Busa kuantum

Busa kuantum atau Busa ruang-waktu adalah partikel virtual yang bergejolak di ruang waktu akibat fluktuasi kuantum. "Gelembung" dalam busa kuantum adalah kuadriliun lebih kecil dari inti atom dan dan bertahan untuk pecahan sangat kecil dari satu detik - atau dalam 'bicara kuantum', seukuran panjang Planck untuk waktu Planck. Salah satu bukti terbesar untuk keberadaannya diprediksi kembali pada tahun 1947 oleh fisikawan Belanda Hendrik Casimir dan Dirk Polder.

Gagasan bahwa ruang angkasa, pada dasarnya, adalah kekaucauan berbusa dan kalau memiliki konsekuensi besar bagi pemahaman tentang alam semesta. Tetapi seperti yang sering terjadi dalam sains, percobaan terbaru tidak setuju. Keberadaan busa kuantum adalah ada dan tidak ada. Untuk melihatnya, dibutuhkan mikroskop yang dapat melihat hingga 10-35 meter untuk memastikannya.

Latar belakang 
Ide tentang busa ruang-waktu berasal dari tahun 1950-an dan kosmolog John Wheeler di Universitas Princeton. Wheeler mengusulkan bahwa pada skala Planck - jarak 10 sampai negatif 35 meter, 100 juta triliun kali lebih kecil dari proton - ruang tidak akan terus menerus, tetapi berbusa.

Sifat dan karakteristik 
Banyak pendekatan teoretis yang mengarah pada gravitasi kuantum menyarankan bahwa semua ruang waktu harus diisi dengan energi 10120 kali lebih besar dari yang dimungkinkan oleh pengamatan. Selama bertahun-tahun, para ahli teori telah mengemukakan gagasan tentang mengapa hal ini mungkin terjadi - sebagian besar telah mencoba pendekatan yang jelas, mencoba mencari cara untuk menghilangkan energi. Pada tahun 1955, ahli teori relativitas perintis John Wheeler dari Universitas Princeton, New Jersey, berpendapat bahwa pada skala yang paling kecil, ruang dan waktu tampak mulus dan tidak berstruktur, dan kemampuan untuk mengukur panjang waktu, dan energi akan tunduk pada prinsip ketidakpastian. Dalam hal ini, dua partikel tidak akan bisa datang sangat dekat satu sama lain karena mereka harus selalu dipisahkan oleh ukuran minimum sebutir ruang. Ruang dan waktu berkelanjutan dari fisika klasik akan diubah menjadi keadaan berfluktuasi yang oleh Wheeler disebut sebagai "busa kuantum" atau "busa ruang-waktu". Dengan demikiam, efek gravitasi kuantum dalam perambatan cahaya (jika terdeteksi) mungkin dapat mengungkapkan kopling ke status ruang hampa yang didalilkan oleh teori inflasi dan dawai. Ruang digambarkan sebagai busa kuantum pada skala panjang Planck ≈ 1,6 x 10-33 cm, waktu adalah 10-44 detik, dan energi adalah 1019 GeV, di mana efek kuantum telah diprediksi akan sangat mempengaruhi sifat ruang waktu. Skala-skala ini adalah ciri khas momen-momen awal Dentuman Besar.

Kemajuan dalam teori medan kuantum telah memungkinkan untuk menganalisa busa ruang waktu mungkin memiliki energi intrinsik yang sangat besar. Energi seperti itu akan bertindak seperti konstanta kosmologis, parameter tetap yang dapat ditambahkan ke persamaan relativitas umum. Konstanta kosmologis juga memiliki efek yang sama dengan 'energi gelap' yang telah dikemukakan untuk menjelaskan mengalami perluasan alam semesta mengalami percepatan. Terlepas dari efeknya yang jelas, bagaimanapun, energi gelap mungkin 10120 kali lebih kecil dari energi vakum skala Planck yang diprediksi, penjelasan yang sulit dijelaskan oleh para ahli teori.

Beberapa fisikawan telah mencari mekanisme teoretis yang akan menghilangkan energi vakum skala Planck. Misalnya, ia dapat menghilang karena karena pembatalan sempurna konstribusi positif dan negatif atau dengan penekanan yang timbul dari perilaku medan kuantum di ruang melengkung.

Teori Carlip 
Steven Carlip dari University of California, Davis, menawarkan proposal yang berbeda, dan mengemukakan teori untuk menjelaskan mengapa ruang kosong tampaknya diisi dengan sebagian besar energi – mungkin tersembunyi oleh efek yang membatalkannya pada skala panjang Planck. Dia mencatat bahwa persamaan relativitas umum untuk ruang waktu dengan konstanta kosmologis memiliki solusi untuk mengembang dan menyusut secara eksponensial dengan waktu. Dia kemudian membayangkan ruang waktu sebagai busa di mana energi vakum sangat besar di mana-mana setiap wilayah dengan ukuran Planck akan mengembang dan menyusut dengan kemungkinan yang sama. Memanfaatkan prosedur matematika terbaru yang memungkinkan wilayah skala Planck untuk "direkatkan" dengan cara yang konsisten dengan relativitas umum, ia sampai ke kesimpulan yang luar biasa: meskipun energi vakum sangat besar di mana-mana, penjajaran dari perluasan dan wilayah wikayah yang berkontraksi menciptakan tambal suram yang pada dasarnya tidak dapat dibedakan dari ruang waktu skala besar yang tidak mengembang atau menyusut. Ruang waktu seperti itu dapat dijelaskan secara makrokospis sebagai memiliki konstanta kosmologis nol. Satu-satunya asumsi yang digunakan agar prosedur perekatan bekerja adalah bahwa busa ruang waktu tidak memiliki arah intrinsik waktu.

Carlip kemudian membahas bagaimana ruang waktu ini berkembang. Ini adalah masalah yang sulit, karena dua alasan. Di perbatasan antara wilayah yang berbeda, kelengkungan ruang dan waktu berubah secara dratis daram jarak yang kecil, membuat evolusinya pada waktunya sulit dihitung. Dan karena wilayahnya berskala Planck, efek gravitasi kuantum - yang tidak memiliki teori lengkap - tidak dapat diabaikan. Namun demikian, Carlip menyajikan beberapa argumen yang menunjukkan bahwa irisan tiga dimensi ini akan terus berperilaku seperti irisan tanpa energi vakum. Salah satu cara untuk membayangkan proses tersebut adalah bahwa dengan seiring berkembangnya wilayah-wilayah yang berkembang, busa ruang waktu terus-menerus menggelembung pada skala Planck, sehingga interior wayah-wilayah tersebut terisi dengan campuran potongan-potongan yang terus meluas dan menyusut.

Thomas Buchert, seorang relativis matematika di Universitas Lyon, Prancis, mengatakan bahwa meskipun cukup skepmatis, usulan Carlip masuk akal, dengan asumsi bahwa konstanta kosmologis memang muncul dari fluktuasi kuantum. Tetapi Buchert mengatakan bahwa ia tidak sepenuhnya yakin dengan prosedur rata-rata yabg digunakan oleh Carlip dan menyarankan bahwa keadaan awal dalam model mungkin berkembang menjadi ruang waktu dengan konstanta kosmologis efektif yang bervariasi dalam skala besar, daripada meniadakan.

Kuantum 
Fisika proses teori-informasi yang baru menjelaskan bahwa ruang sebagai sistem busa kuantum di mana gravitasi adalah aliran tidak homogen dari busa kuantum ke materi. Penggabungan mekanika kuantum dan relativitas umum disimpulkan di wilayah seukuran panjang Planck (10-33 cm), fluktuasi vakum begitu besar sehingga ruang yang dikenal "mendidih" dan berbusa. Dalam skenario seperti itu, ruang tampak mulus sepenuhnya pada skala 10-12 cm; kekasaran tertentu mulai terlihat pada skala 10-30 cm; dan pada skala ruang panjang Planck menjadi buih busa kuantum probabilistik dan gagasan tentang ruang kontinu yang sederhana.

Fisikawan teoretis lebih menyukai gagasan partikel bahwa partikel fundamental sebenarnya tidak bulat, tetapi "garis" kecil, seperti kepingan elastis, yang disebut sebagai Teori dawai. Teori superdawai memungkinkan mereka bergerak dalam ruang aneh dalam 11 dimensi. Teori untuk mendeskripsikan ruang dengan ukuran panjang Planck berkembang belakangan ini. Ini disebut teori gravitasi kuantum loop, yang mendalilkan bahwa ukuran ruang linier minimum sejajar dengan panjang Planck. Ruang dengan bentangan lebih luas dibangun di atas ukuran terendah ini sehingga volume dikuantisasi.

Ruang waktu kuantum sama seperti ruang yang didefinisikan oleh geometri diskrit jaringan putaran, waktu ditentukan oleh urutan gerakan berbeda yang mengatur ulang jaringan. Waktu mengalir tidak seperti sungai tetapi seperti detak jam, dengan "tik" selama waktu Planck: 10-43 detik.

Percobaan 
Sebuah tim ilmuwan telah menggunakan pengamatan sinar-X dan sinar gamma dari beberapa objek terjauh di alam semesta untuk lebih memahami sifat ruang dan waktu. Hasil mereka membatasi sifat kuantum, atau "busa" ruang-waktu pada skala yang sangat kecil. 

Studi ini menggabungkan data dari Observatorium Sinar-X Chandra NASA dan Teleskop luar angkasa Sinar Gama Fermi bersama dengan pemgamatan sinar gamma berbasis darat dari Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array (VERITAS). Para peneliti mencoba menggunakan pengamatan sinar-X dan sinar gamma dari kuasar yang sangat jauh - sumber bercahaya yang dihasilkan oleh materi yang jauh ke lubang hitam supermasif - untuk menguji model busa ruang waktu. Para penulis memperkirakan bahwa akumulasi ketidakpastian jarak untuk perjalanan cahaya melintasi miliaran tahun cahaya akan menyebabkan kualitas gambar menurun dratis sehingga objek menjadi tidak bisa dideteksi. Panjang gelombang di mana gambar harus menghilang berhitung harus pada model busa ruang-waktu yang digunakan.

Deteksi sinar-X Chandra terhadap kuasar pada jarak miliaran tahun cahaya mengesampingkan satu model, yang menurutnya foton berdifusi secara acak melalui busa ruang-waktu dengan cara yang mirip dengan penyebaran cahaya di kabut. Deteksi kuasar jauh pada panjang gelombang sinar gamma yang lebih pendek daripada Fermi dan bahkan pada panjang gelombang yang lebih pendek dengan VERITAS menunjukkan bahwa model holografik kedua disebut yang disebut dengan sedikit difusi tidak berfungsi. Data sinar-X dan sinar gamma menunjukkan bahwa ruang-waktu halus hingga jarak 1000 kali lebih kecil inti atom hidrogen.

Model 
Secara khusus, model lain (misalnya, Ng 2003) yang konsisten dengan 'prinsip holografik' memprediksi bahwa busa ruang-waktu dapat dideteksi dengan gambar terdegradasi intensitas atau kabur dari objek yang jauh. Meskipun model-model ini bukan merupakan pengujian langsung dari prinsip holografik itu sendiri, keberhasilan atau kegagalan model tersebut dapat memberi petunjuk penting untuk fisika lubang hitam dengan gravitasi kuantum dan teori informasi.

Sebuah studi selanjutnya mencoba menjelajahi kemungkinan degradasi gambar dari objek astronomi yang jauh dari efek busa kuantum. Secara khusus, sebagian fokus pada kemungkinan keburaman gambar dari objek jauh tersebut.

Referensi

Lihat pula 
 Geon
 Radiasi Hawking
 Prinsip Holografik
 Lubang cacing Lorentz
 Waktu Planck
 Fluktuasi kuantum
 Mekanika kuantum stokastik
 Teori garis
 Energi vakum
 Lubang cacing

Teori medan kuantum
Gravitasi kuantum
Teori lubang cacing