikel imajiner yang mentransmisikan interaksi gravitasi, graviton.

Dalam makalah baru yang diterbitkan dalam database pracetak arXiv, fisikawan Sunhaeng Hur, Djordje Minic, dan Tatsu Takeuchi dari Virginia Tech, Vishnu Jejjala dari Universitas Witwatersrand, dan Michael Kavic yang disebutkan di atas, telah menggunakan teori string untuk memberikan analisis mendalam tentang ruang-waktu pada tingkat kuantum.

Mereka menggunakan kerangka teori string untuk menggantikan deskripsi Model Standar tentang partikel elementer, dan menemukan bahwa ruang-waktu itu sendiri secara intrinsik kuantum dan non-timbal balik pada tingkat yang paling mendasar. Terobosan mendasar dalam konsep fisika klasik inilah yang memungkinkan mereka untuk tidak lagi hanya mengandalkan data eksperimental agar sesuai dengan sifat-sifat energi gelap, tetapi untuk mendapatkan langsung dari teori fisika dasar.

Anehnya, model mereka tidak hanya menghitung nilai kepadatan energi gelap yang sesuai dengan pengamatan saat ini, tetapi juga lebih akurat memprediksi bahwa kepadatan energi ini akan berkurang secara bertahap dari waktu ke waktu – yang bertepatan dengan pengamatan terbaru DESI.

Mungkin aspek yang paling menggugah pikiran dari penelitian ini adalah bahwa ia mengungkapkan bahwa nilai energi gelap bergantung pada dua besaran fisik pada saat yang sama: satu adalah panjang Planck, yang mewakili skala dasar gravitasi kuantum, sekecil sekitar 10⁻³³ cm; Yang lainnya adalah skala alam semesta yang luas itu sendiri, yang mencakup miliaran tahun cahaya. Sangat jarang dalam fisika untuk mengasosiasikan mikroskopis ekstrem seperti itu dengan skala makroskopis ekstrem, sangat menunjukkan bahwa energi gelap mungkin berakar kuat dalam sifat-sifat kuantum ruang-waktu itu sendiri.

"Ini menunjukkan bahwa mungkin ada hubungan yang lebih dalam antara gravitasi kuantum dan dinamika alam semesta daripada yang sebelumnya kita pikirkan akan konstan," kata Michael Kavic. Mungkin kita selalu memiliki kesalahpahaman mendasar bahwa sifat-sifat fundamental alam semesta bersifat statis, tetapi ini mungkin tidak terjadi. ”

Tentu saja, meskipun penjelasan tim tentang percepatan ekspansi alam semesta adalah terobosan teoretis besar, kebenaran modelnya masih perlu dikonfirmasi secara meyakinkan oleh pengujian eksperimental independen. Untungnya, para peneliti telah menemukan beberapa protokol khusus untuk menguji ide-ide mereka. Djordje Minic, seorang fisikawan di Virginia Tech dan rekan penulis makalah tersebut, menjelaskan melalui email bahwa salah satu jalur verifikasi utama "melibatkan penyelidikan pola interferensi kuantum yang kompleks." Fenomena ini tidak mungkin dilakukan di bawah kerangka standar fisika kuantum, tetapi menurut teori gravitasi kuantum, itu harus ada. ”

Interferensi berarti bahwa ketika gelombang (seperti gelombang cahaya atau gelombang materi) ditumpangkan, mereka saling memperkuat atau membatalkan, menghasilkan pola yang unik. Dalam mekanika kuantum tradisional, interferensi mengikuti aturan yang jelas. Namun, beberapa model gravitasi kuantum memprediksi interaksi yang lebih kompleks yang menghasilkan efek "interferensi tingkat tinggi" yang melampaui model standar. Jika efek seperti itu dapat ditangkap di laboratorium, tidak diragukan lagi itu akan menjadi ujian revolusioner dari teori gravitasi kuantum. Minic menambahkan, "Ini adalah eksperimen yang dapat dilakukan di bangku cadangan dalam waktu dekat, katakanlah tiga hingga empat tahun. ”

Tentu saja, tim peneliti tidak berhenti pada konstruksi teoritis dan menunggu putusan akhir dari hasil eksperimen. Mereka terus memperdalam pemahaman mereka tentang ruang-waktu kuantum dan secara aktif mengeksplorasi jalan lain yang dapat menguji teori mereka.

Setelah dikonfirmasi, penemuan ini tidak hanya akan menjadi terobosan penting dalam memecahkan misteri energi gelap, tetapi juga akan memberikan bukti pengamatan solid pertama yang bersejarah untuk teori string, salah satu teori utama dalam fisika fundamental yang telah dikejar selama beberapa dekade.

Artikel ini diterjemahkan dari Live Science dan diedit oleh BALI.