[BUKU BAHASA INDONESIA] A BRIEF HISTORY OF TIME - STEPHEN HAWKING
Menurut teori relativitas, tidak ada sesuatu pun yang dapat bergerak lebih cepat daripada cahaya. Maka jika cahaya tidak dapat lolos, tidak ada pula yang lain yang dapat lolos; semuanya akan ditarik kembali oleh medan gravitasi. Dengan demikian terdapat sekumpulan peristiwa, suatu wilayah ruang-waktu, dari mana tidak mungkin melarikan diri untuk mencapai pengamat yang jauh. Wilayah inilah yang kini kita sebut sebagai lubang hitam. Batasnya disebut horizon peristiwa, dan ia bertepatan dengan lintasan sinar cahaya yang nyaris berhasil lolos dari lubang hitam tetapi akhirnya gagal.
Untuk memahami apa yang akan Anda lihat jika menyaksikan sebuah bintang runtuh membentuk lubang hitam, perlu diingat bahwa dalam teori relativitas tidak ada waktu yang mutlak. Setiap pengamat memiliki ukuran waktunya sendiri. Waktu bagi seseorang di atas sebuah bintang akan berbeda dengan waktu bagi seseorang yang berada jauh darinya, karena medan gravitasi bintang tersebut.
Bayangkan seorang astronaut pemberani di permukaan bintang yang sedang runtuh, ikut tertarik ke dalam bersamanya, mengirimkan sinyal setiap detik menurut arlojinya kepada pesawat ruang angkasa yang mengorbit bintang itu. Pada suatu saat menurut arlojinya, katakanlah pukul 11.00, bintang itu akan menyusut melewati jari-jari kritis di mana medan gravitasi menjadi begitu kuat sehingga tidak ada sesuatu pun yang dapat lolos, dan sinyalnya tidak lagi mencapai pesawat. Menjelang pukul 11.00, rekan-rekannya yang mengamati dari pesawat akan mendapati selang waktu antara sinyal-sinyal berturut-turut dari astronaut itu semakin panjang. Namun efek ini akan sangat kecil sebelum pukul 10.59.59. Mereka hanya perlu menunggu sedikit lebih dari satu detik antara sinyal pukul 10.59.58 dan sinyal pukul 10.59.59, tetapi mereka harus menunggu selamanya untuk sinyal pukul 11.00.
Gelombang cahaya yang dipancarkan dari permukaan bintang antara pukul 10.59.59 dan 11.00 menurut arloji astronaut akan terentang selama jangka waktu tak terhingga sebagaimana terlihat dari pesawat. Selang waktu antara kedatangan gelombang-gelombang berturut-turut di pesawat akan semakin panjang, sehingga cahaya dari bintang tampak semakin merah dan semakin redup. Pada akhirnya, bintang itu akan begitu redup sehingga tak lagi dapat terlihat dari pesawat: yang tersisa hanyalah sebuah lubang hitam di ruang angkasa. Namun bintang itu tetap akan memberikan gaya gravitasi yang sama pada pesawat, yang akan terus mengorbit lubang hitam tersebut.
Akan tetapi, skenario ini tidak sepenuhnya realistis karena persoalan berikut. Gravitasi melemah semakin jauh Anda dari bintang, sehingga gaya gravitasi pada kaki astronaut pemberani kita akan selalu lebih besar daripada gaya pada kepalanya. Perbedaan gaya ini akan meregangkan tubuhnya seperti spageti atau merobeknya sebelum bintang menyusut hingga jari-jari kritis tempat horizon peristiwa terbentuk. Namun kita meyakini bahwa ada objek yang jauh lebih besar di alam semesta, seperti wilayah pusat galaksi, yang juga dapat mengalami keruntuhan gravitasi dan menghasilkan lubang hitam; seorang astronaut pada salah satu objek ini tidak akan terkoyak sebelum lubang hitam terbentuk. Bahkan ia tidak akan merasakan sesuatu yang istimewa ketika mencapai jari-jari kritis, dan dapat melewati titik tanpa kembali tanpa menyadarinya. Akan tetapi, dalam beberapa jam kemudian, ketika wilayah itu terus runtuh, perbedaan gaya gravitasi antara kepala dan kakinya akan menjadi begitu kuat sehingga kembali akan merobeknya.
Pekerjaan yang dilakukan oleh Roger Penrose dan saya antara tahun 1965 dan 1970 menunjukkan bahwa, menurut relativitas umum, harus terdapat suatu singularitas dengan kerapatan tak terhingga dan kelengkungan ruang-waktu tak terhingga di dalam sebuah lubang hitam. Hal ini serupa dengan dentuman besar pada awal waktu, hanya saja merupakan akhir waktu bagi benda yang runtuh dan bagi astronaut tersebut. Pada singularitas ini hukum-hukum sains dan kemampuan kita untuk meramalkan masa depan akan runtuh.
Namun, setiap pengamat yang tetap berada di luar lubang hitam tidak akan terpengaruh oleh kegagalan prediktabilitas ini, karena tidak ada cahaya maupun sinyal lain yang dapat mencapai dirinya dari singularitas. Fakta yang luar biasa ini mendorong Roger Penrose untuk mengajukan hipotesis sensor kosmik, yang dapat diparafrasekan sebagai “Tuhan membenci singularitas telanjang.” Dengan kata lain, singularitas yang dihasilkan oleh keruntuhan gravitasi hanya terjadi di tempat-tempat seperti lubang hitam, di mana ia tersembunyi dengan layak dari pandangan luar oleh horizon peristiwa. Secara ketat, inilah yang dikenal sebagai hipotesis sensor kosmik lemah: ia melindungi para pengamat yang tetap berada di luar lubang hitam dari konsekuensi runtuhnya prediktabilitas di singularitas, tetapi sama sekali tidak menolong astronaut malang yang jatuh ke dalamnya.
Terdapat beberapa solusi dari persamaan relativitas umum di mana astronaut kita mungkin dapat melihat singularitas telanjang: ia mungkin dapat menghindari menabrak singularitas dan justru jatuh melalui sebuah “lubang cacing” lalu muncul di wilayah lain alam semesta. Ini akan membuka kemungkinan besar bagi perjalanan ruang dan waktu, tetapi sayangnya tampaknya solusi-solusi ini sangat tidak stabil; gangguan sekecil apa pun, seperti kehadiran seorang astronaut, dapat mengubahnya sedemikian rupa sehingga ia tidak dapat melihat singularitas sampai ia menabraknya dan waktunya berakhir. Dengan kata lain, singularitas itu akan selalu berada di masa depannya dan tidak pernah di masa lalunya. Versi kuat dari hipotesis sensor kosmik menyatakan bahwa dalam solusi yang realistis, singularitas akan selalu berada sepenuhnya di masa depan (seperti singularitas keruntuhan gravitasi) atau sepenuhnya di masa lalu (seperti dentuman besar).
Saya sangat percaya pada sensor kosmik sehingga saya bertaruh dengan Kip Thorne dan John Preskill dari California Institute of Technology bahwa hipotesis itu selalu berlaku. Saya kalah taruhan karena suatu persoalan teknis, sebab ditemukan contoh solusi dengan singularitas yang terlihat dari jarak jauh. Maka saya harus membayar, yang menurut syarat taruhan berarti saya harus “menutup ketelanjangan” mereka. Namun saya dapat mengklaim kemenangan moral. Singularitas telanjang itu tidak stabil: gangguan sekecil apa pun akan membuatnya menghilang atau tersembunyi di balik horizon peristiwa. Jadi, ia tidak akan muncul dalam situasi yang realistis.
Horizon peristiwa, batas wilayah ruang-waktu dari mana tidak mungkin melarikan diri, bertindak seperti membran satu arah di sekitar lubang hitam: objek, seperti astronaut yang malang, dapat jatuh menembusnya ke dalam lubang hitam, tetapi tidak ada yang dapat keluar melalui horizon peristiwa. (Ingatlah bahwa horizon peristiwa adalah lintasan dalam ruang-waktu dari cahaya yang berusaha lolos dari lubang hitam, dan tidak ada yang dapat bergerak lebih cepat daripada cahaya.) Mengenai horizon peristiwa, orang dapat mengatakan sebagaimana penyair Dante Alighieri berkata tentang pintu masuk Neraka: “Tinggalkan segala harapan, wahai engkau yang masuk ke sini.” Apa pun atau siapa pun yang jatuh melewati horizon peristiwa akan segera mencapai wilayah dengan kerapatan tak terhingga dan akhir waktu.
Relativitas umum meramalkan bahwa benda-benda berat yang bergerak akan menyebabkan pemancaran gelombang gravitasi, riak dalam kelengkungan ruang yang merambat dengan kecepatan cahaya. Gelombang ini serupa dengan gelombang cahaya, yang merupakan riak medan elektromagnetik, tetapi jauh lebih sukar dideteksi. Ia dapat diamati melalui perubahan sangat kecil dalam jarak antara objek-objek bebas yang berdekatan. Sejumlah detektor sedang dibangun di Amerika Serikat, Eropa, dan Jepang yang akan mengukur pergeseran sebesar satu per seribu juta juta juta (1 dengan dua puluh satu nol setelahnya), atau kurang dari inti atom sepanjang jarak sepuluh mil.
Seperti cahaya, gelombang gravitasi membawa energi menjauh dari objek yang memancarkannya. Karena itu, sistem benda-benda bermassa besar pada akhirnya akan menetap ke dalam keadaan stasioner, sebab energi dari setiap gerakan akan dibawa pergi oleh pemancaran gelombang gravitasi. (Hal ini mirip seperti menjatuhkan gabus ke dalam air: pada awalnya ia terombang-ambing, tetapi ketika riak-riak membawa pergi energinya, akhirnya ia menjadi diam.) Sebagai contoh, gerakan bumi dalam orbitnya mengelilingi matahari menghasilkan gelombang gravitasi. Akibat hilangnya energi ini adalah perubahan orbit bumi sehingga perlahan-lahan ia semakin mendekati matahari, hingga akhirnya bertabrakan dan mencapai keadaan stasioner. Laju hilangnya energi dalam kasus bumi dan matahari sangat kecil—sekitar cukup untuk menyalakan pemanas listrik kecil.
Artinya diperlukan sekitar seribu juta juta juta juta tahun sebelum bumi menabrak matahari, jadi tidak ada alasan untuk cemas dalam waktu dekat. Perubahan orbit bumi terlalu lambat untuk diamati, tetapi efek yang sama telah diamati dalam beberapa tahun terakhir pada sistem yang disebut PSR B1913+16 (PSR adalah singkatan dari “pulsar,” jenis khusus bintang neutron yang memancarkan pulsa gelombang radio secara teratur). Sistem ini berisi dua bintang neutron yang saling mengorbit, dan energi yang hilang melalui pemancaran gelombang gravitasi menyebabkan keduanya berpilin semakin mendekat. Konfirmasi relativitas umum ini mengantarkan Joseph Hooton Taylor Jr. dan Russell Alan Hulse meraih Hadiah Nobel pada tahun 1993. Diperlukan sekitar tiga ratus juta tahun sebelum keduanya bertabrakan. Tepat sebelum itu terjadi, mereka akan beredar begitu cepat sehingga memancarkan cukup banyak gelombang gravitasi untuk dideteksi oleh detektor seperti LIGO.
Selama keruntuhan gravitasi sebuah bintang untuk membentuk lubang hitam, gerakannya jauh lebih cepat, sehingga laju energi yang dibawa pergi jauh lebih besar. Karena itu tidak akan lama sebelum ia menetap ke keadaan stasioner. Seperti apakah tahap akhir ini? Orang mungkin menduga bahwa hal itu bergantung pada semua ciri kompleks bintang asalnya—bukan hanya massanya dan laju rotasinya, tetapi juga kepadatan berbagai bagiannya serta gerakan rumit gas-gas di dalamnya. Dan jika lubang hitam seberagam objek yang runtuh membentuknya, mungkin akan sangat sulit membuat prediksi umum tentang lubang hitam.
Namun pada tahun 1967, kajian lubang hitam direvolusi oleh Werner Israel, seorang ilmuwan Kanada. Israel menunjukkan bahwa menurut relativitas umum, lubang hitam yang tidak berotasi haruslah sangat sederhana; ia berbentuk bulat sempurna, ukurannya hanya bergantung pada massanya, dan dua lubang hitam dengan massa yang sama akan identik. Ia sebenarnya dapat dijelaskan oleh solusi khusus persamaan Einstein yang telah dikenal sejak 1917, ditemukan oleh Karl Schwarzschild segera setelah penemuan relativitas umum. Pada awalnya banyak orang, termasuk Israel sendiri, berpendapat bahwa karena lubang hitam harus berbentuk bulat sempurna, maka ia hanya dapat terbentuk dari keruntuhan objek yang juga bulat sempurna. Bintang nyata—yang tak pernah benar-benar bulat sempurna—karena itu hanya dapat runtuh membentuk singularitas telanjang.
Namun terdapat penafsiran lain atas hasil Israel, yang terutama didukung oleh Roger Penrose dan John Archibald Wheeler. Mereka berpendapat bahwa gerakan cepat dalam keruntuhan bintang akan menyebabkan gelombang gravitasi yang dipancarkannya membuat bentuknya semakin bulat, dan ketika ia mencapai keadaan stasioner, bentuknya akan benar-benar bulat. Menurut pandangan ini, setiap bintang yang tidak berotasi, betapapun rumit bentuk dan struktur internalnya, pada akhirnya akan menjadi lubang hitam bulat sempurna setelah keruntuhan gravitasi, dengan ukuran yang hanya bergantung pada massanya. Perhitungan lebih lanjut mendukung pandangan ini, dan segera diterima secara luas.
Hasil Israel hanya berlaku untuk lubang hitam yang terbentuk dari benda yang tidak berotasi. Pada tahun 1963, Roy Kerr menemukan seperangkat solusi persamaan relativitas umum yang menggambarkan lubang hitam berotasi. Lubang hitam “Kerr” ini berputar dengan laju tetap; ukuran dan bentuknya hanya bergantung pada massa dan laju rotasinya. Jika rotasinya nol, lubang hitam itu bulat sempurna dan solusinya identik dengan solusi Schwarzschild. Jika rotasinya tidak nol, lubang hitam akan menggembung di sekitar ekuatornya (seperti bumi atau matahari yang menggembung karena rotasi), dan semakin cepat ia berputar, semakin besar penggembungannya. Untuk memperluas hasil Israel agar mencakup benda berotasi, diajukan dugaan bahwa setiap benda berotasi yang runtuh membentuk lubang hitam pada akhirnya akan menetap ke keadaan stasioner yang dijelaskan oleh solusi Kerr. Pada tahun 1970, rekan dan sesama mahasiswa riset saya di Cambridge, Brandon Carter, mengambil langkah pertama untuk membuktikan dugaan ini. Ia menunjukkan bahwa selama lubang hitam berotasi yang stasioner memiliki sumbu simetri seperti gasing, ukuran dan bentuknya hanya bergantung pada massa dan laju rotasinya. Kemudian pada tahun 1971 saya membuktikan bahwa setiap lubang hitam berotasi yang stasioner memang memiliki sumbu simetri semacam itu. Akhirnya, pada tahun 1973, David C. Robinson di King’s College London menggunakan hasil Carter dan saya untuk menunjukkan bahwa dugaan tersebut benar: lubang hitam demikian memang haruslah solusi Kerr. Jadi setelah keruntuhan gravitasi, sebuah lubang hitam harus menetap pada keadaan yang dapat berotasi tetapi tidak berdenyut. Lebih jauh lagi, ukuran dan bentuknya hanya bergantung pada massa dan laju rotasinya, bukan pada sifat benda yang runtuh membentuknya. Hasil ini dikenal dengan ungkapan: “Lubang hitam tidak memiliki rambut.” Teorema “tanpa rambut” ini sangat penting secara praktis, karena sangat membatasi jenis lubang hitam yang mungkin ada. Dengan demikian orang dapat membuat model rinci tentang objek yang mungkin mengandung lubang hitam dan membandingkan prediksinya dengan pengamatan. Ini juga berarti bahwa sejumlah sangat besar informasi tentang benda yang runtuh pasti hilang ketika lubang hitam terbentuk, karena setelah itu yang dapat kita ukur hanyalah massa dan laju rotasinya. Makna penting hal ini akan terlihat dalam bab berikutnya.
Lubang hitam merupakan salah satu dari sedikit kasus dalam sejarah sains di mana sebuah teori dikembangkan secara sangat rinci sebagai model matematis sebelum ada bukti pengamatan bahwa teori itu benar. Dahulu ini menjadi argumen utama para penentang lubang hitam: bagaimana mungkin percaya pada objek yang satu-satunya bukti hanyalah perhitungan berdasarkan teori relativitas umum yang diragukan? Namun pada tahun 1963, Maarten Schmidt, seorang astronom di Observatorium Palomar di California, mengukur pergeseran merah sebuah objek samar menyerupai bintang ke arah sumber gelombang radio yang disebut 3C 273 (yakni sumber nomor 273 dalam katalog radio Cambridge ketiga). Ia menemukan bahwa pergeseran merah itu terlalu besar untuk disebabkan oleh medan gravitasi: jika itu adalah pergeseran merah gravitasi, objek tersebut harus sangat masif dan sangat dekat dengan kita sehingga akan mengganggu orbit planet-planet di Tata Surya. Hal ini menunjukkan bahwa pergeseran merah tersebut disebabkan oleh pemuaian alam semesta, yang berarti objek itu berada pada jarak yang sangat jauh. Agar tetap terlihat pada jarak sedemikian jauh, objek itu harus sangat terang, dengan kata lain memancarkan energi dalam jumlah luar biasa besar. Satu-satunya mekanisme yang terpikir untuk menghasilkan energi sebesar itu tampaknya adalah keruntuhan gravitasi bukan hanya sebuah bintang, melainkan seluruh wilayah pusat sebuah galaksi. Sejumlah objek serupa lainnya, disebut “objek kuasi-bintang” atau quasar, telah ditemukan, semuanya dengan pergeseran merah besar. Namun semuanya terlalu jauh dan karenanya terlalu sulit diamati untuk memberikan bukti konklusif tentang lubang hitam.
Dorongan lebih lanjut bagi keberadaan lubang hitam datang pada tahun 1967 dengan penemuan oleh seorang mahasiswa riset di Cambridge, Jocelyn Bell Burnell, atas objek-objek di langit yang memancarkan pulsa gelombang radio secara teratur. Pada awalnya Bell dan pembimbingnya, Antony Hewish, mengira mereka mungkin telah melakukan kontak dengan peradaban asing di galaksi. Bahkan pada seminar ketika mereka mengumumkan penemuan itu, saya ingat mereka menamai empat sumber pertama yang ditemukan sebagai LGM 1–4, LGM singkatan dari “Little Green Men.” Namun pada akhirnya, mereka dan semua orang sampai pada kesimpulan yang kurang romantis bahwa objek-objek ini, yang kemudian diberi nama pulsar, sebenarnya adalah bintang neutron yang berotasi dan memancarkan pulsa gelombang radio akibat interaksi rumit antara medan magnetnya dan materi di sekitarnya. Ini merupakan kabar buruk bagi penulis kisah koboi luar angkasa, tetapi sangat menggembirakan bagi segelintir dari kami yang percaya pada lubang hitam saat itu: inilah bukti positif pertama bahwa bintang neutron benar-benar ada. Sebuah bintang neutron memiliki jari-jari sekitar sepuluh mil, hanya beberapa kali jari-jari kritis di mana sebuah bintang menjadi lubang hitam. Jika sebuah bintang dapat runtuh hingga sekecil itu, tidaklah tidak masuk akal untuk mengharapkan bahwa bintang lain dapat runtuh lebih kecil lagi dan menjadi lubang hitam.
Comments (1)
bacaan berkualitas ini.....
0 0 15-Oct-2019 04:58:58