Alam Semesta dengan Elektron Tunggal

Dahulu pernah ada sebuah ide yang sederhana, genuine dan elegan yang berasal dari seorang fisikawan besar bernama John Archibald Wheeler, mengenai keberadaan elektron.Wheeler mengusulkan bahwa mungkin seluruh elektron-elektron yang ada di alam semesta ini sebenarnya adalah sebuah elektron yang berjalan maju dan mundur dalam waktu, sepanjang masa. Ide ini menjelaskan mengapa seluruh elektron di alam semesta ini identik dan tak dapat dibedakan sama sekali.

Alam semesta dengan satu elektron, adalah salah satu upaya dari sedikit upaya-upaya yang telah diusulkan untuk menjelaskan mengapa semua elektron adalah identik. Ini memiliki akar dalam bentuk yang sama sekali berbeda dari simetri antara partikel, dalam hal ini elektron dan mitra antipartikelnya, yaitu positron. Kedua partikel memiliki massa yang sama, spin yang sama, semuanya sama kecuali jenis muatannya. Jika kita mengesampingkan muatan, elektron dan positron tidak bisa dibedakan, dan pada tahun 1940, hal ini memberikan fisikawan Princeton bernama John Wheeler, sebuah ide.

Ide Wheeler sering dikaitkan dengan mahasiswa doktoralnya, yaitu fisikawan legendaris Richard Feynman. Feynman menyinggung ide dosennya ini pada kuliah Nobel nya tahun 1965:

I received a telephone call one day at the graduate college at Princeton from Professor Wheeler, in which he said, "Feynman, I know why all electrons have the same charge and the same mass." "Why?" "Because, they are all the same electron!" And, then he explained on the telephone, "suppose that the world lines which we were ordinarily considering before in time and space - instead of only going up in time were a tremendous knot, and then, when we cut through the knot, by the plane corresponding to a fixed time, we would see many, many world lines and that would represent many electrons, except for one thing. If in one section this is an ordinary electron world line, in the section in which it reversed itself and is coming back from the future we have the wrong sign to the proper time - to the proper four velocities - and that's equivalent to changing the sign of the charge, and, therefore, that part of a path would act like a positron."

Untuk menjelaskan ide ini, Lihatlah diagram Feynman dibawah ini (perhatikan bahwa arah waktu keatas)

Diagram I

Dalam diagram diatas kita melihat sebuah photon (kanan bawah) membentuk sebuah pasangan partikel dan antipartikelnya yaitu elektron-positron (e- dan e +). Positron (e +) kemudian bertumbukan dengan elektron yang berbeda (e-, kiri) dan saling memusnahkan, melepaskan foton.

Nah, sebuah antipartikel itu memiliki sifat-sifatnya sama persis dengan partikelnya, jika arahnya dibalik. Artinya sebuah positron dapat kita gantikan dengan elektron asal kita membalik arahnya. Jadi bisa kita bilang bahwa sebuah antipartikel yang berjalan maju dalam waktu, itu sama dengan sebuah partikel yang berjalan mundur dalam waktu, dan sebaliknya.

Dalam kasus kita ini, positron pada diagram diatas bisa kita ganti dengan elektron yang mundur dalam waktu menjadi diagram dibawah ini:

Diagram II

Sekarang diagram ini bisa kita artikan sebagai sebuah elektron (kiri bawah) berjalan maju dalam waktu, kemudian memancarkan sebuah photon dan karenanya elektron tersebut terdorong mundur dalam waktu, karena ada energi yang 'dipaksa lepas' dari dirinya sendiri. Hal ini mirip dengan ketika sebuah meriam menembakkan pelurunya, maka meriam tersebut akan terdorong mundur, hanya bukan dalam waktu.

Nah, elektron kemudian berjalan mundur dalam waktu, dan karenanya memiliki sifat-sifat yang berlawanan, maka kita melihatnya sebagai positron. Kemudian elektron yang mundur dalam waktu ini memancarkan foton lagi, dan karenanya dia terdorong maju dalam waktu lagi...

Jadi, 3 partikel pada diagram I, yaitu 2 elektron dan 1 positron (abaikan photon) bisa kita gambarkan dengan hanya satu partikel saja, yaitu sebuah elektron yang maju mundur dalam waktu.

Penafsiran kita pada diagram kedua, dalam fisika, sama sekali tidak salah dan dibolehkan. Dan tidak ada hukum kekekalan yang dilanggar. Nah sekarang bayangkan kalau satu elektron telah mengalami proses diatas (memancarkan photon dan maju-mundur dalam waktu) berulang-ulang.

Hal ini membuat Wheeler muncul dengan ide gilanya, bahwa mungkin alam semesta kita hanya memiliki satu elektron yang berinteraksi dengan dirinya sendiri dan karenanya bergerak maju-mundur dalam waktu. Dan ini dapat menjelaskan mengapa semua elektron di alam ini terlihat sama dan tak terbedakan.

Sebelum Anda berpikir bahwa satu partikel tidak mungkin menciptakan kompleksitas alam semesta, AMJG ingin memberitahu Anda tentang sebuah simulasi yang disebut Semut Langton. Beberapa dari Anda mungkin sudah pernah mendengar sebelumnya, tapi bagi Anda yang belum, bacalah sekilas dibawah ini:

____________________________________________________________________________________________________

Semut Langton

Ada seekor semut pada sebuah papan besar dengan petak-petak berwarna putih. Aturannya:

1. Semut melangkah satu petak tiap langkah
2. Jika semut berada pada petak putih, dia akan ke kanan, dan merubah warna petak putih menjadi hitam.
3. Jika semut berada pada petak hitam, maka semut akan kekiri, dan merubah warna petak hitam menjadi putih.

Aturan-aturan yang sederhana diatas mungkin anda pikir akan membuat beberapa pola sederhana dan dan dapat diprediksi, kan? Nah itu benar untuk ratusan langkah awal. Semut akan membuat beberapa pola simetris yang bagus seperti yang Anda harapkan.

Animasi 200 langkah awal dari semut Langton

Tapi kemudian itu berubah. Semut akan mulai membuat pola-pola yang kacau. Pola sederhana telah runtuh, dan gerakan semut tidak bisa ditebak. Kemudian beberapa saat setelah kekacauan, semut akan membentuk sebuah "jalan raya" yang menuju ke tak hinggaan.

Semut Langton yang akhirnya membentuk sebuah "highway"

Jika semut tunggal seperti Semut Langton dapat membuat pola-pola yang kadang sederhana, kadang kacau dan kemudian teratur dalam bidang 2D yang sederhana, bagaimana dengan partikel tunggal di alam semesta yang setidaknya memiliki 4D, di mana ia dapat berinteraksi dengan masa lalunya sendiri?

____________________________________________________________________________________________________

Kelemahan Ide Alam Semesta dengan Elektron Tunggal

Kembali kepada ide gila Wheeler tentang alam semesta mungkin hanya berisi satu eletron, tetap ada kelemahan-kelemahan mengenai ide ini.

Alam semesta dengan elektron tunggal, gagal dijelaskan secara eksperimental, meskipun tidak secara teoritis. Anda mungkin telah melihat masalahnya - untuk sebuah elektron tunggal yang menjelaskan semua elektron di alam semesta, dia harus melakukan perjalanan mundur dalam waktu sama banyaknya dengan perjalanannya maju dalam waktu.  Itu berarti, dalam model ini, bahwa harus ada positron yang sama banyaknya dengan elektron yang ada. Kita tahu bahwa hal ini tidak terjadi, karena jumlah materi yang teramati di alam semesta jauh lebih banyak dari antimateri, yang berarti alam semesta dengan elektron tunggal mungkin tidak benar.

Feynman menyadari hal ini sepenuhnya dan langsung menanyakannya kepada Wheeler:

"But, Professor, there aren't as many positrons as electrons."

Wheeler menjawabnya (mungkin) dengan bercanda:

 "Well, maybe they are hidden in the protons or something"

Dalam memoarnya, Geons, Black Holes & Foam Quantum, Wheeler menuliskan bahwa ide "positron dalam proton" itu tidak dimaksudkan untuk dianggap serius:

I knew, of course, that, at least in our corner of the universe, there are lots more electrons than positrons, but I still found it an exciting idea to think of trajectories in spacetime that could go unrestricted in any direction — forward in time, backward in time, up, down, left, or right.

Wheeler tampaknya tetap membuat celah kecil pada pernyataannya diatas. Dia menunjukkan bahwa kita tahu elektron jauh melebihi jumlah positron "setidaknya di sudut alam semesta dimana kita berada", yang membuka kemungkinan teoritis bahwa di tempat lain di alam semesta kita yang luas mungkin ada banyak positron yang diperlukan untuk menyelesaikan perbedaan "lokal" ini. Tapi bagaimanapun, hal ini bertentangan dengan prinsip kosmologi, yang asumsi umum nya adalah bahwa alam semesta kita pada dasarnya seragam seluruhnya dan kita tidak menempati posisi khusus di dalamnya. Secara teknis, asumsi ini tidak harus benar, tapi selama 500 tahun fisika mendukung asumsi ini, dan akan memerlukan alasan yang benar-benar luar biasa kuat bagi fisikawan untuk mempertimbangkan meninggalkan atau merubah asumsi ini.

Warisan Dari Gagasan Elektron Tunggal

Mari kita kembali untuk terakhir kalinya ke Lecture nya Richard Feynman, yang merupakan diskusi yang paling terkenal dari ide Wheeler ini. Meskipun kutipan awal diatas hanyalah pandangannya tentang bagaimana Wheeler pertama kali mengusulkan ide itu, dan Feynman pernah setengah bergurau mengungkapkan reaksinya terhadap ide itu:

"Saya tidak mengambil gagasan bahwa semua elektron adalah elektron yang sama seserius saya mengambil pengamatan bahwa positron bisa direpresentasikan sebagai elektron yang berjalan dari masa depan ke masa lalu. Itu, yang saya curi dari Wheeler!"

Tentu Wheeler tidak memandangnya sebagai pencurian karena memang Feynman adalah mahsiswa bimbingannya. Dalam buku "Are Universes Thicker Than Blackberries?", matematikawan dan penulis sains Martin Gardner dengan fasih menjelaskan seberapa jauh Feynman mampu mengambil ide liar Wheeler:

Saran bahwa positron dapat diartikan sebagai sebuah elektron yang bergerak mundur dalam waktu ditangkap secarah indah oleh Feynman, dan ia menemukan bahwa interpretasi ini dapat ditangani secara matematis dengan cara yang sepenuhnya konsisten dengan logika dan semua hukum dalam teori kuantum. Ini menjadi landasan dalam "melihat ruang-waktu" yang terkenal dari mekanika kuantum, yang ia selesaikan delapan tahun kemudian dan karenanya, dia mendapat hadiah Nobel nya. Teori ini setara dengan pandangan tradisional, tapi tarian zigzag dari partikel-partikel Feynman memberikan cara baru dalam menangani perhitungan tertentu dan sangat membuatnya sederhana.

Apakah ini berarti bahwa positron adalah "benar-benar" sebuah elektron yang bergerak mundur dalam waktu? Tampaknya Tidak, itu hanya salah satu interpretasi fisik dari "diagram Feynman", interpretasi lain, yang juga valid, tidak berbicara tentang pembalikan waktu. Namun bagaimanapun, tarian zigzag dari elektron Feynman, dengan menelusuri garis dunia melalui ruang-waktu, tidak lagi tampak sebagai interpretasi fisik yang aneh seperti dulu.

Mungkin, tanpa "ide aneh dan gila" Wheeler mengenai alam semesta dengan elektron tunggal yang disampaikannya lewat telepon kepada mahasiswa doktoralnya, Richard Feynman tidak akan pernah memenangkan Hadiah Nobel 25 tahun kemudian. Ini pelajaran yang baik bagi kita semua, bahwa:

Tidak peduli seberapa 'aneh dan gila' sebuah ide mungkin terdengar, kita tidak pernah tahu di bagian mana dan sejauh apa ide itu pada akhirnya bisa memberikan bantuan yang besar kepada ilmu pengetahuan ...... (setidaknya dengan asumsi bahwa kita dan teman kita adalah dua orang fisikawan besar yang pernah hidup .... hehehehe)


Namun juga, Saat ini semua fisikawan tahu bahwa kadang-kadang sebuah ide yang tampaknya benar-benar paradoks, jika dianalisa di semua detailnya dalam situasi eksperimental, maka mungkin akan tidak paradoks sama sekali.

Wallahualam

Sumber: Wikipedia dan beberapa sumber