RANGKUMAN "A BRIEF HISTORY OF TIME" Part 2 ~ AchFauziHasyim

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?

LANJUT Part 3