BAB 4 KAIDAH
KETIDAKPASTIAN
Einstein
adalah ilmuan fisika yang luarbiasa yang mendapatkan penghargaan nobel.
Einstein tak pernah mengakui bahwa alam semesta dikuasai kebetulan. Perasaannya
terangkum dla pernyataan “TUHAN TIDAK BERMAIN DADU”. Einstein memperkenalkan
kita dengan teorinya Mekanika Kuantum.
Mekanika kuantum mengatur perilaku transistor dan sirkuit terintegrasi yang
merupakan komponen utama alat elektronik, juga menjadi dasar kimia, biologi
modern. Namun belum dapat mencakup pada hal struktur skala besar alam semesta
dan gravitasi.
Mekanika
kuantum pada prinsipnya memperkenankan kita memprediksi hampir semua yang kita
lihat disekeliling kita, dalam batas-batas yang ditetapkan kaidah
ketidakpastian.
Kita
belum punya teori lengkap dan konsisten yang mempersatukan relativitas umum dan
mekanika kuantu yang diketahui dua teori besar yang menjelaskan banyak hal
namun bertolak belakang. Tapi fisika sejauh ini sudah mengetahui sejumlah
ciri-ciri yang harus dimiliki teori lengkap.
BAB 5 ZARAH-ZARAH
DASAR DAN GAYA-GAYA ALAM
Beberapa
filsuf terdahulu percaya bahwa segala zat di alam semesta terdiri atas empat
unsur dasar yaitu tanah, air, udara, dan api. Unsur-unsur itu dipengaruhi dua
gaya yaitu Gravitasi
yang membuat kecendrungan tanah dan air untuk turun dan Levitasi yang membuat kecendrungan api dan udara
untuk naik. Dan diyakini setiap zat mampu dibelah kecil sampai tak berhingga.
Namun
sejarah pemikiran dan penelitian yang di ungkapkan tokoh-tokoh seperti
Demokritos (filsuf) meyakini bahwa zat tak akan bisa dibagi lagi pada unsur
terakhir yaitu atom. Penelitian oleh ilmuan Dalton memberi bukti akan adanya atom. J.J Thomson lalu menemukan bahwa
ada unsur lebih kecil lagi selain atom yaitu elektron yang bermassa kurang dari satu per seribu massa atom
paling ringan dan bermuatan listrik negatif. Kemudian disusul penemuan
Rutherford dan James Chadwick yang menunjukkan adanya inti atom/Neutron yang tak bermuatan listrik dan dikelilingi
neutron yang bermuatan negatif. Dan pada inti ditemukan pula proton yang bermuatan listrik positif.
Tapi
percobaan Caltech Murray Gell-Mann, ketika percobaannya menabrakkan proton
dengan proton lain elektron dengan kecepatan tinggi menunjukkan bahwa proton
sebenarnya terbuat dari zarah-zarah yang lebih kecil lagi. Zarah-zarah itu
dinamai Quark. Cara imajinatif untuk
menamai zarah-zarah quark yaitu up, down,
charmed, bottom, dan top. Namun istilah itu hanya label yang tak punya
warna dlam arti biasa.
Proton
dan neutron terdiri dari tiga quark, satu dari tiap warna. Satu proton
mengandung dua quark up dn satu quark down. Satu neutron mengandung dua down
dan satu up. Pertanyaan kemudian apakah zarah-zarah quark benar-benar yang
paling dasar dalam menyusun semuanya? Karena kita ketahui bahwa dalam
pengamatan kita menggunakan cahaya, dan gelombang cahaya jauh lebih besar dari
pada atom. Kita tak bisa melihat bagian-bagian atom dengan cara yang biasa.
Seperti yang kita lihat sebelumnya bahwa mekanika kuantum memberitahu kita
bahwa semua zarah sebenarnya adalah gelombang. Makin tinggi energi suatu zarah
maka makin kecil panjang gelombangnya. Jadi jawaban terbaik yang bisa kita
keluarkan ialah bergantung kepada seberapa tinggi energi zarah yang bisa kita
siapkan, karena itu menentukan sampai skala sekecil apa kita bisa melihat.
Segala
isi alam semesta termasuk cahaya dan gravitasi bisa dijelaskan dengan zarah.
Zarah punya sifat yang disebut spin. Satu cara menggambarkan spin adalah
membayangkan zarah sebagai gasing kecil yang berputar disumbunya. Semua zarah
yang sudah dikenal dialam semesta bisa dibagi menjadi dua kelompok. Yaitu zarah
dengan spin ½ yang menjadi zat di alam semesta, dan zarah dengan spin 0,1,2
yang memunculkan gaya antar zat.
Dalam
bab yang membahas zarah ini, banyak sekali tokoh ilmuan yang diberikan kepada
mereka karena jasa mereka menemukan atau menjelaskan alam semesta. Zarah
mempunyai penjelasan yang tidak mudah dipahami orang awam. Itu menunjukkan
bahwa alam semesta tak sesederhana yang
kita kira.
BAB 6 LUBANG HITAM
Istilah
lubang hitam (black hole) belum lama ada. Istilah itu diciptakan pada 1969 oleh
ilmuwan Amerika John Wheeler. Awalnya ada dua teori tentang cahaya. Yang
pertama menyatakan cahaya itu terbuat dari gelombang yang tidak diketahui
bagaimana cahaya itu dalam menanggapi gravitasi. Yang kedua cahaya terdiri atas
zarah-zarah yang mudah dikaitkan dalam pengaruh gravitasi. Yang akhirnya
diketahui kedua teori itu benar. Cahaya bisa dianggap gelombang atau zarah.
Dalam
penelitian John Michell menunjukkan bahwa suatu bintang yang cukup masif dan
rapat kiranya bakal memiliki medan gravitasi yang sangat kuat sehingga
cahayapun tak dapat lolos dari medan itu. Cahaya apapun yang dipancarkan
permukaan bintang bakal ditarik kembali oleh gravitasi bintang sebelum bisa
bergerak jauh. Michell menyatakan bahwa mungkin ada banyak bintang semacam itu,
walau kita tak bakal bisa melihat bintang-bintang itu karena cahayanya tak
sampai ke kita. Benda itu yang kita sebut lubang
hitam (black hole).
Beberapa
tanggapan menganggap usul itu terlalu gila, karena menurut teori gelombang
belum jelas apakah cahaya mampu dipengaruhi gravitasi. Teori konsisten mengenai
cara gravitasi memengaruhi cahaya baru ada ketika Einstein mengajukan teori
Relativitas Umum pada 1915.
Bintang
menjadi sangat panas, kemudian panas dari reaksi seperti ledakan bom hidrogen
tak terkendali adalah cahaya bintang. Panas tambahan itu juga meningkatkan
teganan gas sampai bisa mengimbangi tekanan gravitasi, sehingga gas berhenti
menyusut, ibarat balon, ada yang keseimbangan antara udara didalam yang mencoba
mengembangkan balon (panas reaksi nuklir), dan tegangan karet yang mencoba
menyusutkan balon (gravitasi). Bintang mampu bertahan tetap stabil seperti itu
dalam jangka waktu yang lama seperti matahari kita. Namun akhirnya bintang akan
kehabisan hidrogen dan bahan bakar nuklir lain. Anehnya, makin banyak bahan
bakar yang awalnya dimiliki bintang, makin cepat habisnya. Itu karena pada
bintang yang masif, diperlukan panas lebih banyak untuk mengimbangi tarikan
gravitasi. Matahari kita mungkin diprediksi akan habis seratus juta tahun lagi.
Bagi kita itu lama, namun cepat jika dibanding umur alam semesta. Setelah
bintang kehabisan bahan bakar, bintang akan mulai mendingin dan menyusut.
Menurut
teori relativitas, tak ada yang bisa bergerak lebih cepat dari pada cahaya.
Jadi jika cahaya saja tak bisa lolos dari black hole, maka segala yang lain
juga tak bisa. Batas lubang hitam disebut cakrawala peristiwa (event horizon).
Jika
seorang astronot yang berani misalnya berada dalam lubang hitam, kemungkinan
yang akan terjadi adalah gravitasi di black hole jadi lemah kalau jarak kita
makin jauh dari bintang. Jadi gaya gravitasi yang dirasakan kaki astronot kita
yang berani bakal selalu lebih besar daripada gaya gravitasi di kepalanya.
Perbedaan itu bakal merentangkan astronot seperti spagheti atau merobek dia
sebelum bintang menyusut ke ukuran kritis ketika cakrawala peristiwa terjadi.
Namun boleh jadi sang astronot bisa menghindar terhadap singularitas dan malah
jatuh melalui “lubang cacing” kemudian keluar lagi dibagian lain di alam
semesta. Dan itu menawarkan kemungkinan cara baru bergerak menembus ruang dan
waktu.
Lubang
hitam adalah satu dari segelintir kasus dalam sejarah sains dimana suatu teori
dikembangkan sampai sangat terperinci sebagai suatu model matematika sebelum
ada bukti dari pengamatan. Namun bagaimana kita mendeteksi lubang hitam? Yang
berdasarkan definisinya saja tak memancarkan cahaya apapun? Seperti yang
ditunjukkan John Michell dalam makalahnya bahwa lubang hitam masih menimbulkan
gaya gravitasi yang menarik benda-benda didekatnya. Para ahli astronomi telah
mengamati banyak sistem dimana dua bintang saling mengorbit, saling tarik
karena gravitasi dan mendapati bintang yang mengorbit pasangan yang tak
terlihat. Namun tidak boleh langsung disimpulkan itu adalah lubang hitam,
karena bisa jadi bintang pasangannya mempunyai cahaya yang terlalu redup untuk
berhasil kita amati.
Disatu
sisi, setelah fisika sudah banyak melakukan penelitian mengenai lubang hitam
bertahun-tahun, dan semua bakal sia-sia jika ternyata lubang hitam itu tak ada.
Sisi lain, kalau memang lubang hitam ada mungkin saja jumlahnya lebih banyak
dari pada bintang yang kelihatan, yang jumlah totalnya di satu galaksi kita
saja sekitar seratus ribu juta. Seorang ahli fisika, John Wheeler pernah
menghitung bahwa jika semua berat air di seluruh bumi dikumpulkan, kita bisa
membuat bom hidrogen yang bakal menempatkan zat cukup banyak di pusatnya
sehingga lubang hitam bakal tercipta. Dan tentu sajahal itu tidak akan mungkin!
BAB 7 LUBANG HITAM
TAK BEGITU HITAM
Lubang hitam sebenarnya tak hitam. Lubang
hitam berpendar seperti benda panas, dan makin kecil lubang hitamnya, makin
terang pendarnya. Anehnya, lubang hitam yang kecil lebih mungkin dideteksi
daripada lubang hitam yang besar.
Pada
bab ini, om Hawking menjelaskan lubang hitam dengan sangat rumit dan bahasa
yang asing bagi yang awam dalam dunia fisika seperti saya. Pada akhirnya semua
hanyalah prediksi-prediksi yang mungkin terjadi pada lubang hitam dengan sudut
pandang relativitas umum dan sudut pandang mekanika kuantum.
BAB 8 ASAL USUL DAN
TAKDIR ALAM SEMESTA
Kita
masih mengingat sejarah Galileo yang menentang gereja dan dihukum penjara
sampai ia mau mengakui bahwa mataharilah yang mengelilingi bumi sebagai pusat
tata surya. Cerita yang hampir sama dilalui oleh Om Hawking. Pada akhir
konfrensinya, para hadirinn diberi kesempatan bertemu dengan Paus. Paus bilang
kepada hadirin konfrensi juga om Hawking, bahwa siapa saja boleh mempelajari
perkembangan alam semesta sesudah ledakan besar dan sah saja, tapi siapapun
sebaiknya tak mencari tahu mengenai ledakan besar karena itulah saat
Penciptakan yang merupakan karya Tuhan. Namun Om Hawking bersyukur bahwa sedari
tadi Paus tidak memahami isi dari konfrensi yang dia bawakan sebelumnya dimana
intinya alam semesta ini kemungkinan dalam
ruang dan waktu terbatas tapi tak punya perbatasan, artinya tak punya permulaan,
tak punya saat Penciptaan. Namun om
Hawking tidak ingin bernasib sama sperti Galileo yang berani menyanggah
perkataan Paus.
Pada
ledakan besar, alam semesta dianggap berukuran nol, dan luarbiasa panas. Tetapi
selagi alam semesta mengembang, suhu radiasinya berkurang. Satu detik setelah ledakan besar, suhu alam semesta turun menjadi
sepuluh miliar derajat. Suhu itu kira-kira sama dengan seribu kali suhu
matahari kita. Sekitar seratus detik setelah
ledakan besar, suhu alam semesta turun pada kisaran satu miliar derajat. Itu
merupakan suhu didalam bintang terpanas. Dalam makalah George Gamow,
menjelaskan bahwa radiasi (dalam bentuk foton) dari tahap awal alam semesta
seharusnya masih ada sampai sekarang.
Hanya
dalam beberapa jam sesudah ledakan besar, produksi helium dan unsur-unsur lain
terhenti. Dan sesudah itu, selama sekitar satu juta tahun kemudian, alam
semesta akan terus berkembang. Alam semesta secara keseluruhan terus mengembang
dan mendingin, tapi di daerah lain yang lebih rapat dari pada rata-rata akan
melambat karena tarikan gravitasi yang lebih besar. Dan akhirnya menyebabkan
penyusutan kembali. Selagi daerah-daerah itu menyusut, tarikan gravitasi zat
diluar daerah-daerah tersebut akan membuat daerah itu mulai berotasi. Selama
daerah yang berotasi makin mengecil, putarannya bakal makin cepat dan akhirnya
mampu mengimbangi gravitasi. Dari rotasi itu maka lahirlah apa yang kita sebut
galaksi.
Bagian
paling luar bintang kadang bisa terlontar dalam ledakan mahabesar yang disebut
supernova, yang lebih terang daripada semua bintang lain dalam galaksi.
Beberapa unsur bintang bakal terlempar ke gas dalam galaksi dan menjadi bahan
mentah untuk bintang generasi selanjutnya. Matahari kita sendiri mengandung dua
persen unsur itu. Matahari kita mungkin merupakan bintang generasi kedua atau
ke`tiga. Terbentuk sekitar lima miliar tahun lalu dari awan gas berotasi yang
mengandung puing supernova-supernova terdahulu. Sebagian besar gas di awan itu
membentuk matahari atau bisa terpencar lagi dan saling bergabung membentuk
benda-benda yang sekarang mengelilingi matahari sebagai planet, termasuk bumi.
Bumi
pada permulaanya sangat panas dan tak memiliki atmosfer. Seiring waktu, bumi
mendingin dan mendapat atmosfer dari gas yang dikeluarkan bebatuan.
Bentuk-bentuk kehidupan awal diperkirakan berkembang dalam laut. Makromolekul
yang berhasil lolos dari iklim waktu itu akan mulai berevolusi dan menyebabkan
berkembanganya organisme yang makin rumit. Muncullah bentuk kehidupan dari
ikan, reptil, mamalia, dan umat manusia.
Semua
hukum itu mungkin ditetapkan oleh Tuhan, tapi nampaknya Dia sudah membiarkan
alam semestar berkembang sesuai hukum-hukum itu dan tidak ada lagi campur
tanganNya dalam alam semesta. Tuhan memilih konfigurasi awal dengan alasan yang
tak bisa kita pahami Mengapa. Kiranya itu termasuk bentuk kekuasaan sosok
Mahakuasa, tapi jika Dia memulai alam semeta dengan cara yang tak bisa kita
pahami, mengapa kemudian Dia memilih membiarkan alam semesta berkembang menurut
hukum-hukum yang dapat kita pahami?
Salah
satu kemungkinan adalah yang disebut kondisi Batas khaos (chaotic boundary condition) dimana kondisi itu
mengasumsikan secara tersirat bahwa alam semesta itu tak terbatas dalam ruang
atau ada banyak sekali. Alam semesta tak terbatas dalam ruang dengan jumlah tak
terhingga. Sangat sukar melihat bagaimana kondisi awal yang kacau dapat
menghasilkan alam semesta yang mulus dan teratur pada skala besar seperti alam
semesta kita saat ini. Mungkinkah kita hidup dalam daerah yang secara kebetulan
tepat, mulus? Tapi anggaplah hanya didaerah mulus galaksi dan bintang berbentuk
serta ada kondisi yang pas dan tepat untuk berkembangnya organisme rumit yang
menggandakan diri seperti kita.
Jika
kita bertanya mengapa alam semesta ini mulus? Itu merupakan contoh penerapan
yang dikenal sebagai kaidah antropik, yang
bisa dinyatakan seperti ini; “Kita melihat alam semesta sebagaimana adanya
karena kita ada”. Ada dua versi kaidah antropik. Yang pertama adalah kaidah antropik lemah yang menyatakan
bahwa dalam alam semesta yang besar atau tak terbatas dalam ruang dan waktu,
kondisi yang diperlukan untuk perkembangan kehidupan cerdas hanya akan
ditemukan didaerah-daerah tertentu. Yang kedua kaidah antropik kuat yang menyatakan bahwa ada banyak alam semesta
atau banyak daerah dalam satu alam semesta, masing-masing dengan konfigurasi
awalnya sendiri, dan barangkali dengan set hukum alamnya sendiri serta hanya di
alam semesta kita perkembangan organisme rumit dapat terjadi. Tetapi tentu mungkin
saja ada bentuk kehidupan cerdas lain yang tak terbayangkan dan tak membutuhkan
cahaya bintang atau matahari bahkan unsur-unsur kimia dalam ledakan besar.
Jika
alam semesta lain itu sebenarnya berbagai daerah di satu alam semesta,
hukum-hukum sains bakal harus sama di semua daerah, karena kalau tidak, kita
tak bisa bergerak tanpa putus dari satu daerah ke yang lain. Kalau demikian,
satu-satunya perbedaan antara daerah lain itu kiranya hanya pada konfigurasi
awalnya. Jadi antropik kuat bakal gugur. Tapi kaidah antropik kuat mengklaim
bahwa keseluruhan bangunan alam semesta yang sangat luas ini ada hanya demi
kita. Kita boleh mengatakan memang bahwa tata surya kita bahkan galaksi
dibutuhkan untuk kita, namun tampaknya kita tak membutuhkan galaksi lain itu
pada skala besar. Kiranya sangat sukar sekali menjelaskan mengapa alam semesta
harus di mulai dengan cara demikian, kecuali sebagai tindakan Tuhan yang
berniat menciptakan makhluk-makhluk seperti kita. Apakah semuanya hanya nasib
mujur? Itu hanya sekedar meredakan keputusasaan, penyangkalan atas semua
harapan kita memahami tatanan dasar alam semesta.
Mengapa
ada banyak sekali zat di alam semesta?. Ada sekitar sepuluh juta juta (satu
dengan delapan puluh nol sesudahnya) zarah di bagian alam semesta yang bisa
kita amati. Dari mana semua datang? Dari teori kuantum, zarah bisa tercipta
dari energi dalam bentuk pasangan zarah/antizarah. Tapi itu memunculkan
pertanyaan dari mana energi mereka datang? Jawabannya adalah bahwa energi total
alam semesta adalah nol. Zat di alam semesta terbuat dari energi positif, dan
medan gravitasi punya energi negatif. Kedua energi itu saling meniadakan,
sehingga energi total alam semesta dikatakan nol.
Di
bab ini, om Hawking menjelaskan teorinya tentang “waktu khayal” yang rumit dicerna. Dia ingin menegaskan bahwa
gagasan waktu dan ruang seharusnya “tanpa
perbatasan” . dengan asumsi awal, sama dengan teori sains lain, suatu
gagasan boleh diajukan awalnya karena alasan estetis dan metafisik, tapi ujian
sebenarnya adalah apakah gagasan itu membuat prediksi yang cocok dengan hasil
pengamatan. Sekali lagi teori hanya ada dalam akal budi kita. Jadi tak ada
artinya bertanya yang mana waktu “nyata” dan waktu “khayal”. Yang terpenting
kembali lagi ialah penjabaran mana yang lebih berguna.
Dengan
keberhasilan teori-teori sains untuk menjelaskan berbagai peristiwa, sebagian
besar orang jadi percaya bahwa Tuhan memperkenankan alam semesta berkembang
menurut satu set hukum dan tak campur tangan dalam alam semesta dengan
melanggar hukum. Namun hukum-hukum itu nampaknya sangat rumit dan tak
memberitahu kita seperti apa alam semesta ketika bermula. Kiranya tetap
terserah Tuhan untuk memutar mekanisme dan memilih cara memulainya. Selama alam
semesta punya permulaan, kita dapat menganggap alam semesta punya pencipta.
Tapi jika alam semesta benar-benar sepenuhnya utuh dalam dirinya sendiri, tanpa
perbatasan dan tepi, maka alam semesta tak bakal punya permulaan atau akhir.
Alam semesta akan sekedar ada. Lalu adakah tempat untuk pencipta?