[BUKU BAHASA INDONESIA] A BRIEF HISTORY OF TIME - STEPHEN HAWKING

Gambar 5:2 memperlihatkan sebuah foto tabrakan antara proton dan antiproton berenergi tinggi. Keberhasilan penyatuan gaya elektromagnetik dan gaya nuklir lemah mendorong sejumlah upaya untuk menggabungkan kedua gaya ini dengan gaya nuklir kuat ke dalam apa yang disebut teori penyatuan agung (grand unified theory, atau GUT).

Sebutan ini agak berlebihan: teori-teori yang dihasilkan tidaklah sepenuhnya agung, dan juga belum sepenuhnya terpadu, karena tidak mencakup gravitasi. Teori-teori tersebut pun belum benar-benar lengkap, sebab mengandung sejumlah parameter yang nilainya tidak dapat diprediksi dari teori, melainkan harus dipilih agar sesuai dengan hasil eksperimen.

Namun demikian, teori-teori ini mungkin merupakan langkah menuju suatu teori lengkap yang sepenuhnya terpadu. Gagasan dasar GUT adalah sebagai berikut: sebagaimana telah disebutkan, gaya nuklir kuat menjadi semakin lemah pada energi tinggi. Sebaliknya, gaya elektromagnetik dan gaya lemah, yang tidak memiliki kebebasan asimtotik, justru menjadi semakin kuat pada energi tinggi.

Pada suatu energi yang sangat tinggi, yang disebut energi penyatuan agung, ketiga gaya ini akan memiliki kekuatan yang sama dan dengan demikian dapat dipandang sebagai aspek-aspek berbeda dari satu gaya tunggal. GUT juga meramalkan bahwa pada energi ini partikel-partikel materi spin-½ yang berbeda, seperti quark dan elektron, pada hakikatnya juga akan menjadi sama, sehingga tercapai suatu penyatuan tambahan.

Nilai energi penyatuan agung tidak diketahui dengan pasti, tetapi kemungkinan sekurang-kurangnya sekitar seribu juta juta GeV. Generasi akselerator partikel saat ini mampu menumbukkan partikel pada energi sekitar seratus GeV, dan mesin-mesin baru direncanakan untuk meningkatkan angka ini hingga beberapa ribu GeV. Namun, mesin yang cukup kuat untuk mempercepat partikel hingga mencapai energi penyatuan agung haruslah sebesar Tata Surya—dan kecil kemungkinannya memperoleh pendanaan dalam kondisi ekonomi saat ini.

Karena itu, mustahil menguji teori penyatuan agung secara langsung di laboratorium. Akan tetapi, seperti halnya teori penyatuan elektromagnetik dan lemah, terdapat konsekuensi pada energi rendah yang dapat diuji.

Yang paling menarik di antaranya adalah prediksi bahwa proton, yang menyusun sebagian besar massa materi biasa, dapat meluruh secara spontan menjadi partikel-partikel yang lebih ringan seperti antielektron. Hal ini dimungkinkan karena pada energi penyatuan agung tidak terdapat perbedaan mendasar antara quark dan antielektron.

Tiga quark di dalam proton biasanya tidak memiliki energi yang cukup untuk berubah menjadi antielektron, tetapi sesekali salah satunya dapat memperoleh energi yang cukup untuk melakukan transisi tersebut, karena prinsip ketidakpastian menyatakan bahwa energi quark di dalam proton tidak dapat ditentukan secara tepat. Proton kemudian akan meluruh.

Distributor pusat penjualan segala alat listrik tenaga surya. Toko online jual listrik tenaga matahari. Produsen Produk solar sel murah.www.tokosolarcell.net . daftar Paket harga penjualan listrik tenaga matahari

Peluang bagi sebuah quark untuk memperoleh energi yang cukup demikian kecil sehingga seseorang mungkin harus menunggu sekurang-kurangnya sejuta juta juta juta juta tahun (1 diikuti tiga puluh nol). Ini jauh lebih lama daripada waktu sejak dentuman besar, yang “hanya” sekitar sepuluh ribu juta tahun (1 diikuti sepuluh nol).

Maka mungkin tampak bahwa kemungkinan peluruhan proton secara spontan tidak dapat diuji secara eksperimental. Namun, peluang untuk mendeteksinya dapat ditingkatkan dengan mengamati sejumlah besar materi yang mengandung sangat banyak proton. (Jika, misalnya, seseorang mengamati sejumlah proton sebanyak 1 diikuti tiga puluh satu nol selama satu tahun, maka menurut GUT yang paling sederhana, diharapkan akan teramati lebih dari satu peluruhan proton.)

Sejumlah eksperimen semacam itu telah dilakukan, tetapi belum ada yang memberikan bukti pasti tentang peluruhan proton atau neutron. Salah satu eksperimen menggunakan delapan ribu ton air dan dilakukan di Tambang Garam Morton di Ohio (untuk menghindari peristiwa lain akibat sinar kosmik yang dapat disalahartikan sebagai peluruhan proton).

Karena tidak teramati peluruhan proton spontan selama eksperimen tersebut, dapat dihitung bahwa umur proton kemungkinan lebih besar daripada sepuluh juta juta juta juta juta tahun (1 dengan tiga puluh satu nol). Ini lebih lama daripada umur yang diprediksi oleh teori penyatuan agung yang paling sederhana, tetapi terdapat teori-teori yang lebih rumit dengan prediksi umur yang lebih panjang. Eksperimen yang lebih peka dengan jumlah materi yang lebih besar masih diperlukan untuk mengujinya.

Meskipun sangat sulit mengamati peluruhan proton spontan, mungkin keberadaan kita sendiri merupakan akibat dari proses kebalikannya—yakni produksi proton, atau lebih sederhana lagi, quark, dari suatu keadaan awal yang tidak memiliki lebih banyak quark daripada antiquark, yang merupakan cara paling alami membayangkan awal mula alam semesta.

Materi di bumi terutama tersusun atas proton dan neutron, yang pada gilirannya tersusun atas quark. Tidak terdapat antiproton atau antineutron yang tersusun dari antiquark, kecuali beberapa yang diproduksi fisikawan dalam akselerator partikel besar.

Kita memiliki bukti dari sinar kosmik bahwa hal yang sama berlaku bagi seluruh materi di galaksi kita: tidak terdapat antiproton atau antineutron selain sejumlah kecil yang dihasilkan sebagai pasangan partikel/antipartikel dalam tumbukan berenergi tinggi. Jika terdapat wilayah antimateri yang luas di galaksi kita, kita akan mengamati sejumlah besar radiasi dari batas antara wilayah materi dan antimateri, tempat banyak partikel bertumbukan dengan antipartikelnya, saling memusnahkan dan memancarkan radiasi berenergi tinggi.

Kita tidak memiliki bukti langsung apakah materi di galaksi lain tersusun atas proton dan neutron atau antiproton dan antineutron, tetapi pasti salah satu di antaranya; tidak mungkin terdapat campuran dalam satu galaksi, sebab dalam hal itu kita kembali akan mengamati banyak radiasi akibat pemusnahan.

Karena itu kita meyakini bahwa semua galaksi tersusun atas quark, bukan antiquark; tampaknya tidak masuk akal bahwa sebagian galaksi berupa materi dan sebagian lainnya antimateri.

Mengapa terdapat jauh lebih banyak quark daripada antiquark? Mengapa jumlah keduanya tidak sama? Kita tentu beruntung bahwa jumlahnya tidak seimbang, sebab jika sama, hampir semua quark dan antiquark akan saling memusnahkan pada awal alam semesta dan menyisakan alam semesta yang dipenuhi radiasi tetapi hampir tanpa materi. Tidak akan ada galaksi, bintang, atau planet tempat kehidupan manusia dapat berkembang.

Beruntung, teori penyatuan agung mungkin memberikan penjelasan mengapa alam semesta kini mengandung lebih banyak quark daripada antiquark, bahkan jika pada awalnya jumlahnya sama. Seperti telah kita lihat, GUT memungkinkan quark berubah menjadi antielektron pada energi tinggi. Teori tersebut juga memungkinkan proses kebalikannya: antiquark berubah menjadi elektron, serta elektron dan antielektron berubah menjadi antiquark dan quark.

Ada masa pada alam semesta yang sangat awal ketika suhu begitu tinggi sehingga energi partikel cukup besar untuk memungkinkan transformasi-transformasi ini terjadi. Namun mengapa hal ini menghasilkan lebih banyak quark daripada antiquark? Alasannya adalah bahwa hukum-hukum fisika tidak sepenuhnya sama bagi partikel dan antipartikel.

Hingga tahun 1956 diyakini bahwa hukum fisika mematuhi masing-masing dari tiga simetri terpisah yang disebut C, P, dan T. Simetri C berarti hukum-hukum tersebut sama bagi partikel dan antipartikel. Simetri P berarti hukum-hukum tersebut sama bagi suatu keadaan dan bayangan cerminnya. Simetri T berarti bahwa jika arah gerak semua partikel dan antipartikel dibalik, sistem akan kembali seperti pada waktu sebelumnya; dengan kata lain, hukum-hukum tersebut sama ke depan maupun ke belakang dalam waktu.

Pada tahun 1956 dua fisikawan Amerika, Tsung-Dao Lee dan Chen Ning Yang, mengemukakan bahwa gaya lemah ternyata tidak mematuhi simetri P. Dengan kata lain, gaya lemah akan membuat alam semesta berkembang berbeda dari bayangan cerminnya. Pada tahun yang sama, rekan mereka Chien-Shiung Wu membuktikan bahwa prediksi ini benar.

Ia melakukannya dengan menyelaraskan inti atom radioaktif dalam medan magnet sehingga semuanya berputar ke arah yang sama, dan menunjukkan bahwa elektron lebih banyak dipancarkan ke satu arah daripada arah lainnya. Tahun berikutnya, Lee dan Yang menerima Hadiah Nobel atas gagasan tersebut.

Ditemukan pula bahwa gaya lemah tidak mematuhi simetri C. Artinya, gaya ini akan menyebabkan alam semesta yang tersusun atas antipartikel berperilaku berbeda dari alam semesta kita. Namun tampaknya gaya lemah mematuhi simetri gabungan CP. Artinya, alam semesta akan berkembang sama seperti bayangan cerminnya jika setiap partikel ditukar dengan antipartikelnya.

Akan tetapi, pada tahun 1964 dua fisikawan Amerika lainnya, J. W. Cronin dan Val Fitch, menemukan bahwa bahkan simetri CP tidak dipatuhi dalam peluruhan partikel tertentu yang disebut meson-K. Cronin dan Fitch kemudian menerima Hadiah Nobel pada tahun 1980 atas karya mereka.

Terdapat teorema matematis yang menyatakan bahwa teori apa pun yang mematuhi mekanika kuantum dan relativitas harus selalu mematuhi simetri gabungan CPT. Dengan kata lain, alam semesta harus berperilaku sama jika partikel diganti dengan antipartikel, diambil bayangan cerminnya, dan arah waktu dibalik.

Namun Cronin dan Fitch menunjukkan bahwa jika partikel diganti dengan antipartikel dan diambil bayangan cerminnya tanpa membalik arah waktu, alam semesta tidak berperilaku sama. Dengan demikian, hukum-hukum fisika harus berubah jika arah waktu dibalik—mereka tidak mematuhi simetri T.

Alam semesta awal jelas tidak mematuhi simetri T: ketika waktu berjalan maju, alam semesta mengembang; jika berjalan mundur, alam semesta akan menyusut. Dan karena terdapat gaya yang tidak mematuhi simetri T, maka ketika alam semesta mengembang, gaya-gaya ini dapat menyebabkan lebih banyak antielektron berubah menjadi quark daripada elektron menjadi antiquark.

Ketika alam semesta terus mengembang dan mendingin, antiquark akan saling memusnahkan dengan quark. Namun karena jumlah quark lebih banyak, akan tersisa sedikit kelebihan quark. Inilah yang menyusun materi yang kita lihat sekarang dan yang membentuk diri kita sendiri.

Dengan demikian, keberadaan kita sendiri dapat dipandang sebagai konfirmasi terhadap teori penyatuan agung, meskipun hanya secara kualitatif; ketidakpastiannya sedemikian rupa sehingga tidak dapat diprediksi jumlah quark yang tersisa setelah pemusnahan, bahkan tidak dapat dipastikan apakah yang tersisa adalah quark atau antiquark. (Jika yang tersisa adalah antiquark, kita hanya akan menamai antiquark sebagai quark, dan quark sebagai antiquark.)

Teori penyatuan agung tidak mencakup gaya gravitasi. Hal ini tidak terlalu menjadi masalah karena gravitasi merupakan gaya yang sangat lemah sehingga efeknya biasanya dapat diabaikan ketika membahas partikel elementer atau atom.

Namun, karena gravitasi berjangkauan jauh dan selalu bersifat tarik-menarik, efek-efeknya saling menjumlah. Dengan jumlah partikel materi yang cukup besar, gaya gravitasi dapat mendominasi semua gaya lainnya. Inilah sebabnya gravitasi menentukan evolusi alam semesta.

Bahkan untuk objek sebesar bintang, gaya tarik gravitasi dapat mengalahkan semua gaya lain dan menyebabkan bintang runtuh. Pekerjaan saya pada tahun 1970-an berfokus pada lubang hitam yang dapat dihasilkan dari keruntuhan bintang semacam itu serta medan gravitasi intens di sekitarnya.

Dari sinilah muncul petunjuk pertama tentang bagaimana teori mekanika kuantum dan relativitas umum dapat saling memengaruhi—sekilas gambaran mengenai bentuk teori kuantum gravitasi yang masih akan datang.