Gravitasi kuantum simpal

Gravitasi kuantum simpal (GKS, Inggris: loop quantum gravity) adalah teori fisika yang bertujuan untuk menjelaskan sifat-sifat kuantum dari gravitasi. Ia juga merupakan teori ruang-waktu kuantum, karena, berdasarkan teori relativitas umum, geometri ruang waktu adalah efek dari gravitasi itu sendiri. GKS adalah salah satu teori untuk menggabungkan mekanika kuantum dan relativitas umum. Dari teori ini, dapat ditunjukkan bahwa secara fisis, ruang-waktu bersifat granular/diskrit. Kediskritan ruang-waktu ini merupakan konsekuensi dari kuantisasi kanonik. Hal ini mirip dengan kediskritan foton (partikel cahaya) dalam elektrodinamika kuantum, dan juga mirip dengan kediskritan tingkat energi pada atom.

Dalam GKS, ruang dapat dianggap terdiri dari garis-garis medan gaya yang membentuk kurva tertutup (disini disebut simpal). Simpal tersebut saling berkaitan dan saling berpotongan satu sama lain, sehingga membentuk kumpulan simpal yang disebut dengan jejaring spin (spin network). Secara matematis, jejaring spin tidak lain merupakan suatu graf. Evolusi jejaring spin terhadap waktu disebut dengan busa spin (spin foam). Ukuran dari simpal yang membentuk jejaring spin ini diperkirakan sangat kecil, yaitu dalam orde 10⁻³⁵ meter, yang disebut dengan skala Planck. Menurut GKS, tidak ada pengukuran yang bisa dilakukan dengan skala yang lebih kecil dari skala Planck. Dengan demikian, GKS memprediksi bahwa, tidak hanya materi, melainkan ruang itu sendiri memiliki struktur diskrit seperti atom.

Saat ini, riset dalam bidang GKS berkembang pesat dalam berbagai arah, yang mencakup kurang lebih 50 grup riset di seluruh dunia, semuanya berbasiskan pada asumsi terhadap ruang waktu yang telah dijelaskan sebelumnya. Dalam perkembangannya menuju suatu teori lengkap yang dapat menggabungkan mekanika kuantum dan relativitas umum, terdapat 2 jalur utama dalam GKS: canonical loop quantum gravity, yang lebih tradisional, dan covariant loop quantum gravity (biasa disebut teori spin foam).

Riset mengenai konsekuensi fisis pada alam semesta yang diprediksi oleh GKS berkembang dalam berbagai arah, yang mencakup termodinamika lubang hitam, dan kosmologi kuantum simpal (loop quantum cosmology/LQC). LQC mengaplikasikan ide-ide utama GKS untuk mempelajari alam semesta dini dan bagaimana terbentuknya alam semesta melalui Big Bang. Konsekuensi dari GKS yang paling spektakuler adalah evolusi dari alam semesta dapat ditarik mundur sebelum Dentuman Besar, melalui mekanisme osilasi alam semesta. Big Bang dapat terjadi berkali-kali sehingga disebut sebagai Big Bounce ('Lompatan Besar').

Sejarah

Pada tahun 1986, Abhay Ashtekar merumuskan ulang teori relativitas umum Einstein sehingga dapat dituliskan mirip dengan persamaan Yang-Mills, variabel yang digunakan untuk perumusan ulang ini disebut dengan variabel baru Ashtekar (Ashtekar new variables). Tidak lama setelah itu, Ted Jacobson dan Lee Smolin menyadari bahwa persamaan formal dalam gravitasi kuantum (yang analog dengan persamaan gelombang Schrodinger, tetapi untuk gravitasi kuantum) yang disebut dengan persamaan Wheeler-DeWitt, bila dituliskan menggunakan variabel baru Ashtekar, dapat memiliki solusi yang dapat diberi label dengan variabel-variabel dari suatu loop. Menggunakan solusi-solusi tersebut, Carlo Rovelli dan Lee Smolin merumuskan teori gravitasi kuantum non-peturbatif yang tidak membutuhkan ruang-waktu sebagai 'latar belakang' dari medan kuantum. Prinsip ini dikenal dengan nama background independence. Jorge Pullin dan Jurek Lewandowksi lalu menyadari bahwa 'garis-garis gaya' dari medan kuantum ini, yang membentuk loop, dapat saling berpotongan (membentuk spin network), dan dapat digambarkan secara matematis oleh suatu graf.

Pada tahun 1994, Rovelli dan Smolin menunjukkan bahwa operator kuantum yang berhubungan dengan area dan volume dalam teori ini harus memiliki spetrum yang diskrit, dengan kata lain, geometri ruang-waktu terkuantisasi. Dengan demikian, untuk menuliskan keadaan (state) dari suatu ruang waktu (yang dinyatakan oleh fungsi gelombang), dapat digunakan basis pada Ruang Hilbert, basis ini kemudian disebut dengan basis spin network. Basis spin network pertama kali diperkenalkan oleh Roger Penrose, yaitu merupakan suatu graf yang diberi label representasi spin.

Versi kanonik dari teori ini dirumuskan oleh Thomas Thiemann, yang berhasil menuliskan operator Hamiltonian yang bebas dari anomali, lebih jauh lagi, menunjukkan adanya teori 'background independence' yang konsisten secara matematik. Versi covariant dari GKS, atau yang biasa disebut dengan model spin foam dikembangkan beberapa dekade yang lalu oleh grup-grup riset di Prancis, Kanada, Inggris, Polandia, dan Jerman.

Prinsip dasar

Prinsip dasar yang dijadikan basis dalam GKS berasal dari relativitas umum, yaitu prinsip general covariance ('kovariansi umum'). Prinsip ini menyatakan bahwa bentuk hukum-hukum fisika tidak boleh berubah terhadap transformasi koordinat.