[BUKU BAHASA INDONESIA] A BRIEF HISTORY OF TIME - STEPHEN HAWKING
BAB 8 : ASAL-USUL DAN NASIB ALAM SEMESTA
Teori relativitas umum Einstein, dengan sendirinya, meramalkan bahwa ruang-waktu bermula pada singularitas dentuman besar dan akan berakhir entah pada singularitas remuk besar (jika seluruh alam semesta runtuh kembali), atau pada singularitas di dalam sebuah lubang hitam (jika suatu wilayah lokal, seperti bintang, mengalami keruntuhan). Setiap materi yang jatuh ke dalam lubang itu akan dihancurkan pada singularitas, dan hanya pengaruh gravitasi dari massanya yang tetap dapat dirasakan di luar.
Di sisi lain, ketika efek-efek kuantum diperhitungkan, tampaknya massa atau energi materi itu pada akhirnya akan dikembalikan ke seluruh alam semesta, dan lubang hitam—bersama singularitas di dalamnya—akan menguap dan akhirnya lenyap. Mungkinkah mekanika kuantum memiliki dampak yang sama dramatisnya terhadap singularitas dentuman besar dan remuk besar? Apa yang sebenarnya terjadi pada tahap-tahap paling awal atau paling akhir alam semesta, ketika medan gravitasi begitu kuat sehingga efek kuantum tak dapat diabaikan? Apakah alam semesta sungguh memiliki permulaan atau akhir? Dan jika demikian, seperti apakah bentuknya?
Sepanjang dekade 1970-an saya terutama mempelajari lubang hitam, tetapi pada tahun 1981 minat saya terhadap pertanyaan tentang asal-usul dan nasib alam semesta bangkit kembali ketika saya menghadiri sebuah konferensi kosmologi yang diselenggarakan oleh para Yesuit di Vatikan. Gereja Katolik pernah membuat kesalahan besar dalam perkara Galileo ketika mencoba menetapkan hukum dalam persoalan ilmiah dengan menyatakan bahwa Matahari mengelilingi Bumi. Kini, berabad-abad kemudian, mereka memutuskan mengundang sejumlah pakar untuk memberi nasihat tentang kosmologi.
Pada akhir konferensi, para peserta mendapat audiensi dengan Paus. Ia mengatakan bahwa mempelajari evolusi alam semesta setelah dentuman besar diperbolehkan, tetapi jangan menyelidiki dentuman besar itu sendiri, karena itu adalah saat Penciptaan dan karenanya merupakan karya Tuhan. Saya merasa lega bahwa ia tidak mengetahui topik ceramah yang baru saja saya sampaikan di konferensi itu—kemungkinan bahwa ruang-waktu terbatas namun tak berbatas, yang berarti tidak memiliki permulaan, tidak ada momen Penciptaan. Saya tidak ingin mengalami nasib yang sama dengan Galileo, dengan siapa saya merasa memiliki kedekatan tertentu, sebagian karena kebetulan dilahirkan tepat 300 tahun setelah kematiannya.
Untuk menjelaskan gagasan yang saya dan orang lain kemukakan tentang bagaimana mekanika kuantum dapat memengaruhi asal-usul dan nasib alam semesta, pertama-tama perlu dipahami sejarah alam semesta yang secara umum diterima, menurut apa yang dikenal sebagai “model dentuman besar panas.” Model ini mengandaikan bahwa alam semesta digambarkan oleh model Friedmann, hingga kembali ke dentuman besar itu sendiri.
Dalam model-model semacam ini ditemukan bahwa ketika alam semesta mengembang, setiap materi atau radiasi di dalamnya menjadi semakin dingin. (Ketika ukuran alam semesta menjadi dua kali lipat, suhunya turun menjadi setengahnya.) Karena suhu hanyalah ukuran energi rata-rata—atau kecepatan—partikel-partikel, pendinginan ini akan berdampak besar terhadap materi di dalamnya.
Pada suhu yang sangat tinggi, partikel-partikel bergerak begitu cepat sehingga dapat melepaskan diri dari gaya tarik satu sama lain akibat gaya nuklir atau elektromagnetik. Namun ketika mendingin, partikel-partikel yang saling tarik-menarik akan mulai bergumpal. Lebih jauh lagi, jenis partikel yang ada di alam semesta pun bergantung pada suhu.
Pada suhu yang cukup tinggi, partikel-partikel memiliki energi begitu besar sehingga setiap kali bertumbukan, banyak pasangan partikel/antipartikel akan tercipta. Meskipun sebagian akan saling memusnahkan, pembentukannya terjadi lebih cepat daripada pemusnahannya. Namun pada suhu yang lebih rendah, ketika energi tumbukan berkurang, pasangan partikel/antipartikel terbentuk lebih lambat—dan pemusnahan menjadi lebih cepat daripada pembentukan.
Pada dentuman besar itu sendiri, alam semesta diperkirakan memiliki ukuran nol, sehingga suhunya tak terhingga. Tetapi ketika alam semesta mengembang, suhu radiasi menurun. Satu detik setelah dentuman besar, suhu itu turun menjadi sekitar sepuluh miliar derajat. Ini kira-kira seribu kali suhu di pusat Matahari, namun suhu setinggi ini dapat dicapai dalam ledakan bom-H.
Pada saat itu alam semesta sebagian besar berisi foton, elektron, dan neutrino (partikel sangat ringan yang hanya dipengaruhi oleh gaya lemah dan gravitasi) serta antipartikelnya, bersama sejumlah proton dan neutron. Ketika alam semesta terus mengembang dan suhu turun, laju pembentukan pasangan elektron/antielectron akan menjadi lebih kecil daripada laju pemusnahannya. Maka sebagian besar elektron dan antielektron saling memusnahkan, menghasilkan lebih banyak foton dan hanya menyisakan sejumlah kecil elektron.
Neutrino dan antineutrino, sebaliknya, tidak akan saling memusnahkan, karena partikel-partikel ini berinteraksi sangat lemah dengan diri mereka sendiri maupun dengan partikel lain. Karena itu, mereka seharusnya masih ada hingga hari ini. Jika kita dapat mengamatinya, itu akan menjadi uji yang baik bagi gambaran tahap awal alam semesta yang sangat panas ini. Sayangnya, energi mereka sekarang terlalu rendah untuk dideteksi secara langsung. Namun jika neutrino tidak tak bermassa, melainkan memiliki massa kecil sebagaimana disarankan beberapa eksperimen terbaru, kita mungkin dapat mendeteksinya secara tidak langsung: mereka bisa menjadi bentuk “materi gelap,” dengan gaya gravitasi yang cukup untuk menghentikan pengembangan alam semesta dan menyebabkan keruntuhan kembali.
Sekitar seratus detik setelah dentuman besar, suhu turun menjadi satu miliar derajat, suhu di dalam bintang-bintang terpanas. Pada suhu ini proton dan neutron tidak lagi memiliki energi cukup untuk mengatasi gaya tarik nuklir kuat, dan mulai bergabung membentuk inti atom deuterium (hidrogen berat), yang mengandung satu proton dan satu neutron. Inti deuterium ini kemudian bergabung dengan lebih banyak proton dan neutron membentuk inti helium, yang mengandung dua proton dan dua neutron, serta sejumlah kecil unsur lebih berat seperti litium dan berilium.
Perhitungan menunjukkan bahwa dalam model dentuman besar panas, sekitar seperempat proton dan neutron akan berubah menjadi inti helium, bersama sedikit hidrogen berat dan unsur lainnya. Neutron yang tersisa meluruh menjadi proton, yang merupakan inti atom hidrogen biasa.
Gambaran tentang tahap awal alam semesta yang panas ini pertama kali dikemukakan oleh ilmuwan George Gamow dalam makalah terkenal tahun 1948 yang ditulis bersama mahasiswanya, Ralph Alpher. Gamow memiliki selera humor yang khas—ia membujuk ilmuwan nuklir Hans Bethe untuk menambahkan namanya agar daftar penulis menjadi “Alpher, Bethe, Gamow,” menyerupai tiga huruf pertama alfabet Yunani: alfa, beta, gamma—sangat sesuai untuk makalah tentang awal alam semesta.
Dalam makalah itu mereka membuat prediksi luar biasa bahwa radiasi (dalam bentuk foton) dari tahap awal yang sangat panas itu seharusnya masih ada hingga sekarang, tetapi dengan suhu yang telah turun menjadi hanya beberapa derajat di atas nol mutlak (–273°C). Radiasi inilah yang ditemukan oleh Penzias dan Wilson pada tahun 1965.
Ketika makalah itu ditulis, pengetahuan tentang reaksi nuklir proton dan neutron masih terbatas, sehingga prediksi tentang proporsi unsur-unsur kurang akurat. Namun perhitungan tersebut kemudian diulang dengan data yang lebih baik dan kini sangat sesuai dengan pengamatan. Lebih lagi, sulit menjelaskan dengan cara lain mengapa terdapat begitu banyak helium di alam semesta. Karena itu kita cukup yakin bahwa gambaran ini benar, setidaknya hingga sekitar satu detik setelah dentuman besar.
Dalam beberapa jam setelah dentuman besar, pembentukan helium dan unsur lainnya berhenti. Selama sejuta tahun berikutnya, alam semesta hanya terus mengembang tanpa banyak peristiwa penting. Ketika suhu akhirnya turun menjadi beberapa ribu derajat, elektron dan inti atom tidak lagi memiliki energi cukup untuk mengatasi gaya tarik elektromagnetik, sehingga mulai bergabung membentuk atom.
Alam semesta secara keseluruhan terus mengembang dan mendingin, tetapi di wilayah yang sedikit lebih rapat daripada rata-rata, pengembangan melambat akibat gaya gravitasi tambahan. Pada akhirnya pengembangan berhenti di beberapa wilayah dan mulai runtuh kembali. Saat runtuh, tarikan gravitasi dari materi di luar wilayah itu dapat membuatnya sedikit berputar. Ketika wilayah itu semakin kecil, putarannya semakin cepat—seperti pemain seluncur es yang berputar lebih cepat ketika menarik tangannya ke dalam.
Ketika cukup kecil, putaran itu cukup cepat untuk menyeimbangkan gaya tarik gravitasi, dan lahirlah galaksi-galaksi berputar berbentuk cakram. Wilayah lain yang tidak memperoleh putaran akan menjadi objek berbentuk oval yang disebut galaksi elips.
Seiring waktu, gas hidrogen dan helium di galaksi pecah menjadi awan-awan kecil yang runtuh oleh gravitasinya sendiri. Saat menyusut dan atom-atom bertumbukan, suhu meningkat hingga cukup panas untuk memulai reaksi fusi nuklir. Reaksi ini mengubah hidrogen menjadi helium dan menghasilkan panas yang meningkatkan tekanan, sehingga menghentikan keruntuhan lebih lanjut. Terbentuklah bintang-bintang seperti Matahari, yang membakar hidrogen menjadi helium dan memancarkan energi sebagai panas dan cahaya.
Bintang yang lebih masif harus lebih panas untuk menyeimbangkan gravitasi yang lebih kuat, sehingga fusi berlangsung jauh lebih cepat dan hidrogen habis hanya dalam sekitar seratus juta tahun. Setelah itu mereka menyusut sedikit dan mulai mengubah helium menjadi unsur lebih berat seperti karbon atau oksigen. Namun ini tidak menghasilkan energi besar, sehingga terjadi krisis seperti dijelaskan dalam bab tentang lubang hitam.
Kemungkinan besar, inti bintang runtuh menjadi keadaan sangat padat, seperti bintang neutron atau lubang hitam. Lapisan luarnya dapat terlempar dalam ledakan dahsyat yang disebut supernova, yang dapat menyinari seluruh galaksinya. Unsur berat yang terbentuk menjelang akhir hidup bintang terlempar kembali ke gas galaksi dan menjadi bahan baku generasi bintang berikutnya.
Matahari kita mengandung sekitar 2 persen unsur berat tersebut, karena ia adalah bintang generasi kedua atau ketiga, terbentuk sekitar lima miliar tahun lalu dari awan gas berputar yang mengandung sisa-sisa supernova sebelumnya. Sebagian besar gas membentuk Matahari, sementara sebagian kecil unsur berat bergabung membentuk planet-planet yang kini mengitarinya, termasuk Bumi.
Bumi pada awalnya sangat panas dan tanpa atmosfer. Seiring waktu ia mendingin dan memperoleh atmosfer dari gas yang dilepaskan batuan. Atmosfer awal ini tidak mengandung oksigen dan penuh gas beracun seperti hidrogen sulfida. Namun bentuk kehidupan primitif dapat berkembang dalam kondisi demikian. Diperkirakan mereka muncul di lautan melalui kombinasi kebetulan atom-atom menjadi struktur besar yang disebut makromolekul, yang mampu mereplikasi diri.
Baca Juga: [Buku Bahasa Indonesia] Cosmos - Carl Sagan
Kesalahan dalam replikasi kadang menghasilkan bentuk yang lebih efisien dalam berkembang biak, dan melalui proses evolusi terbentuk organisme yang semakin kompleks. Bentuk kehidupan awal melepaskan oksigen, mengubah atmosfer hingga memungkinkan munculnya ikan, reptil, mamalia, dan akhirnya umat manusia.
Gambaran alam semesta yang bermula sangat panas dan mendingin seiring pengembangan ini sesuai dengan semua bukti pengamatan saat ini. Namun ia meninggalkan sejumlah pertanyaan penting yang belum terjawab:
-
Mengapa alam semesta awal begitu panas?
-
Mengapa alam semesta begitu seragam dalam skala besar?
-
Mengapa laju pengembangannya begitu dekat dengan laju kritis?
-
Apa asal-usul fluktuasi kerapatan yang melahirkan bintang dan galaksi?
Relativitas umum sendiri tidak dapat menjelaskan hal-hal ini karena ia memprediksi kerapatan tak terhingga pada singularitas dentuman besar, tempat semua hukum fisika runtuh. Ini berarti dentuman besar menjadi batas ruang-waktu.
Ilmu pengetahuan tampaknya telah menemukan hukum-hukum yang, dalam batas prinsip ketidakpastian, menjelaskan bagaimana alam semesta berkembang jika kita mengetahui keadaannya pada suatu waktu. Namun bagaimana keadaan awal itu dipilih? Apa kondisi batas pada awal waktu?
Salah satu kemungkinan adalah kondisi batas kacau, yang menyatakan bahwa keadaan awal dipilih secara acak. Namun sulit melihat bagaimana keadaan awal yang kacau dapat menghasilkan alam semesta yang begitu halus seperti yang kita amati.
Di sinilah muncul prinsip antropik. Prinsip antropik lemah menyatakan bahwa kita mengamati alam semesta sebagaimana adanya karena hanya di wilayah dengan kondisi tertentu kehidupan cerdas dapat muncul. Prinsip antropik kuat melangkah lebih jauh, menyatakan bahwa mungkin ada banyak alam semesta dengan kondisi berbeda, dan hanya di yang sesuai kehidupan dapat berkembang.
Hukum-hukum sains mengandung banyak bilangan fundamental—seperti muatan elektron atau perbandingan massa proton dan elektron—yang nilainya tampak sangat teratur sehingga memungkinkan kehidupan. Jika nilainya sedikit berbeda, bintang mungkin tidak dapat bersinar atau meledak.
Hal ini dapat dipandang sebagai bukti tujuan ilahi dalam penciptaan dan pemilihan hukum-hukum sains, atau sebagai dukungan bagi prinsip antropik kuat.
Ada sejumlah keberatan yang dapat diajukan terhadap prinsip antropik kuat sebagai penjelasan atas keadaan alam semesta yang kita amati.
Pertama, dalam pengertian apa semua alam semesta yang berbeda itu dapat dikatakan benar-benar ada? Jika mereka benar-benar terpisah satu sama lain, maka apa yang terjadi di alam semesta lain tidak akan memiliki konsekuensi yang dapat diamati di alam semesta kita. Oleh karena itu, kita seharusnya menggunakan prinsip ekonomi dan mengeluarkan mereka dari teori.
Sebaliknya, jika mereka hanyalah wilayah-wilayah berbeda dari satu alam semesta tunggal, maka hukum-hukum sains haruslah sama di setiap wilayah, karena jika tidak, seseorang tidak akan dapat berpindah secara kontinu dari satu wilayah ke wilayah lain. Dalam hal ini, satu-satunya perbedaan antara wilayah-wilayah tersebut hanyalah konfigurasi awalnya, sehingga prinsip antropik kuat akan mereduksi diri menjadi prinsip antropik lemah.
Keberatan kedua terhadap prinsip antropik kuat adalah bahwa ia bertentangan dengan arus seluruh sejarah sains. Kita telah berkembang dari kosmologi geosentris Ptolemaeus dan para pendahulunya, melalui kosmologi heliosentris Copernicus dan Galileo, hingga gambaran modern di mana Bumi hanyalah planet berukuran sedang yang mengorbit bintang biasa di pinggiran luar sebuah galaksi spiral yang lazim, yang sendiri hanyalah satu dari sekitar sejuta juta galaksi di alam semesta teramati. Namun prinsip antropik kuat akan menyatakan bahwa keseluruhan konstruksi raksasa ini ada semata-mata demi kita. Hal ini sangat sulit untuk dipercayai. Tata Surya kita memang merupakan prasyarat bagi keberadaan kita, dan orang mungkin memperluasnya hingga seluruh galaksi kita untuk memungkinkan generasi bintang sebelumnya yang menciptakan unsur-unsur berat. Tetapi tampaknya tidak ada kebutuhan akan semua galaksi lainnya itu, maupun agar alam semesta begitu seragam dan serupa ke segala arah dalam skala besar.
Seseorang akan merasa lebih puas terhadap prinsip antropik, setidaknya dalam versi lemahnya, jika dapat ditunjukkan bahwa cukup banyak konfigurasi awal berbeda bagi alam semesta dapat berevolusi menghasilkan alam semesta seperti yang kita amati. Jika demikian, alam semesta yang berkembang dari semacam kondisi awal acak seharusnya mengandung sejumlah wilayah yang halus dan seragam serta cocok bagi evolusi kehidupan cerdas.
Sebaliknya, jika keadaan awal alam semesta harus dipilih dengan sangat cermat untuk menghasilkan sesuatu seperti yang kita lihat di sekitar kita, maka kecil kemungkinan alam semesta mengandung wilayah mana pun tempat kehidupan dapat muncul. Dalam model dentuman besar panas yang dijelaskan sebelumnya, tidak ada cukup waktu di alam semesta awal bagi panas untuk mengalir dari satu wilayah ke wilayah lain. Ini berarti keadaan awal alam semesta harus memiliki suhu yang persis sama di mana-mana untuk menjelaskan kenyataan bahwa radiasi latar gelombang mikro memiliki suhu yang sama ke segala arah yang kita pandang.
Laju pengembangan awal juga harus dipilih dengan sangat tepat agar laju pengembangan itu tetap begitu dekat dengan laju kritis yang diperlukan untuk menghindari keruntuhan kembali. Ini berarti keadaan awal alam semesta benar-benar harus dipilih dengan sangat hati-hati jika model dentuman besar panas benar sejak awal waktu. Akan sangat sulit menjelaskan mengapa alam semesta harus bermula dengan cara seperti itu, kecuali sebagai tindakan Tuhan yang bermaksud menciptakan makhluk seperti kita.
Comments (1)
bacaan berkualitas ini.....
0 0 15-Oct-2019 04:58:58