Masalah alam semesta kecil

Douglas Adams mengatakan alam semesta itu besar.

Cosmic Microwave Background (CMB) adalah cahaya terjauh yang dapat kita lihat, memerlukan waktu lebih dari 13 miliar tahun untuk mencapai kita. Ini mewakili tepian alam semesta teramati, dan meskipun Anda mungkin mengira lebar alam semesta adalah 26 miliar tahun cahaya, namun berkat ekspansi kosmik, lebarnya kini mendekati 46 miliar tahun cahaya. Secara keseluruhan, ini sangat bagus. Namun, sebagian besar kosmolog percaya bahwa alam semesta jauh lebih besar daripada sudut pandangnya. Apa yang bisa kita lihat hanyalah sebagian kecil dari luasnya ruang yang tak terbayangkan, Kalau tidak, penciptaan tidak akan ada habisnya. Namun, sebuah studi baru menunjukkan bahwa sebagian besar alam semesta teramati mengalami hal serupa.

Dengan kata lain, dalam skala kosmik, alam semesta sangatlah kecil.

Ada banyak alasan mengapa para kosmolog menganggap alam semesta itu besar. Yang pertama adalah sebaran rasi bintang. Jika alam semesta tidak mengembang melampaui apa yang bisa kita lihat, galaksi-galaksi yang lebih jauh akan merasakan tarikan gravitasi ke arah kita, namun tidak menjauhi kita, sehingga menghasilkan gugus-gugus asimetris. Karena galaksi-galaksi berkumpul dengan kecepatan yang kira-kira sama di seluruh alam semesta teramati. Dengan kata lain, alam semesta tampak 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 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 batas pengamatan kami, alam semesta datar setidaknya 400 kali lebih besar dari alam semesta teramati.

Memang benar bahwa latar belakang gelombang mikro kosmik hampir merupakan benda hitam sempurna. Terdapat fluktuasi suhu yang kecil, namun lebih konsisten dari yang seharusnya. Untuk menjelaskan hal ini, para astronom mengajukan 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 dan oleh karena itu diterima secara luas. Jika modelnya akurat, alam semesta berada di urutan ke-10²⁶ kali lebih besar dari alam semesta yang terlihat.

Jadi, dengan semua bukti teoritis dan observasi ini, bagaimana orang 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. Ini dapat digunakan untuk membangun model fisik yang kompleks, tetapi juga dapat digunakan secara matematis murni. Salah satu masalah dalam menghubungkan matematika teori string dengan model fisik adalah bahwa efeknya hanya terlihat dalam situasi yang sangat ekstrem, dan kita tidak memiliki cukup data observasi untuk mengesampingkan model yang berbeda. Namun, beberapa model teori string lebih menjanjikan dibandingkan model lainnya. Misalnya, beberapa model kompatibel dengan gravitasi kuantum, sementara model lainnya tidak. Seringkali, para ahli teori mengidentifikasi “rawa” teori-teori tanpa kompromi.

Ketika kita memisahkan landasan teoretis yang menjanjikan dari rawa, kita dihadapkan pada teori yang mengatakan bahwa inflasi kosmik dini bukanlah suatu pilihan. Kebanyakan model teori string inflasi bermasalah. 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 dini adalah dengan melihat struktur berdimensi lebih tinggi. Relativitas umum klasik didasarkan pada empat dimensi fisik, tiga ruang dan satu mode atau 3+1. Secara matematis, Anda dapat membayangkan alam semesta 3+2 atau 4+1 di mana struktur universal dapat digabungkan menjadi struktur 3+1 yang efisien. Ini adalah pendekatan umum dalam teori string karena tidak terbatas pada kerangka standar relativitas umum. Penulis menunjukkan bahwa dalam kondisi yang tepat, Anda dapat membuat struktur dimensi tinggi dalam teori string yang konsisten dengan observasi dan menghindari jebakan. Berdasarkan model permainan mereka, alam semesta mungkin seratus atau seribu kali lebih besar dari alam semesta teramati. Masih besar dibandingkan model inflasi awal, namun jauh lebih kecil.

Ini semua hanya spekulasi, tapi inilah yang terjadi pada awal inflasi. Jika inflasi kosmik awal terjadi, kita dapat mengamati dampaknya melalui gelombang gravitasi di masa depan. Jika gagal, ada baiknya kita melihat lebih dekat model teori string yang menjauhkan kita dari rawa teoretis.

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