Alam Semesta

Ahmad Fawzan Rohman Rabu, Januari 21, 2009

SEJARAH TEORI KEADAAN-TETAP (STEADY STATE THEORY)

Tahun 1948, teori kedaan-tetap atau teori alam semesta tak terhingga dicetuskan oleh Fred Hoyle, Thomas Gold dan Hermann Bondi sebagai alternatif dari teori ledakan besar (Big Bang theory). Teori ini tidak lebih dari perpanjangan paham materialistis abad ke 19 yang mengabaikan adanya sang Pencipta dan model semesta yang tanpa batas. Menurut model ini, ketika alam semesta mengembang, materi baru terus-menerus muncul dengan sendirinya dalam jumlah tepat sehingga alam semesta berada dalam “keadaan-stabil”. Galaksi baru yang terciptakan dari materi baru ini akan membuat jagat raya tampak sama sepanjang masa. Untuk mempertahankan kerapatan jagat raya konstan, laju penciptaan materi cukup kecil yakni satu atom hidrogen per sentimeter kubik setiap 1 milyar tahun. Dengan kata lain, alam semesta menurut teori ini adalah statis/tetap, tidak permulaan atau akhir. Walaupun mereka mengakui bahwa alam semesta berekspansi, namun mereka menyatakan bahwa alam semesta akan tetap sama kelihatannya sampai kapanpun. Teori ini segera runtuh dan tidak banyak penggemarnya ketika ditemukanradiasi latar belakang kosmik

SEJARAH TEORI LEDAKAN BESAR (BIG BANG THEORY)

Tahun 1922, fisikawan Rusia, Alexandre Friedmann menghasilkan perhitungan yang menyatakan struktur alam semesta tidak statis dan impuls kecil mungkin cukup membuat alam semesta mengerut atau mengembang sesuai Teori Relativitas Einstein. Berdasarkan perhitungan Friedman tahun 1927, Pastur Katholik Belgia, Georges Lemaitre menyatakan bahwa alam semesta mempunyai permulaan dan mengalami pengembangan. Ia mengusulkan bahwa alam semesta dimulai dengan atom primitif. Tahun 1929, Edwin Hubble menemukan bahwa ada galaksi lainnya selain galaksi Bimasakti (Milky Way) dan bahwa semua galaksi itu mengalami pergeseran merah. Pergeseran merah dimaksudkan bahwa cahaya bintang-bintang dan galaksi mendekati spektrum merah, dengan kata lain, mereka menjauhi pengamat dan bahkan saling menjauhi satu sama lain. Jika galaksi-galaksi yang sekarang saling menjauh satu sama lain, maka dulunya mereka berdekatan dan berkumpul pada suatu titik massa yang mampat, disebut dengan “volume nol” atau “singularitas” yang akhirnya meledak dan mengembang. Ledakan ini disebut Ledakan Besar.

BIG BANG VS STEADY STATE

Perhatikan perbedaan teori tentang alam semesta ini mulai dari keyakinannya. Teori steady state yang mengunggulkan alam semesta statis, pastilah bersifat atheis semestara teori Big Bang mengakui permulaan alam semesta bersifat theis (mengakui adanya Tuhan), lagipula pencetusnya merupakan pastur Katholik. Lalu perhatikan bahwa kedua hipotesis ini melanggar hukum kekekalan energi; adanya penciptaan sejumlah besar materi dengan kerapatan kecil pada hipotesis pertama dan adanya kerapatan tak terhingga pada hipotesis pertama

ALAM SEMESTA STATIS DAN RELATIVITAS UMUM

Pandangan bahwa alam semesta statis bertahan dari abad 17, dari masa Newton hingga generasi abad 20 yaitu Einstein. Seharusnya Newton menyadari bahwa suatu waktu alam semesta harus mengerut akibat gravitasi. Sama ketika Einstein menyadari bahwa alam semesta tak mungkin statis menurut teori relativitas yang ditemukannya. Berbeda dengan Alexandre Friedmann yang menerima relativitas umum apa adanya dan siap menyatakan bahwa alam semesta punya awal bersama George Lemaitre, Einstein merubah persamaan-persamaannya dengan menambahkan Konstanta Kosmologis, yaitu gaya antigravitasi yang mengimbangi gravitasi semua materi dalam jagat raya, tertanam dalam jalinan ruang waktu. Setelah penemuan Hubble, Einstein sadar bahwa konstanta itu tak ada gunanya, maka disebutnya itu sebagai “kebodohannya yang terbesar”. Berikut ini Kontanta Kosmologi(Λ) dalam persamaan relativitas umum :

MODEL ALAM SEMESTA KLASIK

Friedmann mengemukakan dua pengandaian sederhana mengenai alam semesta bahwa alam semesta akan tampak identik kemanapun orang memandang dan sifat itu tetap sama darimanapun orang memandang. Maka sebenarnya, tak ada seorangpun yang berharap bahwa alam semesta itu statis. Ada 3 model alam semesta menurut pengandaian फरिएद्मन, Model pertama yaitu alam semesta berawal dari ledakan besar dan terus memuai cukup lambat sehingga gravitasi akan menghentikan pemuaian, seterusnya galaksi-galaksi akan saling mendakati sehingga alam semesta mengerut dan terjadi kebalikan dari ledakan besar, suatu penciutan besar (Big Crunch, seperti runtuhnya bintang ke dalam lubang hitam namun dalam skala yang besar)। Model kedua yaitu alam semesta memuai begitu cepat sehingga gravitasi hanya bisa mengerem sedikit। Mula-mula alam semesta diawali dengan ledakan besar dan terus memuai dengan laju yang tetap। Model ketiga adalah dimana alam semesta memuai tepat hingga mampu berkelit dari gravitasi untuk menghindari penciutan dahsyat. Model Friedmann yang pertama menyatakan bahwa alam semesta itu tidak terhingga dalam ruang, namun ruang itu tidak punya tapal batas. Gravitasi membuat ruang itu membengkok ke arah dalam seperti permukaan bola dengan 3 dimensi. Namun, dalam model ini, rentang ruang punya batas. Dimensi keempat, waktu, juga rentangnya terbatas seperti sepotong garis dengan awal dan akhir. Model kedua Friedmann menyatakan bahwa alam semesta memuai selamanya sehingga bentung ruang melengkung ke arah lain seperti permukaan pelana dan tidak terhingga. Model ketiga Friedmann dengan laju pemuaian yang kritis, ruang itu datar dan tidak terhingga.

PROSES LEDAKAN BESAR MENURUT MEKANIKA KUANTUM

Semua model klasik Friedmann berawal dari suatu rapatan alam semesta kira-kira 10-20 milyar tahun yang lalu. Mekanika kuantum telah melangkah jauh mendekati t=0 sesaat sebelum ledakan besar. Pada waktu Planck, 10-43s, suhu, kerapatan dan kelengkungan ruang-waktu alam semesta tak terhingga besarnya. Apapun yang terjadi sebelum waktu Planck, tak ada pengaruhnya bagi alam semesta yang terbentuk karena prediktabilitasnya akan runtuh seketika ledakan besar terjadi. Suatu singularitas ledakan besar yang tak terhingga panasnya hingga berbentuk radiasi (karena E≡pc maka materi sama dengan radiasi) dan membentuk segala macam partikel elementer macam quark, proton, neutron, photon, elektron, neutrino klop dengan sobat antipartikelnya. Dalam menghadapi singularitas ini, semua teori fisika serta kemampuan untuk meramal masa depan akan luluh lantak, termasuk relativitas umum. Entah kenapa terjadi asimetri antara antipartikel dengan partikelnya sehingga ketika t=10-6 dan suhu mencapai 1,5 X 1013 K, semua antipartikel dan hampir semua partikel saling bunuh-membunuh. Ledakan besar yang didefinisikan dalam mekanika kuantum adalah pemusnahan masal antipartikel dan partikelnya menghasilkan sejumlah besar photon energi tinggi. 1 detik sesudah ledakan besar, suhu alam semesta berkisar antara 1,5 X 1010 K hingga 6 X 109 K. Yang tersisa hanya sangat sedikit partikel elementer. Neutrino dan antineutrino tidak lagi memusnahkan karena energinya sudah turun sehingga mereka enggan berinteraksi dengan materi dan mereka pun berpisah jalan (neutrino decoupling). Kerapatan neutrino dan photon hampir sama besar sampai alam semesta mengembang, suhu keduanya terus menurun. Neutrino latar belakang kosmik mikro lebih rendah daripada gelombang mikro photon latar belakang kosmik atau radiasi gelombang mikro latar belakang kosmik sebab selagi neutrino mendingin, photon harus berpanasa-panasan akibat proses pemusnahan pasangan. Saat t=6 s, alam semesta mencapai tahap dimana reaksi inti atau gaya nuklir kuat sangat penting. Dengan kedatangan proton dan neutron, maka reaksi inti dalam pembentukan deuterium yaitu

n + p → d + γ

Untuk tercipta banyak deuterium, photon harus mendingin mencapai 2,22 MeVdan suhu T= 2,5 X 1010 K. Pada t=225, suhu alam semesta berada di bawah 109 K sehingga terjadi reaksi pembentukan deuterium, hidrogen dan helium :

d + p → 3He

d + n → 3H

3He + n → 4He

3H + p → 4H

Energi pembentukan inti 3He dan 3H adalah 5,49 MeV dan 6,26 MeV. Tahap akhir pembentukan inti berat yaitu dengan pembentukan He. Pada t = 225 s, 17 neutron yang ada sejak t = 6 s sudah mengalami peluruhan beta hingga menjadi 12 persen dan jumlah proton meningkatkan menjadi 88 persen.Karena massa helium sekitar 4 kali massa hidrogen maka 24 persen massa alam semesta adalah massa helium.
Segera alam semesta purba menjalani masa pendinginan panjang yang sepi dan gaya nuklir kuat pun tidak begitu penting. Tahap akhir evolusi alam semesta purba adalah pembentukan atom hidrogen dan helium netral dari inti p, d, 3He dan 4He serta elektron bebas. Untuk kasus hidrogen, energi photon harus dibwah 13,6 eV sebab jika kurang, atom yang terbentuk akan diionkan oleh radiasi. Karena ada sekitar 108 photon untuk setiap proton maka proton itu harus menunggu hingga t = 160 000 tahun dan T = 6600 K sampai energi radiasinya turun. Dengan terbentuknya atom netral, maka tak ada lagi partikel bermuatan yang tersisa dalam alam semesta sekaligus radiasi terlalu lemah untuk mengionkan atom, maka tahap ini adalah dimana radiasi dan materi putus hubungan (decoupling) sehingga gaya elektromagnetik tidak penting lagi. Selang 14,9993 X 109 tahun, tak ada peristiwa yang mengesankan dan semuanya berjalan serba sepi. Fluktuasi kerapatan hidrogen dan helium merangsang terjadinya kondensasi galaksi dan lahirnya bintang generasi pertama. Pesta kembang api terpopuler sejagat raya, supernova, menghamburkan materi bintang yang mati untuk membentuk bintang generasi kedua dan sebagian membentuk planet.

PENINGGALAN BIG BANGNEUTRINO LATAR BELAKANG KOSMIK

Neutrino mengalami pregeseran merah dengan suhu lebih rendah daripada photon, sekitar 2 K. Kerapatan neutrino awal kurang lebih sama dengan kerapatan photon, sekitar 108 /m3.

GELOMBANG GRAVITASI

Ketika materi terbentuk dan ketika materi-antimateri saling memusnahkan, dihasilkan radiasi gravitasi seperti radiasi elektromagnet. Radiasi gravitasi juga mengalami pergeseran merah yang cukup besar dan tetap ada di alam semesta.

KELIMPAHAN HELIUM

Karena materi terus bereinkarnasi membentuk materi baru, mungkin materi itu mengalami amnesia total akan peristiwa Big Bang. Kelimpahan helium sekitar 25-30 persen, mendekati taksiran kasar 24 persen. Kelimpahan helium awal sangat ditentukan ketika quark dan antiquark dibentuk bersama-sama. Karena quark dan antiquarknya punya 6 jenis yaitu top, charmed, bottom, up, down, strange dengan 3 warna blue, green, red, maka kelimpahan helium yang diamati tidak sama dengan perkiraan 25 persen.

LUBANG HITAM MIN

Kerapatan energi dan materi tak terhingga besarnya memungkinkan terbentuknya sejumlah lubang hitam denga massa lebih kecil dari 1 gram. Namun, belum ada lubang hitam mini yang pernah diamati.

PERGESERAN MERAH KOSMOLOGI

Bukti-bukti bahwa pernah terjadi suatu ledakan besar yaitu dengan adanyaradiasi latar belakan gelombang mikro yang ditemukan oleh Arno Penzias dan Robert Wilson tahun 1965 di Bell Telephone Laboratories. Mereka menemukan bahwa gelombang mikro ini selalu sama kuatnya bahkan tidak pernah berubah walaupun posisi detektornya berubah. Bukti lainnya yaitu pergeseran merah pada semua galaksi, bintang dan objek bernama quasar atau quasi-stellar radio source. Objek ini bisa disebut objek serupa bintang pemancar radio tapi bohongan, karena pergeseran merahnya besar dan menghasilkan gelombang radio yang kuat. Namun bisa juga, quasar ini mengalami pergeseran merah gravitasi, artinya objek ini sangat kecil namun yang menyebabkan pergeseran merahnya adalah medan gravitasi yang begitu kuat. Pergeseran merah yang terjadi pada semua galaksi dan bintang berbanding lurus dengan jarak objek tersebut dengan pengamat. Persamaan yang mengungkapkan pergeseran merah sebagi bagian dari alam semesta yang mengembang, disebut hukum Hubble :

Dimana v adalah laju galaksi dari pergeseran merahnya dan d adalah jaraknya dari pengamat. Konstanta H adalah tetapan H yang selalu berubah dalam 50 tahun belakangan namun H sekitar 75km/s/Mpc dengan orde ketidakpastian ± 20 persen. Pc atau parsec adalah ukuran jarak pada skala kosmik. Satu parsec adalah jarak yang berkaitan dengan satu detik busur paralaks. Namun, cukup sulit menentukan jarak suatu bintang atau galaksi karena tak seorangpun tahu apakah itu objek terang yang jauh sekali atau objek redup yang dekat sekali. Dalam pergeseran merah kosmolgis, tak ada titik pusat dimana galaksi dan bintang saling menjauh, bagaikan balon bertitik yang ditiup. Ketika balonnya mengembang, maka titik-titik itu saling berjauhan tapi tak satupun titik dianggap sebagai pusat pengembangan.

GAYA-GAYA UNIVERSAL

Terdapat 4 gaya yang berpengaruh besar dalam alam semesta. Mulai dari gaya yang terlemah, gravitasi, elektromagnet, nuklir lemah dan nuklir kuat. Kemungkinan ada gaya kelima yang berurusan dengan asimetri materi-antimateri sesaat sebelum ledakan besar, disebut gaya mahalemah.

Gaya pertama yang berperan penting adalah gravitasi. Gravitasi adalah gaya terlemah dibanding gaya lainnya dan tidak ada menariknya jika seandainya gaya ini tidak bersifat selalu tarik-menarik dan dapat bekerja pada jarak jauh. Ketiga gaya lainnya bersifat jarak pendek dan saling meniadakan. Menurut kacamata mekanika kuantum dalam urusan garvitasi, gaya antar partikel materi diemban oleh partikel maya spin 2 bernama graviton. Graviton tidak bermassa sehingga gaya yang diembannya berjangkau panjang. Gaya gravitasi antara matahari dan bumi terjadi karena matahari dan bumi tukar-menukar graviton antara partikel yang menyusun mereka berdua. Karena pertukaran ini, bumi mengelilingi matahari.

Gaya berikutnya yaitu gaya elektromagnetik, yang berinteraksi dengan partikel bermuatan elektrik. Gaya ini jauh lebih kuat daripada gravitasi, gaya elektromagnetik antar 2 elektron sekitar 1042 kali lebih besar daripada gravitasi. Gaya elektromagnetik dalam skala atom besar pengaruhnya karena gaya int membuat elektron yang bermuatan negatif mengelilingi inti atom bermuatan positif. Mekanika kuantum menganggap bahwa tarikan atau tolakan elektromagnetik disebabkan oleh pertukaran besar-besaran partikel nirmassa maya berspin 1, disebut photon maya. Namun, bila elektron bermigrasi ke garis edar lain dan dipancarkan energi, akan dipancarkan photon nyata.

Gaya berikutnya yaitu gaya nuklir lemah. Gaya ini menimbulkan radioaktivitas dan bekerja pada semua partikel materi berspin 1/2 namun tidak pada partikel berspin 0,1 dan 2, seperti photon dan graviton.

Gaya terakhir disebut gaya nuklir kuat, yang bekerja mempersatukan quark-quark dalam proton, neutron dan elektron dan proton dan neutron dalam inti atom. Mekanika kuantum yakin bahwa gaya ini diemban oleh partikel berspin 1 bernama gluon, dan hanya berinteraksi dengan dirinya dan quark. Gaya ini bersifat confinement atau mengurung sebab tak ada seorang pun membiarkan quark tunggal bebas dan sendirian pula keluyuran kemana-mana. Karena quark berwarna, maka gluon harus mengurung quark berwarna hijau, merah, biru untuk membentuk putih, triplet yang menyusun proton dan neutron. Meson merupakan triplet tidak stabil karena quark dan antiquark dikurung jadi satu.

Pernikahan gaya elektromagnetik dengan gaya nuklir kuat mendorong upaya untuk menyatukan keduanya dengan gaya nuklir kuat dan menghasilkan keturunan yang disebut aditeori terpadu (general unified theory, GUT). Anak yang besar kepala ini sebenarnya belum ada apa-apanya karena gravitasi belum dimasukkan kedalamnya, walaupun sekrang muncul teori superstring yang menyatukan elektromagnetik, nuklir dan garavitasi. Lalu teori ini juga tidak lengkap karena mngandung sejumlah nilai yang parameternya tak bisa diramalkan begitu saja, namun dipilih agar cocok dengan eksperimen. Intinya : gaya nuklir kuat melemah pada energi tinggi, sebaliknya gaya elektromagnetik dan nuklir lemah menguat pada energi tinggi. Ketika mencapai tahap energi sangat tinggi, atau disebut energi penyatuan akbar, ketiga gaya ini punya kekuatan yang sama dan dapat merupakan aspek-aspek yang berlainan dari gaya tunggal. GUT meramalkan bahwa pada energi ini, partikel spin ½ berlainan, pada hakikatnya akan sama semua. Nilai penyatuan akbar itu tidak diketahui dengangan baik, namun sekitar sejuta milyar GeV.

Untuk mengalahkan gaya elektromagnetik didalam atom, maka inti dari reaksi kimia adalah menata ulang susunan atom dan membebaskan energi perekatnya. Hal yang sama berlaku untuk nuklir. Karena energi yang merekatkan proton dan neutron dalam inti atom begitu, kuat maka harus ada yang mengalahkan energi perekat itu, sehingga nuklir menjadi senjata yang tangguh. Lagi bagaimana dengan energi perekat antar quark? Memisahkan quark bisa dianggap mustahil, namun jika materi dipanaskan hingga 1000 milyar derajat, quark akan lepas dengan sendirinya dan materi akan berubah menjadi radiasi. Untuk menghilangkan 1 individu, dibutuhkan 100 bom hidrogen masing-masing dengan kekuatan 1 megaton.

PERUSAKAN SIMETRI CEPAT

Dengan mengganggap bahwa alam semesta tercipta oleh materi, bukannya antimateri, izinkan penjelasan tentang keanehan yang terjadi selama proses ledakan besar. Asumsikan bahwa ada sejumlah kecil proton yang tidak musnah dalam proses anihilasi. Dengan menghitung jumlah proton, neutron, elektron dan membandingkan dengan jumlah foton tersisa pada radiasi latar belakang kosmik, maka terdapat kelebihan 1 materi untuk setiap 10 milyar proton. Jadi, ada 10 milyar plus satu proton melawan sepuluh milyar antiproton, dan semuanya sudah cukup untuk membentuk alam semesta seperti sekarang

Sampai 1956, semua hukum fisika diyakini mematuhi simetri CPT. Simetri C berarti hukum itu berlaku sama untuk partikel dan antipartikelnya. Simetri P menyatakan bahwa semua hukum berlaku sama untuk setiap situasi dan bayangan cerminnya (bayangan cermin partikel yang berputar ke kanan adalah partikel yang berputar kekiri). Simetri T berarti jika hukum-hukum berlaku sama untuk arah maju dan mundurnya waktu.

Belakangan diketahui, bahwa gaya nuklir lemah, partikel K-meson membangkang terhadap simetri CP. Maka, jika jagat raya terdiri atas antipartikel dan diambil bayangan cerminnya namun arah waktunya tidak dibalik, maka jagat raya yang diperoleh tidak sama dengan jagat raya semula. Hukum-hukum fisika tidak tunduk pada simetri T. Seandainya waktu dibalik, maka alam semesta mengerut. Dan karena ada gaya yang tidak memenuhi simetri T, akibatnya ketika alam semesta memuai, lebih banyak positron yang berubah jadi quark daripada elektron menjadi antiquark. Ketika jagat raya mengembang dan mendingin, quark memusnahkan diri bersama antiquark dan sedikit quark tersisa untuk menyusun materi di alam semesta ini.

MASA DEPAN ALAM SEMESTA

Tak ada yang tahu mana diantara model Friedmann yang merupakan model jagat raya sesungguhnya. Apakah alam semesta akan mengerut kembali dalam suatu singularitas Penciutan Besar (Big Cruch)? Ataukah setelah Big Crunch, akan ada Big Bang lagi? Jika seperti itu, alam semesta bereinkarnasi terus-menerus mirp Benturan Besar (Big Bounce). Apakah bentuk model alam semesta adalah model tertutup, yang akan runtuh kembali, atau merupakan model terbuka yang akan terus mengembang sekalipun bintang-bintang loyo bersinar? Semuanya mungkin terjadi. Karena menurut gravitasi Newton, pengembangan alam semesta akan menurun kecepatannya dan akan terjadi suatu kematian besar, entah dengan cara panas ataupun dingin (Heat Death atau Big Freeze). Namun, karena alam semesta terdiri dari 73% energi gelap (dark energy) atau energi vakum, ada kemungkinan alam semesta akan terus memuai. Energi vakum inilah yang menghambat penciutan kembali alam semesta akibat gravitasi. Energi vakum atau energi gelap inilah yang dimaksudkan sebagai gaya antigravitasi atau Konstanta Kosmologis yang tersebar di ruang-waktu, walaupun sedikit.

Alam semesta ini punya permulaan dan setiap makhluk yang tinggal didalamnya berusaha mengungakap darimana sal mereka dan mengapa mereka ada. Jika benar alam semesta diciptakan oleh Tuhan, tampaknya ia mebiarkan alam semesta mengembang sesuai aturan yang sudah dutetapkanNya. Jawaban kenapa manusia eksis di Bumi sama saja dengan jawaban yang diberikan kepada ikan yang bertanya-tanya kenapa rumahnya (akuarium) berwujud air. Jawabannya sedrhana, jika bukan air, maka ikan itu tak ada disitu untuk menanyakannya.