Amerika Serikat – Bagaimana cara ilmu fisika menolak awal alam semesta dengan awal penciptaannya? Apa yang menjadi dasar penolakan tersebut?
 |
| Foto: YouTube |
Dari semua pertanyaan yang pernah direnungkan umat manusia, mungkin yang paling mendalam adalah, "dari mana semua ini berasal?" Selama beberapa generasi, kita saling menceritakan kisah penemuan kita sendiri, dan memilih narasi yang paling cocok untuk kita.
Gagasan bahwa kita dapat menemukan jawaban dengan memeriksa Alam Semesta itu sendiri masih asing sampai saat ini. Hingga akhirnya pengukuran ilmiah mulai memecahkan teka-teki yang telah menghalangi para filsuf, teolog, dan pemikir.
Abad ke-20 membawa kita Relativitas Umum, fisika kuantum, dan Big Bang. Semuanya disertai dengan keberhasilan pengamatan dan eksperimental yang spektakuler. Kerangka kerja ini memungkinkan kita untuk membuat prediksi teoretis yang kemudian kita uji dan uji. Dan mereka lulus dengan sangat baik sementara alternatifnya gagal. Tapi, setidaknya untuk Big Bang (Ledakan Dahsyat) meninggalkan beberapa masalah yang tidak dapat dijelaskan yang mengharuskan kita melangkah lebih jauh.
Ketika kita melakukannya, kita menemukan kesimpulan yang tidak nyaman yang masih kita perhitungkan hingga hari ini. Informasi apa pun tentang permulaan Alam Semesta tidak lagi terkandung dalam kosmos kita yang dapat diamati. Inilah kisah yang membingungkan.
Menolak Awal Alam Semesta
Pada 1920-an, kurang dari satu abad yang lalu, konsepsi kita tentang Alam Semesta berubah selamanya. Hal ini karena dua rangkaian pengamatan bersatu dalam harmoni yang sempurna. Selama beberapa tahun terakhir, para ilmuwan yang dipimpin oleh Vesto Slipher mulai mengukur garis spektral - fitur emisi dan absorpsi - dari berbagai bintang dan nebula. Karena atom sama di semua tempat di Alam Semesta, elektron di dalamnya melakukan transisi yang sama. Mereka memiliki spektrum absorpsi dan emisi yang sama. Tetapi beberapa dari nebula ini, khususnya spiral dan elips, memiliki pergeseran merah yang sangat besar yang berhubungan dengan kecepatan resesi yang tinggi: lebih cepat dari apapun di galaksi kita.
Alam Semesta Mengembang
Mulai tahun 1923, Edwin Hubble dan Milton Humason mulai mengukur bintang individu di nebula ini, menentukan jarak ke mereka. Mereka jauh di luar Bima Sakti kita: jutaan tahun cahaya dalam banyak hal. Saat Anda menggabungkan pengukuran jarak dan pergeseran merah bersama-sama, semuanya mengarah pada satu kesimpulan yang tak terhindarkan. Kesimpulan ini juga secara teoritis didukung oleh teori Relativitas Umum Einstein: Alam Semesta dalam kondisi mengembang. Semakin jauh sebuah galaksi, semakin cepat ia tampak menjauh dari kita.
Jika saat ini Alam Semesta mengembang, itu berarti bahwa semua hal berikut ini pasti benar.
- Semesta semakin kurang padat, karena (jumlah tetap) materi di dalamnya menempati volume yang semakin besar.
- Alam semesta mendingin, karena cahaya di dalamnya meregang ke panjang gelombang yang lebih panjang.
- Dan galaksi yang tidak terikat secara gravitasi semakin menjauh dari waktu ke waktu.
Itu adalah beberapa fakta yang luar biasa dan membengkokkan pikiran. Hal itu karena memungkinkan kita untuk memperkirakan apa yang akan terjadi pada Alam Semesta di masa depan. Tetapi hukum fisika yang sama juga dapat memberi tahu kita apa yang terjadi dengan Alam Semesta di masa lalu. Saat ini Alam Semesta mengembang, mendingin, dan menjadi kurang padat. Itu berarti alam semesta lebih kecil, lebih panas, dan lebih padat di masa lampau.
Ledakan Dahsyat
Ide besar dari Ledakan Dahsyat adalah untuk mengekstrapolasi ini sejauh mungkin. Mengekstrapolasi Alam Semesta dengan kondisi yang lebih panas, lebih padat, dan lebih seragam seperti yang kita lakukan sebelumnya. Hal ini menghasilkan serangkaian prediksi yang luar biasa, termasuk bahwa:
- Galaksi yang lebih jauh seharusnya lebih kecil, lebih banyak, massa yang lebih ringan. Selain itu lebih kaya keberadaan bintang biru yang panas daripada rekan-rekan mereka di zaman modern.
- Harus ada semakin sedikit elemen yang berat saat kita melihat ke waktu lampau.
- Ada saatnya Alam Semesta terlalu panas untuk membentuk atom netral (dan radiasi dingin yang sekarang adalah sisa sejak saat itu).
- Bahkan ada saatnya inti atom diledakkan oleh radiasi ultra-energetik (meninggalkan campuran relik isotop hidrogen dan helium).
Keempat prediksi ini telah dikonfirmasi secara observasi. Sisa rendaman radiasi - awalnya dikenal sebagai "bola api purba" dan sekarang disebut latar belakang gelombang mikro kosmik. Hal ini ditemukan pada pertengahan 1960-an yang sering disebut sebagai pistol asap Ledakan Dahsyat.
Ditarik ke belakang, Alam Semesta akan mencapai suhu dan kepadatan yang sangat tinggi. Ini menciptakan kondisi fisik yang dikenal sebagai singularitas: di mana hukum fisika seperti yang kita kenal memberikan prediksi yang tidak lagi masuk akal dan tidak valid lagi.
Gugurnya Teori Awal Semesta
Setelah ribuan tahun mencari, kita menemukan asal muasal Alam Semesta. Alam semesta dimulai dengan Ledakan Dahsyat pada waktu yang lalu, bersamaan dengan kelahiran ruang dan waktu, dan segala sesuatu yang pernah kita amati adalah produk setelahnya. Untuk pertama kalinya, kita mendapatkan jawaban ilmiah yang benar-benar menunjukkan tidak hanya bahwa Alam Semesta memiliki awal, tetapi kapan awal itu terjadi. Menurut Georges Lemaitre, orang pertama yang mengumpulkan fisika alam semesta yang mengembang, momen itu adalah "suatu hari tanpa kemarin".
Hanya saja ada sejumlah teka-teki yang belum terselesaikan yang diajukan teori Ledakan Dahsyat ini, tetapi tidak ada jawaban untuk itu. Berikut teka-tekinya.
Mengapa daerah yang terputus secara kausal - yaitu, tidak punya waktu untuk bertukar informasi, bahkan dengan kecepatan cahaya - memiliki suhu yang sama satu dengan yang lain?
Mengapa laju ekspansi awal Alam Semesta (yang bekerja untuk memperluas sesuatu) dan jumlah total energi di Alam Semesta (yang bergerak dan melawan perluasan) seimbang dengan sempurna sejak awal: hingga lebih dari 50 tempat desimal?
Dan mengapa, jika kita mencapai suhu dan kepadatan ultra-tinggi ini sejak dini, tidak ada sisa peninggalan yang tersisa dari masa-masa itu di alam semesta kita saat ini?
Teori Inflasi Kosmik
Sepanjang tahun 1970-an, fisikawan dan astrofisikawan top di dunia mengkhawatirkan masalah teka-teki teori Ledakan Dahsyat. Mereka berteori tentang kemungkinan jawaban atas teka-teki ini. Kemudian, pada akhir 1979, seorang ahli teori muda bernama Alan Guth memiliki realisasi spektakuler yang mengubah sejarah.
Teori baru ini dikenal sebagai inflasi kosmik, dan mendalilkan bahwa mungkin gagasan Ledakan Dahsyat hanyalah ekstrapolasi yang baik ke titik waktu tertentu, di mana ia didahului (dan didirikan) oleh keadaan inflasi ini. Alih-alih mencapai suhu tinggi, kepadatan, dan energi yang sewenang-wenang, inflasi menyatakan bahwa:
- Alam semesta tidak lagi dipenuhi materi dan radiasi.
- Tetapi memiliki sejumlah besar energi intrinsik untuk struktur ruang itu sendiri.
- Ini menyebabkan Alam Semesta mengembang secara eksponensial (di mana laju pemuaian tidak berubah seiring waktu).
- Hal ini juga mendorong alam semesta ke keadaan datar, kosong, dan seragam sampai inflasi berakhir.
Ketika itu berakhir, energi yang melekat pada ruang itu sendiri - energi yang sama di mana-mana, kecuali untuk fluktuasi kuantum yang tercetak di atasnya - diubah menjadi materi dan energi, menghasilkan Ledakan Dahsyat yang panas.
Secara teoritis, ini adalah lompatan yang brilian, karena menawarkan penjelasan fisik yang masuk akal untuk sifat-sifat yang diamati yang tidak dapat dijelaskan oleh Big Bang saja. Daerah-daerah yang terputus secara sebab-akibat memiliki suhu yang sama karena mereka semua berasal dari “bidang” ruang yang berinflasi. Laju ekspansi dan kepadatan energi seimbang sempurna karena inflasi memberikan laju ekspansi dan kepadatan energi yang sama ke Alam Semesta sebelum Ledakan Dahsyat. Dan tidak ada sisa energi tinggi karena Alam Semesta hanya mencapai suhu terbatas setelah inflasi berakhir.
Fakta
Faktanya, inflasi juga membuat serangkaian prediksi baru yang berbeda dari prediksi Ledakan Dahsyat non-inflasi. Ini berarti kita bisa keluar dan menguji gagasan ini. Mulai saat ini, pada tahun 2020, kita telah mengumpulkan data yang menguji empat dari prediksi tersebut.
- Semesta memiliki batas atas maksimum yang tidak terbatas untuk suhu yang dicapai selama Ledakan Dahsyat yang panas.
- Inflasi harus memiliki fluktuasi kuantum yang menjadi ketidaksempurnaan kerapatan di Alam Semesta yang 100% adiabatik (dengan entropi konstan).
- Beberapa fluktuasi harus terjadi pada skala cakrawala super: fluktuasi pada skala yang lebih besar dari yang bisa dilakukan cahaya sejak Ledakan Dahsyat yang panas.
- Fluktuasi tersebut harus hampir, tetapi tidak sempurna, berskala invarian, dengan ukuran yang sedikit lebih besar pada skala besar daripada skala kecil.
Dengan data dari satelit seperti COBE, WMAP, dan Planck, kita telah menguji keempatnya. Dan hanya inflasi (dan bukan Ledakan Dahsyat panas non-inflasi) yang menghasilkan prediksi yang sejalan dengan apa yang telah kita amati.
Ini berarti Ledakan Dahsyat bukanlah awal dari segalanya; itu hanyalah permulaan dari Alam Semesta seperti yang kita kenal. Sebelum Ledakan Dahsyat yang panas, ada keadaan yang dikenal sebagai inflasi kosmik, yang akhirnya berakhir dan memunculkan Ledakan Dahsyat yang panas. Dan kita dapat mengamati jejak inflasi kosmik di Alan Semesta saat ini.
Tetapi hanya untuk inflasi sedetik yang sangat kecil dan sangat kecil. Hanya, mungkin, selama ~ 10-33 detik terakhir (atau lebih) itu kita dapat mengamati jejak inflasi yang tertinggal di Semesta kita. Mungkin saja inflasi hanya berlangsung selama durasi itu, atau lebih lama. Mungkin saja keadaan inflasi itu abadi, atau bersifat sementara, yang muncul dari sesuatu yang lain. Mungkin saja Alam Semesta dimulai dengan singularitas, atau muncul sebagai bagian dari suatu siklus, atau selalu ada. Tetapi informasi itu tidak ada di Alam Semesta kita. Inflasi - pada dasarnya - telah menghapus apapun yang ada di alam semesta pra-inflasi.
Tombol Reset Kosmik
Dalam banyak hal, inflasi seperti menekan tombol "reset" kosmik. Apa pun yang ada sebelum keadaan inflasi, jika ada, akan mengembang begitu cepat dan menyeluruh sehingga yang tersisa hanyalah ruang kosong, ruang seragam dengan fluktuasi kuantum yang diciptakan inflasi tumpang tindih di atasnya. Ketika inflasi berakhir, hanya volume kecil dari ruang itu - di suatu tempat antara seukuran bola sepak dan blok kota - yang akan menjadi Alam Semesta kita yang dapat diamati. Segala sesuatu yang lain, termasuk informasi yang memungkinkan kita untuk merekonstruksi apa yang terjadi sebelumnya di masa lalu Alam Semesta kita, sekarang berada selamanya di luar jangkauan kita.
Ini adalah salah satu pencapaian sains yang paling luar biasa. Kita dapat kembali ke miliaran tahun dan memahami kapan dan bagaimana Semesta kita, seperti yang kita ketahui, menjadi seperti ini. Tapi seperti banyak petualangan, mengungkapkan jawaban itu hanya menimbulkan lebih banyak pertanyaan. Teka-teki yang muncul kali ini, bagaimanapun, mungkin benar-benar tidak akan pernah terpecahkan. Jika informasi itu tidak lagi ada di Semesta kita, diperlukan revolusi untuk memecahkan teka-teki terbesar: dari mana semua ini berasal?[JD]
Sumber: Forbes
