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

Dalam upaya menemukan model alam semesta di mana banyak konfigurasi awal berbeda dapat berevolusi menjadi sesuatu seperti alam semesta kini, seorang ilmuwan di Massachusetts Institute of Technology, Alan Guth, mengusulkan bahwa alam semesta awal mungkin telah melalui suatu periode pengembangan yang sangat cepat. Pengembangan ini disebut “inflasioner,” yang berarti bahwa pada suatu waktu alam semesta mengembang dengan laju yang semakin meningkat, bukan laju yang semakin menurun seperti sekarang.

Menurut Guth, jari-jari alam semesta meningkat sejuta juta juta juta juta kali (1 dengan tiga puluh nol di belakangnya) hanya dalam sebagian kecil detik.

Guth mengusulkan bahwa alam semesta bermula dari dentuman besar dalam keadaan yang sangat panas, namun cukup kacau. Suhu tinggi ini berarti partikel-partikel di alam semesta bergerak sangat cepat dan memiliki energi sangat besar. Seperti dibahas sebelumnya, pada suhu setinggi itu diharapkan gaya nuklir kuat, gaya nuklir lemah, dan gaya elektromagnetik semuanya menyatu menjadi satu gaya tunggal.

Seiring alam semesta mengembang, ia akan mendingin dan energi partikel menurun. Pada akhirnya akan terjadi apa yang disebut transisi fase dan simetri antara gaya-gaya tersebut akan pecah: gaya kuat menjadi berbeda dari gaya lemah dan gaya elektromagnetik. Contoh umum transisi fase adalah pembekuan air ketika didinginkan. Air cair bersifat simetris, sama di setiap titik dan ke setiap arah. Namun ketika kristal es terbentuk, mereka memiliki posisi tertentu dan tersusun dalam arah tertentu. Ini mematahkan simetri air.

Dalam kasus air, jika berhati-hati, seseorang dapat “mendinginkannya secara berlebih,” yakni menurunkan suhu di bawah titik beku (0°C) tanpa terbentuknya es. Guth mengusulkan bahwa alam semesta mungkin berperilaku serupa: suhu dapat turun di bawah nilai kritis tanpa simetri antar gaya terpecah. Jika ini terjadi, alam semesta akan berada dalam keadaan tidak stabil, dengan energi lebih besar dibanding jika simetri telah terpecah. Energi tambahan khusus ini dapat ditunjukkan memiliki efek antigravitasi: ia akan bertindak seperti konstanta kosmologis yang diperkenalkan Einstein ke dalam relativitas umum ketika ia mencoba membangun model alam semesta statis.

Karena alam semesta sudah mengembang seperti dalam model dentuman besar panas, efek tolak dari konstanta kosmologis efektif ini akan membuat alam semesta mengembang dengan laju yang terus meningkat. Bahkan di wilayah dengan partikel materi lebih banyak dari rata-rata, tarikan gravitasi materi akan kalah oleh tolakan konstanta kosmologis efektif tersebut. Dengan demikian wilayah-wilayah ini pun akan mengembang secara inflasioner dengan percepatan.

Ketika mereka mengembang dan partikel materi semakin berjauhan, akan tersisa alam semesta yang mengembang dengan hampir tidak ada partikel dan masih dalam keadaan superdingin. Setiap ketidakteraturan di alam semesta akan diratakan oleh pengembangan ini, seperti kerutan pada balon yang menghilang ketika ditiup. Dengan demikian keadaan alam semesta yang kini halus dan seragam dapat berevolusi dari banyak keadaan awal yang tidak seragam.

Dalam alam semesta semacam ini, di mana pengembangan dipercepat oleh konstanta kosmologis alih-alih diperlambat oleh tarikan gravitasi materi, akan tersedia cukup waktu bagi cahaya untuk merambat dari satu wilayah ke wilayah lain di alam semesta awal. Ini dapat memberikan solusi bagi masalah mengapa berbagai wilayah di alam semesta awal memiliki sifat yang sama. Selain itu, laju pengembangan alam semesta secara otomatis akan menjadi sangat dekat dengan laju kritis yang ditentukan oleh kerapatan energinya. Ini dapat menjelaskan mengapa laju pengembangan masih begitu dekat dengan laju kritis tanpa perlu mengandaikan bahwa laju awalnya dipilih dengan sangat cermat.

Gagasan inflasi juga dapat menjelaskan mengapa terdapat begitu banyak materi di alam semesta. Diperkirakan ada sekitar 1 dengan delapan puluh nol partikel di wilayah alam semesta yang dapat kita amati. Dari mana semuanya berasal? Dalam teori kuantum, partikel dapat diciptakan dari energi dalam bentuk pasangan partikel/antipartikel. Namun ini menimbulkan pertanyaan tentang dari mana energi itu berasal.

Jawabannya adalah bahwa total energi alam semesta tepat nol. Materi di alam semesta tersusun dari energi positif. Namun seluruh materi itu saling tarik-menarik secara gravitasi. Dua potong materi yang berdekatan memiliki energi lebih kecil daripada dua potong yang berjauhan, karena diperlukan energi untuk memisahkan mereka melawan gaya gravitasi yang menariknya bersama. Dengan demikian, dalam arti tertentu, medan gravitasi memiliki energi negatif. Dalam alam semesta yang kira-kira seragam di ruang, dapat ditunjukkan bahwa energi gravitasi negatif ini tepat membatalkan energi positif yang diwakili materi. Jadi total energi alam semesta adalah nol.

Dua kali nol tetap nol. Maka alam semesta dapat menggandakan jumlah energi materi positif dan sekaligus menggandakan energi gravitasi negatif tanpa melanggar hukum kekekalan energi. Ini tidak terjadi dalam pengembangan normal, di mana kerapatan energi materi menurun ketika alam semesta membesar. Namun hal ini terjadi dalam pengembangan inflasioner, karena kerapatan energi keadaan superdingin tetap konstan saat alam semesta mengembang. Ketika alam semesta berlipat dua ukurannya, energi materi positif dan energi gravitasi negatif keduanya berlipat dua, sehingga total energi tetap nol.

Selama fase inflasi, alam semesta bertambah ukurannya dalam jumlah yang sangat besar. Dengan demikian, total energi yang tersedia untuk menciptakan partikel menjadi sangat besar. Seperti dikatakan Guth, “Dikatakan tidak ada makan siang gratis. Tetapi alam semesta adalah makan siang gratis yang paling utama.”

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

Alam semesta tidak lagi mengembang secara inflasioner saat ini. Maka harus ada mekanisme yang menghilangkan konstanta kosmologis efektif yang sangat besar itu dan mengubah laju pengembangan dari percepatan menjadi perlambatan akibat gravitasi, seperti yang kita alami sekarang. Dalam pengembangan inflasioner, orang dapat mengharapkan bahwa pada akhirnya simetri antar gaya akan pecah, sebagaimana air superdingin pada akhirnya selalu membeku. Energi tambahan dari keadaan simetri tak terpecah akan dilepaskan dan memanaskan kembali alam semesta hingga suhu tepat di bawah suhu kritis simetri antar gaya.

Alam semesta kemudian akan terus mengembang dan mendingin seperti dalam model dentuman besar panas, tetapi kini terdapat penjelasan mengapa alam semesta mengembang tepat pada laju kritis dan mengapa berbagai wilayah memiliki suhu yang sama.

Dalam usulan awal Guth, transisi fase dianggap terjadi secara tiba-tiba, seperti munculnya kristal es dalam air yang sangat dingin. Gagasannya adalah bahwa “gelembung-gelembung” fase baru dengan simetri terpecah akan terbentuk dalam fase lama, seperti gelembung uap dalam air mendidih. Gelembung-gelembung itu diharapkan mengembang dan saling bertemu hingga seluruh alam semesta berada dalam fase baru.

Masalahnya, seperti yang saya dan beberapa orang lain tunjukkan, alam semesta mengembang begitu cepat sehingga bahkan jika gelembung tumbuh dengan kecepatan cahaya, mereka akan saling menjauh dan tidak dapat bergabung. Alam semesta akan tertinggal dalam keadaan sangat tidak seragam, dengan beberapa wilayah masih mempertahankan simetri antar gaya. Model seperti itu tidak sesuai dengan apa yang kita amati.

Pada Oktober 1981, saya pergi ke Moskwa untuk menghadiri konferensi tentang gravitasi kuantum. Setelah konferensi itu saya memberikan seminar tentang model inflasioner dan masalah-masalahnya di Institut Astronomi Sternberg. Di antara hadirin terdapat seorang ilmuwan Rusia muda, Andrei Linde, dari Institut Lebedev di Moskwa. Ia mengatakan bahwa kesulitan tentang gelembung yang tidak bergabung dapat dihindari jika gelembung-gelembung itu begitu besar sehingga wilayah alam semesta kita seluruhnya berada dalam satu gelembung.

Agar ini berhasil, perubahan dari simetri ke simetri terpecah harus berlangsung sangat lambat di dalam gelembung, tetapi hal ini cukup mungkin menurut teori penyatuan agung. Gagasan Linde tentang pemecahan simetri yang lambat sangat baik, namun kemudian saya menyadari bahwa gelembungnya harus lebih besar daripada ukuran alam semesta pada saat itu. Saya menunjukkan bahwa sebaliknya, simetri akan pecah di mana-mana pada saat yang sama, bukan hanya di dalam gelembung. Ini akan menghasilkan alam semesta seragam seperti yang kita amati.

Saya sangat bersemangat dengan gagasan ini dan mendiskusikannya dengan salah satu mahasiswa saya, Ian Moss. Sebagai teman Linde, saya agak canggung ketika kemudian diminta menilai makalahnya untuk publikasi. Saya menjawab bahwa memang ada kekurangan mengenai ukuran gelembung yang lebih besar dari alam semesta, tetapi gagasan dasar pemecahan simetri lambat sangat baik. Saya merekomendasikan makalah itu diterbitkan sebagaimana adanya, karena akan memakan waktu berbulan-bulan bagi Linde untuk memperbaikinya akibat sensor Soviet. Sebaliknya, saya menulis makalah singkat bersama Ian Moss di jurnal yang sama, menunjukkan masalah tersebut dan bagaimana menyelesaikannya.

Beberapa bulan kemudian, gagasan yang sangat mirip dengan milik Linde diajukan secara independen oleh Paul Steinhardt dan Andreas Albrecht dari Universitas Pennsylvania. Mereka kini berbagi penghargaan bersama Linde untuk apa yang disebut “model inflasioner baru,” berdasarkan gagasan pemecahan simetri lambat.

Model inflasioner baru merupakan upaya baik untuk menjelaskan mengapa alam semesta seperti yang kita lihat. Namun saya dan beberapa orang lain menunjukkan bahwa, setidaknya dalam bentuk aslinya, model itu meramalkan variasi suhu radiasi latar gelombang mikro yang jauh lebih besar daripada yang diamati. Penelitian selanjutnya juga meragukan apakah transisi fase seperti yang diperlukan benar-benar terjadi di alam semesta awal.

Menurut pendapat pribadi saya, model inflasioner baru kini telah mati sebagai teori ilmiah, meskipun banyak orang tampaknya belum menyadari hal itu dan masih menulis makalah seolah-olah model tersebut masih layak. Model yang lebih baik, disebut model inflasi kacau, diajukan oleh Linde pada tahun 1983. Dalam model ini tidak ada transisi fase atau superpendinginan. Sebaliknya terdapat medan spin 0 yang, karena fluktuasi kuantum, memiliki nilai besar di beberapa wilayah alam semesta awal. Energi medan di wilayah tersebut bertindak seperti konstanta kosmologis, memiliki efek gravitasi tolak dan menyebabkan wilayah itu mengembang secara inflasioner.

Ketika mengembang, energi medan perlahan menurun hingga pengembangan inflasioner berubah menjadi pengembangan seperti dalam model dentuman besar panas. Salah satu wilayah tersebut menjadi apa yang kini kita lihat sebagai alam semesta teramati. Model ini memiliki semua keunggulan model inflasioner sebelumnya, tetapi tidak bergantung pada transisi fase yang meragukan, dan juga memberikan besaran fluktuasi suhu radiasi latar gelombang mikro yang sesuai dengan pengamatan.

Pekerjaan mengenai model-model inflasioner ini menunjukkan bahwa keadaan alam semesta saat ini dapat muncul dari sejumlah besar konfigurasi awal yang berbeda. Ini penting karena menunjukkan bahwa keadaan awal bagian alam semesta yang kita huni tidak harus dipilih dengan sangat cermat. Kita dapat, jika mau, menggunakan prinsip antropik lemah untuk menjelaskan mengapa alam semesta tampak seperti sekarang.

Namun tidak benar bahwa setiap konfigurasi awal akan menghasilkan alam semesta seperti yang kita amati. Hal ini dapat ditunjukkan dengan membayangkan keadaan alam semesta saat ini yang sangat bergumpal dan tidak teratur. Dengan menggunakan hukum-hukum sains, kita dapat melacak evolusinya kembali ke masa lalu. Menurut teorema singularitas relativitas umum klasik, tetap akan ada singularitas dentuman besar. Jika alam semesta semacam itu dievolusikan ke depan menurut hukum-hukum sains, ia akan berakhir kembali dalam keadaan bergumpal dan tidak teratur.

Dengan demikian, pasti ada konfigurasi awal yang tidak menghasilkan alam semesta seperti yang kita lihat hari ini. Jadi bahkan model inflasioner pun tidak menjelaskan mengapa konfigurasi awal bukanlah yang menghasilkan sesuatu yang sangat berbeda dari yang kita amati. Haruskah kita kembali pada prinsip antropik untuk penjelasan? Apakah semuanya hanyalah kebetulan semata? Itu tampaknya merupakan nasihat keputusasaan, penyangkalan atas harapan kita untuk memahami keteraturan mendasar alam semesta.

Untuk memprediksi bagaimana alam semesta seharusnya bermula, kita memerlukan hukum-hukum yang berlaku pada awal waktu. Jika teori klasik relativitas umum benar, teorema singularitas yang dibuktikan oleh Roger Penrose dan saya menunjukkan bahwa awal waktu merupakan titik dengan kerapatan tak terhingga dan kelengkungan ruang-waktu tak terhingga. Semua hukum sains yang diketahui akan runtuh pada titik semacam itu.

Seseorang mungkin menduga bahwa ada hukum-hukum baru yang berlaku pada singularitas, tetapi akan sangat sulit merumuskan hukum semacam itu pada titik yang begitu bermasalah, dan kita tidak memiliki petunjuk pengamatan tentang seperti apa hukum tersebut. Namun sebenarnya teorema singularitas menunjukkan bahwa medan gravitasi menjadi begitu kuat sehingga efek gravitasi kuantum menjadi penting: teori klasik tidak lagi memadai untuk menggambarkan alam semesta. Maka kita harus menggunakan teori gravitasi kuantum untuk membahas tahap paling awal alam semesta.

Dalam teori kuantum, mungkin saja hukum-hukum sains biasa berlaku di mana-mana, termasuk pada awal waktu: tidak perlu mengandaikan hukum baru untuk singularitas, karena dalam teori kuantum mungkin tidak ada singularitas sama sekali.

Kita belum memiliki teori lengkap dan konsisten yang menggabungkan mekanika kuantum dan gravitasi. Namun kita cukup yakin akan beberapa ciri yang seharusnya dimiliki teori terpadu semacam itu. Salah satunya adalah bahwa teori tersebut harus memasukkan usulan Feynman untuk merumuskan teori kuantum sebagai penjumlahan atas sejarah. Dalam pendekatan ini, sebuah partikel tidak memiliki hanya satu sejarah seperti dalam teori klasik. Sebaliknya, ia dianggap mengikuti setiap lintasan yang mungkin dalam ruang-waktu, dan pada setiap sejarah ini terkait dua bilangan: satu mewakili besar gelombang dan satu lagi mewakili posisinya dalam siklus (fasenya).

Probabilitas bahwa partikel, misalnya, melewati suatu titik tertentu diperoleh dengan menjumlahkan gelombang yang terkait dengan setiap sejarah yang melewati titik tersebut. Namun ketika mencoba melakukan penjumlahan ini, muncul kesulitan teknis besar. Satu-satunya cara mengatasinya adalah dengan resep yang agak ganjil: menjumlahkan gelombang untuk sejarah partikel yang tidak berlangsung dalam waktu “nyata” yang kita alami, melainkan dalam apa yang disebut waktu imajiner.

Waktu imajiner mungkin terdengar seperti fiksi ilmiah, tetapi sebenarnya merupakan konsep matematis yang terdefinisi dengan baik. Jika kita mengambil bilangan biasa (atau “nyata”) dan mengalikannya dengan dirinya sendiri, hasilnya bilangan positif. Namun ada bilangan khusus (disebut bilangan imajiner) yang ketika dikalikan dengan dirinya sendiri menghasilkan bilangan negatif. Bilangan yang disebut i, ketika dikalikan dengan dirinya sendiri, menghasilkan –1; 2i dikalikan dengan dirinya sendiri menghasilkan –4, dan seterusnya.

Bilangan nyata dapat direpresentasikan sebagai garis dari kiri ke kanan dengan nol di tengah; bilangan negatif di kiri dan positif di kanan. Bilangan imajiner direpresentasikan sebagai garis naik turun dengan i, 2i, dan seterusnya di atas tengah, serta –i, –2i di bawahnya. Dengan demikian bilangan imajiner dalam suatu arti adalah bilangan yang tegak lurus terhadap bilangan nyata biasa.

Untuk menghindari kesulitan teknis dalam penjumlahan atas sejarah Feynman, kita harus menggunakan waktu imajiner. Artinya, untuk keperluan perhitungan, waktu diukur dengan bilangan imajiner, bukan nyata. Ini memiliki efek menarik pada ruang-waktu: perbedaan antara waktu dan ruang lenyap sepenuhnya. Ruang-waktu dengan nilai koordinat waktu imajiner disebut ruang-waktu Euclidean, dinamai dari Euclid yang mendirikan geometri permukaan dua dimensi. Ruang-waktu Euclidean modern serupa, hanya saja memiliki empat dimensi, bukan dua.

Dalam ruang-waktu Euclidean tidak ada perbedaan antara arah waktu dan arah ruang. Sebaliknya, dalam ruang-waktu nyata dengan koordinat waktu nyata, arah waktu berada dalam kerucut cahaya, sementara arah ruang berada di luar. Namun dalam mekanika kuantum sehari-hari, penggunaan waktu imajiner dan ruang-waktu Euclidean dapat dianggap sekadar perangkat matematis untuk menghitung jawaban tentang ruang-waktu nyata.

Ciri kedua yang diyakini harus menjadi bagian teori pamungkas adalah gagasan Einstein bahwa medan gravitasi direpresentasikan oleh ruang-waktu melengkung. Partikel berusaha mengikuti lintasan paling lurus dalam ruang melengkung, tetapi karena ruang-waktu tidak datar, lintasannya tampak dibelokkan seolah-olah oleh medan gravitasi.

Ketika penjumlahan atas sejarah Feynman diterapkan pada pandangan Einstein tentang gravitasi, analogi sejarah partikel kini menjadi seluruh ruang-waktu melengkung yang merepresentasikan sejarah seluruh alam semesta. Untuk menghindari kesulitan teknis dalam penjumlahan tersebut, ruang-waktu melengkung ini harus dianggap Euclidean, yakni waktu bersifat imajiner dan tak terbedakan dari arah ruang.

Untuk menghitung probabilitas menemukan ruang-waktu nyata dengan sifat tertentu, misalnya tampak sama di setiap titik dan ke setiap arah, kita menjumlahkan gelombang yang terkait dengan semua sejarah yang memiliki sifat tersebut.

Dalam teori klasik relativitas umum, terdapat banyak ruang-waktu melengkung berbeda yang mungkin, masing-masing sesuai dengan keadaan awal alam semesta yang berbeda. Jika kita mengetahui keadaan awal alam semesta kita, kita akan mengetahui seluruh sejarahnya.

Demikian pula, dalam teori gravitasi kuantum terdapat banyak keadaan kuantum berbeda yang mungkin bagi alam semesta. Jika kita mengetahui bagaimana ruang-waktu Euclidean melengkung dalam penjumlahan atas sejarah berperilaku pada masa awal, kita akan mengetahui keadaan kuantum alam semesta.