[Buku Bahasa Indonesia stephen hawking] Grand Design
Tidak semua orang menyukai gambaran dentuman besar. Istilah “big bang” sendiri diciptakan pada tahun 1949 oleh astrofisikawan Cambridge Fred Hoyle, yang percaya pada alam semesta yang mengembang selamanya, dan ia menggunakan istilah itu sebagai sebutan yang meremehkan. Pengamatan langsung pertama yang mendukung gagasan tersebut baru muncul pada tahun 1965, dengan ditemukannya latar belakang gelombang mikro samar di seluruh ruang. Radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik ini sama dengan yang ada di oven microwave Anda, tetapi jauh lebih lemah. Anda dapat mengamatinya sendiri dengan menyetel televisi ke saluran yang tidak terpakai—beberapa persen dari bintik-bintik statis yang Anda lihat di layar disebabkan olehnya. Radiasi itu ditemukan secara tidak sengaja oleh dua ilmuwan Bell Labs yang sedang mencoba menghilangkan gangguan semacam itu dari antena gelombang mikro mereka. Awalnya mereka mengira gangguan tersebut mungkin berasal dari kotoran merpati yang bertengger pada peralatan mereka, tetapi ternyata sumbernya jauh lebih menarik—radiasi itu merupakan sisa dari alam semesta yang sangat panas dan padat tak lama setelah dentuman besar. Seiring alam semesta mengembang, ia mendingin hingga radiasi tersebut menjadi sisa samar yang kini kita amati. Saat ini gelombang mikro itu hanya mampu memanaskan makanan Anda hingga sekitar −270 derajat Celsius—3 derajat di atas nol mutlak, dan jelas tidak cukup untuk meletupkan jagung.
Para astronom juga menemukan jejak lain yang mendukung gambaran dentuman besar tentang alam semesta awal yang kecil dan panas. Misalnya, selama sekitar menit pertama, alam semesta lebih panas daripada pusat bintang biasa. Dalam periode itu seluruh alam semesta bertindak sebagai reaktor fusi nuklir. Reaksi-reaksi itu berhenti ketika alam semesta mengembang dan cukup mendingin, tetapi teori meramalkan bahwa hal ini akan meninggalkan alam semesta yang sebagian besar terdiri dari hidrogen, sekitar 23 persen helium, dengan jejak litium (semua unsur yang lebih berat terbentuk kemudian di dalam bintang). Perhitungan ini sangat sesuai dengan jumlah helium, hidrogen, dan litium yang kita amati.
Pengukuran kelimpahan helium dan radiasi latar belakang gelombang mikro memberikan bukti meyakinkan yang mendukung gambaran dentuman besar tentang alam semesta awal. Namun meskipun gambaran itu dapat dianggap sebagai deskripsi yang sah tentang masa-masa awal, keliru jika menafsirkan dentuman besar secara harfiah, yakni menganggap teori Einstein memberikan gambaran sejati tentang asal-usul alam semesta. Sebab relativitas umum meramalkan adanya suatu titik waktu ketika suhu, kerapatan, dan kelengkungan alam semesta semuanya tak terhingga, suatu keadaan yang oleh matematikawan disebut singularitas. Bagi fisikawan, ini berarti bahwa teori Einstein runtuh pada titik itu dan tidak dapat digunakan untuk meramalkan bagaimana alam semesta bermula, melainkan hanya bagaimana ia berevolusi setelahnya. Jadi meskipun kita dapat menggunakan persamaan relativitas umum dan pengamatan langit untuk mempelajari alam semesta pada usia yang sangat muda, tidaklah tepat membawa gambaran dentuman besar hingga ke awal mutlak.
Kita akan segera membahas persoalan asal-usul alam semesta, tetapi terlebih dahulu beberapa kata tentang fase pertama pengembangan. Para fisikawan menyebutnya inflasi. Kecuali Anda pernah tinggal di Zimbabwe, di mana inflasi mata uang baru-baru ini melampaui 200.000.000 persen, istilah itu mungkin tidak terdengar terlalu eksplosif. Namun menurut bahkan perkiraan yang konservatif, selama inflasi kosmologis ini alam semesta mengembang dengan faktor 1.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 dalam 0,00000000000000000000000000000000001 detik. Seolah-olah sebuah koin berdiameter 1 sentimeter tiba-tiba membesar menjadi sepuluh juta kali lebar Bima Sakti. Hal ini mungkin tampak melanggar relativitas, yang menyatakan bahwa tidak ada yang dapat bergerak lebih cepat dari cahaya, tetapi batas kecepatan itu tidak berlaku bagi pengembangan ruang itu sendiri.
Gagasan bahwa episode inflasi semacam itu mungkin terjadi pertama kali diajukan pada tahun 1980, berdasarkan pertimbangan yang melampaui teori relativitas umum Einstein dan memperhitungkan aspek teori kuantum. Karena kita belum memiliki teori kuantum gravitasi yang lengkap, rinciannya masih terus dikembangkan, dan para fisikawan belum yakin persis bagaimana inflasi terjadi. Namun menurut teori, pengembangan yang disebabkan oleh inflasi tidak sepenuhnya seragam seperti yang diramalkan oleh gambaran dentuman besar tradisional. Ketidakteraturan ini akan menghasilkan variasi sangat kecil dalam suhu radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik ke berbagai arah. Variasi tersebut terlalu kecil untuk diamati pada tahun 1960-an, tetapi pertama kali ditemukan pada tahun 1992 oleh satelit COBE milik NASA, dan kemudian diukur oleh penerusnya, satelit WMAP, yang diluncurkan pada tahun 2001. Akibatnya, kini kita yakin bahwa inflasi benar-benar terjadi.
Ironisnya, meskipun variasi kecil dalam radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik merupakan bukti inflasi, salah satu alasan inflasi menjadi konsep penting adalah keseragaman suhu radiasi tersebut yang hampir sempurna. Jika Anda membuat satu bagian suatu benda lebih panas daripada sekitarnya dan kemudian menunggu, titik panas itu akan mendingin dan sekitarnya akan menghangat hingga suhu benda menjadi seragam. Demikian pula, seseorang akan mengharapkan alam semesta akhirnya memiliki suhu yang seragam. Tetapi proses ini memerlukan waktu, dan jika inflasi tidak terjadi, tidak akan ada cukup waktu dalam sejarah alam semesta bagi panas di wilayah yang sangat berjauhan untuk menjadi seimbang, dengan asumsi bahwa kecepatan perpindahan panas dibatasi oleh kecepatan cahaya. Periode pengembangan yang sangat cepat (jauh lebih cepat daripada cahaya) mengatasi hal ini karena akan ada cukup waktu bagi penyamaan itu untuk terjadi dalam alam semesta awal yang sangat kecil sebelum inflasi.
Inflasi menjelaskan dentuman dalam dentuman besar, setidaknya dalam arti bahwa pengembangan yang diwakilinya jauh lebih ekstrem daripada pengembangan yang diramalkan oleh teori dentuman besar tradisional dalam kerangka relativitas umum selama selang waktu ketika inflasi berlangsung. Masalahnya adalah, agar model teoretis inflasi kita berhasil, keadaan awal alam semesta harus diatur dengan cara yang sangat khusus dan sangat tidak mungkin. Dengan demikian teori inflasi tradisional menyelesaikan satu rangkaian persoalan tetapi menciptakan yang lain—kebutuhan akan keadaan awal yang sangat istimewa. Persoalan titik nol waktu ini dihilangkan dalam teori penciptaan alam semesta yang akan kita uraikan.
Karena kita tidak dapat menggambarkan penciptaan dengan menggunakan teori relativitas umum Einstein, maka jika kita ingin menggambarkan asal-usul alam semesta, relativitas umum harus digantikan oleh teori yang lebih lengkap. Bahkan jika relativitas umum tidak runtuh, kita tetap memerlukan teori yang lebih lengkap, karena relativitas umum tidak memperhitungkan struktur materi pada skala kecil, yang diatur oleh teori kuantum. Kita telah menyebutkan dalam Bab 4 bahwa untuk sebagian besar tujuan praktis teori kuantum tidak terlalu relevan bagi studi struktur alam semesta berskala besar, karena ia berlaku untuk deskripsi alam pada skala mikroskopis. Namun jika kita menelusuri cukup jauh ke masa lampau, alam semesta pernah sekecil ukuran Planck, seper miliar triliun triliun sentimeter, yaitu skala di mana teori kuantum harus diperhitungkan.
Jadi meskipun kita belum memiliki teori kuantum gravitasi yang lengkap, kita tahu bahwa asal-usul alam semesta adalah peristiwa kuantum. Karena itu, sebagaimana kita menggabungkan teori kuantum dan relativitas umum—setidaknya secara sementara—untuk memperoleh teori inflasi, jika kita ingin menelusuri lebih jauh dan memahami asal-usul alam semesta, kita harus menggabungkan apa yang kita ketahui tentang relativitas umum dengan teori kuantum.
Untuk melihat bagaimana hal ini bekerja, kita perlu memahami prinsip bahwa gravitasi melengkungkan ruang dan waktu. Pelengkungan ruang lebih mudah dibayangkan daripada pelengkungan waktu. Bayangkan bahwa alam semesta adalah permukaan meja biliar yang datar. Permukaan meja itu merupakan ruang datar, setidaknya dalam dua dimensi. Jika Anda menggelindingkan bola di atas meja itu, ia akan bergerak dalam garis lurus. Namun jika meja itu menjadi melengkung atau penyok di beberapa tempat, seperti dalam ilustrasi di bawah, maka bola itu akan berbelok.
Mudah untuk melihat bagaimana meja biliar melengkung dalam contoh ini karena ia membengkok ke dalam dimensi ketiga di luar dirinya, yang dapat kita lihat. Karena kita tidak dapat melangkah keluar dari ruang-waktu kita sendiri untuk menyaksikan kelengkungannya, kelengkungan ruang-waktu di alam semesta kita lebih sulit dibayangkan. Namun, kelengkungan dapat dideteksi bahkan jika Anda tidak dapat keluar dan melihatnya dari perspektif ruang yang lebih besar. Ia dapat dideteksi dari dalam ruang itu sendiri. Bayangkan seekor mikro-semut yang terkurung di permukaan meja tersebut.
Bahkan tanpa kemampuan meninggalkan meja, semut itu dapat mendeteksi kelengkungan dengan memetakan jarak secara saksama. Misalnya, jarak mengelilingi sebuah lingkaran dalam ruang datar selalu sedikit lebih besar daripada tiga kali jarak melintasi diameternya (kelipatan sebenarnya adalah π). Namun, jika semut itu memotong melintasi sebuah lingkaran yang mencakup cekungan pada meja yang digambarkan di atas, ia akan mendapati bahwa jarak melintasinya lebih besar daripada yang diharapkan, lebih besar daripada sepertiga jarak kelilingnya. Bahkan, jika cekungan itu cukup dalam, semut akan menemukan bahwa jarak mengelilingi lingkaran tersebut lebih pendek daripada jarak melintasinya.
Hal yang sama berlaku bagi kelengkungan di alam semesta kita—ia meregangkan atau memampatkan jarak antara titik-titik di ruang, mengubah geometri atau bentuknya dengan cara yang dapat diukur dari dalam alam semesta itu sendiri. Kelengkungan waktu meregangkan atau memampatkan selang waktu dengan cara yang sepadan.
Dengan dipersenjatai gagasan-gagasan ini, marilah kita kembali pada persoalan permulaan alam semesta. Kita dapat berbicara secara terpisah tentang ruang dan waktu, sebagaimana telah kita lakukan dalam pembahasan ini, dalam situasi yang melibatkan kecepatan rendah dan gravitasi lemah. Namun secara umum, waktu dan ruang dapat saling bertaut, sehingga peregangan dan pemampatannya juga melibatkan tingkat percampuran tertentu. Percampuran ini penting dalam alam semesta awal dan merupakan kunci untuk memahami permulaan waktu.
Persoalan tentang permulaan waktu sedikit mirip dengan persoalan tentang tepi dunia. Ketika orang-orang dahulu mengira dunia itu datar, orang mungkin bertanya-tanya apakah laut tumpah melewati tepinya. Hal ini telah diuji secara eksperimental: seseorang dapat mengelilingi dunia dan tidak terjatuh. Masalah tentang apa yang terjadi di tepi dunia terpecahkan ketika orang menyadari bahwa dunia bukanlah sebuah lempeng datar, melainkan permukaan yang melengkung.
Namun waktu tampak seperti rel kereta model. Jika ia memiliki permulaan, pasti ada seseorang (yakni, Tuhan) yang memulai jalannya kereta-kereta itu. Meskipun teori relativitas umum Einstein menyatukan waktu dan ruang sebagai ruang-waktu dan melibatkan tingkat percampuran tertentu antara ruang dan waktu, waktu tetap berbeda dari ruang, dan entah memiliki permulaan serta akhir atau terus berlangsung selamanya. Namun, ketika kita menambahkan efek teori kuantum ke dalam teori relativitas umum, dalam keadaan ekstrem kelengkungan dapat terjadi sedemikian besar sehingga waktu berperilaku seperti dimensi ruang lainnya.
Dalam alam semesta awal—ketika alam semesta cukup kecil untuk diatur oleh relativitas umum dan teori kuantum sekaligus—secara efektif terdapat empat dimensi ruang dan tidak ada dimensi waktu. Itu berarti bahwa ketika kita berbicara tentang “permulaan” alam semesta, kita menyentuh persoalan halus bahwa ketika kita menengok kembali menuju alam semesta yang sangat awal, waktu sebagaimana kita mengenalnya tidaklah ada. Kita harus menerima bahwa gagasan biasa kita tentang ruang dan waktu tidak berlaku bagi alam semesta yang sangat awal. Hal itu berada di luar pengalaman kita, tetapi tidak di luar imajinasi kita, ataupun matematika kita.
Jika dalam alam semesta awal keempat dimensi berperilaku seperti ruang, apa yang terjadi pada permulaan waktu?
Kesadaran bahwa waktu dapat berperilaku seperti arah ruang lainnya berarti kita dapat menyingkirkan masalah tentang waktu yang memiliki permulaan, dengan cara yang serupa ketika kita menyingkirkan persoalan tentang tepi dunia. Misalkan permulaan alam semesta itu seperti Kutub Selatan bumi, dengan derajat garis lintang memainkan peran sebagai waktu. Ketika seseorang bergerak ke utara, lingkaran-lingkaran garis lintang yang tetap, yang mewakili ukuran alam semesta, akan mengembang. Alam semesta akan bermula sebagai sebuah titik di Kutub Selatan, tetapi Kutub Selatan itu sendiri tidak berbeda dari titik-titik lainnya.
Bertanya tentang apa yang terjadi sebelum permulaan alam semesta menjadi pertanyaan yang tak bermakna, karena tidak ada apa pun di sebelah selatan Kutub Selatan. Dalam gambaran ini ruang-waktu tidak memiliki batas—hukum-hukum alam yang sama berlaku di Kutub Selatan sebagaimana di tempat lain. Dengan cara yang sepadan, ketika seseorang menggabungkan relativitas umum dengan teori kuantum, pertanyaan tentang apa yang terjadi sebelum permulaan alam semesta menjadi tidak bermakna. Gagasan bahwa sejarah harus merupakan permukaan tertutup tanpa batas ini disebut kondisi tanpa-batas.
Selama berabad-abad, banyak orang, termasuk Aristoteles, percaya bahwa alam semesta pasti selalu ada untuk menghindari persoalan tentang bagaimana ia ditata pada mulanya. Yang lain percaya bahwa alam semesta memiliki permulaan, dan menggunakan hal itu sebagai argumen bagi keberadaan Tuhan. Kesadaran bahwa waktu berperilaku seperti ruang menghadirkan alternatif baru. Ia menyingkirkan keberatan kuno terhadap gagasan bahwa alam semesta memiliki permulaan, tetapi sekaligus berarti bahwa permulaan alam semesta diatur oleh hukum-hukum sains dan tidak perlu digerakkan oleh suatu dewa.
Jika asal-usul alam semesta merupakan peristiwa kuantum, ia seharusnya dideskripsikan secara tepat oleh penjumlahan sejarah Feynman. Namun, menerapkan teori kuantum pada seluruh alam semesta—di mana para pengamat merupakan bagian dari sistem yang diamati—merupakan hal yang rumit.
Comments (0)