Celah Quantum dalam Teori Big Bang

Oleh: Paul J. Steinhardt
(Sumber: Scientific American, April 2011, hal. 36-43)

Apakah teori di jantung kosmologi modern mengandung cacat?

Celah Big Bang
Kosmologi berdeflasi? Para kosmolog sedang meninjau ulang apakah alam semesta betul-betul mengalami semburan pertumbuhan dahsyat (kawasan kekuningan) segera setelah big bang. (Ilustrasi oleh Malcolm Godwin)

Tiga puluh tahun silam, Alan H. Guth, kala itu berjuang menjalani pasca-doktoral fisika di Stanford Linear Accelerator Center, memberi serangkaian seminar di mana dia memperkenalkan “inflasi” ke dalam kosakata kosmologi. Istilah tersebut mengacu pada semburan singkat perluasan hiperakselerasi yang menurutnya pernah terjadi selama jenak-jenak awal setelah big bang. Salah satu seminar ini berlangsung di Universitas Harvard, di mana saya sendiri menempuh pasca-doktoral. Saya segera terpikat oleh ide tersebut, dan sejak saat itu saya memikirkannya nyaris setiap hari. Banyak kolega saya dalam astrofisika, fisika gravitasi, dan fisika partikel turut terpikat. Sampai hari ini, perkembangan dan ujicoba teori inflasi alam semesta merupakan salah satu area paling aktif dan sukses dalam penyelidikan ilmiah.

Tujuannya adalah mengisi celah dalam teori asli big bang. Ide dasar big bang adalah, alam semesta perlahan-lahan mengembang dan mendingin sejak ia bermula sekitar 13,7 miliar tahun lampau. Proses perluasan dan pendinginan ini menjelaskan banyak fitur detil alam semesta yang dijumpai hari ini, tapi ada jebakannya: alam semesta harus berawal dengan atribut tertentu. Contoh, ia harus sangat seragam, dengan variasi amat kecil pada distribusi materi dan energi. Juga, alam semesta harus flat secara geometris, artinya lengkungan struktur ruang tidak menekuk lintasan berkas cahaya dan objek bergerak.

Tapi mengapa alam semesta purba mesti begitu seragam dan flat? Secara apriori, kondisi-kondisi pemulai ini sangat tidak mungkin. Di sinilah ide Guth masuk. Dia berargumen, sekalipun alam semesta berawal dengan kekacauan total—distribusi energi yang sangat tak seragam dan bentuk yang berkenjal-kenjal—semburan pertumbuhan spektakuler akan menebarkan energi sampai tersebar merata dan meluruskan lengkungan di ruang. Ketika periode inflasi ini berakhir, alam semesta akan terus mengembang dengan laju yang lebih pelan daripada teori big bang semula tapi kini memiliki kondisi yang tepat untuk berevolusinya bintang-bintang dan galaksi-galaksi ke status yang kita saksikan hari ini.

Ide ini begitu memaksa, sampai-sampai para kosmolog, termasuk saya, rutin mendeskripsikannya kepada mahasiswa, jurnalis, dan publik sebagai fakta yang tidak bisa dipungkiri. Tapi hal aneh terjadi pada teori inflasi tiga puluh tahun sejak Guth memperkenalkannya. Bukti penentang inflasi semakin menguat, sebagaimana bukti pendukungnya. Salah satu dari keduanya lebih dikenal: bukti pendukung inflasi sangat familiar di kalangan luas fisikawan, astrofisikawan, dan penggila sains. Yang mengejutkan, beberapa orang menuruti bukti penentang inflasi, kecuali sekelompok kecil dari kami yang diam-diam berusaha mengatasi tantangan ini. Kebanyakan astrofisikawan menguji prediksi-prediksi teori inflasi dalam buku teks tanpa merisaukan isu-isu mendalam ini, berharap pada akhirnya bisa terpecahkan. Sialnya, persoalan ini mengalahkan upaya terbaik kami sampai sekarang.

Sebagai orang yang telah berkontribusi pada teori inflasi (lihat “Alam Semesta Berinflasi”, tulisan Alan H. Guth dan Paul J. Steinhardt, Scientific American, Mei 1984) dan teori-teori pesaing, saya merasa terkoyak, dan banyak kolega saya juga tidak yakin dengan pendapat mereka tentang bukti penentang ini. Untuk mendramatisir keadaan aneh kami, saya akan mengadili kosmologi inflasi, menghadirkan poin-poin dari kedua pandangan esktrim tersebut. Pertama-tama, saya akan bertindak sebagai advokat “pendukung” yang gigih, menyajikan keunggulan-keunggulan teori ini, lalu dengan sama gigihnya, saya akan bertindak sebagai advokat “penentang”, menyajikan persoalan-persoalan paling serius yang tak terpecahkan.

Singkatnya

Inflasi kosmik diterima secara luas, hingga sering dianggap sebagai fakta. Idenya adalah, geometri dan keseragaman kosmos terbentuk selama semburan pertumbuhan awal yang dahsyat.

Tapi sebagian pencipta teori ini, termasuk penulis, berpikir ulang. Seraya teori asil berkembang, retak-retak muncul dalam fondasi logisnya.

Kondisi yang amat improbabel diperlukan untuk memulai inflasi. Yang lebih buruk, inflasi berlangsung abadi, membuahkan hasil tak terhingga, sehingga teori ini tidak membuat prediksi observasional yang kokoh.

Para ilmuwan berdebat di antara sesama mereka (dan di dalam diri mereka sendiri) apakah persoalan-persoalan ini merupakan kesulitan awal ataukah pertanda kebusukan yang lebih dalam. Beragam proposal beredar untuk mencari cara memperbaiki inflasi atau menggantinya.

Bukti Pendukung Inflasi
Saking populernya Inflasi, bukti pendukungnya bisa sangat ringkas. Beberapa detil lain diperlukan untuk memahami keunggulannya secara utuh. Inflasi bersandar pada komponen khusus yang dikenal sebagai energi inflasi, yang, berkombinasi dengan gravitasi, dapat mendorong alam semesta untuk mengembang luar biasa dalam waktu singkat. Energi inflasi harus amat besar, dan densitasnya harus tetap konstan selama masa inflasi. Atributnya yang paling tak lazim adalah bahwa gravitasinya menolak bukan menarik. Tolakan inilah yang menyebabkan ruang membengkak begitu pesat.

Yang memberi daya tarik pada ide Guth adalah bahwa para teoris telah mengidentifikasi banyak kemungkinan sumber energi demikian. Contoh teratas adalah kerabat medan magnet yang dikenal sebagai medan skalar, yang, dalam kasus inflasi tertentu, dikenal sebagai medan “inflasi”. Partikel Higgs yang masyhur, yang kini sedang diusahakan di Large Hadron Collider milik CERN dekat Jenewa, berasal dari sebuah medan skalar lain.

Seperti semua medan lain, inflasi memiliki kekuatan tertentu di tiap titik di ruang, yang menentukan gaya yang dikerahkannya terhadap diri sendiri dan medan-medan lain. Selama fase inflasi, kekuatannya nyaris konstan di setiap tempat. Tergantung seberapa kuat sebuah medan, terdapat besaran energi tertentu di dalamnya—yang disebut fisikawan sebagai energi potensial. Relasi antara kekuatan dan energi bisa dilambangkan dengan kurva pada grafik di bawah. Untuk inflasi, para kosmolog berhipotesis kurvanya mirip tampang-lintang (cross section) yang melintasi lembah dan dataran tinggi melandai [lihat boks di bawah]. Jika medan ini berawal dengan kekuatan yang ekuivalen dengan suatu titik di dataran tinggi, lambat-laun ia akan kehilangan kekuatan maupun energi, seperti meluncur turun lereng. Bahkan, persamaan-persamaannya serupa dengan persamaan bola yang menggelinding turun bukit yang bentuknya sama dengan kurva energi potensial.

Semburan Pertumbuhan

Energi potensial inflasi dapat menyebabkan alam semesta mengembang dengan laju mencepat. Dalam prosesnya, itu bisa menghaluskan dan memflatkan alam semesta, asalkan medannya tetap di atas dataran tinggi cukup lama (sekitar 10-30 detik) guna meregangkan alam semesta sebesar faktor 1026 atau lebih ke segala arah. Inflasi berakhir ketika medan mencapai ujung dataran tinggi dan bergegas menuruni bukit menuju lembah energi di bawah. Pada titik ini, energi potensial berkonversi ke dalam bentuk-bentuk energi yang lebih familiar—yakni dark matter, materi panas biasa, dan radiasi yang memenuhi alam semesta hari ini. Alam semesta memasuki periode perluasan menengah melambat, dan selama itu material bersatu membentuk struktur-struktur kosmik.

Inflasi menghaluskan alam semesta sebagaimana peregangan tilam karet menghaluskan kerutan-kerutannya, tapi itu tidak berlangsung sempurna. Ketidakteraturan kecil tersisa akibat efek quantum. Hukum fisika quantum mendikte bahwa medan semisal inflasi tidak memiliki kekuatan yang sama persis di setiap tempat di ruang melainkan mengalami fluktuasi acak. Fluktuasi-fluktuasi ini menyebabkan inflasi berakhir pada waktu sedikit berlainan di kawasan ruang berlainan, memanaskan mereka ke suhu sedikit berlainan. Variasi spasial ini merupakan benih yang akhirnya akan tumbuh menjadi bintang dan galaksi. Teori inflasi memprediksi variasi ini nyaris invarian-skala. Artinya, mereka tidak bergantung pada ukuran kawasan; mereka terjadi dengan magnitudo setara pada semua skala.

Bukti pendukung inflasi hanya dapat diringkas dengan tiga diktum. Pertama, inflasi tidak terelakkan. Perkembangan fisika teoritis sejak proposal Guth justru memperkuat hipotesis bahwa alam semesta awal mengandung medan-medan yang dapat mendorong inflasi. Ratusan mereka muncul dalam teori-teori fisika terpadu, seperti teori string. Di alam semesta purba yang balau (chaos), pasti ada suatu petak ruang di mana salah satu dari medan ini memenuhi kondisi untuk inflasi.

Kedua, inflasi menjelaskan mengapa hari ini alam semesta begitu seragam dan flat. Tak ada yang tahu seberapa seragam atau flat alam semesta kita ketika muncul dari big bang, tapi dengan inflasi, tak ada keharusan untuk tahu sebab periode percepatan perluasan meregangkannya ke dalam bentuk yang tepat.

Ketiga, dan mungkin paling memaksa, teori inflasi sangat prediktif. Contoh, banyak observasi radiasi gelombang mikro kosmik latar dan distribusi galaksi-galaksi telah mengkonfirmasi bahwa variasi spasial pada energi di alam semesta awal nyaris invarian-skala.

Bukti Penentang Inflasi
Tanda-tanda pertama gagalnya sebuah teori biasanya berupa diskrepansi kecil antara observasi dan prediksi. Di sini situasinya tidak demikian: data-data justru sangat selaras dengan prediksi inflasi yang diajukan di awal 1980-an. Tapi bukti penentang inflasi malah menantang fondasi logis teori. Apakah teori ini betul-betul bekerja sesuai yang digembar-gemborkan? Apakah prediksi yang dibuat di awal 1980-an merupakan prediksi model inflasi yang kita pahami hari ini? Ada argumen bahwa jawaban terhadap kedua pertanyaan tersebut adalah tidak.

Diktum pertama berpandangan bahwa inflasi tidak terelakkan. Tapi jika ini benar, maka timbul akibat janggal: inflasi buruk jauh lebih mungkin daripada inflasi baik. “Inflasi buruk” berarti periode percepatan perluasan yang hasilnya bertentangan dengan observasi kita. Contoh, variasi/perbedaan temperatur mungkin terlalu besar. Perbedaan antara baik dan buruk bergantung pada bentuk presisi kurva energi potensial, yang dikendalikan oleh parameter numeris yang dapat, secara prinsip, memikul harga berapapun. Namun variasi temperatur yang teramati hanya bisa dihasilkan oleh kisaran harga yang sangat sempit. Pada model inflasi tipikal, harganya harus mendekati 10-15—yakni, 15 nol desimal. Pilihan yang kurang halus, misalnya 12 atau 10 atau 8 nol desimal, akan menghasilkan inflasi buruk: derajat percepatan perluasannya sama (atau lebih) tapi variasi temperaturnya besar, yang mana tidak konsisten dengan observasi.

Kita bisa abaikan inflasi buruk andai tidak cocok dengan kehidupan. Sekalipun variasi temperatur sebesar itu bisa timbul secara prinsip, kita takkan dapat mengobservasi mereka. Penalaran jenis ini dikenal sebagai prinsip antropik. Tapi ini tidak berlaku di sini. Variasi temperatur yang besar akan menghasilkan lebih banyak bintang dan galaksi—alam semesta akan lebih ramah untuk dihuni dibanding sekarang.

Inflasi Buruk

Bukan hanya bahwa inflasi buruk jauh lebih mungkin daripada inflasi baik, tapi juga bahwa tak ada inflasi yang lebih mungkin daripada keduanya. Fisikawan Universitas Oxford, Roger Penrose, pertama kali mengemukakan poin ini di tahun 1980-an. Dia menerapkan prinsip termodinamika, seperti yang dipakai untuk mendeskripsikan konfigurasi atom dan molekul pada gas, untuk menghitung kemungkinan konfigurasi awal medan-medan inflasi dan gravitasi. Sebagian dari konfigurasi ini membawa pada inflasi dan karenanya pada distribusi materi yang flat dan nyaris seragam serta bentuk geometris flat. Konfigurasi lain langsung mengarah pada alam semesta flat yang seragam—tanpa inflasi. Kedua set konfigurasi sangat langka, jadi untuk mendapatkan alam semesta flat sangatlah tidak mungkin. Tapi, kesimpulan Penrose yang menggemparkan adalah, memperoleh alam semesta flat tanpa inflasi jauh lebih mungkin daripada dengan inflasi—dengan selisih faktor 10 pangkat googol (10100)!

Resiko Inflasi Abadi
Pendekatan lain, yang mencapai kesimpulan serupa, mengekstrapolasi sejarah alam semesta dari kondisinya yang sekarang menuju masa lampau dengan menggunakan hukum fisika kokoh. Ekstrapolasi ini tidaklah unik: berdasarkan kondisi hari ini yang rata-rata flat dan halus, mungkin saja sebelumnya timbul banyak urutan peristiwa berlainan. Pada 2008, Gary W. Gibbons dari Universitas Cambridge dan Neil G. Turok dari Perimeter Institute for Theoretical Physics di Ontario menunjukkan bahwa banyak ekstrapolasi memiliki jumlah inflasi yang tak signifikan. Kesimpulan ini konsisten dengan kesimpulan Penrose. Dua-duanya kontraintuitif karena alam semesta flat dan halus sangat tidak mungkin, dan inflasi merupakan mekanisme kuat untuk memperoleh penghalusan dan pemflatan yang dibutuhkan. Tapi keuntungan ini rupanya diimbangi dengan fakta bahwa kondisi untuk berawalnya inflasi begitu improbabel. Manakala semua faktor diperhitungkan, alam semesta jauh lebih mungkin untuk mencapai kondisinya yang sekarang tanpa inflasi, daripada dengan inflasi.

Banyak fisikawan dan astrofisikawan merasa argumen-argumen teoritis ini tak meyakinkan dibanding argumen pendukung inflasi yang lebih memaksa: yakni keserasian antara prediksi awal tahun 1980-an dan observasi kosmologis hebat yang tersedia hari ini. Eksperimen-eksperimen serasi dengan argumen teoritis manapun. Tapi corak aneh dari kisah ini adalah, prediksi awal 1980-an didasarkan pada pemahaman polos tentang bagaimana inflasi bekerja—gambaran yang ternyata salah besar.

Kondisi Pemulai

Pergeseran pandangan diawali dengan kesadaran bahwa inflasi bersifat abadi: sekali dimulai, tak pernah berakhir [lihat “Alam Semesta Berinflasi yang Mereproduksi Diri”, tulisan Andrei Linde, Scientific American, November 1994]. Sifat inflasi yang mengekalkan diri merupakan akibat langsung dari kombinasi fisika quantum dan percepatan perluasan. Ingat, fluktuasi-fluktuasi quantum dapat tertunda sedikit ketika inflasi berakhir. [Di kawasan] di mana fluktuasi ini kecil, maka begitu pulalah efeknya. Tapi fluktuasi-fluktuasi acak tak terkendali. Di kawasan ruang tertentu, mereka sangat besar, mengakibatkan penundaan yang substansial.

Kawasan-kawasan jahat penangguh semacam itu amat langka. Anda mungkin merasa aman untuk mengabaikan mereka. Jangan berpikir begitu, sebab mereka berinflasi. Mereka terus tumbuh dan, dalam hitungan jenak, mengerdilkan kawasan bertingkah baik, sampai mengakhiri inflasi tepat pada waktunya. Hasilnya, lautan ruang berinflasi mengepung sebuah pulau kecil yang dipenuhi materi panas dan radiasi. Lebih dari itu, kawasan-kawasan jahat menelurkan kawasan jahat baru, serta pulau materi baru—masing-masing merupakan alam semesta yang berdiri sendiri. Proses ini berlanjut tanpa akhir, menciptakan pulau-pulau dalam jumlah tak terbatas yang dikelilingi ruang yang semakin berinflasi. Jika Anda tak gelisah dengan gambaran ini, jangan cemas—sewajarnya demikian. Kabar menggelisahkan datang berikutnya.

Pulau-pulau tersebut tidak semuanya sama. Sifat acak fisika quantum menjamin bahwa sebagian sangat tidak seragam atau sangat lengkung. Ketidakseragaman mereka terdengar seperti persoalan inflasi buruk yang tadi dibahas, tapi penyebabnya lain. Inflasi buruk terjadi karena parameter pengendali bentuk kurva energi potensial kemungkinan terlampau besar. Di sini ketidakseragaman bisa diakibatkan oleh inflasi abadi dan fluktuasi quantum acak, tak peduli berapapun harga parameternya.

Persisnya, secara kuantitatif, kata “sebagian” di atas mesti diganti dengan “sejumlah tak terhingga”. Di alam semesta yang berinflasi abadi, sejumlah tak terhingga pulau-pulau akan mempunyai atribut seperti pulau-pulau yang kita amati, tapi sejumlah tak terhingga [lainnya] tidak. Hasil inflasi diringkas dengan baik oleh Guth: “Di alam semesta yang berinflasi abadi, apapun yang dapat terjadi akan terjadi; bahkan, akan terjadi tak terhingga kali.”

Jadi, apakah alam semesta kita merupakan pengecualian atau pembatasan? Di sekumpulan pulau tak terhingga, ini sulit dipastikan. Sebagai analogi, asumsikan Anda punya sebuah karung berisi kwarter dan péni dalam jumlah terhingga (kwarter dan péni adalah jenis uang receh—penj). Jika Anda merogoh dan memungut satu koin secara sembarang, Anda bisa membuat prediksi pasti tentang koin mana yang kemungkinan besar terpilih. Tapi jika karung menampung kwarter dan péni dalam jumlah tak terhingga, Anda tidak bisa [memprediksi]. Untuk menaksir probabilitas, Anda menyortir koin-koin ke dalam tumpukan. Anda mulai dengan meletakkan satu kwarter ke tumpukan, lalu satu péni, lalu kwarter kedua, lalu péni kedua, dan seterusnya. Prosedur ini memberi Anda kesan bahwa masing-masing denominasi memiliki jumlah setara. Tapi, cobalah sistem lain, pertama-tama tumpuk sepuluh kwarter, lalu satu péni, lalu sepuluh kwarter, lalu satu péni lagi, dan seterusnya. Sekarang Anda mendapat kesan ada seratus kwarter untuk setiap péni.

Manakah metode penghitungan koin yang benar? Jawabannya, bukan dua-duanya. Untuk sekumpulan koin tak terhingga, ada jumlah cara penyortiran tak terhingga yang menghasilkan rentang probabilitas tak terhingga. Jadi tak ada cara sah untuk menilai koin mana yang lebih mungkin. Dengan pertimbangan yang sama, tak ada cara untuk menilai jenis pulau mana yang lebih mungkin di sebuah alam semesta yang berinflasi abadi.

Nah, Anda pasti bingung. Kalau begitu untuk apa menyebut inflasi menghasilkan prediksi-prediksi pasti—bahwa, contoh, alam semesta adalah seragam atau mempunyai fluktuasi-fluktuasi invarian-skala—jika apapun yang dapat terjadi akan terjadi tak terhingga kali? Dan jika teori tidak menghasilkan prediksi yang bisa diuji, bagaimana mungkin kosmolog mengklaim teori ini selaras dengan observasi, sebagaimana rutin mereka lakukan?

Inflasi Abadi

Takaran Kegagalan Kita
Para teoris tidak lalai akan persoalan ini, tapi mereka yakin dapat memecahkannya dan memulihkan gambaran inflasi naif di awal 1980-an yang telah menarik mereka pada teori ini. Banyak teoris tetap menyimpan asa, meskipun sudah bergulat dengan isu ini selama 25 tahun terakhir dan masih harus menghasilkan solusi masuk akal.

Sebagian mengusulkan mengkonstruksi teori-teori inflasi yang tak abadi, untuk memberangus ketakterhinggaan alam semesta. Tapi keabadian merupakan konsekuensi alami inflasi plus fisika quantum. Untuk menghindarinya, alam semesta harus bermula dalam status awal yang sangat istimewa dan dengan bentuk energi inflasi yang istimewa, agar inflasi berakhir di mana-mana di ruang sebelum fluktuasi-fluktuasi quantum sempat membakarnya kembali. Tapi, dalam skenario ini, hasil yang teramati bergantung pada status awal tadi. Itu menggagalkan seluruh tujuan inflasi: yakni menjelaskan hasilnya, tak peduli bagaimanapun kondisi yang ada sebelumnya.

Sebuah strategi alternatif berasumsi pulau-pulau seperti alam semesta teramati yang kita miliki merupakan hasil inflasi yang paling mungkin. Para pendukung pendekatan ini memberlakukan apa yang disebut takaran, sebuah batasan spesifik untuk menimbang jenis-jenis pulau mana yang paling mungkin—analogis dengan menyatakan kita harus mengambil tiga kwarter untuk setiap lima péni ketika menarik koin dari karung. Gagasan takaran, sebagai penambahan ad hoc, merupakan pengakuan terbuka bahwa teori inflasi sendiri tidak menjelaskan atau memprediksi apa-apa.

Yang lebih parah, para teoris sudah menghasilkan banyak takaran yang sama-sama masuk akal, yang membawa pada kesimpulan berbeda-beda. Contohnya adalah takaran volume, yang menyatakan pulau-pulau mesti ditimbang berdasarkan ukuran mereka. Sepintas, pilihan ini masuk akal. Ide intuitif yang mendasari inflasi adalah bahwa ia menjelaskan keseragaman dan keflatan yang kita amati dengan menciptakan volume-volume ruang besar beratribut tersebut. Sayangnya, takaran volume gagal. Alasannya, ini lebih mengkonfirmasi penangguhan/penundaan (procrastination). Pikirkan dua jenis kawasan: pulau-pulau seperti pulau kita dan pulau lainnya yang terbentuk kemudian, setelah lebih banyak inflasi. Berdasarkan pangkat pertumbuhan eksponensial, kawasan-kawasan terakhir akan menempati volume total yang jauh lebih luas. Karenanya, kawasan-kawasan yang lebih muda daripada kita akan jauh lebih lazim. Menurut takaran ini, kita bahkan tak mungkin eksis.

Para penggemar takaran mengambil pendekatan trial-and-error di mana mereka menemukan dan menguji takaran-takaran sampai, mereka harap, menghasilkan jawaban yang diinginkan: bahwa alam semesta kita sangat probabel. Anggap saja kelak mereka akan berhasil. Maka mereka akan butuh prinsip lain untuk menjustifikasi penggunaan takaran tersebut ketimbang takaran lain, bahkan prinsip lain untuk memilih prinsip tersebut, dan seterusnya.

Pendekatan alternatif yang lain lagi melibatkan prinsip antropik. Sementara konsep takaran berpandangan kita hidup di pulau tipikal, pinsip antropik berasumsi kita hidup di pulau non-tipikal dengan kondisi-kondisi minimal yang tepat yang diperlukan untuk menopang kehidupan. Ia mengklaim, kondisi-kondisi di pulau-pulau yang lebih tipikal tidak cocok dengan galaksi atau bintang atau prasyarat lain untuk kehidupan yang kita kenal sekarang. Meskipun pulau-pulau tipikal menempati lebih banyak ruang daripada pulau-pulau seperti kita, mereka dapat diabaikan karena kita hanya tertarik pada kawasan yang berpotensi dihuni manusia.

Sial bagi ide ini, kondisi-kondisi di alam semesta kita tidaklah minimal—alam semesta lebih flat, lebih halus, dan lebih invarian-skala daripada yang semestinya untuk menopang kehidupan. Pulau-pulau yang lebih tipikal, seperti pulau-pulau muda itu, hampir sama-sama dapat dihuni tapi jauh lebih banyak.

Menagih Para Penangguh
Berdasarkan argumen ini, klaim yang sering dikutip bahwa data kosmologi sudah memverifikasi prediksi-prediksi sentral teori inflasi ternyata menyesatkan. Boleh dibilang, data sudah mengkonfirmasi prediksi teori inflasi naif yang kita pahami sebelum 1983, tapi teori ini bukan kosmologi inflasi yang dipahami hari ini. Teori naif itu menduga, inflasi membuahkan hasil yang dapat diprediksi yang diatur oleh hukum fisika klasik. Kenyataannya, fisika quantumlah yang mengatur inflasi, dan apapun yang dapat terjadi akan terjadi. Lantas, jika teori inflasi tidak membuat prediksi tegas, apa gunanya?

Masalah dasarnya adalah, penangguhan tidak memikul hukuman—sebaliknya, ia diberi ganjaran positif. Kawasan-kawasan jahat yang menunda penghentian inflasi terus tumbuh dengan laju mencepat, sehingga mereka mengambil alih tanpa kecuali. Dalam situasi ideal, kawasan jahat manapun akan mengembang lebih pelan—atau, yang lebih baik, menyusut. Sebagian besar semesta akan terdiri dari kawasan-kawasan bertingkah baik yang mengakhiri fase penghalusan tepat pada waktunya, dan alam semesta teramati milik kita akan sangat normal.

Sebuah alternatif untuk kosmologi inflasi yang diusulkan saya dan kolega, dikenal sebagai teori siklik, persis mempunyai atribut ini. Menurut gambaran ini, big bang bukanlah permulaan ruang dan waktu [lihat Mitos Permulaan Waktu, tulisan Gabriele Veneziano, Scientific American, Mei 2004], melainkan “lambungan” dari fase penyusutan terdahulu menuju fase perluasan baru, diiringi pembentukan materi dan radiasi. Teori ini siklik karena, setelah setriliun tahun, perluasan beralih ke penyusutan, dan lambungan baru menuju perluasan lagi. Poin kuncinya adalah, penghalusan alam semesta berlangsung sebelum bang, selama periode penyusutan. Kawasan penangguh jahat manapun terus menyusut sedangkan kawasan bertingkah baik melambung tepat waktu dan mulai mengembang, sehingga kawasan jahat tetap tergolong kecil dan tak berarti.

Penghalusan selama penyusutan memiliki konsekuensi yang nyata. Selama fase penghalusan, entah dalam teori inflasi ataupun teori siklik, fluktuasi-fluktuasi quantum menghasilkan distorsi-distorsi kecil acak yang menjalar di ruangwaktu, dikenal sebagai gelombang gravitasi, yang meninggalkan jejak khas pada radiasi gelombang mikro latar. Amplitudo gelombang-gelombang ini berbanding dengan densitas energi. Inflasi akan terjadi ketika alam semesta amat padat/rapat, sedangkan proses sepadan dalam model siklik akan terjadi ketika alam semesta nyaris hampa, sehingga jejak-jejaknya akan sangat berbeda. Tentu saja, teori siklik relatif baru dan mungkin mengandung masalah, tapi ia mengilustrasikan adanya alternatif-alternatif masuk akal yang tidak didera inflasi abadi tak terkendali. Penelitian pendahuluan kami menyiratkan model siklik juga menghindari masalah-masalah lain yang dikemukakan di awal.

Saya sudah menyajikan bukti pendukung dan penentang inflasi sebagai dua ekstrim tanpa kemungkinan pemeriksaan silang atau sedikit perbedaan. Dalam sebuah pertemuan yang diadakan bulan Januari di Princeton Center for Theoretical Science untuk mendiskusikan isu-isu ini, banyak teoris terkemuka berargumen bahwa persoalan-persoalan inflasi hanyalah kesulitan awal dan tidak boleh menggoyahkan keyakinan kita terhadap ide dasarnya. Yang lain (termasuk saya) berpendapat persoalan ini menusuk inti teori, dan [teori ini] perlu perbaikan besar atau harus diganti.

Pada akhirnya, perkara ini akan diputuskan dengan data. Observasi mendatang terhadap radiasi gelombang mikro latar akan bicara. Eksperimen untuk mencari jejak gelombang gravitasi sedang dijalankan di puncak-puncak gunung, pada balon-balon tinggi, dan satelit-satelit onboard, dan hasilnya semestinya muncul dalam dua sampai tiga tahun ke depan. Terdeteksinya jejak gelombang gravitasi akan mendukung inflasi; kegagalan mendeteksinya akan menjadi langkah mundur besar. Agar inflasi masuk akal, terlepas dari hasil nihilnya, kosmolog harus menduga bahwa medan inflasi memiliki tenaga amat ganjil dengan bentuk yang tepat untuk memberangus gelombang gravitasi yang bekerja keras. Banyak periset akan condong pada alternatif-alternatif, seperti teori alam semesta siklik, yang secara alami memprediksi sinyal gelombang gravitasi kecil dan tak teramati. Hasilnya akan menjadi momen kritis dalam upaya kita untuk menentukan bagaimana alam semesta menjadi seperti sekarang dan apa yang akan terjadi padanya di masa depan.

Penulis
Paul j. Steinhardt adalah direktur Princeton Center for Theoretical Science di Universitas Princeton. Dia anggota National Academy of Sciences dan menerima P.A.M. Dirac Medal dari International Center for Theoretical Physics pada tahun 2002 atas kontribusinya terhadap teori inflasi. Steinhardt juga dikenal atas postulat status materi baru yang dikenal sebagai quasikristal.

Untuk Digali Lebih Jauh

  • The Inflationary Universe. Alan Guth. Basic Books, 1998.
  • Quantum Cosmology, Inflation, and the Anthropic Principle. Andrei Linde dalam Science and Ultimate Reality: Quantum Theory, Cosmology and Complexity. Disunting oleh John D. Barrow, Paul C. W. Davies, dan Charles L. Harper, Jr. Cambridge University Press, 2004.
  • Endless Universe: Beyond the Big Bang. Paul J. Steinhardt dan Neil Turok. Doubleday, 2007.
  • The Measure Problem in Cosmology. G. W. Gibbons dan Neil Turok dalam Physical Review D, Vol. 77, No. 6, Paper No. 063516, Maret 2008. Pracetak online di http://arxiv.org/abs/hep-th/0609095
  • From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time. Sean Carroll. Dutton Adult, 2010.

Scientific American Online
Selengkapnya tentang inflasi kosmik di ScientificAmerican.com/apr2011/inflation

One thought on “Celah Quantum dalam Teori Big Bang

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