[Buku Bahasa Indonesia stephen hawking] Grand Design
Dalam Bab 4 kita melihat bagaimana partikel-partikel materi yang ditembakkan ke sebuah layar dengan dua celah dapat menampilkan pola interferensi sebagaimana gelombang air. Feynman menunjukkan bahwa hal ini terjadi karena sebuah partikel tidak memiliki satu sejarah yang unik. Artinya, ketika ia bergerak dari titik awal A ke suatu titik akhir B, ia tidak menempuh satu lintasan pasti, melainkan secara bersamaan menempuh setiap lintasan yang mungkin yang menghubungkan kedua titik tersebut.
Dari sudut pandang ini, interferensi bukanlah sesuatu yang mengejutkan karena, misalnya, partikel dapat melewati kedua celah pada saat yang sama dan berinterferensi dengan dirinya sendiri. Diterapkan pada gerak partikel, metode Feynman memberi tahu kita bahwa untuk menghitung probabilitas suatu titik akhir tertentu, kita perlu mempertimbangkan semua sejarah yang mungkin diikuti partikel dari titik awalnya ke titik akhir tersebut.
Metode Feynman juga dapat digunakan untuk menghitung probabilitas kuantum bagi pengamatan atas alam semesta. Jika diterapkan pada alam semesta secara keseluruhan, tidak ada titik A, sehingga kita menjumlahkan semua sejarah yang memenuhi kondisi tanpa-batas dan berakhir pada alam semesta yang kita amati hari ini.
Dalam pandangan ini, alam semesta muncul secara spontan, bermula dalam setiap cara yang mungkin. Sebagian besar dari cara-cara tersebut bersesuaian dengan alam semesta lain. Meskipun beberapa di antaranya mirip dengan alam semesta kita, sebagian besar sangat berbeda. Mereka tidak hanya berbeda dalam rincian, seperti apakah Elvis benar-benar meninggal muda atau apakah lobak adalah makanan penutup, melainkan berbeda bahkan dalam hukum-hukum alam yang tampak berlaku.
Sesungguhnya, banyak alam semesta ada dengan berbagai himpunan hukum fisika yang berbeda. Sebagian orang menjadikan gagasan ini sebagai misteri besar, yang kadang disebut konsep multisemesta, tetapi semua itu hanyalah ungkapan berbeda dari penjumlahan sejarah Feynman.
Untuk membayangkannya, marilah kita mengubah analogi balon Eddington dan memikirkan alam semesta yang mengembang sebagai permukaan sebuah gelembung. Gambaran kita tentang penciptaan kuantum spontan alam semesta kemudian agak menyerupai terbentuknya gelembung-gelembung uap dalam air yang mendidih. Banyak gelembung kecil muncul, lalu menghilang kembali.
Gelembung-gelembung itu mewakili mini-alam semesta yang mengembang tetapi kemudian runtuh kembali ketika masih berukuran mikroskopis. Mereka merepresentasikan alam semesta alternatif yang mungkin, namun tidak terlalu menarik karena tidak bertahan cukup lama untuk mengembangkan galaksi dan bintang, apalagi kehidupan cerdas.
Namun, beberapa gelembung kecil akan tumbuh cukup besar sehingga aman dari keruntuhan kembali. Mereka akan terus mengembang dengan laju yang semakin meningkat dan membentuk gelembung-gelembung uap yang dapat kita lihat. Gelembung-gelembung ini bersesuaian dengan alam semesta yang sejak awal mengembang dengan laju yang terus meningkat—dengan kata lain, alam semesta dalam keadaan inflasi.
Seperti telah kita katakan, pengembangan yang disebabkan oleh inflasi tidak akan sepenuhnya seragam. Dalam penjumlahan atas sejarah, hanya ada satu sejarah yang sepenuhnya seragam dan teratur, dan sejarah itu akan memiliki probabilitas terbesar, tetapi banyak sejarah lain yang sangat sedikit tidak teratur akan memiliki probabilitas yang hampir sama besarnya. Itulah sebabnya inflasi memprediksi bahwa alam semesta awal kemungkinan besar sedikit tidak seragam, sesuai dengan variasi kecil dalam suhu yang diamati pada CMBR.
Ketidakteraturan di alam semesta awal merupakan keberuntungan bagi kita. Mengapa? Homogenitas baik jika Anda tidak ingin krim terpisah dari susu Anda, tetapi alam semesta yang sepenuhnya seragam adalah alam semesta yang membosankan. Ketidakteraturan di alam semesta awal penting karena jika beberapa wilayah memiliki kerapatan sedikit lebih tinggi daripada yang lain, tarikan gravitasi dari kerapatan tambahan itu akan memperlambat pengembangan wilayah tersebut dibandingkan dengan sekitarnya.
Seiring gaya gravitasi perlahan-lahan menarik materi untuk berkumpul, pada akhirnya ia dapat menyebabkan keruntuhan yang membentuk galaksi dan bintang, yang kemudian dapat menghasilkan planet dan, setidaknya dalam satu kejadian, manusia. Maka perhatikanlah dengan saksama peta langit gelombang mikro itu. Itulah cetak biru bagi seluruh struktur di alam semesta. Kita adalah hasil dari fluktuasi kuantum pada alam semesta yang sangat awal. Jika seseorang religius, ia dapat mengatakan bahwa Tuhan benar-benar bermain dadu.
Gagasan ini mengarah pada pandangan tentang alam semesta yang sangat berbeda dari konsep tradisional, dan menuntut kita menyesuaikan cara kita memikirkan sejarah alam semesta. Untuk membuat prediksi dalam kosmologi, kita perlu menghitung probabilitas berbagai keadaan seluruh alam semesta pada saat ini.
Dalam fisika, biasanya seseorang mengasumsikan suatu keadaan awal bagi sebuah sistem, lalu mengembangkannya ke depan dalam waktu dengan menggunakan persamaan matematis yang relevan. Dengan mengetahui keadaan suatu sistem pada satu waktu, seseorang berusaha menghitung probabilitas bahwa sistem tersebut akan berada dalam keadaan berbeda pada waktu yang lebih kemudian. Asumsi lazim dalam kosmologi adalah bahwa alam semesta memiliki satu sejarah pasti. Hukum-hukum fisika digunakan untuk menghitung bagaimana sejarah itu berkembang seiring waktu. Pendekatan ini kita sebut sebagai pendekatan “bottom-up” dalam kosmologi.
Namun, karena kita harus memperhitungkan sifat kuantum alam semesta sebagaimana dinyatakan dalam penjumlahan sejarah Feynman, amplitudo probabilitas bahwa alam semesta kini berada dalam suatu keadaan tertentu diperoleh dengan menjumlahkan kontribusi dari semua sejarah yang memenuhi kondisi tanpa-batas dan berakhir pada keadaan yang dimaksud. Dengan kata lain, dalam kosmologi seseorang tidak seharusnya mengikuti sejarah alam semesta dari bawah ke atas, karena itu mengasumsikan adanya satu sejarah tunggal dengan titik awal dan perkembangan yang terdefinisi dengan baik.
Sebaliknya, seseorang seharusnya menelusuri sejarah dari atas ke bawah, mundur dari waktu sekarang. Beberapa sejarah akan lebih mungkin daripada yang lain, dan penjumlahan itu biasanya akan didominasi oleh satu sejarah yang bermula dari penciptaan alam semesta dan berpuncak pada keadaan yang sedang dipertimbangkan. Namun akan ada sejarah yang berbeda untuk setiap kemungkinan keadaan alam semesta pada waktu sekarang.
Hal ini mengarah pada pandangan kosmologi yang secara radikal berbeda, serta hubungan antara sebab dan akibat. Sejarah-sejarah yang berkontribusi pada penjumlahan Feynman tidak memiliki keberadaan yang mandiri, melainkan bergantung pada apa yang sedang diukur. Kita menciptakan sejarah melalui pengamatan kita, bukan sejarah yang menciptakan kita.
Gagasan bahwa alam semesta tidak memiliki satu sejarah unik yang independen dari pengamat mungkin tampak bertentangan dengan fakta-fakta tertentu yang kita ketahui. Mungkin ada satu sejarah di mana bulan terbuat dari keju Roquefort. Namun kita telah mengamati bahwa bulan tidak terbuat dari keju, yang merupakan kabar buruk bagi tikus. Karena itu, sejarah-sejarah di mana bulan terbuat dari keju tidak berkontribusi pada keadaan alam semesta kita saat ini, meskipun mungkin berkontribusi pada yang lain. Itu mungkin terdengar seperti fiksi ilmiah, tetapi bukan demikian.
Implikasi penting dari pendekatan top-down adalah bahwa hukum-hukum alam yang tampak bergantung pada sejarah alam semesta. Banyak ilmuwan percaya bahwa ada satu teori tunggal yang menjelaskan hukum-hukum tersebut serta konstanta fisika alam, seperti massa elektron atau dimensi ruang-waktu. Namun kosmologi top-down menyatakan bahwa hukum-hukum alam yang tampak berbeda untuk sejarah yang berbeda.
Pertimbangkan dimensi alam semesta yang tampak. Menurut teori-M, ruang-waktu memiliki sepuluh dimensi ruang dan satu dimensi waktu. Gagasannya adalah bahwa tujuh dimensi ruang melengkung begitu kecil sehingga kita tidak menyadarinya, sehingga kita seolah-olah hanya mengenal tiga dimensi besar yang tersisa. Salah satu pertanyaan terbuka utama dalam teori-M adalah: Mengapa, di alam semesta kita, tidak ada lebih banyak dimensi besar, dan mengapa ada dimensi yang melengkung kecil?
Banyak orang ingin percaya bahwa ada suatu mekanisme yang menyebabkan semua dimensi ruang kecuali tiga melengkung secara spontan. Atau mungkin semua dimensi bermula kecil, tetapi karena suatu alasan yang dapat dipahami tiga dimensi ruang mengembang dan sisanya tidak. Namun tampaknya tidak ada alasan dinamis bagi alam semesta untuk tampak berdimensi empat.
Sebaliknya, kosmologi top-down memprediksi bahwa jumlah dimensi ruang besar tidak ditentukan oleh prinsip fisika mana pun. Akan ada amplitudo probabilitas kuantum untuk setiap jumlah dimensi ruang besar dari nol hingga sepuluh. Penjumlahan Feynman memungkinkan semuanya itu, bagi setiap kemungkinan sejarah alam semesta, tetapi pengamatan bahwa alam semesta kita memiliki tiga dimensi ruang besar menyeleksi subkelas sejarah yang memiliki sifat tersebut.
Dengan kata lain, probabilitas kuantum bahwa alam semesta memiliki lebih atau kurang dari tiga dimensi ruang besar menjadi tidak relevan karena kita telah menentukan bahwa kita berada di alam semesta dengan tiga dimensi ruang besar. Selama amplitudo probabilitas untuk tiga dimensi ruang besar tidak persis nol, tidaklah penting betapa kecilnya ia dibandingkan dengan amplitudo untuk jumlah dimensi lainnya.
Itu seperti menanyakan amplitudo probabilitas bahwa paus saat ini adalah orang Tiongkok. Kita tahu bahwa ia orang Jerman, meskipun probabilitas bahwa ia orang Tiongkok lebih tinggi karena jumlah orang Tiongkok lebih banyak daripada orang Jerman. Demikian pula, kita tahu alam semesta kita menampilkan tiga dimensi ruang besar, dan karena itu, meskipun jumlah dimensi ruang besar lainnya mungkin memiliki amplitudo probabilitas lebih besar, kita hanya tertarik pada sejarah dengan tiga dimensi.
Baca Juga: [Buku Bahasa Indonesia] Cosmos - Carl Sagan
Bagaimana dengan dimensi yang melengkung kecil? Ingatlah bahwa dalam teori-M bentuk tepat dari dimensi yang tersisa dan melengkung kecil—ruang internal—menentukan nilai-nilai besaran fisika seperti muatan elektron serta sifat interaksi antara partikel elementer, yakni gaya-gaya alam.
Segalanya akan tertata rapi jika teori-M hanya mengizinkan satu bentuk bagi dimensi yang melengkung kecil, atau mungkin beberapa saja, yang semuanya kecuali satu dapat disingkirkan dengan suatu cara, sehingga menyisakan satu kemungkinan bagi hukum-hukum alam yang tampak. Namun sebaliknya, terdapat amplitudo probabilitas bagi mungkin sebanyak 10^500 ruang internal yang berbeda, masing-masing menghasilkan hukum dan nilai konstanta fisika yang berbeda.
Jika seseorang membangun sejarah alam semesta dari bawah ke atas, tidak ada alasan mengapa alam semesta harus berakhir dengan ruang internal bagi interaksi partikel yang benar-benar kita amati, yaitu model standar (interaksi partikel elementer). Namun dalam pendekatan top-down kita menerima bahwa alam semesta ada dengan semua kemungkinan ruang internal.
Di beberapa alam semesta, elektron memiliki berat seperti bola golf dan gaya gravitasi lebih kuat daripada gaya magnet. Di alam semesta kita, model standar dengan semua parameternya berlaku. Seseorang dapat menghitung amplitudo probabilitas bagi ruang internal yang menghasilkan model standar berdasarkan kondisi tanpa-batas. Seperti halnya probabilitas adanya alam semesta dengan tiga dimensi ruang besar, tidaklah penting betapa kecil amplitudo ini dibandingkan dengan kemungkinan lain, karena kita telah mengamati bahwa model standar menggambarkan alam semesta kita.
Teori yang kita uraikan dalam bab ini dapat diuji. Dalam contoh-contoh sebelumnya kita menekankan bahwa amplitudo probabilitas relatif bagi alam semesta yang sangat berbeda—misalnya yang memiliki jumlah dimensi ruang besar berbeda—tidaklah penting. Namun amplitudo probabilitas relatif bagi alam semesta yang berdekatan (yakni, serupa) adalah penting.
Kondisi tanpa-batas menyiratkan bahwa amplitudo probabilitas tertinggi terjadi pada sejarah di mana alam semesta bermula sepenuhnya halus. Amplitudo itu berkurang bagi alam semesta yang lebih tidak teratur. Ini berarti alam semesta awal hampir halus, tetapi dengan ketidakteraturan kecil. Seperti telah kita catat, kita dapat mengamati ketidakteraturan ini sebagai variasi kecil dalam gelombang mikro yang datang dari berbagai arah di langit.
Variasi itu ditemukan sangat sesuai dengan tuntutan umum teori inflasi; namun pengukuran yang lebih presisi diperlukan untuk sepenuhnya membedakan teori top-down dari teori lain, serta untuk mendukung atau membantahnya. Hal ini mungkin akan dilakukan oleh satelit di masa depan.
Ratusan tahun yang lalu orang mengira bumi itu unik dan terletak di pusat alam semesta. Kini kita tahu ada ratusan miliar bintang di galaksi kita, sebagian besar di antaranya memiliki sistem planet, dan ratusan miliar galaksi. Hasil-hasil yang diuraikan dalam bab ini menunjukkan bahwa alam semesta kita sendiri juga merupakan salah satu dari banyak alam semesta, dan bahwa hukum-hukum yang tampak berlaku di dalamnya tidak ditentukan secara unik.
Hal ini tentu mengecewakan bagi mereka yang berharap bahwa teori pamungkas, teori tentang segala sesuatu, akan memprediksi sifat fisika sehari-hari. Kita tidak dapat memprediksi ciri-ciri diskret seperti jumlah dimensi ruang besar atau ruang internal yang menentukan besaran fisika yang kita amati (misalnya massa dan muatan elektron serta partikel elementer lainnya). Sebaliknya, kita menggunakan angka-angka tersebut untuk menyeleksi sejarah mana yang berkontribusi pada penjumlahan Feynman.
Kita tampaknya berada pada titik kritis dalam sejarah sains, di mana kita harus mengubah konsepsi kita tentang tujuan dan tentang apa yang membuat suatu teori fisika dapat diterima. Tampaknya angka-angka fundamental, bahkan bentuk hukum-hukum alam yang tampak, tidak dituntut oleh logika atau prinsip fisika. Parameter-parameter bebas mengambil banyak nilai dan hukum-hukum dapat mengambil bentuk apa pun yang menghasilkan teori matematika yang konsisten secara internal, dan memang mengambil nilai serta bentuk berbeda di alam semesta yang berbeda.
Hal itu mungkin tidak memuaskan hasrat manusia kita untuk merasa istimewa atau menemukan satu paket rapi yang memuat seluruh hukum fisika, tetapi tampaknya begitulah cara alam bekerja.
Tampaknya terdapat bentang luas alam semesta yang mungkin. Namun, sebagaimana akan kita lihat dalam bab berikutnya, alam semesta di mana kehidupan seperti kita dapat ada adalah langka. Kita hidup di salah satu yang memungkinkan kehidupan, tetapi jika alam semesta hanya sedikit berbeda, makhluk seperti kita tidak akan dapat ada.
Apa yang harus kita pahami dari penyetelan halus ini? Apakah itu bukti bahwa alam semesta, pada akhirnya, dirancang oleh suatu pencipta yang penuh kebaikan? Ataukah sains menawarkan penjelasan lain?
Comments (0)