Gema Black Hole

Oleh: Theodore A. Jacobson dan Renaud Parentani
(Sumber: Scientific American Reports – Special Edition on Astrophysics, 2007, hal. 12-19)

Gelombang suara pada zalir (fluid) berperilaku aneh seperti gelombang cahaya di ruang. Black hole bahkan memiliki imbangan akustik. Mungkinkah ruangwaktu betul-betul sejenis zalir, seperti ether dalam fisika pra-Einstein?

Gema Black Hole

Ketika Albert Einstein mengajukan teori relativitas khususnya pada 1905, dia menolak ide abad 19 bahwa cahaya timbul dari vibrasi medium hipotetis, “ether”. Justru, argumennya, gelombang cahaya dapat berjalan di ruang vakum tanpa didukung material apapun—berbeda dari gelombang suara, yang merupakan vibrasi medium di mana mereka menjalar. Fitur relativitas khusus ini tak tersentuh dalam dua pilar fisika modern lainnya, relativitas umum dan mekanika quantum. Sampai hari ini, semua data eksperimen, mulai dari skala subnuklir hingga galaksi, berhasil dijelaskan oleh ketiga teori ini.

Namun demikian, fisikawan menghadapi persoalan konseptual yang dalam. Sebagaimana dipahami saat ini, relativitas umum dan mekanika quantum tidak rukun. Gravitasi, yang relativitas umum atributkan pada kelengkungan kontinum ruangwaktu, bersikeras menolak digabung ke dalam kerangka quantum. Para teoris hanya membuat kemajuan ke arah pemahaman struktur lengkung ruangwaktu bahwa mekanika quantum membawa mereka mengasumsikan jarak amat pendek. Frustasi, sebagian berpaling pada sumber pedoman tak disangka-sangka: fisika materi terkondensasi, yakni studi zat-zat lazim seperti kristal dan zalir.

Overview
Black Hole Akustik

  • Fisikawan masyhur Stephen Hawking berargumen pada 1970-an bahwa black hole tidak betul-betul gelap; ia memancarkan pijaran quantum radiasi termal. Tapi analisanya mengandung persoalan. Menurut teori relativitas, gelombang yang bermula dari horizon black hole akan teregangkan tak terhingga seraya menjalar. Oleh sebab itu, radiasi Hawking pasti muncul dari kawasan ruang yang kecil tak terhingga, di mana efek-efek quantum tak dikenal mengambil alih.
  • Fisikawan menggeluti persoalan ini dengan mempelajari analog black hole pada sistem zalir. Struktur molekular zalir memancung regangan tak terhingga dan mengganti misteri mikroskopis ruangwaktu dengan fisika yang dikenal.
  • Analog ini memberi kepercayaan pada kesimpulan Hawking. Ini juga mengisyaratkan kepada sebagian periset bahwa ruangwaktu memiliki struktur “molekular”, bertentangan dengan asumsi teori relativitas standar.

Seperti ruangwaktu, materi terkondensasi mirip dengan kontinum ketika dipandang pada skala besar, tapi tak seperti ruangwaktu, ia memiliki struktur mikroskopis yang sudah dipahami yang diatur oleh mekanika quantum. Lebih jauh, penjalaran suara di aliran zalir tak rata sangat analogis dengan penjalaran cahaya di ruangwaktu lengkung. Dengan mempelajari model black hole menggunakan gelombang suara, kami dan kolega sedang berupaya mengeksplotasi analog ini untuk memperoleh pemahaman tentang cara kerja mikroskopis ruangwaktu. Penelitian ini mengindikasikan bahwa ruangwaktu mungkin, seperti zalir material, [berbentuk] butiran dan memiliki kerangka preferensi acuan yang mewujud pada skala halus—bertentangan dengan asumsi Einstein.

Dari Black Hole Sampai Hot Coal

Black hole adalah lokasi ujicoba favorit untuk gravitasi quantum sebab merupakan salah satu dari sedikit tempat di mana mekanika quantum dan relativitas umum sangat penting. Langkah besar ke arah penggabungan dua teori terjadi pada 1974, ketika Stephen Hawking dari Universitas Cambridge menerapkan mekanika quantum pada horizon black hole.

Menurut relativitas umum, horizon adalah permukaan yang memisahkan bagian dalam  black hole (di mana gravitasi begitu kuat sehingga tak ada yang sanggup lolos) dari bagian luar. Ini bukan batas material; pelancong malang yang jatuh ke dalam lubang takkan merasakan sesuatu yang istimewa saat melintasi horizon. Tapi setelah itu, mereka takkan lagi bisa mengirim sinyal cahaya ke orang-orang di luar, apalagi kembali. Pengamat luar hanya akan menerima sinyal yang dipancarkan oleh pelancong sebelum melintas. Sementara memanjat keluar sumur gravitasi di sekeliling black hole, gelombang cahaya teregangkan, frekuensinya turun dan durasinya memanjang. Konsekuensinya, menurut pengamat, pelancong itu tampak bergerak lambat dan lebih merah dari biasanya.

Efek ini, dikenal sebagai ingsutan merah gravitasi (gravitational redshift), bukan ciri khas black hole semata. Efek ini juga mengubah frekuensi dan pewaktuan sinyal antara katakanlah satelit pengorbit dan stasiun darat. Sistem navigasi GPS harus memperhitungkannya agar bisa secara akurat. Namun, ciri khas black hole adalah ingsutan merahnya menjadi tak terhingga selagi pelancong mendekati horizon. Dair sudut pandang pengamat luar, turunnya [pelancong ke dalam lubang] tampak memakan waktu tak terhingga, padahal waktu yang dialami pelancong adalah terhingga.

Sejauh ini, deskripsi black hole ini memperlakukan cahaya sebagai gelombang elektromagnetik klasik. Yang Hawking lakukan adalah mempertimbangkan ulang implikasi redshift tak terhingga saat sifat quantum cahaya diperhitungkan. Menurut teori quantum, bahkan vakum sempurna tidak betul-betul hampa; Ia dipenuhi fluktuasi sebagai akibat dari prinsip ketidakpastian Heisenberg. Fluktuasi itu berbentuk pasangan photon virtual. Photon-photon ini disebut virtual karena, di ruang waktu tak lengkung, jauh dari pangaruh gravitasi apapun, mereka mungcul dan lenyap terus-menerus, tetap tak teramati dalam ketiadaan disturbansi apapun.

Tapi di ruangwaktu lengkung di sekeliling black hole, satu anggota pasangan bisa terjebak di dalam horizon sedangkan anggota lainnya terdampar di luar. Pasangan itu kemudian bisa beralih dari virtual menjadi riil, menghasilkan fluks cahaya teramati keluar dan penurunan massa lubang. Pola keseluruhan radiasi tersebut adalah termal, seperti dari hot coal (batu bara panas), dengan temperatur berbanding terbalik dengan massa black hole. Fenomena ini dinamakan efek Hawking. Radiasi Hawking akan mengalirkan seluruh massanya, kecuali jika blakc hole menelan materi atau energi untuk menutupi kehilangan.

Riakan Arus
Riakan arus berperilaku mirip gelombang cahaya di ruangwaktu. Aliran arus di sekeliling batu tidak seragam, sehingga riakannya bengkok dan panjang gelombangnya berbeda-beda. Hal sama terjadi pada cahaya yang melintasi medan gravitasi planet atau bintang. Dalam beberapa kasus, aliran nya begitu cepat sehingga riak-riak tak bisa menjalar ke hulu—sebagaimana cahaya tak bisa menjalar keluar black hole.

Satu poin penting—yang akan menjadi kritis saat mempertimbangkan analog zalir dengan black hole—adalah bahwa ruang dekat horizon black hole tetap vakum quantum nyaris sempurna. Bahkan, kondisi ini sangat esensial untuk argumen Hawking. Photon-photon virtual merupakan fitur status quantum energi terendah, atau “status dasar”. Photon virtual hanya menjadi riil dalam proses pemisahan dari partnernya dan memanjat dari horizon.

Mikroskop Tercanggih

Analisa Hawking telah memainkan peran sentral dalam upaya membangun teori gravitasi quantum utuh. Kemampuan untuk mereproduksi dan menguraikan efek tersebut merupakan uji krusial untuk kandidat-kandidat teori gravitasi quantum, semisal teori string. Tapi walaupun kebanyakan fisikawan menerima argumen Hawking, mereka belum mampu mengkonfirmasinya secara eksperimen. Emisi yang diprediksikan dari black hole bintang dan galaksi terlampau redup untuk dilihat. Satu-satunya harapan untuk mengamati radiasi Hawking adalah menemukan lubang mini yang tersisa dari alam semesta awal atau diciptakan di akselerator partikel, yang terbukti mustahil.

Tiadanya konfirmasi empiris efek Hawking sangatlah menjengkelkan, mengingat terdapat fakta menggelisahkan bahwa teori ini memiliki cacat potensial, berasal dari redshift tak terhingga yang menurutnya akan dialami photon. Pertimbangkan akan seperti apa proses emisinya ketika dipandang dengan waktu terbalik. Selagi mendekati lubang, photon Hawking beringsut biru ke frekuensi lebih tinggi dan panjang gelombang lebih pendek. Semakin mundur lebih jauh, semakin dekat ia menghampiri horizon dan semakin pendek panjang gelombangnya. Begitu panjang gelombangnya jauh lebih pendek daripada black hole, partikel bergabung dengan partnernya dan menjadi pasangan virtual yang dibahas tadi.

Ingsutan biru berlanjut tanpa penyusutan, sampai jarak yang sangat pendek. Lebih pendek dari jarak 10-35 meter, dikenal sebagai panjang Planck, relativitas ataupun teori quantum standar tak mampu memprediksi apa yang akan dilakukan partikel. Diperlukan teori gravitasi quantum. Dengan demikian horizon black hole bertindak sebagai mikroskop fantastis yang membawa pengamat berkontak dengan fisika tak dikenal. Bagi teoris, pembesaran ini menyusahkan. Jika prediksi Hawking bersandar pada fisika tak dikenal, bukankah kita mesti mencurigai validitasnya? Mungkinkah atribut, bahkan eksistensi, radiasi Hawking bergantung pada atribut mikroskopis ruangwaktu—sebagaimana, contohnya, kapasitas kalor atau kecepatan suara zat bergantung pada struktur struktur dan dinamika mikroskopisnya? Ataukah efek ini, sebagaimana argumen awal Hawking, hanya ditentukan oleh atribut makroskopis black hole, yakni massa dan pusingannya?

Apakah Hawking Keliru?

Salah satu misteri paling besar—dan paling kurang dikenal—black hole adalah mengenai cacat dalam prediksi terkenal milik Stephen Hawking bahwa black hole memancarkan radiasi. Sebuah black hole ditentukan oleh horizon peristiwa, pintu searah: objek di luar bisa masuk, tapi objek di dalam tak bisa keluar. Hawking bertanya apa yang terjadi apda pasangan-pasangan partikel virtual (yang terus-menerus muncul dan lenyap di mana-mana di ruang hampa akibat efek quantum) yang bermula di horizon itu sendiri.

Pasangan Partikel Virtual di Horizon Peristiwa Black Hole

Teori relativitas memprediksi bahwa photon dari horizon teregangkan tak terhingga (kurva merah). Dnegan kata lain, photon yang teramati pasti bermula sebagai photon virtual dengan panjang gelombang nyaris nol, ini problematis sebab efek-efek gravitasi quantum tak dikenal mengambil alih pada jarak lebih pendek dari panjang Planck 10-35 meter. Teka-teki ini telah mendorong fisikawan merancang analog-analog black hole yang dapat direalisasikan secara eksperimen untuk mencaritahu apakah analog itu memang memancarkan radiasi dan untuk memahami bagaimana itu bermula.

Prediksi Berdasarkan Teori Relativitas

Suara Menggigit

Salah satu upaya untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan memalukan ini diawali dengan penelitian William Unruh dari Universitas British Columbia. Pada 1981, dia menunjukkan bahwa ada analogi erat antara penjalaran suara pada zalir bergerak dan penjalaran cahaya di ruangwaktu lengkung. Dia menyatakan analogi ini mungkin bermanfaat dalam menaksir dampak fisika mikroskopis pada asal-usul radiasi Hawking. Lebih jauh, ini bahkan memperkenankan eksperimen pengamatan fenomena Hawking.

Seperti gelombang cahaya, gelombang akustik (suara) dicirikan oleh frekuensi, panjang gelombang, dan kecepatan penjalaran. Konsep dasar gelombang suara hanya valid ketika panjang gelombangnya jauh lebih panjang daripada jarak antara molekul-molekul zalir; pada skala lebih kecil, gelombang akustik berhenti eksis. Pembatasan inilah yang membuat analogi ini begitu menarik, sebab memungkinkan fisikawan mempelajari konsekuensi makroskopis struktur mikroskopis. Namun, untuk betul-betul bermanfaat, analogi ini harus melebar ke level quantum. Biasanya, tarian termal acak molekul mencegah gelombang suara untuk berperilaku analogis dengan quantum cahaya. Tapi ketika temperatur mendekati nol absolut, suara bisa berperilaku seperti partikel quantum yang fisikawan sebut sebagai “phonon” untuk menekankan analogi ini dengan partikel cahaya, photon. Para pelaku eksperimen rutin mengobservasi phonon dalam kristal dan pada zat yang tetap zalir pada temperatur cukup rendah, misalnya helium cair.

Perilaku phonon dalam zalir diam atau bergerak seragam adalah seperti perilaku photon di ruangwaktu flat, di mana gravitasi tak hadir. Phonon semacam ini menjalar dalam garis lurus dengan panjang gelombang, frekuensi, dan kecepatan tak beurbah-ubah. Suara dalam, katakanlah, kolam renang atau sungai yang mengalir tenang berjalan lurus dari sumbernya ke telinga.

Cahaya vs. Suara

Namun, dalam zalir yang bergerak tak seragam, kecepatan phonon berubah dan panjang gelombangnya bisa teregangkan, persis mirip photon di ruangwaktu lengkung. Suara di sungai yang memasuki tebing sempit menjadi terdistorsi dan mengikuti lintasan bengkok, seperti cahaya di sekeliling bintang. Bahkan, situasi ini dapat digambarkan menggunakan alat geometris relativitas umum.

Analog Black Hole

Cerat Laval—biasa dijumpai di ujung roket—merupakan analog black hole. Zalir yang masuk adalah subsonik; penyempitan memaksanya mencepat ke kecepatan suara, sehingga zalir yang keluar berupa supersonik. Gelombang suara di kawasan subsonik bisa bergerak ke hulu, sedangkan gelombang di kawasan supersonik tidak. Jadi penyempitan bertindak seperti horizon black hole: suara dapat masuk ke tapi tidak bisa keluar dari kawasan supersonik. Fluktuasi quantum di penyempitan semestinya menghasilkan suara yang analogis dengan radiasi Hawking.

Cerat Laval

Aliran zalir bahkan bisa beraksi pada suara sebagaimana black hole beraksi pada cahaya. Satu cara untuk menciptakan black hole akustik seperti ini adalah memakai perangkat yang para hidrodinamikawan sebut sebagai cerat Laval (Laval nozzle). Cerat ini dirancang agar zalir mencapai kecepatan suara di titik tersempit dan menjadi supersonik setelah [titik] itu. Geometri akustik efektif sangat serupa dengan geometri ruangwaktu black hole. Kawasan supersonik ekuivalen dengan interior black hole: gelombang suara menjalar yang melawan arus adalah arah hilir yang tersapu, seperti cahaya yang tertarik ke arah pusat black hole. Kawasan subsonik adalah eksterior black hole: gelombang suara dapat menjalar ke arah hulu tapi akibatnya harus diregangkan, seperti cahaya yang ter-redshift-kan. Perbatasan di antara kedua kawasan berperilaku persis seperti horizon black hole.

Atomisme

Jika zalir cukup dingin, analogi ini melebar ke level quantum. Unruh berargumen bahwa horizon sonik memancarkan phonon termal yang analogis dengan radiasi Hawking. Fluktuasi quantum dekat horizon menyebabkan pasangan phonon muncul: satu partner tersapu ke kawasan supersonik, tak pernah kembali, sedangkan pasangannya beriak ke hulu, teregangkan oleh aliran zalir. Mikrofon yang ditempatkan di hulu menangkap desisan sayup. Energi suara desisan tertarik dari energi kinetik arus zalir.

Bunyi dominan derau tergantung pada geometri; panjang gelombang tipikal phonon yang teramati sebanding dengan jarak terjadinya perubahan kecepatan arus. Jarak ini jauh lebih besar dari jarak di antara molekul-molekul, jadi Unruh melakukan analisa awal dengan berasumsi bahwa zalir [bersifat] tenang dan malar. Tapi phonon berasal dari dekat horizon dengan panjang gelombang begitu pendek sehingga semestinya sensitif terhadap kebutiran (granularity) zalir. Apakah itu mempengaruhi hasil akhir? Pakah zalir riil memancarkan phonon Hawking, ataukah prediksi Unruh merupakan artefak idealisasi zalir malar? Jika pertanyaan ini bisa dijawab untuk black hole akustik, ini secara perbandingan dapat memandu fisikawan dalam kasus black hole gravitasional.

Kesetimbangan Energi dalam Efek Hawking

Sumber kebingungan dalam memahami efek Hawking adalah bagaimana kesetimbangan energi diperhitungkan dalam proses dan apa yang terjadi dengan “pasangan virtual” yang merupakan pangkal radiasi. Pertimbangkan pasangan photon yang muncul dair kevakuman, satu di luat horizon dengan energi positif, satu lagi di dalam horizon dengan energi negatif. (Anggota-anggota pasangan virtual harus selalu memiliki harga energi berlawanan, sebab energi total terkekalkan.) Partikel berenergi negatif tak dapat eksis di luar horizon, sebab secara definisi ruang vakum merupakan status energi terendah. Oleh karenanya, hanya photon berenergi positif yang dapat lari, sedangkan partner berenergi negatifnya terperangkap di dalam, menurunkan energi total—dan karenanya massa total—black hole.

Jika photon berenergi negatif tak bisa eksis di luar horizon, bagaimana ia bisa eksis di dalam? Bukankah itu melanggar definisi kevakuman juga? Untuk memahaminya, kita harus membedakan antara energi yang terukur secara lokal dan energi yang terkekalkan secara global. Konsep lazim kekekalan energi terkait dengan kesimetrian ingsutan waktu, di mana hukum fisika selalu sama sepanjang waktu. Kekekalan momentum terkait dengan kesimetrian ingsutan ruang. Du ruangwaktu black hole, kesimeterian global yakni ingsutan waktu di luar horizon menjadi ingsutan ruang di dalam. Jadi kuantitas terkekalkan tunggal, “energi global”, ekuivalen dengan energi di luar dan momentum di dalam. Dalam efek Hawking, photon partner di dalam horizon memiliki “energi global” negatif, tapi energinya yang terukur secara lokal adalah positif.

Pada analog zalir black hole, energi untuk radiasi sonik Hawking berasal dari energi kinetik aliran limbak (bulk flow) zalir. Gelombang suara yang menuju hulu menyadap energi dari aliran, tapi energi gelombangnya sendiri menutupi ini, sehingga energi totalnya lebih tinggi—selama kecepatan aliran kurang dari kecepatan suara. Di dalam horizon sonik, kecepatan aliran lebih besar dari kecepatan suara. Di sana gelombang menyadap lebih banyak energi aliran daripada yang diangkutnya sendiri, sehingga energi total kurang dari energi aliran yang tak terusik. Gelombang demikian dapat dianggap memuat energi negatif.—T.A.J. dan R.P.

Fisikawan sudah mengajukan sejumlah analog black hole di samping arus zalir transsonik. Salah satunya bukan melibatkan gelombang suara melainkan riakan di permukaan cairan atau sepanjang antarmuka antara lapisan-lapisan helium adizalir, yang begitu dingin sehingga kehilangan seluruh friksi hambatan terhadap gerak. Baru-baru ini Unruh dan Ralf Schützhold dari Technical University of Dresden di Jerman mengusulkan mempelajari gelombang elektromagnetik yang melintasi pipa elektronik kecil yang direkayasa secara cermat. Dengan menyorotkan laser sepanjang pipa untuk mengubah kecepatan lokal gelombang, fisikawan mungkin bisa menciptakan horizon. Tapi ada ide lain, yakni membuat model perluasan alam semesta yang mencepat, yang menghasilkan radiasi mirip radiasi Hawking. Kondensat Bose-Einstein—gas yang begitu dingin sampai-sampai atom kehilangan identitas individualnya—bisa beraksi pada suara seperti aksi alam semesta mengembang pada cahaya, baik dengan berpencar atau direkayasa menggunakan medan magnet untuk menghasilkan efek yang sama.

Tapi, para pelaku eksperimen belum menciptakan satupun perangkat ini di laboratorium. Prosedurnya rumit, dan pelaku eksperimen disibukkan oleh fenomena temperatur rendah lainnya. Jadi para teoris bekerja untuk mengetahui apakah mereka bisa membuat kemajuan dalam persoalan ini secara matematis.

Untuk memahami bagaimana struktur molekular zalir mempengaruhi phonon sangatlah rumit. Untungnya, sepuluh tahun setelah Unruh mengajukan analogi soniknya, salah satu dari kami (Jacobson) menemukan penyederhanaan berguna. Detil-detil esensial struktur molekul diringkas sedmikian rupa sehingga frekuensi gelombang suara bergantung pada panjang gelombangnya. Kebergantungan ini, dinamakan relasi tebaran (dispersion relation), menentukan kecepatan penjalaran. Untuk panjang gelombang besar, kecepatannya tetap konstan. Untuk panjang gelombang pendek, mendekati jarak antarmolekul, kecepatannya bisa berubah-ubah sesuai panjang gelombang.

Tiga perilaku berbeda dapat timbul. Tipe I adalah tak ada tebaran—gelombang berperilaku sama pada panjang gelombang pendek maupun panjang. Untuk tipe II, kecepatan menurun seraya panjang gelombang turun, dan untuk tipe III, kecepatan naik. Tipe I menggambarkan photon dalam relativitas. Tipe II menggambarkan phonon dalam, contohnya, helium adizalir, dan tipe III menggambarkan phonon dalam kondensat Bose-Einstein encer. Pembagian tiga tipe ini menjadi prinsip pengaturan untuk memahami bagaimana strktur molekul mempengaruhi suara pada level makroskopis. Dimulai tahun 1995, Unruh dan kemudian periset lain telah memeriksa efek Hawking di hadapan tebaran tipe II dan tipe III.

Pertimbangkan bagaimana tampilan phonon Hawking ketika dipandang dengan waktu terbalik. Mulanya tipe tebaran tidak menjadi soal. Phonon berenang ke hilir menuju horizon, panjang gelombangnya menurun selama itu. Begitu panjang gelombang mendekati jarak antarmolekul, relasi tebaran tertentu menjadi penting. Untuk tipe II, phonon melambat, lalu berbalik arah, dan mulai menuju hulu lagi. Untuk tipe III, phonon mencepat, melampaui kecepatan panjang gelombang suara, lalu menyeberangi horizon.

Ether Reduks

Analogi sejati untuk efek Hawking harus memenuhi syarat penting: pasangan-pasangan phonon virtual harus mengawali hidup dalam status dasar, sebagaimana pasangan photon virtual di sekeliling black hole. Pada zalir riil, syarat ini akan mudah terpenuhi. Selama arus zalir makroskopis berubah pelan-pelan dalam hal waktu dan ruang (dibandingkan langkah peristiwa di level molekul), status molekular terus menyesuaikan diri untuk meminimalkan energi sistem secara keseluruhan. Tak peduli dari molekul apa zalir terbuat.

Setelah syarat ini terpenuhi, ternyata zalir memancarkan radiasi mirip radiasi Hawking, tak peduli mana di antara ketiga tipe relasi tebaran yang berlaku. Detil-detil mikroskopis zalir tidak memiliki efek apapun. Mereka terhanyutkan selagi phonon menjauhi horizon. Selain itu, panjang gelombang pendek yang dilibatkan oleh analisa awa Hawking tidak timbul ketika tebaran tipe II atau III dimasukkan. Malah, panjang gelombang menyentuh jarak antarmolekul terpendek. Ingsutan merah tak terhingga merupakan wujud asumsi atom-atom yang kecil tak terhingga.

Model Black Hole Lain

Perangkat selain cerat Laval juga mereproduksi karakteristik esensial horizon black hole: gelombang bisa menempuh satu arah tapi tidak ke arah lain. Masing-masing menyodorkan pemahaman baru tentang black hole. Semuanya menghasilkan analog radiasi Hawking.

Analog Radiasi Hawking

Diterapkan pada black hole riil, analogi zalir memberi kepercayaan bahwa temuan Hawking benar meski dia melakukan penyederhanaan. Lebih jauh, ini mengindikasikan kepada beberapa periset bahwa ingsutan merah tak terhingga pada blach hole gravitasional mungkin turut terhindari oleh tebaran cahaya berpanjang gelombang pendek. Tapi ada jebakannya. Teori relativitas menegaskan dengan mutlak bahwa cahaya tidak mengalami tebaran di ruang vakum. Panjang gelombang photon terlihat berlainan bagi pengamat berlainan; ia panjang saat dipandang dari kerangka acuan yang bergerak mendekati kecepatan cahaya. Oleh sebab itu, hukum fisika tidak bisa mengamanatkan pancung (cutoff) panjang gelombang pendek tetap di mana relasi tebaran berubah dari tipe I ke tipe II atau III. Setiap pengamat akan melihat pancung berbeda.

Hawking benar, tapi…

Analogi-analogi zalir mengindikasikan cara memperbaiki analisa Hawking. Pada zalir yang diidealkan, kecepatan suara tetap sama, tanpa mempedulikan panjang gelombangnya (perilaku tipe I). Pada zalir riil, kecepatan suara menurun (tipe II) atau menaik (tipe III) selagi panjang gelombang mendekati jarak antara molekul-molekul.

Memperbaiki Analisa Hawking

Analisa Hawking didasarkan pada teori relativitas standar, di mana cahaya bergerak dengan kecepatan konstan—perilaku tipe I. Jika kecepatan berubah-ubah sesuai panjang gelombang, sebagaimana dalam analog zalir, lintasan photon Hawking akan berubah.

Perubahan Lintasan Photon Hawking

Dengan demikian fisikawan menghadapi dilema. Harus mempertahankan keputusan Einstein menentang kerangka preferensi dan mereka menerima ingsutan merah tak terhingga, atau mengasumsikan bahwa photon tidak mengalami ingsutan merah tak tehringga dan mereka harus memperkenalkan kerangka preferensi acuan. Apakah kerangka ini harus melanggar relativitas? Belum ada yang tahu. Barangkali kerangka preferensi ini merupakan efek lokal yang timbul hanya dekat horizon black hole—di mana relativitas terus berlaku secara umum. Di sisi lain, barangkali kerangka preferensi eksis di mana-mana, bukan cuma dekat black hole—di mana relativitas hanyalah penaksiran terhadap teori alam yang lebih dalam. Para pelaku eksperimen masih harus mencari kerangka demikian, tapi hasil nihil mungkin menandakan perlunya presisi memadai.

Fisikawan sudah lama curiga bahwa mendamaikan relativitas umum dengan mekanika quantum melibatkan pancung jarak pendek, mungkin terkait dengan skala Planck. Analogi akustik mendukung kecurigaan ini. Ruangwaktu harus [berbentuk] berbutir untuk menjinakkan ingsutan merah tak terhingga yang meragukan.

Jika begitu, analogi antara penjalaran suara dan cahaya akan lebih baik dari yang dipikirkan Unruh semula. Penyatuan relativitas umum dan mekanika quantum dapat mengarahkan kita untuk membuang idealisasi ruang dan waktu malar dan menemukan “atom” ruangwaktu. Einstein mungkin berpikiran serupa saat dia menulis kepada teman karibnya, Michele Besso, pada 1954, setahun sebelum kematiannya: “Saya pikir-pikir mungkin saja fisika tidak didasarkan pada konsep medan, melainkan struktur malar.” Tapi ini akan meruntuhkan fondasi fisika, dan saat ini ilmuwan belum punya kandidat pengganti. Bahkan, Einstein kemudian mengatakan dalam kalimat berikutnya, “Maka tak ada yang tersisa dari seluruh istana saya di udara, termasuk teori gravitasi, bahkan juga dari seluruh fisika modern.”

Lima puluh tahun kemudian istana itu tetap utuh, walaupun masa depannya tidak jelas. Black hole dan analog akustiknya barangkali sudah mulai menerangi dan menyuarakan jalan.

Penulis

Theodore A. Jacobson dan Renaud Parentani mempelajari teka-teki gravitasi quantum dan konsekuensinya untuk black hole dan kosmologi yang dapat diamati. Jacobson adalah profesor fisika di Universitas Maryland. Riset teranyarnya fokus pada termodinamika black hole, bagaimana ruangwaktu mungkin [berbentuk] diskret secara mikroskopis dan apakah struktur halus tersebut dapat dideteksi secara makroskopis. Parentani adalah profesor fisika di Universitas Paris-Sud di Orsay yang melakukan riset di CNRS Laboratory of Theoretical Physics. Dia menyelidiki peran fluktuasi quantum dalam fisika black hole dan kosmologi.

Untuk Digali Lebih Jauh

  • Trans-Planckian Redshifts and the Substance of the Space-Time River. Ted Jacobson dalam Progress of Theoretical Physics Supplement, No. 136, hal. 1-17, 1999. Tersedia online di http://ptp.ipap.jp/cgi-bin/getarticle?magazine=PTPS&volume=136&number=&page=1-17
  • What Did We Learn from Studying Acoustic Black Holes? Renaud Parentani dalam International Journal of Modern Physics A, Vol. 17, No. 20, hal. 2721-2726, 10 Agustus 2002. arxiv.org/abs/gr-qc/0204079
  • Black-Hole Physics in an Electromagnetic Waveguide. Steven K. Blau dalam Physics Today, Vol. 58, No. 8, hal. 19-20, Agustus 2005.
  • Analogue Gravity. Carlos Barceló, Stefano Liberati, dan Matt Visser dalam Living Reviews in Relativity, Vol. 8, No. 12, 2005. Tersedia di www.livingreviews.org/lrr-2005-12

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