Gravitasi kuantum simpal
 |
Gravitasi kuantum putaran (GKP, bahasa 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. GKP 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 GKP, ruang dapat dianggap terdiri dari garis-garis medan gaya yang membentuk kurva tertutup (disini disebut loop). Loop-loop tersebut saling berkaitan dan saling berpotongan satu sama lain, sehingga membentuk kumpulan loop yang disebut dengan spin network. Secara matematis, spin network tidak lain merupakan suatu graf. Evolusi spin network terhadap waktu disebut dengan 'spin foam'. Ukuran dari loop-loop yang membentuk spin network ini diperkirakan sangat kecil, yaitu dalam orde 10-35 meter, yang disebut dengan skala Planck. Menurut GKP, tidak ada pengukuran yang bisa dilakukan dengan skala yang lebih kecil dari skala Planck. Dengan demikian, GKP memprediksi bahwa, tidak hanya materi, melainkan ruang itu sendiri memiliki struktur diskrit seperti atom.
Saat ini, riset dalam bidang GKP 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 GKP: canonical loop kuantum gravity, yang lebih tradisional, dan covariant loop kuantum gravity (biasa disebut teori spin foam).
Riset mengenai konsekuensi fisis pada alam semesta yang diprediksi oleh GKP berkembang dalam berbagai arah, yang mencakup termodinamika lubang hitam, dan loop kuantum kosmologi (loop kuantum cosmology / LQC). LQC mengaplikasikan ide-ide utama GKP untuk mempelajari alam semesta dini dan bagaimana terbentuknya alam semesta melalui Big Bang. Konsekuensi dari GKP yang paling spektakuler adalah evolusi dari alam semesta dapat ditarik mundur sebelum Big Bang, 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 kuantum gravity (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 GKP, 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 GKP berasal dari relativitas umum, yaitu prinsip general covariance ('kovariansi umum'). Prinsip ini menyatakan bahwa bentuk hukum-hukum fisika tidak boleh berubah terhadap transformasi koordinat.