Masalah alam semesta kecil

Alam semesta itu besar, kata Douglas Adams.

Cahaya terjauh yang dapat kita lihat adalah latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB), yang memerlukan waktu lebih dari 13 miliar tahun untuk mencapai kita. Ini menandai batas alam semesta teramati, dan meskipun Anda mungkin mengira ini berarti luas alam semesta adalah 26 miliar tahun cahaya, namun berkat ekspansi kosmik, lebarnya kini mendekati 46 miliar tahun cahaya. Secara keseluruhan, ini adalah masalah yang sangat besar. Namun sebagian besar kosmolog percaya bahwa alam semesta jauh lebih besar daripada sudut pengamatannya. Apa yang bisa kita lihat hanyalah sebagian kecil dari ruang yang luasnya tak terbayangkan, Jika penciptaan tidak ada habisnya. Namun, sebuah studi baru menunjukkan bahwa sebagian besar alam semesta yang dapat diamati adalah semua yang ada.

Dengan kata lain, pada tingkat kosmik, alam semesta sangatlah kecil.

Ada beberapa alasan mengapa para kosmolog percaya bahwa alam semesta itu luas. Yang pertama adalah sebaran gugus galaksi. Jika alam semesta tidak melampaui apa yang kita lihat, galaksi-galaksi yang lebih jauh akan merasakan tarikan gravitasi menuju wilayah alam semesta kita, namun tidak menjauhi kita, sehingga menghasilkan gugus-gugus asimetris. Karena galaksi-galaksi berkumpul pada skala yang kira-kira sama di seluruh alam semesta teramati. Dengan kata lain, alam semesta teramati bersifat homogen dan isotropik.

Poin kedua adalah itu Ruangwaktu itu datar. Jika ruangwaktu tidak datar, pandangan kita terhadap galaksi-galaksi jauh akan terdistorsi, sehingga galaksi-galaksi tersebut tampak jauh lebih besar atau lebih kecil dari ukuran sebenarnya. Galaksi-galaksi jauh tampak sedikit lebih besar akibat ekspansi kosmik, namun tidak menunjukkan kelengkungan ruang-waktu secara keseluruhan. Berdasarkan batasan pengamatan kami, datarnya alam semesta berarti setidaknya 400 kali lebih besar dari alam semesta teramati.

Lalu ada fakta bahwa latar belakang gelombang mikro kosmik adalah benda hitam yang hampir sempurna. Terdapat sedikit fluktuasi suhu, namun lebih seragam dari yang seharusnya. Untuk menjelaskan hal ini, para astronom mengusulkan periode ekspansi besar-besaran setelah Big Bang, yang dikenal sebagai inflasi kosmik awal. Kami belum mengamati bukti langsung mengenai hal ini, namun model ini memecahkan banyak masalah kosmologis sehingga diterima secara luas. Jika modelnya akurat, alam semesta berada di peringkat ke-10²⁶ Kali lebih besar dari alam semesta yang dapat diamati.

Jadi, berdasarkan semua bukti teoritis dan observasi ini, bagaimana seseorang bisa berargumentasi bahwa alam semesta itu kecil? Ini tentang teori string dan rawa.

Meskipun teori string sering disajikan sebagai teori fisika, sebenarnya teori string merupakan kumpulan metode matematika. Hal ini dapat digunakan untuk mengembangkan model fisik yang kompleks, tetapi dapat juga hanya berupa matematika saja. Salah satu masalah dalam menghubungkan matematika teori string dengan model fisik adalah bahwa efeknya hanya akan terlihat dalam situasi yang paling ekstrem, dan kita tidak memiliki cukup data observasi untuk mengesampingkan model yang berbeda. Namun, beberapa model teori string tampak lebih menjanjikan dibandingkan yang lain. Misalnya, beberapa model kompatibel dengan gravitasi kuantum, sedangkan model lainnya tidak. Seringkali, para ahli teori mengidentifikasi “rawa” teori-teori yang tidak menjanjikan.

Ketika kita memisahkan lahan teoretis yang menjanjikan dari lahan rawa, yang tersisa hanyalah teori-teori yang menyatakan bahwa inflasi kosmik awal bukanlah suatu pilihan. Sebagian besar model teori string inflasi ada di rawa-rawa. Hal ini membuat orang bertanya apakah Anda dapat membangun model kosmologis yang konsisten dengan observasi tanpa inflasi awal. Yang membawa kita pada studi baru ini.

Salah satu cara untuk menghindari inflasi kosmik awal adalah dengan melihat struktur dimensi yang lebih tinggi. Relativitas umum klasik didasarkan pada empat dimensi fisik, tiga ruang dan satu waktu, atau 3+1. Secara matematis, Anda dapat membayangkan alam semesta 3+2 atau 4+1, dimana struktur global dapat digabungkan menjadi struktur 3+1 yang efisien. Ini adalah pendekatan umum dalam teori string karena tidak terbatas pada struktur standar relativitas umum. Para penulis menunjukkan bahwa dalam kondisi yang tepat, Anda dapat menciptakan struktur dimensi yang lebih tinggi dalam teori string, yang konsisten dengan observasi dan menghindari rawa-rawa. Berdasarkan model permainan mereka, alam semesta mungkin hanya seratus atau seribu kali lebih besar dari alam semesta teramati. Angka ini masih besar, namun cukup kecil jika dibandingkan dengan model inflasi awal.

Ini semua hanya spekulasi, tapi bisa dibilang, inilah yang terjadi pada inflasi kosmik awal. Jika inflasi kosmik awal benar terjadi, kita seharusnya dapat mengamati dampaknya melalui gelombang gravitasi dalam waktu dekat. Jika gagal, mungkin ada baiknya melihat lebih dekat model teori string yang menjauhkan kita dari rawa teoretis.

referensi: Linners, Jean-Luc dan Quentin, Jerome. “Alam semesta kecil“. pracetak arXiv arXiv:2309.03272 (2023)