Korespondensi anti-de Sitter/teori medan konformal
Dalam fisika teoretis, korespondensi anti-de Sitter/teori medan konformal, kadang-kadang disebut Dualitas Maldacena atau Dualitas gauge/gravitasi, adalah sebuah hubungan spekulatif antara dua jenis teori fisika. Di satu sisi adalah ruang anti-de Sitter (AdS) yang digunakan dalam teori gravitasi kuantum, dirumuskan dalam bentuk teori dawai atau teori-M. Disisi lain dari korespondensi adalah teori medan konformal (CFT) yang merupakan teori medan kuantum, termasuk teori yang mirip dengan teori Yang–Mills yang menjabarkan partikel dasar.
Dualitas merupakan kemajuan besar dalam pemahaman kita tentang teori dawai dan gravitasi kuantum. Hal ini karena ia menyediakan rumusan teori dawai non-perturbatif dengan kondisi batas tertentu dan karena ini merupakan realisasi prinsip holografik yang paling sukses, sebuah gagasan dalam gravitasi kuantum yang awalnya diajukan oleh Gerard 't Hooft dan dipopulerkan oleh Leonard Susskind.
Ini juga menyediakan perangkat yang kuat untuk mempelajari teori medan kuantum kopel kuat. Sebagian besar kegunaan dualitas berasal dari kenyataan bahwa ini adalah dualitas kuat-lemah: ketika bidang teori medan kuantum berinteraksi dengan kuat, teori gravitasi berinteraksi dengan lemah dan karenanya lebih bersifat matematis. Fakta ini telah digunakan untuk mempelajari banyak aspek nuklir dan fisika benda terkondensasi dengan menerjemahkan masalah pada subjek tersebut menjadi masalah yang lebih bersifat matematis dalam teori dawai.
Korespondensi AdS/CFT pertama kali dikemukakan oleh Juan Maldacena pada akhir 1997. Aspek penting dalam korespondensi ini diuraikan dalam artikel karya Steven Gubser, Igor Klebanov, dan Alexander Markovich Polyakov, dan oleh Edward Witten. Pada tahun 2015, artikel yang dibuat Maldacena telah dikutip dalam lebih dari 10.000 kutipan, menjadi artikel yang paling banyak dikutip dalam bidang fisika energi tinggi.
Pemahaman terkini mengenai gravitasi didasarkan pada teori relativitas umum Albert Einstein. Dirumuskan pada tahun 1915, relativitas umum menjelaskan gravitasi dalam kaitanya dengan geometri ruang dan waktu, atau ruangwaktu. Gravitasi pertama-tama dirumuskan dalam bahasa fisika klasik dikembangkan oleh ahli fisika seperti Isaac Newton dan James Clerk Maxwell. Gaya nongravitasi lainnya dijelaskan dalam kerangka mekanika kuantum. Dikembangkan pada paruh pertama abad ke-20 oleh sejumlah fisikawan yang berbeda, mekanika kuantum memberikan cara yang sangat berbeda untuk menggambarkan fenomena fisik berdasarkan probabilitas.
Gravitasi kuantum adalah cabang fisika yang berusaha menggambarkan gravitasi dengan menggunakan prinsip-prinsip mekanika kuantum. Saat ini, pendekatan yang paling populer untuk gravitasi kuantum adalah teori dawai, yang memodelkan partikel elementer bukan sebagai titik berdimensi nol tetapi sebagai objek berdimensi satu yang disebut dawai. Dalam korespondensi AdS/CFT, seseorang biasanya mengacu kepada teori gravitasi kuantum yang berasal dari teori dawai atau perpanjangan modernnya, teori-M.
Dalam kehidupan sehari-hari, terdapat tiga dimensi ruang yang umum dikenal (atas/bawah, kiri/kanan, dan depan/belakang), dan satu dimensi waktu. Dengan demikian, dalam bahasa fisika modern, bisa dikatakan bahwa ruangwaktu terdiri dari empat dimensi. Salah satu ciri khas dari teori dawai dan teori-M adalah bahwa teori-teori ini membutuhkan dimensi ekstra ruangwaktu untuk konsistensi matematis mereka: dalam teori dawai ruangwaktu adalah sepuluh dimensi, sedangkan dalam teori M ruangwaktu adalah sebelas dimensi. Teori gravitasi kuantum yang muncul dalam korespondensi AdS/CFT biasanya diperoleh dari teori dawai dan teori-M dengan proses yang dikenal sebagai pemadatan. Ini menghasilkan sebuah teori di mana ruangwaktu secara efektif memiliki jumlah dimensi yang lebih rendah dan dimensi ekstra "meringkuk" ke dalam lingkaran.
Sebuah analogi standar untuk pemadatan adalah dengan mempertimbangkan benda multidimensi seperti selang taman. Jika selang dilihat dari jarak yang cukup jauh, akan tampak hanya memiliki satu dimensi, yaitu panjangnya, tetapi saat mendekati selang, seseorang akan menemukan bahwa selang itu mengandung dimensi kedua, yaitu kelilingnya. Dengan demikian, semut yang merangkak di dalam selang akan bergerak dalam dua dimensi.
Penerapan mekanika kuantum ke objek fisika seperti medan elektromagnetik yang memanjang dalam ruang dan waktu, dikenal sebagai teori medan kuantum. dalam fisika partikel, teori medan kuantum merupakan dasar bagi pemahaman kita tentang partikel dasar, yang dimodelkan sebagai eksitasi di bidang fundamental. Teori medan kuantum juga digunakan di seluruh fisika benda terkondensasi untuk memodelkan benda mirip partikel yang disebut kuasipartikel.
Dalam korespondensi AdS/CFT, seseorang mempertimbangkan, sebagai tambahan gravitasi kuantum, teori bidang kuantum tertentu yang disebut teori medan konformal. Ini adalah teori medan kuantum yang sangat simetris dan matematis. Teori semacam itu sering dipelajari dalam konteks teori dawai, di mana keduanya dikaitkan dengan permukaan disapu oleh sebuah dawai yang menyebar melalui ruangwaktu, dan pada mekanika statistik, di mana mereka memodelkan sistem pada titik kritis termodinamika.
Dalam korespondensi AdS/CFT, seseorang mempertimbangkan teori dawai atau teori-M pada latar belakang anti-de Sitter. Ini berarti bahwa geometri ruangwaktu dijelaskan dalam "term" solusi vakum persamaan Einstein yang disebut ruang anti-de Sitter.
Dalam pengertian yang sangat mendasar, ruang anti-de Sitter adalah model matematis ruangwaktu di mana pengartian jarak antara titik-titik (tensor metrik) berbeda dari pengartian jarak pada geometri Euklidian biasa. Hal ini terkait erat dengan ruang hiperbolik, yang dapat dipandang sebagai model cakram Poincaré seperti diilustrasikan di sebelah kanan. Gambar ini menunjukkan teselasi cakram oleh segitiga dan persegi. Seseorang dapat menentukan jarak antara titik-titik cakram ini sedemikian rupa sehingga semua segitiga dan persegi berukuran sama dan batas luar melingkar jauh tak hingga dari setiap titik di bagian dalam.
Sekarang bayangkan tumpukan cakram hiperbolik di mana setiap cakram mewakili keadaan alam semesta pada waktu tertentu. Benda geometris yang dihasilkan adalah ruang anti-de Sitter tiga dimensi. Itu akan tampak seperti silinder padat dimana setiap persilangan adalah salinan dari cakram hiperbolik. Waktu berjalan di sepanjang arah vertikal dalam gambar ini. Permukaan silinder ini memegang peranan penting dalam korespondensi AdS/CFT. Seperti halnya bidang hiperbolik, ruang anti-de Sitter merupakan lengkungan sedemikian rupa sehingga setiap titik di bagian dalam sebenarnya jauh tak hingga dari permukaan batas ini.
Konstruksi ini menggambarkan alam semesta hipotetis dengan hanya dua dimensi ruang dan satu waktu, namun dapat digeneralisasikan ke sejumlah dimensi. Memang, ruang hiperbolik dapat memiliki lebih dari dua dimensi dan satu dimensi dapat "menumpuk" salinan ruang hiperbolik untuk mendapatkan model ruang anti-de Sitter yang lebih tinggi.
Fitur penting dari ruang anti-de Sitter adalah batasnya (yang terlihat seperti silinder dalam kasus ruang anti-de Sitter tiga dimensi). Salah satu properti dari batas ini adalah bahwa, secara lokal di sekitar titik manapun, akan terlihat seperti ruang Minkowski, yaitu model ruangwaktu yang digunakan dalam fisika nongravitasi.
Oleh karena itu, seseorang dapat mempertimbangkan teori pelengkap di mana "ruangwaktu" diberikan oleh batas ruang anti-de Sitter. Pengamatan ini adalah titik awal untuk korespondensi AdS/CFT, yang menyatakan bahwa batas ruang anti-de Sitter dapat dianggap sebagai "ruangwaktu" untuk teori medan konformal. Klaimnya adalah bahwa teori medan konformal ini setara dengan teori gravitasi pada sejumlah besar ruang anti-de Sitter dalam arti bahwa ada "kamus" untuk menerjemahkan perhitungan dalam satu teori ke dalam perhitungan di sisi lain. Setiap entitas dalam satu teori memiliki pendamping dalam teori lainnya. Sebagai contoh, satu partikel dalam teori gravitasi mungkin sesuai dengan beberapa kumpulan partikel dalam teori batas. Selain itu, prediksi kedua teori tersebut secara kuantitatif identik sehingga jika dua partikel memiliki kemungkinan 40 persen bertabrakan dalam teori gravitasi, maka kumpulan yang sesuai dalam teori batas juga memiliki kemungkinan 40 persen bertabrakan.
Perhatikan bahwa batas ruang anti-de Sitter memiliki dimensi lebih kecil daripada ruang anti-de Sitter itu sendiri. Misalnya, dalam contoh tiga dimensi yang digambarkan di atas, batasnya adalah permukaan dua dimensi. Korespondensi AdS/CFT sering digambarkan sebagai "dualitas holografik" karena hubungan kedua teori ini serupa dengan hubungan antara objek tiga dimensi dan citranya sebagai hologram. Meskipun hologram berupa dua dimensi, ia mengkodekan informasi tentang ketiga dimensi objek yang diwakilinya. Dengan cara yang sama, teori-teori yang terkait dengan korespondensi AdS/CFT diperkirakan "tepat" ekuvalen, meski berada dalam berbagai dimensi yang berbeda. Teori medan konformal dapat dikatakan seperti hologram yang menangkap informasi tentang teori gravitasi kuantum pada dimensi yang lebih tinggi.
Setelah gagasan yang dikemukakan Maldacena pada tahun 1997, para teoretikus telah menemukan banyak realisasi yang berbeda dari korespondensi AdS/CFT. Ini menghubungkan berbagai teori medan konformal dengan kompaktifikasi teori dawai dan teori-M dalam berbagai dimensi. Teori-teori yang terkait pada umumnya bukanlah model yang layak dari dunia nyata, namun memiliki beberapa fitur tertentu, seperti kandungan partikelnya atau tingkat simetri yang tinggi, yang membuatnya berguna untuk memecahkan masalah dalam teori medan kuantum dan gravitasi kuantum.
Contoh yang paling terkenal dari korespondensi AdS/CFT menyatakan bahwa teori dawai tipe IIB pada ruang produk formula_1 adalah ekuivalen dengan teori supersimetri Yang–Mills N = 4 pada batas empat dimensi. Dalam contoh ini, ruangwaktu dimana teori gravitasi berada secara efektif merupakan lima dimensi (perhatikan notasi formula_2), dan ada lima tambahan dimensi kompak (dikodekan oleh faktor formula_3). Di dunia nyata, ruangwaktu adalah empat dimensi, setidaknya secara makroskopis, jadi versi korespondensi ini tidak memberikan model gravitasi yang realistis. Demikian juga, teori ganda bukanlah model yang layak dari sistem dunia nyata karena mengasumsikan sejumlah besar supersimetri. Namun demikian, seperti yang dijelaskan di bawah, teori batas ini berbagi beberapa ciri yang sama dengan kromodinamika kuantum, teori fundamental dari gaya kuat. Ini menggambarkan partikel yang mirip dengan gluon dari kromodinamika kuantum bersama dengan fermion tertentu. Akibatnya, hal ini telah diaplikasikan dalam fisika nuklir, terutama dalam studi mengenai plasma quark-gluon.
Realisasi lain dari korespondensi tersebut menyatakan bahwa teori M pada formula_4 setara dengan yang disebut teori-(2,0) dalam enam dimensi. Dalam contoh ini, ruangwaktu teori gravitasi efektif tujuh dimensi. Keberadaan teori-(2,0) yang muncul di satu sisi dualitas diprediksi dengan klasifikasi teori bidang superkonformal. Hal ini masih kurang dipahami karena merupakan teori mekanika kuantum tanpa batas klasik. Terlepas dari kesulitan yang ada dalam mempelajari teori ini, meskipun dianggap sebagai objek yang menarik untuk berbagai alasan, baik fisika maupun matematis.
Namun, realisasi lain dari korespondensi tersebut menyatakan bahwa teori M pada formula_5 adalah ekuivalen dengan teori bidang superkonformal ABJM dalam tiga dimensi. Di sini teori gravitasi memiliki empat dimensi nonkompak, jadi versi korespondensi ini memberikan deskripsi gaya gravitasi yang agak lebih realistis.
Dalam teori medan kuantum, probabilitas dari berbagai kejadian fisik biasanya dihitung dengan menggunakan teknik teori perturbasi. Teori ini dikembangkan oleh Richard Feynman dan yang lainnya pada paruh pertama abad ke-20, teori medan kuantum perturbatif menggunakan diagram khusus yang disebut diagram Feynman untuk mengatur perhitungan. Kita membayangkan bahwa diagram ini menggambarkan jalur partikel titik dan interaksinya. Meskipun formalisme ini sangat berguna untuk membuat prediksi, prediksi ini hanya mungkin bila kekuatan interaksi, konstanta kopel, cukup kecil untuk secara andal menggambarkan teori sebagai kededekatan dengan teori tanpa interaksi.
Titik awal untuk teori dawai adalah gagasan bahwa partikel titik teori medan kuantum juga dapat dimodelkan sebagai objek satu dimensi yang disebut dawai. Interaksi dawai paling mudah didefinisikan dengan menggeneralisasi teori perturbasi yang digunakan dalam teori medan kuantum biasa. Pada tingkat diagram Feynman, ini berarti mengganti diagram satu dimensi yang mewakili jalur partikel titik dengan permukaan dua dimensi yang mewakili gerakan sebuah dawai. Tidak seperti teori medan kuantum, teori dawai belum memiliki definisi non-perturbatif penuh, begitu banyak pertanyaan teoretis yang ingin dijawab oleh para fisikawan tetap berada di luar jangkauan.
Masalah pengembangan formulasi teori dawai non-perturbatif adalah salah satu motivasi awal untuk mempelajari korespondensi AdS/CFT. Seperti yang dijelaskan di atas, korespondensi tersebut memberikan beberapa contoh teori medan kuantum yang setara dengan teori dawai pada ruang anti-de Sitter. Seseorang dapat melihat korespondensi ini sebagai "definisi" teori string dalam kasus khusus dimana medan gravitasi bersifat asimtotik anti-de Sitter (yaitu, bila medan gravitasi menyerupai ruang anti-de Sitter pada jarak tak berhingga). Jumlah yang menarik secara fisik dalam teori string didefinisikan dalam jumlah kuantitas dalam teori medan kuantum ganda.
Pada tahun 1975, Stephen Hawking menerbitkan sebuah perhitungan yang menunjukkan bahwa lubang hitam tidak sepenuhnya hitam namun memancarkan radiasi redup karena efek kuantum di dekat cakrawala peristiwa. Pada awalnya, hasil Hawking menimbulkan masalah bagi para teoretikus karena dalam perhitungan ini lubang hitam menghancurkan informasi. Lebih tepatnya, perhitungan Hawking tampaknya bertentangan dengan salah satu postulat mekanika kuantum dasar, yang menyatakan bahwa sistem fisik berevolusi dalam waktu sesuai dengan persamaan Schrödinger. Properti ini biasanya disebut sebagai unitaritas evolusi waktu. Kontradiksi yang nyata antara perhitungan Hawking dan postulat unitaritas mekanika kuantum kemudian dikenal sebagai paradoks informasi lubang hitam.
Korespondensi AdS/CFT menyelesaikan paradoks informasi lubang hitam, setidaknya sampai batas tertentu, karena korespondensi ini menunjukkan bagaimana lubang hitam dapat berkembang dengan cara yang sesuai dengan mekanika kuantum dalam beberapa konteks. Memang, seseorang dapat mempertimbangkan lubang hitam dalam konteks korespondensi AdS/CFT, dan lubang hitam semacam itu sesuai dengan konfigurasi partikel pada batas ruang anti-de Sitter. Partikel-partikel ini mematuhi peraturan mekanika kuantum yang biasa dan khususnya berkembang dalam mode kesatuan, sehingga lubang hitam juga harus berevolusi dalam mode kesatuan, sesuai dengan prinsip-prinsip mekanika kuantum. Pada tahun 2005, Hawking mengumumkan bahwa paradoks tersebut telah diselesaikan untuk mendukung konservasi informasi oleh korespondensi AdS/CFT, dan dia menyarankan sebuah mekanisme konkret dimana lubang hitam dapat menyimpan informasi.