[Buku Bahasa Indonesia] The Universe In a Nutshell - Stephen Hawking
Bab 3 : Alam Semesta dalam Sebuah Kulit Kacang
3.1 Alam semesta memiliki banyak sejarah, masing-masing ditentukan oleh sebuah “kacang kecil”
“I could be bounded in a nutshell and count myself as king of infinite space.”
— William Shakespeare, Hamlet, Babak 2 Adegan 2
Hamlet mungkin bermaksud bahwa meskipun kita sebagai manusia sangat terbatas secara fisik, pikiran kita bebas menjelajahi seluruh alam semesta—melangkah berani ke tempat-tempat yang bahkan Star Trek pun mungkin enggan menjelajahinya, mimpi buruk sekalipun mengizinkan.
Apakah alam semesta benar-benar tak terbatas, atau hanya sangat besar?
Apakah ia kekal selamanya, atau hanya berumur sangat panjang?
Bagaimana mungkin pikiran kita yang terbatas dapat memahami alam semesta yang tak terbatas?
Apakah kita terlalu lancang bahkan hanya dengan mencoba memahaminya?
Apakah kita berisiko mengalami nasib seperti Prometheus, yang dalam mitologi Yunani mencuri api dari Zeus untuk diberikan kepada manusia, lalu dihukum karena keberaniannya dengan dirantai pada sebuah batu sementara seekor elang mematuki hatinya?
Terlepas dari kisah peringatan tersebut, saya percaya bahwa kita dapat dan seharusnya mencoba memahami alam semesta. Kita telah membuat kemajuan luar biasa dalam memahami kosmos, terutama dalam beberapa tahun terakhir. Memang kita belum memiliki gambaran yang sepenuhnya lengkap, tetapi mungkin kita tidak terlalu jauh dari mencapainya.
Hal paling jelas tentang ruang angkasa adalah bahwa ia terus membentang tanpa akhir. Hal ini telah dikonfirmasi oleh instrumen modern seperti Hubble Space Telescope, yang memungkinkan kita menelusuri ruang angkasa hingga sangat jauh.
Apa yang kita lihat adalah miliaran galaksi, dengan berbagai bentuk dan ukuran. Setiap galaksi mengandung miliaran bintang, dan banyak di antaranya memiliki planet yang mengorbit.
Kita hidup di sebuah planet yang mengelilingi sebuah bintang di lengan luar galaksi spiral Milky Way. Debu di lengan spiral menghalangi pandangan kita terhadap alam semesta di bidang galaksi, tetapi kita memiliki garis pandang yang cukup jelas pada arah yang membentuk kerucut di kedua sisi bidang tersebut.
Dengan demikian kita dapat memetakan posisi galaksi-galaksi jauh. Hasilnya menunjukkan bahwa galaksi-galaksi tersebar hampir merata di seluruh ruang, meskipun terdapat daerah dengan konsentrasi tinggi maupun wilayah kosong.
Pada jarak yang sangat jauh, jumlah galaksi yang terlihat tampak berkurang. Namun kemungkinan besar hal ini terjadi karena galaksi-galaksi tersebut terlalu jauh dan terlalu redup untuk dapat kita deteksi.
Sejauh yang dapat kita amati, alam semesta tampaknya membentang tanpa batas dalam ruang.
Walaupun alam semesta tampak relatif sama di setiap titik ruang, ia jelas berubah seiring waktu. Fakta ini baru disadari pada awal abad ke-20. Sebelumnya orang mengira alam semesta pada dasarnya tetap dan tidak berubah.
Jika alam semesta memang telah ada selamanya, maka muncul masalah yang aneh: jika bintang-bintang telah memancarkan energi selama waktu tak terbatas, maka alam semesta seharusnya telah dipanaskan hingga mencapai suhu yang sama dengan bintang-bintang itu. Bahkan pada malam hari seluruh langit seharusnya seterang Matahari, karena setiap garis pandang kita akan berakhir pada sebuah bintang atau awan gas yang cukup panas untuk bersinar seperti bintang.
Pengamatan sederhana yang kita semua lakukan—bahwa langit malam itu gelap—sangatlah penting. Hal ini menunjukkan bahwa alam semesta tidak mungkin telah ada selamanya dalam keadaan seperti sekarang.
Pasti ada sesuatu yang terjadi di masa lalu yang menyebabkan bintang-bintang mulai bersinar pada waktu tertentu. Artinya, cahaya dari bintang yang sangat jauh belum sempat mencapai kita. Inilah sebabnya langit malam tidak bersinar terang ke segala arah.
Jika bintang-bintang telah ada sejak dahulu kala, mengapa mereka tiba-tiba mulai bersinar beberapa miliar tahun yang lalu? Jam apa yang memberi tahu mereka bahwa waktunya telah tiba untuk bercahaya?
Pertanyaan ini membingungkan para filsuf seperti Immanuel Kant, yang percaya bahwa alam semesta telah ada selamanya.
Namun bagi banyak orang, fenomena ini cocok dengan gagasan bahwa alam semesta diciptakan beberapa ribu tahun yang lalu dalam bentuk yang hampir sama seperti sekarang.
Pandangan tersebut mulai dipertanyakan setelah pengamatan oleh Vesto Slipher dan Edwin Hubble pada dekade kedua abad ke-20.
Pada tahun 1923, Hubble menemukan bahwa banyak bercak cahaya redup yang disebut nebula sebenarnya adalah galaksi lain—kumpulan besar bintang seperti Matahari kita, tetapi berada pada jarak yang sangat jauh.
Agar tampak sekecil dan seredup itu, jaraknya harus begitu besar sehingga cahaya dari galaksi tersebut membutuhkan jutaan hingga miliaran tahun untuk mencapai kita. Hal ini menunjukkan bahwa awal alam semesta tidak mungkin hanya beberapa ribu tahun yang lalu.
3.2 Kronologi Penemuan oleh Slipher dan Hubble (1910–1930)
para astronom pada awal abad ke-20 sampai pada kesimpulan yang sangat revolusioner: alam semesta tidak statis, melainkan mengembang. Proses pemahaman ini tidak muncul sekaligus, tetapi terbentuk melalui serangkaian pengamatan astronomi yang dilakukan antara tahun 1910 hingga 1930.
Pada awalnya, perhatian tertuju pada apa yang saat itu disebut nebula spiral. Para astronom belum mengetahui apakah objek-objek ini merupakan bagian dari galaksi kita, yaitu Milky Way, ataukah sistem bintang yang sepenuhnya terpisah. Ketidakpastian ini membuat setiap pengamatan terhadap nebula menjadi sangat penting bagi pemahaman struktur alam semesta.
Salah satu tokoh kunci dalam tahap awal penelitian ini adalah astronom Amerika, Vesto Melvin Slipher. Bekerja di Lowell Observatory, Slipher mempelajari spektrum cahaya yang dipancarkan oleh nebula spiral. Dengan menganalisis spektrum tersebut, ia dapat menentukan apakah objek tersebut bergerak mendekati atau menjauhi Bumi. Metode ini didasarkan pada prinsip fisika yang dikenal sebagai Doppler Effect. Jika suatu objek bergerak menjauh dari pengamat, panjang gelombang cahaya yang dipancarkannya akan meregang dan bergeser ke bagian merah spektrum; fenomena ini disebut redshift. Sebaliknya, jika objek bergerak mendekat, spektrum bergeser ke arah biru dan menghasilkan blueshift.
Pada tahun 1912, Slipher melakukan pengukuran terhadap empat nebula spiral. Hasilnya cukup mengejutkan. Tiga di antaranya menunjukkan redshift, yang berarti objek-objek tersebut sedang bergerak menjauh dari kita. Satu objek yang menunjukkan blueshift adalah Andromeda Galaxy. Dari hasil ini Slipher menyimpulkan bahwa Andromeda sedang bergerak mendekati Bumi, sedangkan nebula lainnya menjauh.
Penelitian tersebut kemudian dilanjutkan. Antara tahun 1912 hingga 1914, Slipher mengukur spektrum dari dua belas nebula tambahan. Hampir semuanya kembali menunjukkan redshift. Pola ini mulai mengisyaratkan sesuatu yang sangat tidak biasa: sebagian besar objek besar di langit tampaknya bergerak menjauh dari kita dengan kecepatan tinggi. Walaupun demikian, pada masa itu para astronom belum dapat menarik kesimpulan kosmologis yang jelas, karena mereka belum mengetahui apakah nebula-nebula tersebut merupakan galaksi yang terpisah atau hanya bagian dari Bima Sakti.
Pada tahun 1914 Slipher mempresentasikan temuannya di hadapan American Astronomical Society. Di antara para ilmuwan yang mendengar presentasi tersebut terdapat seorang astronom muda yang kelak memainkan peran sangat besar dalam kosmologi modern, yaitu Edwin Hubble. Data redshift yang dikumpulkan Slipher nantinya menjadi landasan observasional penting bagi penelitian Hubble.
Beberapa tahun kemudian, Hubble mulai menyelidiki nebula spiral secara lebih sistematis. Pengamatannya mencapai titik penting pada tahun 1923 ketika ia menemukan jenis bintang tertentu di dalam Andromeda, yaitu Cepheid variable. Bintang jenis ini memiliki hubungan yang sangat teratur antara periode perubahan kecerlangannya dan luminositas sebenarnya. Hubungan tersebut memungkinkan astronom menghitung jarak bintang secara akurat. Ketika Hubble menerapkan metode ini pada bintang-bintang Cepheid di Andromeda, ia menemukan bahwa jaraknya sangat besar—jauh melampaui ukuran galaksi Bima Sakti.
Penemuan ini membawa konsekuensi besar: nebula spiral bukanlah bagian dari galaksi kita, melainkan galaksi tersendiri. Dengan kata lain, alam semesta ternyata dipenuhi oleh banyak galaksi yang terpisah satu sama lain.
Sementara itu, pengukuran spektrum terus berlanjut. Selama periode 1914 hingga 1925, Slipher dan astronom lain mengumpulkan semakin banyak data tentang pergeseran Doppler galaksi. Hasilnya semakin memperjelas pola yang sebelumnya hanya berupa petunjuk. Pada pertengahan dekade 1920-an, jumlah galaksi yang menunjukkan redshift jauh lebih besar dibandingkan yang menunjukkan blueshift. Dengan kata lain, sebagian besar galaksi tampak bergerak menjauh dari kita.
Langkah terakhir menuju pemahaman kosmologis yang lebih dalam terjadi pada tahun 1929. Pada saat itu Hubble bekerja sama dengan Milton Humason. Mereka menggabungkan dua jenis pengamatan: jarak galaksi yang diperoleh dari metode bintang Cepheid, dan kecepatan gerak galaksi yang dihitung dari redshift. Ketika kedua data tersebut dibandingkan, muncul sebuah pola yang sangat jelas: semakin jauh sebuah galaksi dari kita, semakin besar pula kecepatan ia menjauh.
Hubungan ini kemudian dikenal sebagai Hubble's Law. Hukum tersebut menunjukkan bahwa fenomena menjauhnya galaksi bukanlah gerakan acak. Sebaliknya, fenomena itu merupakan pola kosmik yang berlaku secara umum di seluruh alam semesta.
Implikasi dari temuan ini sangat dramatis. Jika hampir semua galaksi saling menjauh, maka penjelasan paling masuk akal bukanlah bahwa kita berada di pusat gerakan tersebut. Penjelasan yang lebih mendalam adalah bahwa ruang itu sendiri sedang mengembang. Dalam kerangka ini, galaksi-galaksi tidak sekadar bergerak melalui ruang; jarak di antara mereka bertambah karena struktur ruang-waktu sendiri mengalami ekspansi. Konsep ini kemudian dikenal sebagai model Expanding Universe.
Kesadaran bahwa alam semesta mengembang menjadi salah satu revolusi terbesar dalam ilmu pengetahuan modern. Penemuan tersebut mengubah pandangan lama bahwa kosmos bersifat statis dan abadi, serta membuka jalan bagi perkembangan teori kosmologi modern, termasuk model asal-usul alam semesta yang dikenal sebagai Big Bang.
3.3 Hukum Hubble
salah satu penemuan paling fundamental dalam kosmologi modern: hubungan sistematis antara jarak galaksi dan kecepatan galaksi tersebut menjauh dari kita. Penemuan ini dilakukan pada dekade 1920-an oleh astronom Amerika, Edwin Hubble, dan menjadi dasar bagi pemahaman ilmiah bahwa alam semesta tidak statis, melainkan sedang mengembang.
Pengamatan yang membawa pada hukum ini berawal dari analisis terhadap cahaya yang dipancarkan oleh galaksi-galaksi jauh. Ketika cahaya dari suatu objek kosmik dianalisis menggunakan spektroskop, spektrum yang dihasilkan menunjukkan garis-garis karakteristik unsur kimia tertentu. Garis-garis spektrum ini memiliki posisi panjang gelombang yang diketahui secara pasti dari eksperimen laboratorium. Jika posisi garis tersebut bergeser ketika diamati dari Bumi, pergeseran tersebut dapat menunjukkan bahwa sumber cahaya sedang bergerak relatif terhadap pengamat. Fenomena ini dijelaskan oleh prinsip fisika yang dikenal sebagai Doppler Effect.
Apabila suatu galaksi bergerak menjauh dari pengamat, panjang gelombang cahaya yang dipancarkannya akan meregang sehingga garis spektrum bergeser menuju bagian merah dari spektrum. Pergeseran ini disebut redshift. Sebaliknya, jika suatu objek bergerak mendekat, spektrum akan bergeser ke arah biru, yang dikenal sebagai blueshift. Dengan mengukur besar kecilnya pergeseran spektrum tersebut, para astronom dapat menghitung kecepatan radial galaksi, yaitu kecepatan geraknya sepanjang garis pandang terhadap Bumi.
Data mengenai redshift galaksi pertama kali dikumpulkan secara sistematis oleh Vesto Melvin Slipher pada awal abad ke-20. Namun, penemuan yang menentukan baru terjadi ketika Hubble menggabungkan data kecepatan galaksi tersebut dengan pengukuran jarak galaksi. Untuk menentukan jarak ini, Hubble menggunakan pengamatan terhadap jenis bintang tertentu yang disebut Cepheid variable. Bintang-bintang ini memiliki hubungan yang sangat teratur antara periode perubahan kecerlangan dan luminositas intrinsiknya. Dengan membandingkan kecerlangan yang sebenarnya dengan kecerlangan yang terlihat dari Bumi, para astronom dapat menghitung jarak bintang tersebut, dan dengan demikian jarak galaksi tempat bintang itu berada.
Ketika Hubble membandingkan jarak galaksi dengan kecepatan redshift-nya, ia menemukan pola yang sangat jelas. Galaksi yang lebih dekat memiliki kecepatan menjauh yang relatif kecil, sedangkan galaksi yang lebih jauh memiliki kecepatan menjauh yang jauh lebih besar. Hubungan ini ternyata hampir linier, sehingga dapat dinyatakan dengan persamaan sederhana:
V = H × R
Baca Juga: Lighten PDF Converter OCR 6.1.1 Full Version
Dalam persamaan ini, V menyatakan kecepatan galaksi menjauh dari pengamat, R menyatakan jarak galaksi dari Bumi, dan H adalah suatu konstanta yang kini dikenal sebagai Hubble constant. Konstanta ini menentukan seberapa cepat skala alam semesta bertambah seiring waktu.
Hubungan linier antara jarak dan kecepatan ini kemudian dikenal sebagai Hubble's Law. Makna fisika dari hukum ini sangat mendalam. Jika galaksi-galaksi yang lebih jauh bergerak menjauh lebih cepat, maka fenomena tersebut tidak dapat dijelaskan hanya dengan gerakan biasa di dalam ruang yang statis. Penjelasan yang lebih masuk akal adalah bahwa ruang itu sendiri sedang mengembang, sehingga jarak antara galaksi-galaksi bertambah seiring waktu.
Dalam kerangka ini, galaksi tidak benar-benar “terbang” menjauh melalui ruang seperti peluru yang ditembakkan. Sebaliknya, struktur ruang-waktu itu sendiri yang mengalami peregangan. Akibatnya, semua galaksi pada skala kosmik tampak saling menjauh satu sama lain. Fenomena ini menjadi dasar bagi model kosmologi yang dikenal sebagai Expanding Universe.
Implikasi dari hukum Hubble sangat besar bagi pemahaman asal-usul kosmos. Jika alam semesta saat ini sedang mengembang, maka dengan menelusuri proses tersebut ke masa lalu, dapat disimpulkan bahwa pada suatu waktu di masa lampau seluruh materi dan energi di alam semesta berada dalam keadaan yang jauh lebih rapat dan lebih panas. Pemikiran ini kemudian berkembang menjadi model kosmologi modern yang dikenal sebagai Big Bang, yang menjelaskan bahwa alam semesta bermula dari keadaan awal yang sangat padat dan kemudian mengembang hingga mencapai kondisi yang kita amati sekarang.
3.4 Efek Doppler
hubungan fundamental antara gerak suatu sumber gelombang dan perubahan panjang gelombang yang kita amati. Prinsip ini sangat penting dalam astronomi modern karena memungkinkan para ilmuwan menentukan apakah suatu objek kosmik sedang bergerak mendekati atau menjauhi Bumi.
Fenomena yang dikenal sebagai Doppler Effect sebenarnya merupakan pengalaman sehari-hari. Contoh yang paling mudah dipahami adalah suara pesawat yang melintas di atas kepala. Ketika pesawat mendekat, suara mesin yang kita dengar memiliki nada yang lebih tinggi. Namun setelah pesawat melewati posisi kita dan mulai menjauh, nada suara tersebut terdengar lebih rendah. Perubahan nada ini tidak disebabkan oleh perubahan nyata pada mesin pesawat, melainkan oleh perubahan pada jarak antar gelombang suara yang mencapai telinga kita.
Gelombang suara merambat dalam bentuk puncak-puncak gelombang yang berurutan. Jarak antara dua puncak berturut-turut disebut panjang gelombang. Semakin pendek panjang gelombangnya, semakin banyak puncak gelombang yang melewati suatu titik setiap detik. Hal ini berarti frekuensi gelombang lebih tinggi, dan frekuensi yang lebih tinggi diterjemahkan oleh telinga manusia sebagai nada yang lebih tinggi.
Ketika pesawat bergerak mendekati pengamat, posisi pesawat pada saat memancarkan puncak gelombang berikutnya sudah lebih dekat daripada saat memancarkan puncak sebelumnya. Akibatnya, jarak antara puncak-puncak gelombang yang tiba di telinga pengamat menjadi lebih pendek. Gelombang-gelombang tersebut tampak terkompresi, sehingga frekuensi meningkat dan nada yang terdengar menjadi lebih tinggi.
Sebaliknya, ketika pesawat bergerak menjauh, setiap puncak gelombang baru dipancarkan dari posisi yang lebih jauh dibandingkan puncak sebelumnya. Hal ini menyebabkan jarak antar puncak gelombang yang tiba pada pengamat menjadi lebih besar. Gelombang tampak meregang, frekuensi yang diterima menurun, dan nada yang terdengar menjadi lebih rendah.
Prinsip yang sama berlaku tidak hanya pada gelombang suara, tetapi juga pada gelombang cahaya. Dalam astronomi, cahaya dari galaksi dianalisis menggunakan spektroskop untuk melihat garis-garis spektrum khas yang dihasilkan oleh unsur-unsur kimia tertentu. Jika suatu galaksi berada pada jarak tetap dari Bumi dan tidak bergerak relatif terhadap kita, garis-garis spektrum tersebut akan muncul pada posisi panjang gelombang yang normal atau standar.
Namun apabila galaksi tersebut bergerak menjauh dari Bumi, gelombang cahaya yang dipancarkannya akan mengalami peregangan. Panjang gelombangnya bertambah sehingga garis-garis spektrum bergeser menuju bagian merah dari spektrum. Fenomena ini dikenal sebagai redshift. Sebaliknya, apabila galaksi bergerak mendekati kita, gelombang cahaya menjadi terkompresi, panjang gelombangnya memendek, dan garis spektrum bergeser ke arah biru, yang disebut blueshift. Melalui pengukuran pergeseran ini, para astronom dapat menentukan kecepatan gerak galaksi relatif terhadap Bumi.
Pemanfaatan efek Doppler pada cahaya inilah yang akhirnya membawa para astronom pada salah satu penemuan terbesar dalam sejarah sains: ekspansi alam semesta. Ketika spektrum dari banyak galaksi dianalisis, hampir semuanya menunjukkan redshift, yang berarti galaksi-galaksi tersebut sedang menjauh dari kita. Penemuan ini kemudian dirumuskan secara sistematis oleh Edwin Hubble dalam hubungan yang dikenal sebagai Hubble's Law, yang menunjukkan bahwa semakin jauh suatu galaksi dari kita, semakin besar pula kecepatan ia menjauh.
Kesadaran bahwa alam semesta sedang mengembang merupakan salah satu revolusi intelektual terbesar pada abad ke-20. Sebelum penemuan ini, banyak ilmuwan menganggap alam semesta bersifat statis dan tidak berubah secara besar-besaran. Fakta bahwa galaksi-galaksi saling menjauh secara sistematis mengubah pandangan tersebut secara drastis dan memaksa para ilmuwan untuk memikirkan kembali asal-usul kosmos.
Jika galaksi-galaksi saat ini bergerak saling menjauh, maka pada masa lampau jarak di antara mereka pasti lebih kecil. Dengan menelusuri proses ekspansi ini ke masa lalu menggunakan laju ekspansi yang diukur sekarang, para ilmuwan memperkirakan bahwa seluruh galaksi pernah berada dalam keadaan yang jauh lebih rapat sekitar 10 hingga 15 miliar tahun yang lalu. Gagasan ini menjadi dasar bagi model kosmologi yang dikenal sebagai Big Bang.
Penjelasan teoretis yang lebih mendalam mengenai asal mula alam semesta kemudian muncul dari penerapan General Relativity yang dikembangkan oleh Albert Einstein. Dalam penelitian yang dilakukan oleh Hawking bersama Roger Penrose, ditunjukkan bahwa teori relativitas umum secara matematis menyiratkan bahwa alam semesta tidak hanya mengembang, tetapi juga memiliki permulaan. Menurut hasil analisis tersebut, ruang dan waktu sendiri muncul dari suatu keadaan awal yang sangat ekstrem, sering digambarkan sebagai ledakan kosmik yang sangat dahsyat.
Pemahaman ini juga memberikan jawaban terhadap pertanyaan klasik dalam kosmologi yang dikenal sebagai paradoks langit malam yang gelap. Jika alam semesta tidak memiliki awal dan dipenuhi oleh bintang secara tak terbatas, maka langit malam seharusnya terang di setiap arah. Namun kenyataannya langit malam tampak gelap. Penjelasan yang muncul dari model kosmologi modern adalah bahwa bintang-bintang tidak memiliki waktu tak terbatas untuk bersinar. Mereka hanya dapat memancarkan cahaya selama rentang waktu sejak awal alam semesta, yaitu sejak peristiwa Big Bang, yang diperkirakan terjadi sekitar 10 hingga 15 miliar tahun yang lalu.
Comments (0)