Buku “Misteri Alam Semesta”

Buku "Misteri Alam Semesta"Misteri Alam Semesta
©Dennis Overbye

Untuk membacanya silakan unduh di Refray Library.

Berikut adalah salinan dari bab pertama:

Ada segelintir ilmuwan yang bisa dikatakan kekeliruannya lebih menarik daripada kesuksesan rekan-rekannya, Albert Einstein adalah salah satunya. Hanya sedikit “blunder” yang memiliki hidup lebih panjang dan lebih penting dari konstanta kosmologis, terkadang digambarkan sebagai faktor palsu paling terkenal dalam sejarah sains, yang Einstein tambahkan pada teori relativitas umumnya di tahun 1917. Peranan konstanta tersebut adalah menyediakan gaya tolak untuk menahan alam semesta dari (secara teoritis) kekolapsan karena bobotnya sendiri. Einstein menyerahkan konstanta kosmologis ketika alam semesta diketahui mengembang, tapi pada tahun-tahun berikutnya, konstanta kosmologis itu, layaknya Rasputin, bersikeras menolak untuk mati, menyeret dirinya tampil ke depan, membisikkan enigma-enigma mendalam dan gaya-gaya baru yang misterius di alam, setiap kali para kosmolog menemui kesukaran, sehingga mengharmoniskan kembali observasi mereka atas alam semesta dengan teori-teori mereka.

Tahun ini, konstanta kosmologis tersebut kembali masuk berita sebagai penjelasan atas penemuan yang banyak dilaporkan, berdasarkan observasi bintang-bintang meledak yang jauh, bahwa suatu jenis “energi aneh” rupanya sedang mempercepat perluasan alam semesta. “Jika konstanta kosmologis sudah mencukupi bagi Einstein,” kata Michael Turner dari Universitas Chicago dalam sebuah pertemuan pada bulan April, “maka semestinya juga mencukupi bagi kita.”

Einstein telah wafat 43 tahun lalu. Bagaimana ia dan faktor palsu 80-tahunnya sampai menjadi pusat revolusi dalam kosmologi modern?

Kisahnya bermula di Wina dengan sebuah konsep mistis yang Einstein sebut prinsip Mach. Wina adalah benteng intelektual Ernst Mach (1838-1916), fisikawan dan filsuf yang menunggangi sains Eropa layaknya seorang Colossus. Skala ukuran kecepatan supersonik dinamai dengan namanya. Peninggalan terbesarnya sangat filosofis; ia teguh berpendapat bahwa semua pengetahuan berasal dari akal sehat, dan kukuh menentang pengenalan konsep metafisik, demikian dia menganggapnya, dalam sains, atom contohnya.

Peninggalan lainnya adalah gagasan tentang absolute space (ruang absolut), yang membentuk kerangka alam semesta Newton. Mach berpendapat bahwa kita tidak melihat “ruang”, kita hanya pemain di dalamnya. Semua pengetahuan kita tentang gerak, jelasnya, hanya relatif menurut “bintang-bintang diam” (fixed star). Dalam buku-buku dan paper-nya, ia bertanya-tanya apakah kelembaman, kecenderungan sebuah objek untuk tetap diam atau bergerak hingga didorong oleh gaya eksternal, sama relatifnya dan berasal dari suatu interaksi dengan segala sesuatu di alam semesta.

“Apa yang terjadi pada hukum kelembaman jika seluruh angkasa mulai bergerak dan bintang-bintang berkerumun dalam keadaan kacau?” tulisnya pada tahun 1911. “Hanya jika alam semesta musnah kita akan tahu bahwa semua benda, dengan bagiannya masing-masing, sangat penting dalam hukum kelembaman.”

Mach tak pernah mengajukan taksiran tentang bagaimana interaksi misterius ini bekerja, tapi Einstein, yang mengagumi skeptisme Mach, terpikat pada apa yang kadang ia sebut sebagai prinsip Mach dan kadang disebutnya relativitas kelembaman. Ia ingin memasukkan konsep tersebut ke dalam teori relativitas umumnya, yang diselesaikan pada tahun 1915. Teori ini menjelaskan bagaimana materi dan energi mendistorsi atau “melengkungkan” geometri ruang dan waktu, menimbulkan sebuah fenomena yang disebut gravitasi.

Dalam bahasa relativitas umum, prinsip Mach menekankan bahwa lengkungan ruang-waktu hanya bisa dijelaskan melalui materi atau energi lain di alam semesta, dan bukan kondisi permulaan atau pengaruh luar apa pun – yang disebut fisikawan sebagai boundary condition (kondisi batas). Einstein mengartikan ini bahwa mustahil memecahkan persamaan miliknya untuk kasus objek terpisah (solitary object) – atom atau bintang yang sendirian di alam semesta – karena tak ada yang bisa diperbandingkan dengannya atau berinteraksi dengannya.

Jadi Einstein terkejut beberapa bulan setelah mengumumkan teori barunya, ketika Karl Schwarzschild, astrofisikawan Jerman yang bertugas di garis depan dalam Perang Dunia I, mengiriminya suatu solusi, yang melukiskan medan gravitasi di sekitar bintang terpisah (solitary star). “Saya tidak percaya bahwa penyelesaian sempurna atas persoalan massa pokok tersebut begitu sederhana,” ujar Einstein.

Mungkin sebagian terpacu oleh hasil Schwarzschild, Einstein mengalihkan perhatiannya di musim gugur 1916 pada penemuan alam semesta ber-boundary (berperbatasan) yang mencegah sebuah bintang melarikan diri dari tetangganya dan tidak melayang menuju ketersendirian tak terbatas non-Mach. Dia menyusun gagasannya dalam sebuah korespondensi dengan astronom Belanda, Willem de Sitter, yang mana akan diterbitkan musim panas tahun ini oleh Princeton University Press dalam Volume 8 “The Collected Papers of Albert Einstein”. Sebagaimana kebanyakan koleganya kala itu, Einstein menganggap alam semesta terdiri dari kumpulan bintang (cloud of stars), yaitu Bimasakti, yang dikelilingi oleh ruang yang luas. Salah satu pemikirannya memprediksikan eksistensi “massa jauh” yang melingkari pinggir Bimasakti layaknya sebuah pagar. Massa-massa ini melengkungkan ruang dan menutupnya.

Rekannya, de Sitter, mencemooh gagasan tersebut, mengatakan bahwa massa “supranatural” ini bukan bagian dari alam semesta tampak (visible universe). Gagasan tersebut tidak lebih lezat dari gagasan Newton tentang ruang absolut, yang sama-sama tak tampak dan berubah-ubah.

Dalam keputus-asaan dan terbaring karena penyakit kandung empedu pada Februari 1917, Einstein menemukan gagasan mengenai alam semesta tanpa boundary, di mana ruang melengkung sampai menemui dirinya sendiri, seperti permukaan bola, oleh materi di dalamnya. ”Saya telah mengemukakan usulan lain berkenaan dengan gravitasi, yang memberitahu saya tentang bahaya terkurung di rumah sempit,” utaranya pada seorang teman.

Ini membuang kebutuhan adanya boundary – permukaan bola tidak memiliki boundary. Alam semesta gelembung seperti itu hanya bisa dijelaskan melalui kandungan materi dan energinya, sebagaimana bunyi prinsip Mach. Tapi ada satu masalah baru; alam semesta ini tidak stabil, gelembung tentunya mengembang atau mengerut. Bimasakti terlihat tidak mengembang ataupun mengerut; bintang-bintangnya tidak terlihat sedang bergerak istimewa.

Di sinilah konstanta kosmologis masuk. Einstein membuat sedikit perbaikan matematis pada persamaan-persamaannya, menambahkan “sebuah faktor kosmologis” yang memantapkan persamaannya dan alam semesta. Secara fisika, faktor baru ini, yang dilambangkan dengan huruf lambda (Λ) Yunani, merepresentasikan suatu jenis gaya tolak long range (berjangkauan panjang/jauh), yang barangkali menahan kosmos dari kekolapsan akibat bobotnya sendiri.

Tak dapat disangkal, Einstein mengakui dalam paper-nya, bahwa konstanta kosmologis “tak bisa dibuktikan oleh pengetahuan gravitasi kita saat ini”, tapi itu pun tidak berkontradiksi dengan relativitas. Hasil menyenangkannya adalah alam semesta statis yang—hampir menurut setiap orang—geometrinya sangat ditentukan oleh materi. “Ini adalah pokok persyaratan relativitas kelembaman,” jelas Einstein kepada de Sitter. “Menurut saya, selama persyaratan ini belum terpenuhi, sasaran relativitas umum tidak tercapai sama sekali. Ini hanya terjadi dengan faktor lambda.”

Lucunya, tentu saja, adalah bahwa Einstein tidak memerlukan alam semesta statis untuk mendapatkan model alam semesta Mach. Michael Janssen, fisikawan Universitas Boston dan pakar Einstein, memberitahukan, “Einstein memerlukan konstanta tersebut bukan karena kegemarannya akan filsafat tapi karena prasangkanya bahwa alam semesta itu statis.”

Di samping itu, demi mencoba menyelamatkan alam semesta untuk Mach, Einstein menghancurkan prinsip Mach. “Faktor kosmologis tersebut sangat-sangat anti-Mach, dalam pengertian bahwa faktor itu menganggap sifat-sifat intrinsik (densitas tekanan dan energi) berasal dari ruang angkasa semata-mata (pure space), tanpa kehadiran materi,” kata Frank Wilczek, seorang teoris di Institute for Advanced Study di Princeton.

Bagaimanapun, alam semesta baru Einstein segera berantakan. Sepuluh tahun berikutnya, astronom Edwin Hubble, di California, memperlihatkan bahwa nebula spiral misterius adalah galaksi-galaksi yang sangat jauh dan terus menjauh – singkatnya, alam semesta kemungkinan sedang mengembang.

De Sitter lebih jauh mengacaukan Einstein dengan mengajukan solusinya sendiri atas persamaan Einstein, menggambarkan alam semesta yang sama sekali tidak memiliki materi di dalamnya.

“Itu tidak memuaskan, menurut saya,” gerutu Einstein, “sekalipun dunia tanpa materi adalah mungkin.”

Alam semesta hampa-nya de Sitter juga diduga statis, tapi itu terbukti adalah ilusi. Kalkulasi menunjukkan bahwa ketika partikel-partikel ujicoba disisipkan ke dalamnya, mereka terbang saling menjauh. Itu adalah kesulitan lainnya bagi Einstein. “Jika tidak ada dunia quasi-statis,” katanya pada tahun 1922, “maka enyahlah faktor kosmologis.”

Pada tahun 1931, setelah perjalanan menuju observatorium di Pasadena (California) untuk menemui Hubble, Einstein membalikkan punggungnya pada konstanta komsologi untuk selama-lamanya, menyebutnya “juga tak memuaskan secara teoritis”.

Ia tak pernah menyebut-nyebutnya lagi.

Sementara itu, persamaan-persamaan untuk perluasan alam semesta telah ditemukan secara terpisah oleh Aleksandr Friedmann, teoris muda Rusia, dan oleh Abbe Georges Lemaitre, fisikawan dan pendeta Belgia. Setahun setelah kunjungannya ke Hubble, Einstein melemparkan pelurunya, bersama-sama dengan de Sitter, mengenai rahasia alam semesta yang mengembang tanpa konstanta kosmologis.

Tapi konstanta kosmologis tetap bertahan dalam imajinasi Lemaitre, yang menemukan bahwa melalui aplikasi lamda secara hati-hati dirinya bisa mengkonstruksi alam semesta yang memulai perluasan secara perlahan dan kemudian mencepat, alam semesta yang mulai dengan cepat dan kemudian melambat, atau yang mulai mengembang, berhenti sejenak, dan kemudian kembali mengembang.

Model terakhir ini memberi isyarat singkat kepada beberapa astronom di awal 1950-an, ketika pengukuran perluasan kosmik, secara memalukan, menunjukkan bahwa alam semesta hanya berusia dua miliar tahun – usia yang jauh lebih muda. Sekelompok astronom mendatangi Einstein di Princeton dan mengatakan bahwa menghidupkan kembali konstanta kosmologis bisa memecahkan persoalan selisih usia tersebut. Einstein menampik mereka, mengatakan bahwa pengenalan konstanta kosmologis adalah blunder terbesar dalam hidupnya. George Gamow, salah seorang dari astronom yang datang itu, menyebutkan kata-kata Einstein tersebut dalam otobiografinya, My World Line, dan itu menjadi bagian dari legenda Einstein.

Einstein wafat tiga tahun kemudian. Pada tahun-tahun setelah kematiannya, mekanika quantum, rangkaian kaidah aneh yang menjelaskan alam pada level subatom (sesuatu yang dibenci Einstein), mengubah konstanta kosmologis dan memperlihatkan seberapa baik pengetahuan awal Einstein sebenarnya dalam menemukannya. Prinsip ketidakpastian (dan mistis) yang terkenal tersebut menetapkan bahwa tak ada sesuatu yang nihil, dan bahkan ruang angkasa hampa pun bisa dianggap berbuih energi.

Efek dari energi vakum (vacuum energy) ini terhadap atom-atom telah dideteksi di laboratorium, pada awal tahun 1948, tapi tak ada seorang pun yang berpikir untuk menyelidiki pengaruhnya terhadap alam semesta secara keseluruhan hingga tahun 1967, ketika sebuah krisis baru, perkembangbiakan terlalu banyak quasar sewaktu alam semesta masih berukuran 1/3 dari ukurannya sekarang, membawa pada bangkit kembalinya gumaman soal konstanta kosmologis. Jakob Zeldovich, teoris legendaris Rusia yang jenius dalam mengawinkan mikrofisika dengan alam semesta, menyadari bahwa energi vakum quantum ini bisa masuk ke dalam persamaan-persamaan Einstein persis seperti konstanta kosmologis yang lalu.

Masalahnya adalah bahwa kalkulasi langsung atas fluktuasi quantum ini menunjukkan bahwa energi vakum di alam semesta sekitar 118 order of magnitude (10 diikuti oleh 117 nol) kali lebih padat dari materi. Jika kasusnya demikian, konstanta kosmologis seharusnya telah menggumalkan alam semesta ke dalam black hole pada saat-saat pertama eksistensinya atau cepat-cepat meniup kosmos saling menjauh sehingga atom-atom sekalipun tidak akan terbentuk. Namun fakta bahwa alam semesta telah dan sedang mengembang dengan tenang gembira selama kira-kira 10 miliar tahun mengandung arti bahwa suatu konstanta kosmologis, jika memang ada, sungguh kecil.

Meski membuat asumsi yang paling optimistis, Dr. Zeldovic masih tidak dapat membuat konstanta kosmologis di bawah semiliaran kali dari batas yang teramati.

Sejak saat itu, banyak teoris partikel berasumsi bahwa karena alasan tertentu yang masih belum diketahui sampai sekarang, konstanta kosmologis adalah nol. Di era teori superstrings dan theory of everything yang mencatat waktu/masa sejak mikro mikro detik pertama, konstanta kosmologis telah menjadi pintu jebakan di ruang bawah tanah fisika, menyiratkan bahwa pada suatu level fundamental, sesuatu tentang dunia ada yang terlalaikan. Dalam sebuah artikel dalam Reviews of Modern Physics tahun 1989, Steven Weinberg dari Universitas Texas mengisyaratkan konstanta kosmologis sebagai “sebuah krisis nyata”, dan barangsiapa yang menemukan solusi, akan berdampak luas pada fisika dan astronomi.

Keadaan semakin menarik di tahun 1970-an dengan kedatangan teori-teori fisika partikel, yang menonjolkan suatu entitas bayangan yang dikenal sebagai Higgs field (medan Higgs), yang menembus ruang angkasa dan memberikan sifat pada partikel-partikel dasar. Kalangan fisikawan menduga bahwa densitas energi di medan Higgs saat ini adalah nol, namun di masa lalu, ketika alam semesta masih panas, energi Higgs boleh jadi sangat besar dan mendominasi dinamika alam semesta. Kenyataannya, spekulasi bahwa episode tersebut terjadi pada sepersedetik setelah Big Bang, memompa kerut-kerut karena chaos awal – yang menurut Dr. Turner, energi vakum kala itu berlaku sempurna –, telah mendominasi kosmologi dalam 15 tahun terakhir.

“Kita ingin menjelaskan mengapa saat ini konstanta kosmologis kecil, bukan mengapa ia senantiasa kecil,” tulis Dr. Weinberg dalam kajiannya. Dalam usaha menyediakan penjelasan, para teoris belakangan ini terdorong untuk membicarakan, di antaranya, tentang multiple universes yang terhubung oleh terowongan ruang-waktu yang disebut wormhole.

Aroma krisis ini diekspresikan dengan baik oleh Dr. Wilczek beberapa tahun lalu dalam sebuah konferensi astrofisika. Menyimpulkan diskusi di akhir pertemuan, dia akhirnya sampai pada konstanta kosmologis. “Whereof one cannot speak, thereof one must be silent” (seseorang pasti diam tentang sesuatu yang tidak bisa dibicarakannya),” ucapnya, mengutip “Tractatus Logico-Philosophicus”-nya Ludwig Wittgenstein.

Sepertinya sekarang para astronom telah memecahkan keheningan itu.

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s