[Buku Bahasa Indonesia] The Universe In a Nutshell - Stephen Hawking
3.5 Big Bang Panas
model kosmologi modern tentang kondisi awal alam semesta serta perkembangan fisik yang terjadi segera setelah kelahirannya.
Menurut implikasi dari General Relativity yang dikembangkan oleh Albert Einstein, alam semesta pada awal keberadaannya berada dalam keadaan yang sangat ekstrem: temperatur dan kerapatan materinya secara teoritis tak hingga. Keadaan ini dikenal sebagai singularitas Big Bang, yaitu suatu titik di mana seluruh materi dan energi alam semesta terkonsentrasi dalam volume yang sangat kecil. Dari keadaan awal yang sangat padat dan panas ini, alam semesta kemudian mulai mengembang, dan seiring dengan ekspansi tersebut temperatur radiasi kosmik secara bertahap menurun.
Dalam waktu yang sangat singkat setelah kelahiran alam semesta, kondisi fisiknya masih sangat panas. Sekitar seperseratus detik setelah Big Bang, temperatur alam semesta diperkirakan mencapai sekitar seratus miliar derajat. Pada tahap ini alam semesta terutama terdiri dari partikel-partikel elementer yang sangat ringan, seperti foton, elektron, dan neutrino, beserta antipartikel masing-masing. Selain itu sudah terdapat sejumlah kecil proton dan neutron, yang nantinya menjadi bahan dasar bagi pembentukan inti atom.
Selama beberapa menit pertama setelah Big Bang, ekspansi kosmik menyebabkan temperatur alam semesta terus menurun. Dalam rentang waktu sekitar tiga menit, suhu kosmik turun hingga sekitar satu miliar derajat. Pada kondisi ini proton dan neutron mulai dapat bergabung melalui reaksi nuklir untuk membentuk inti atom ringan, terutama inti hidrogen dan helium, serta sejumlah kecil unsur ringan lainnya. Proses ini dikenal sebagai nukleosintesis Big Bang, yaitu tahap pembentukan unsur-unsur pertama dalam sejarah kosmos.
Namun pembentukan atom utuh belum dapat terjadi pada saat itu, karena temperatur alam semesta masih terlalu tinggi sehingga elektron tidak dapat bertahan terikat pada inti atom. Baru setelah ratusan ribu tahun kemudian, ketika temperatur alam semesta telah turun hingga hanya beberapa ribu derajat, elektron bergerak cukup lambat sehingga dapat ditangkap oleh inti-inti ringan tersebut. Pada tahap inilah terbentuk atom-atom pertama yang stabil.
Walaupun unsur ringan seperti hidrogen dan helium terbentuk pada masa awal alam semesta, unsur-unsur yang lebih berat—yang membentuk sebagian besar materi penyusun planet dan makhluk hidup—tidak muncul pada tahap ini. Unsur seperti karbon dan oksigen baru terbentuk jauh kemudian, melalui proses reaksi nuklir di pusat bintang-bintang yang sangat panas. Di dalam inti bintang, helium mengalami reaksi fusi yang menghasilkan unsur-unsur yang lebih berat. Dengan demikian, unsur-unsur kimia yang menyusun tubuh manusia sebenarnya merupakan hasil evolusi nuklir yang berlangsung di dalam bintang selama miliaran tahun setelah Big Bang.
Gambaran tentang alam semesta awal yang sangat padat dan sangat panas pertama kali diajukan secara sistematis pada tahun 1948 oleh fisikawan teoretis George Gamow. Dalam sebuah makalah yang ia tulis bersama Ralph Alpher, mereka mengemukakan prediksi yang sangat berani: jika alam semesta memang pernah berada dalam keadaan yang sangat panas, maka sisa radiasi dari tahap awal tersebut seharusnya masih dapat ditemukan hingga saat ini. Prediksi ini kemudian terbukti benar ketika pada tahun 1965 para fisikawan Arno Penzias dan Robert Wilson menemukan radiasi latar gelombang mikro kosmik, yang dikenal sebagai Cosmic Microwave Background Radiation. Penemuan ini memberikan bukti observasional yang sangat kuat bagi model Big Bang.
Pemahaman bahwa alam semesta memiliki awal menimbulkan pertanyaan filosofis dan ilmiah yang sangat mendalam tentang sebab pertama. Dalam kehidupan sehari-hari kita terbiasa melihat bahwa setiap peristiwa disebabkan oleh peristiwa sebelumnya, yang pada gilirannya juga memiliki sebab yang lebih awal. Dengan demikian terbentuk suatu rantai kausalitas yang memanjang ke masa lalu. Namun jika alam semesta memang memiliki permulaan, maka muncul pertanyaan: apakah yang menyebabkan peristiwa pertama tersebut?
Banyak ilmuwan pada awalnya enggan menghadapi pertanyaan ini. Sebagian berusaha menghindarinya dengan menyatakan bahwa alam semesta tidak memiliki permulaan, sementara yang lain berpendapat bahwa asal-usul alam semesta berada di luar wilayah ilmu pengetahuan dan lebih merupakan persoalan metafisika atau agama. Namun Hawking berpendapat bahwa sikap semacam itu tidak sesuai dengan semangat ilmiah. Jika hukum-hukum sains berhenti berlaku pada saat awal alam semesta, maka tidak ada jaminan bahwa hukum-hukum tersebut berlaku secara konsisten pada waktu lain. Bagi seorang ilmuwan, hukum alam harus berlaku secara universal; oleh karena itu asal-usul alam semesta pun harus dicoba dipahami melalui pendekatan ilmiah.
Dalam penelitian bersama Roger Penrose, Hawking membuktikan sejumlah teorema yang menunjukkan bahwa menurut relativitas umum, alam semesta memang harus memiliki suatu awal. Analisis matematis tersebut menyiratkan bahwa seluruh alam semesta pernah berada dalam keadaan yang sangat rapat sehingga semua materi dan energi terhimpun dalam satu titik dengan kerapatan tak hingga. Namun teorema tersebut tidak memberikan gambaran rinci mengenai sifat awal tersebut.
Kesulitan ini muncul karena pada kondisi ekstrem dekat singularitas Big Bang, teori relativitas umum tidak lagi dapat digunakan secara memadai. Teori tersebut tidak memasukkan prinsip dasar dari fisika kuantum yang dikenal sebagai Uncertainty Principle, yaitu gagasan bahwa pada skala sangat kecil terdapat unsur ketidakpastian dan keacakan dalam perilaku alam. Ironisnya, unsur keacakan inilah yang sebelumnya ditolak oleh Einstein dengan pernyataannya yang terkenal bahwa Tuhan tidak bermain dadu. Namun menurut Hawking, seluruh bukti fisika modern justru menunjukkan bahwa alam memang memiliki unsur probabilistik.
Untuk menjelaskan gagasan ini, Hawking menggunakan analogi sebuah kasino raksasa. Alam semesta dapat dibayangkan sebagai tempat di mana dadu terus dilempar dan roda terus diputar. Setiap peristiwa individual mungkin tidak dapat diprediksi secara pasti, tetapi ketika jumlah kejadian sangat besar, hasil keseluruhannya dapat dihitung secara statistik. Demikian pula hukum-hukum fisika klasik bekerja dengan sangat baik pada sistem yang besar karena terdapat sangat banyak proses acak yang saling menyeimbangkan sehingga menghasilkan pola yang dapat diprediksi.
Namun keadaan ini berbeda pada tahap awal alam semesta. Ketika alam semesta masih sangat kecil dan sangat muda, jumlah “lemparan dadu” kosmik masih sangat sedikit. Dalam kondisi tersebut, efek dari prinsip ketidakpastian menjadi sangat dominan, sehingga perilaku alam semesta tidak dapat dijelaskan sepenuhnya oleh hukum klasik.
Dari sudut pandang mekanika kuantum, alam semesta tidak harus memiliki hanya satu sejarah tunggal. Sebaliknya, alam semesta dapat memiliki banyak kemungkinan sejarah, masing-masing dengan probabilitas tertentu. Gagasan ini berakar pada formulasi mekanika kuantum yang dikembangkan oleh Richard Feynman, yang menunjukkan bahwa suatu sistem kuantum dapat dipahami sebagai hasil kontribusi dari berbagai kemungkinan jalur sejarah yang berbeda. Konsep ini kemudian diterapkan Hawking dalam kosmologi untuk menggambarkan bahwa alam semesta tidak memiliki satu jalur evolusi yang pasti, melainkan suatu himpunan kemungkinan sejarah kosmik yang semuanya memiliki peluang terjadinya masing-masing.
3.6 Kisah Feynman
gagasan penting dari salah satu fisikawan paling berpengaruh abad ke-20, yaitu Richard Feynman, serta menunjukkan bagaimana ide-idenya berperan dalam upaya memahami sejarah dan struktur alam semesta.
Richard Feynman lahir di Brooklyn, New York, pada tahun 1918. Ia dikenal tidak hanya sebagai fisikawan yang luar biasa brilian, tetapi juga sebagai pribadi yang penuh energi, rasa ingin tahu, dan selera humor yang khas. Ia menyelesaikan program doktoralnya pada tahun 1942 di Princeton University di bawah bimbingan John Archibald Wheeler. Tidak lama setelah menyelesaikan studinya, Feynman terlibat dalam proyek ilmiah terbesar pada masa Perang Dunia Kedua, yaitu Manhattan Project.
Dalam proyek tersebut ia bekerja di laboratorium penelitian di Los Alamos, yang menjadi pusat pengembangan teori dan teknologi bom atom pertama. Feynman berkontribusi penting dalam pengembangan teori yang berkaitan dengan senjata nuklir. Di lingkungan laboratorium itu pula kepribadiannya yang eksentrik sering terlihat; ia terkenal gemar melakukan lelucon praktis, salah satunya dengan membuka brankas rahasia yang digunakan untuk menyimpan dokumen-dokumen sangat rahasia. Namun di balik sisi humor tersebut, Feynman memiliki rasa ingin tahu yang luar biasa terhadap berbagai hal. Dorongan intelektual inilah yang menjadi salah satu sumber utama keberhasilannya dalam sains, dan bahkan membawanya pada berbagai aktivitas tak biasa, termasuk mempelajari serta membantu menguraikan sistem tulisan kuno seperti hieroglif Maya.
Setelah Perang Dunia Kedua berakhir, Feynman mengembangkan pendekatan baru yang sangat kuat dalam memahami mekanika kuantum. Kontribusi ini kemudian membuatnya dianugerahi Hadiah Nobel Fisika pada tahun 1965. Ide yang ia kembangkan menantang asumsi klasik yang telah lama digunakan dalam fisika. Dalam mekanika klasik, suatu partikel dianggap selalu mengikuti satu jalur tertentu ketika bergerak dari satu titik ke titik lain. Feynman mengusulkan pandangan yang jauh lebih radikal: menurutnya, pada tingkat kuantum suatu partikel sebenarnya menempuh semua kemungkinan jalur yang dapat menghubungkan dua titik dalam ruang-waktu.
Dalam formulasi matematis yang dikenal sebagai path integral, setiap jalur yang mungkin ditempuh oleh partikel diberi dua besaran. Besaran pertama adalah amplitudo, yang menggambarkan besar kontribusi gelombang yang berkaitan dengan jalur tersebut. Besaran kedua adalah fase, yang menunjukkan posisi gelombang—apakah berada pada puncak atau lembah. Untuk menentukan probabilitas bahwa suatu partikel bergerak dari titik A ke titik B, semua gelombang yang terkait dengan setiap jalur yang mungkin harus dijumlahkan. Interferensi antara gelombang-gelombang tersebut menentukan kemungkinan akhir dari pergerakan partikel itu.
Walaupun gagasan ini tampak sangat asing bagi intuisi sehari-hari, kenyataannya ia tetap konsisten dengan pengalaman kita terhadap benda-benda makroskopik. Dalam dunia sehari-hari kita melihat objek bergerak mengikuti satu lintasan yang jelas dari titik asal menuju tujuan. Hal ini terjadi karena, untuk objek besar, kontribusi dari hampir semua jalur yang mungkin saling meniadakan melalui interferensi. Dari tak terhingga banyak jalur yang secara teoritis mungkin, hanya satu jalur yang kontribusinya bertahan setelah semua penjumlahan dilakukan. Jalur inilah yang sesuai dengan lintasan yang diprediksi oleh hukum gerak klasik yang dirumuskan oleh Isaac Newton.
Hawking kemudian menjelaskan bahwa para fisikawan berusaha menggabungkan dua pilar besar fisika modern: relativitas umum dari Albert Einstein dan gagasan banyak sejarah dari Feynman. Tujuannya adalah membangun suatu teori terpadu yang mampu menggambarkan seluruh fenomena di alam semesta. Teori semacam itu akan memungkinkan para ilmuwan menghitung bagaimana alam semesta berkembang sepanjang waktu jika kondisi awalnya diketahui.
Namun bahkan teori terpadu semacam itu tidak secara otomatis menjelaskan bagaimana alam semesta bermula. Untuk menjawab pertanyaan tersebut, diperlukan apa yang disebut kondisi batas. Kondisi batas adalah aturan yang menentukan apa yang terjadi pada batas atau tepi ruang dan waktu. Jika alam semesta memiliki batas yang mirip dengan titik biasa dalam ruang-waktu, maka secara konseptual kita dapat melampaui batas tersebut dan memasukkan wilayah di luar batas itu sebagai bagian dari alam semesta yang lebih luas. Sebaliknya, jika batas alam semesta merupakan tepi yang tajam di mana ruang dan waktu runtuh menjadi keadaan dengan kerapatan tak hingga, akan sangat sulit mendefinisikan kondisi batas yang masuk akal.
Hawking kemudian menyebut gagasan yang ia kembangkan bersama rekannya, James Hartle. Mereka menyadari bahwa mungkin terdapat kemungkinan ketiga: alam semesta tidak memiliki batas sama sekali, baik dalam ruang maupun waktu. Pada pandangan pertama gagasan ini tampak bertentangan dengan teorema yang sebelumnya dikembangkan Hawking bersama Roger Penrose, yang menunjukkan bahwa alam semesta harus memiliki awal.
Namun persoalan ini dapat dipahami melalui konsep waktu imajiner. Dalam fisika matematis, selain waktu nyata yang kita alami sehari-hari, terdapat konsep waktu lain yang secara matematis tegak lurus terhadap waktu nyata. Dalam kerangka ini sejarah alam semesta dalam waktu nyata berkaitan erat dengan sejarahnya dalam waktu imajiner, tetapi kedua gambaran tersebut dapat memiliki sifat yang sangat berbeda. Dalam waktu imajiner, alam semesta tidak harus memiliki awal maupun akhir.
Jika sejarah alam semesta dalam waktu imajiner digambarkan secara geometris, bentuknya dapat menyerupai permukaan melengkung, seperti bola, bidang datar, atau pelana—namun dalam empat dimensi, bukan dua dimensi seperti permukaan yang kita kenal. Jika permukaan tersebut memanjang tanpa batas seperti bidang atau pelana, maka masih diperlukan kondisi batas pada titik tak hingga. Tetapi jika permukaan itu tertutup seperti permukaan Bumi, maka tidak ada batas yang perlu ditentukan.
Permukaan Bumi memberikan analogi yang sederhana. Permukaan tersebut tidak memiliki tepi atau batas; seseorang dapat berjalan ke segala arah tanpa pernah mencapai ujung dunia. Dengan cara yang sama, jika sejarah alam semesta dalam waktu imajiner merupakan permukaan tertutup, maka alam semesta tidak memiliki batas ruang maupun waktu.
Konsekuensi filosofis dari gagasan ini sangat mendalam. Alam semesta akan sepenuhnya mandiri dan tertutup, tidak memerlukan sesuatu di luar dirinya untuk memulai atau menjalankan proses kosmik. Semua yang terjadi di dalamnya akan ditentukan oleh hukum-hukum fisika serta proses probabilistik yang berlangsung di dalam alam semesta itu sendiri.
Namun bahkan jika alam semesta tidak memiliki batas, hal itu tidak berarti ia memiliki satu sejarah tunggal. Sejalan dengan gagasan Feynman, alam semesta dapat memiliki banyak kemungkinan sejarah, masing-masing berkaitan dengan bentuk permukaan tertutup yang berbeda dalam waktu imajiner. Setiap sejarah dalam waktu imajiner akan menghasilkan sejarah yang bersesuaian dalam waktu nyata. Dengan demikian terdapat sangat banyak kemungkinan alam semesta yang secara teoritis dapat muncul.
Pertanyaan yang kemudian muncul adalah mengapa kita hidup dalam alam semesta tertentu dari sekian banyak kemungkinan yang ada. Salah satu pengamatan penting adalah bahwa sebagian besar kemungkinan sejarah alam semesta mungkin tidak menghasilkan struktur kosmik yang kompleks seperti galaksi dan bintang. Padahal struktur tersebut sangat penting bagi terbentuknya planet serta kehidupan.
Fakta bahwa kita ada sebagai makhluk yang mampu mengajukan pertanyaan tentang alam semesta menunjukkan bahwa sejarah kosmik yang kita alami termasuk dalam kelompok kecil kemungkinan sejarah yang memungkinkan terbentuknya galaksi, bintang, dan lingkungan yang mendukung kehidupan. Cara berpikir ini dikenal dalam kosmologi sebagai Anthropic Principle, yaitu gagasan bahwa kondisi alam semesta yang kita amati dibatasi oleh kenyataan bahwa kita sendiri ada di dalamnya sebagai pengamat.
3.7 Prinsip Antropik
salah satu gagasan filosofis sekaligus ilmiah yang muncul dari upaya memahami mengapa alam semesta memiliki sifat-sifat yang kita amati.
Secara umum, Anthropic Principle menyatakan bahwa kita mengamati alam semesta dalam bentuknya yang sekarang, setidaknya sebagian, karena kita sendiri ada di dalamnya sebagai pengamat. Dengan kata lain, kondisi alam semesta yang memungkinkan munculnya makhluk hidup secara otomatis menjadi syarat bagi keberadaan pengamat yang dapat menanyakan mengapa alam semesta memiliki sifat-sifat tertentu. Pandangan ini berbeda secara mendasar dengan cita-cita tradisional dalam fisika yang menginginkan suatu teori terpadu yang sepenuhnya deterministik—sebuah teori di mana hukum-hukum alam sepenuhnya menentukan keadaan alam semesta, sehingga dunia harus persis seperti yang kita lihat karena tidak mungkin ada keadaan lain.
Dalam perkembangannya, prinsip antropik memiliki beberapa versi yang berbeda. Sebagian versi sangat lemah sehingga hampir bersifat tautologis atau sepele, sementara versi lainnya sangat kuat sehingga tampak berlebihan. Banyak ilmuwan merasa tidak nyaman dengan bentuk yang terlalu kuat karena seolah-olah memberi kesan bahwa alam semesta “dirancang” untuk kehidupan. Namun sebagian besar ilmuwan masih menerima kegunaan bentuk yang lebih lemah dari prinsip ini.
Versi yang paling sering digunakan adalah apa yang disebut prinsip antropik lemah. Dalam bentuk ini, prinsip tersebut tidak mencoba menjelaskan seluruh sifat alam semesta, melainkan hanya menjelaskan mengapa kita berada pada periode kosmik tertentu atau pada wilayah tertentu dari alam semesta. Sebagai contoh, umur alam semesta sekitar sepuluh miliar tahun atau lebih tidaklah kebetulan semata. Alam semesta harus cukup tua sehingga generasi pertama bintang telah menyelesaikan evolusinya dan menghasilkan unsur-unsur kimia berat seperti karbon dan oksigen, unsur yang menjadi bahan dasar kehidupan. Pada saat yang sama alam semesta tidak boleh terlalu tua sehingga semua bintang telah mati dan tidak lagi memancarkan energi yang diperlukan untuk mempertahankan kehidupan.
Dalam kerangka kosmologi yang menggunakan gagasan tanpa batas yang dikembangkan oleh Hawking bersama James Hartle, prinsip antropik dapat diterapkan dengan memanfaatkan metode yang diperkenalkan oleh Richard Feynman mengenai banyak sejarah alam semesta. Dengan pendekatan tersebut, setiap kemungkinan sejarah kosmik diberi bobot probabilitas tertentu. Prinsip antropik kemudian diterapkan dengan membatasi perhatian hanya pada sejarah-sejarah alam semesta yang mengandung kehidupan cerdas.
Para ilmuwan akan merasa lebih puas terhadap prinsip antropik apabila dapat ditunjukkan bahwa berbagai kondisi awal yang berbeda tetap memiliki peluang untuk berkembang menjadi alam semesta seperti yang kita amati. Jika hal ini benar, maka keadaan awal wilayah alam semesta yang kita tempati tidak perlu dipilih secara sangat khusus atau sangat halus agar kehidupan dapat muncul.
Pada intinya prinsip antropik menyatakan bahwa alam semesta harus memiliki sifat yang kurang lebih seperti yang kita lihat, karena jika sifat-sifat tersebut sangat berbeda, maka tidak akan ada pengamat yang dapat menyaksikannya. Banyak ilmuwan merasa tidak menyukai prinsip ini karena tampak samar dan tidak memberikan kemampuan prediktif yang kuat seperti hukum fisika lainnya. Namun dalam kosmologi modern prinsip ini dapat diformulasikan secara lebih presisi, dan sering kali menjadi alat konseptual penting ketika membahas asal-usul alam semesta.
Dalam teori kosmologi modern seperti M-theory, terdapat kemungkinan sangat besar mengenai berbagai sejarah alam semesta yang berbeda. Sebagian besar dari sejarah tersebut tidak cocok untuk perkembangan kehidupan cerdas. Beberapa di antaranya mungkin kosong tanpa materi, ada yang berlangsung terlalu singkat, ada pula yang memiliki kelengkungan ruang-waktu yang terlalu ekstrem, atau kondisi lain yang tidak memungkinkan terbentuknya struktur kompleks seperti galaksi dan bintang.
Baca Juga: Lighten PDF Converter OCR 6.1.1 Full Version
Namun menurut gagasan banyak sejarah yang dikemukakan oleh Feynman, sejarah-sejarah yang tidak mengandung kehidupan tetap dapat memiliki probabilitas yang cukup besar. Hal ini sebenarnya tidak menjadi masalah, karena yang relevan bagi kita hanyalah himpunan kecil sejarah alam semesta yang memungkinkan munculnya kehidupan cerdas.
Kehidupan cerdas yang dimaksud tidak harus berupa manusia. Bentuk kehidupan lain—bahkan makhluk hipotetis seperti “alien kecil berwarna hijau”—secara teoritis juga dapat memenuhi syarat tersebut. Hawking bahkan menyindir bahwa catatan perilaku manusia tidak selalu menunjukkan tingkat kecerdasan yang sangat mengesankan.
Salah satu contoh menarik tentang bagaimana prinsip antropik bekerja berkaitan dengan jumlah dimensi ruang. Dalam pengalaman sehari-hari kita hidup dalam ruang tiga dimensi. Posisi suatu titik di ruang dapat ditentukan oleh tiga bilangan, misalnya lintang, bujur, dan ketinggian. Namun secara teoritis ruang tidak harus memiliki tiga dimensi; dalam teori modern seperti M-theory jumlah dimensi ruang bahkan dapat mencapai sembilan atau sepuluh.
Menurut teori tersebut, sebagian besar dimensi ruang kemungkinan tergulung sangat kecil, sehingga tidak dapat kita rasakan. Hanya tiga dimensi yang tetap besar dan hampir datar. Prinsip antropik memberikan penjelasan mengapa kita tidak hidup di alam semesta dengan jumlah dimensi besar yang berbeda.
Jika ruang hanya memiliki dua dimensi luas, kehidupan kompleks hampir tidak mungkin berkembang. Makhluk dua dimensi, misalnya, akan mengalami kesulitan mendasar bahkan dalam fungsi biologis sederhana seperti pencernaan. Jika tubuhnya memiliki saluran pencernaan yang menembus dari satu sisi ke sisi lain, saluran tersebut secara geometris akan membelah tubuh makhluk itu menjadi dua bagian.
Sebaliknya, jika terdapat empat atau lebih dimensi ruang besar, hukum gravitasi akan berubah secara drastis. Dalam ruang dengan lebih dari tiga dimensi, gaya gravitasi antara dua benda meningkat jauh lebih cepat ketika jaraknya mengecil. Akibatnya orbit planet di sekitar bintang tidak akan stabil. Planet akan cenderung jatuh ke bintang induknya atau terlempar menjauh ke ruang antarbintang. Selain itu orbit elektron di sekitar inti atom juga tidak akan stabil, sehingga struktur atom seperti yang kita kenal tidak dapat terbentuk. Tanpa atom stabil, materi kompleks dan kehidupan tidak mungkin ada.
Dengan demikian, meskipun teori fisika memungkinkan banyak jumlah dimensi ruang yang berbeda, hanya alam semesta dengan tiga dimensi ruang besar yang dapat mendukung keberadaan makhluk cerdas. Oleh karena itu pertanyaan “mengapa ruang memiliki tiga dimensi” hanya dapat diajukan dalam sejarah alam semesta yang memang memiliki tiga dimensi besar tersebut.
Dalam kerangka waktu imajiner yang digunakan Hawking, sejarah paling sederhana dari alam semesta dapat digambarkan sebagai permukaan tertutup yang halus, menyerupai permukaan bola tetapi dalam empat dimensi. Dari gambaran ini muncul sejarah alam semesta dalam waktu nyata yang kita alami, di mana alam semesta tampak hampir sama di setiap titik ruang dan mengalami ekspansi seiring waktu.
Model semacam ini memiliki kesamaan dengan alam semesta yang kita amati, tetapi dengan satu perbedaan penting: laju ekspansinya dapat sangat cepat dan bahkan semakin meningkat. Ekspansi yang semakin cepat ini dikenal dalam kosmologi sebagai Cosmic Inflation, suatu fase ekspansi sangat cepat yang diyakini terjadi pada tahap awal sejarah alam semesta.
3.8 Inflasi mungkin merupakan hukum alam
Inflasi kosmik sebagai analogi inflasi ekonomi
Hawking memulai dengan analogi dari hiperinflasi ekonomi di Jerman setelah Perang Dunia I. Dalam periode tersebut nilai uang jatuh sangat cepat sehingga harga barang naik secara ekstrem. Percetakan uang bahkan tidak mampu mengejar kecepatan penurunan nilai mata uang.
Analogi ini digunakan untuk menjelaskan konsep Cosmic Inflation, yaitu fase di awal sejarah alam semesta ketika ruang mengembang dengan sangat cepat dalam waktu yang sangat singkat. Berbeda dengan inflasi ekonomi yang merugikan, inflasi kosmik justru memiliki peran penting bagi pembentukan struktur alam semesta.
Ekspansi yang sangat besar ini meratakan ketidakteraturan yang mungkin ada pada alam semesta awal. Jika pada awalnya terdapat ketidaksimetrian, gumpalan materi, atau kelengkungan ruang yang tidak merata, ekspansi inflasi akan memperhalusnya sehingga alam semesta menjadi hampir homogen dan isotropik pada skala besar.
Keseimbangan energi alam semesta
Dalam kosmologi modern, total energi alam semesta dapat dianggap nol. Hal ini karena energi positif dari materi diimbangi oleh energi negatif dari gravitasi.
Ketika alam semesta mengembang, energi untuk menciptakan materi baru secara efektif “dipinjam” dari medan gravitasi. Energi materi bersifat positif, sedangkan energi gravitasi bersifat negatif. Kedua jenis energi ini saling menyeimbangkan sehingga total energi tetap nol.
Akibatnya, ketika ukuran alam semesta menjadi dua kali lebih besar, energi materi dan energi gravitasi juga menjadi dua kali lebih besar, tetapi keseimbangan tetap terjaga. Dua kali nol tetap nol. Hawking menyindir bahwa sistem kosmik ini jauh lebih sederhana dibandingkan sistem perbankan manusia.
Sejarah alam semesta dalam waktu imajiner
Dalam pendekatan kosmologi kuantum yang digunakan Hawking, sejarah alam semesta dapat digambarkan dalam waktu imajiner sebagai bentuk geometris menyerupai bola empat dimensi.
Jika bentuk ini benar-benar sempurna seperti bola yang halus, maka alam semesta dalam waktu nyata akan terus mengalami inflasi tanpa henti. Dalam kondisi seperti itu materi tidak pernah cukup berkumpul untuk membentuk galaksi, bintang, atau planet. Tanpa struktur kosmik tersebut, kehidupan tidak mungkin muncul.
Karena itu sejarah alam semesta yang terlalu sempurna secara geometris tidak relevan bagi keberadaan kehidupan.
Sebaliknya, sejarah yang sedikit terdeformasi atau agak “pipih” pada salah satu titik akan menghasilkan alam semesta yang awalnya mengalami inflasi sangat cepat, tetapi kemudian laju ekspansinya melambat. Perlambatan ini memungkinkan materi berkumpul melalui gravitasi dan membentuk galaksi serta bintang.
Agar kehidupan cerdas dapat berkembang, deformasi ini harus sangat kecil. Hal ini berarti alam semesta tetap mengalami inflasi yang sangat besar sebelum akhirnya melambat.
Jumlah ekspansi yang terjadi jauh melampaui skala apa pun yang kita kenal. Jika hiperinflasi ekonomi di Jerman menyebabkan harga naik miliaran kali, maka inflasi kosmik diperkirakan memperbesar ukuran alam semesta setidaknya sejuta milyar milyar kali atau lebih.
Banyak sejarah alam semesta
Karena adanya Uncertainty Principle dari mekanika kuantum, tidak hanya ada satu sejarah alam semesta. Sebaliknya terdapat keluarga besar kemungkinan sejarah yang sedikit berbeda satu sama lain.
Dalam waktu imajiner, sejarah-sejarah ini dapat dibayangkan sebagai berbagai bola yang sedikit terdistorsi. Masing-masing menghasilkan alam semesta nyata yang mengalami inflasi dalam jangka panjang tetapi tidak berlangsung selamanya.
Pertanyaan ilmiah kemudian menjadi: sejarah mana yang paling mungkin terjadi.
Baca Juga: [Buku Bahasa Indonesia] Cosmos - Carl Sagan
Perhitungan menunjukkan bahwa sejarah yang paling mungkin bukanlah yang sepenuhnya halus. Sebaliknya terdapat fluktuasi kecil atau riak pada struktur awal alam semesta.
Besarnya ketidakteraturan ini sangat kecil, sekitar 1 bagian dari 100.000. Namun fluktuasi kecil tersebut sangat penting karena menjadi benih pembentukan struktur kosmik.
Bukti pengamatan dari radiasi latar kosmik
Fluktuasi kecil ini benar-benar berhasil diamati melalui pengamatan Cosmic Microwave Background, yaitu radiasi sisa dari alam semesta muda.
Pada tahun 1989 diluncurkan satelit COBE yang memetakan suhu radiasi gelombang mikro dari seluruh langit. Perbedaan suhu yang terdeteksi sangat kecil, hanya sekitar sepersepuluh ribu derajat.
Walaupun sangat kecil, variasi ini cukup untuk menyebabkan wilayah yang sedikit lebih padat memiliki gaya gravitasi lebih kuat. Daerah-daerah tersebut akhirnya berhenti mengembang dan mulai runtuh secara gravitasi, membentuk galaksi dan bintang.
Dengan demikian peta radiasi yang dihasilkan COBE dapat dianggap sebagai cetak biru struktur alam semesta.
Kemungkinan masa depan alam semesta
Perilaku masa depan alam semesta bergantung pada jumlah materi yang dikandungnya.
Jika kerapatan materi lebih besar dari nilai kritis tertentu, gaya gravitasi antar galaksi akan cukup kuat untuk memperlambat ekspansi hingga akhirnya berhenti. Setelah itu alam semesta akan mulai runtuh kembali menuju keadaan yang sangat padat dalam peristiwa yang dikenal sebagai Big Crunch.
Jika kerapatan materi lebih kecil dari nilai kritis tersebut, gravitasi tidak cukup kuat untuk menghentikan ekspansi. Galaksi akan terus menjauh satu sama lain, bintang-bintang akan habis bahan bakarnya, dan alam semesta akan menjadi semakin dingin dan kosong.
Dalam kedua skenario ini alam semesta masih akan bertahan beberapa miliar tahun lagi sebelum mencapai akhir evolusinya.
Energi vakum dan percepatan ekspansi
Selain materi biasa, alam semesta mungkin mengandung energi vakum, yaitu energi yang tetap ada bahkan dalam ruang yang tampaknya kosong.
Menurut persamaan terkenal dari Albert Einstein,
Mass–Energy Equivalence, energi memiliki massa. Karena itu energi vakum juga memiliki efek gravitasi.
Namun efek gravitasi energi vakum berbeda dari materi. Materi cenderung memperlambat ekspansi alam semesta, sedangkan energi vakum justru mempercepat ekspansi.
Konsep ini berkaitan dengan Cosmological Constant yang pernah ditambahkan Einstein ke dalam persamaan relativitas umum. Einstein awalnya menganggapnya sebagai kesalahan setelah ditemukannya ekspansi alam semesta, tetapi dalam kosmologi modern konstanta kosmologis kembali menjadi konsep penting.
Peran fluktuasi kuantum ruang-waktu
Menurut teori kuantum, ruang-waktu tidak pernah benar-benar kosong. Ia dipenuhi oleh fluktuasi kuantum. Dalam teori supersimetri yang ideal, energi positif dan negatif dari fluktuasi tersebut dapat saling meniadakan secara sempurna.
Namun karena alam semesta tidak berada dalam keadaan supersimetri sempurna, kemungkinan masih tersisa sedikit energi vakum.
Fakta bahwa energi vakum sangat kecil merupakan misteri besar dalam fisika. Hawking mengusulkan bahwa ini mungkin dapat dijelaskan kembali melalui Anthropic Principle.
Jika energi vakum jauh lebih besar dari yang kita amati, galaksi tidak akan pernah terbentuk. Tanpa galaksi dan bintang tidak akan ada kehidupan yang dapat mempertanyakan nilai energi vakum tersebut.
Inflasi sebagai hukum alam
Pengamatan terhadap supernova jauh dan radiasi latar kosmik menunjukkan bahwa parameter kosmologis seperti kerapatan materi dan energi vakum berada pada wilayah yang memungkinkan kehidupan berkembang.
Hasil observasi tersebut juga menunjukkan bahwa ekspansi alam semesta telah mulai mempercepat kembali setelah periode panjang perlambatan. Hal ini menunjukkan bahwa mekanisme inflasi bukan sekadar peristiwa awal kosmos, melainkan kemungkinan merupakan sifat fundamental alam semesta.
Dengan kata lain, inflasi mungkin merupakan hukum alam.
Makna filosofis kesimpulan Hawking
Hawking menutup pembahasan dengan metafora dari Hamlet: manusia mungkin “terbatas dalam sebuah kulit kacang”, namun tetap dapat memahami ruang tak terbatas.
Dalam kosmologi Hawking, sejarah seluruh alam semesta dapat direpresentasikan oleh struktur geometris kecil dalam waktu imajiner—sebuah bentuk sederhana yang menyimpan seluruh evolusi kosmos dalam waktu nyata.
Comments (0)