E E L O L H H O K C M A R L O B W
" S U C C E S S F U L ... H U M O R O U S ... U P T O D A T E ..."
New Scientist
M E S I ME WA W A K JIM AL-KHALILI
B LACK HO LE WORMHOLE WORM HOLE
M E S I ME WA W A K
Diterjemahkan oleh SeSa Media Diterjemahkan anggota dari JSF [WORKGROUP] [WORKGROUP] SeSa Media & logo adalah merek milik JSF [WORKGROUP] Penerjemahan & penyuntingan oleh Jookut dkk. Penerjemahan dkk . Desain sampul & grafis oleh RGB@SKY Studio Buklog Bukupedia SeSa Media Terjemahan Black Holes, Wormholes, and Time Machines / Machines / SeSa Media a4. h. mm. JRCW 12347 030BT 127HR 1. Fisika. 2. Waktu. 3. Eksistensi. EA3—2012.tr4030K Semua hasil kerja SeSa Media terdaftar di JOO Rights Commons Work. Dengan demikian, telah dapat dipastikan bahwa hasil terjemahan ini tidak muncul dengan sendirinya dan menjadi pengakuan jelas & tegas bahwa SeSa Media-lah yang telah mengerjakan semua proses penerjemahan buku ini. Agar di kemudian hari tidak muncul fitnah bahwa buku ini tidak diterjemahkan melainkan muncul dengan sendirinya begitu saja, atau fitnah bahwa si penerjemah buku ini hanya mengaku-aku menerjemahkan. menerjemahkan. Jooright �2012 SeSa Media Joo rights reserved. Semua yang kami lakukan bukan demi kepentingan komersial. Jadi, kami tidak menghutangi Anda dengan apa yang kami lakukan. Karena itu, dengan segala kerendahan hati, kami minta agar hasil terjemahan kami tidak dikomersialkan oleh pembaca sekalian. Jika Anda tidak mengindahkannya, maka pernyataan ini dapat diartikan sebagai bentuk tanggungjawab kami kepada mereka yang mengerti dan mengindahkan.
Terjemahan ini diterbitkan oleh SeSa Media, UKM., Jl. Hidup 47, Long East, 12347. Jooright �2012 SeSa Media, UKM. Joo rights reserved. Terjemahan ini telah dicatat sebagai salah satu karya SeSa Media dalam JOO Rights Commons Work. Tak satupun di dalam bagian terjemahan ini yang muncul dengan sendirinya. Kunjungi situs kami di http://sesamedia.word http://sesamedia.wordpress.co press.com m
SECARA KHUSUS, kami mohon maaf kepada Jim Al-Khalili dan juga mereka yang terlibat dalam pembuatan buku “BLACK HOLES, WORMHOLES, AND TIME MACHINES”. Proses penerjemahan ini kami lakukan tanpa meminta izin kepada Anda sekalian. Karena itu, dengan ini kami juga mengakui bahwa kami akan disalahkan jika ada penggunaan istilah yang tidak sesuai dengan yang dimaksudkan. Jika yang kami lakukan ini dapat dikatakan sebagai bentuk kebebasan (meskipun dalam beberapa bagian ataupun sebagian, kami tidak setuju seluruhnya), semoga Anda setuju dengan apa yang kami lakukan. Kami tidak mengambil keuntungan apa-apa dari penerjemahan buku ini. Untuk Anda pembaca terjemahan ini, kami nyatakan bahwa kami tidak menambah atau mengurangi sesuatu apapun dalam isi terjemahan ini. Jika ada kekurangtepatan dalam menyampaikan maksud kalimat dan istilah, kami mohon maaf dengan sebesar-besarnya, baik kepada yang sangat mengerti Fisika, Kosmologi, Astronomi, Bahasa Indonesia, ataupun Bahasa Inggris. Akhirnya, kami persembahkan setiap hasil terjemahan kami ini khusus kepada Umat Islam di negeri ini dari Merauke sampai Sabang, dari Talaud sampai Rote, dan secara umum untuk masyar masyarakat akat Indonesia. GRATIS! FREE!
©IOP Publishing Ltd 1999 All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system or transmitted in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise, without the prior permission of the publisher. Multiple copying is permitted in accordance with the terms of licences issued by the Copyright Licensing Agency under the terms of its agreement with Universities UK (UUK). British Library Cataloguing-in Cataloguing-in-Publication -Publication Data A catalogue record for this book is available from the British Library. ISBN 0 7503 0560 6 Library of Congres Congresss Cataloging-in-Publication Data are available Reprinted with corrections 2000 Reprinted 2001 (twice), 2003 Production Editor: Al Troyano Production Control: Sarah Plenty and Jenny Troyano Commissioning Editor: Michael Taylor Editorial Assistant: Victoria Le Billon Cover Design: Kevin Lowry Marketing Executive: Laura Serratrice Published by Institute of Physics Publishing, wholly owned by The Institute of Physics, London Institute of Physics Publishing, Dirac House, Temple Temple Back, Bristol BS1 6BE, UK US Office: Institute of Physics Publishing, Suite 929, The Public Ledger Building, 150 South Independence Mall West, Philadelphia, PA 19106, USA Typeset in TEX using the IOP Bookmaker Macros Typeset First printed in the UK by J W Arrowsmith Ltd, Bristol Bristol Reprinted in the UK by MPG Books Ltd, Bodmin, Cornwall
Jim Al-Khalili dilahirkan pada 1962 dan bekerja sebagai fisikawan teoritis di Universitas Surrey di Guildford. Dia adalah pionir pempopuler sains dan berdedikasi menyampaikan keajaiban sains dan menyingkap batasannya kepada masyarakat umum. Dia merupakan anggota aktif komisi Public Awareness of Nuclear Science Eropa. Riset teranyarnya adalah mengenai atribut dan tipe baru nukleus atom yang memuat halo neutron. Dia memperoleh PhD-nya dalam fisika nuklir teoritis dari Universitas Surrey pada 1989 dan, setelah dua tahun di University College London, kembali ke Surrey sebagai Research Fellow sebelum ditunjuk menjadi dosen pada 1992. Sejak saat itu dia mengajar fisika quantum, teori relativitas, matematika, dan fisika nuklir kepada mahasiswa prasarjana Surrey. Dia telah menikah dan dikaruniai dua anak dan tinggal di Portsmouth, Hampshire.
Joo Rights Commons Work Prakataw Copyright
PENGANTAR
12
PENGHARGAAN
15
PENDAHULUAN
16
Sepuluh menit, pendek atau panjang? Akal sehat Kembali ke masa depan Bertemu diri Anda sendiri
17 18 20 22
RUANG
BAB 1 DIMENSI KE-4 Berhubungan dengan bentuk Apa itu ruang? Dunia2D dan penghuni dunia2D Ruang melengkung Betulkah ada dimensi keempat?
BAB 2 MENGENAI GRAVITASI Apel dan bulan Gravitasi Einstein Jatuh bebas Ruang karet Kelap, kelip Memasak unsur-unsur Sampanye supernova di langit
25 25 27 30 34 40
42 42 44 47 52 54 55 57
BAB 3 ALAM SEMESTA
60
Langit malam Seberapa besar Alam Semesta? Alam Semesta mengembang Hubble, menggelembung... Ruang sedang meregang Apakah Big Bang betul-betul terjadi? Tepi ruang angkasa? Alam semesta tertutup Alam semesta terbuka Kalau begitu apa bentuk Alam Semesta kita? Materi tak tampak 1998: tahun besar dalam kosmologi Apakah Alam Semesta itu tak terhingga? Mengapa malam hari gelap? Sebelum Big Bang? Ringkasan
BAB 4 BLACK HOLE
60 62 65 68 70 74 75 77 78 82 85 87 89 89 91 92
94
Ada hal-hal tersembunyi soal cahaya! Bintang tak tampak Di luar horizon Sebuah lubang yang tak pernah bisa diisi Black hole berputar Jatuh ke dalam black hole Melihat black hole Bagaimanapun tidak begitu hitam White hole
94 98 102 106 108 110 114 118 120
WAKTU
BAB 5 WAKTU BERUBAH Apa itu waktu? Siapa penemu waktu? Momen pertama Apakah waktu mengalir? Sesuatu yang disebut entropi
122 122 123 127 129 131
Anak panah waktu Stephen Hawking keliru memahaminya Kemungkinan solusi
BAB 6 WAKTU EINSTEIN
136 138 145
148
Apa yang istimewa dari relativitas khusus? Dua wajah cahaya Eksperimen pikiran dan pengusik akal Waktu melambat Jarak menyusut Cahaya—rekor kecepatan dunia Saat waktu berjalan terbalik Makhluk hijau kecil Mencepat ke masa depan Ruangwaktu—masa depan ada di luar sana Waktu gravitasi
BAB 7 PARADOKS PERJALANAN WAKTU Paradoks Terminator Mencoba menyelamatkan dinosaurus Saudara Mona Lisa Tak ada jalan keluar? Alam semesta paralel Di mana semua pelancong waktu tersebut?
148 152 155 157 161 163 166 168 169 172 177
180 182 185 187 189 190 196
MESIN WAKTU
BAB 8 WORMHOLE Jembatan ke dunia lain Alice menembus cermin Ketika sains fakta bertemu sains fiksi Wormhole—menjaga gerbang bintang tetap terbuka Mengunjungi alam semesta paralel
BAB 9 BAGAIMANA MEMBANGUN MESIN WAKTU Simpal waktu Mesin waktu Tipler Mesin waktu string kosmik
200 201 204 209 214 218
219 219 223 225
Resep untuk mesin waktu wormhole Persoalan yang tak dapat diatasi?
BAB 10 APA YANG KITA KETAHUI? Induk semua teori Akhir fisika teoritis Astronomi versus astrologi Pesona sains
227 235
240 241 245 249 251
BIBLIOGRAFI
253
INDEKS
258
SeSa Na Nuhun Ka
D
ALAM beberapa tahun belakangan terjadi ledakan jumlah buku dan program TV yang mempopulerkan ide dan teori sains mutakhir dan menjadikannya dapat diakses oleh kalangan luas. Lantas adakah kebutuhan akan buku lain tentang sebuah subjek yang sudah mendapat lebih banyak perhatian daripada kebanyakan subjek lain: sifat ruang dan waktu dan awalmula Alam Semesta kita? Suatu hari, saya memeriksa website klub buku yang besar. Di bawah kategori sains dan alam, saya mencari semua buku yang memuat kata ‘waktu’ dalam judulnya. Saya menemukan 29 buku! Tentu saja, Brief History of Time-nya Stephen Hawking adalah yang paling dikenal di antara buku-buku ini, tapi ada banyak buku lain dengan judul-judul seperti About Time, The Birth of Time, The Edge of Time, The River of Time, dan sebagainya. Sepertinya mempertanyakan sifat waktu pada level fundamental merupakan topik ‘hangat’ saat ini. Yang paling mengejutkan bagi saya adalah banyak dari 29 buku itu telah diterbitkan sejak saya mulai menulis buku ini. Para penulis sains yang diakui semisal Paul Davies, John Gribbin, dan Richard Dawkins merupakan inspirasi saya saat kuliah di pertengahan 1980an. Tapi mereka justru mengajar mahasiswa yang baru masuk. Paling banter itu ditujukan bagi ‘orang awam cerdas’, siapapun yang dianggap demikian. Oleh sebab itu ambisi saya adalah menulis sebuah buku pada level yang lebih dasar, yang dapat menjelaskan beberapa ide dan teori fisika modern untuk siapapun agar dimengerti, tentu saja asalkan mereka cukup tertarik membaca buku semacam itu. Saya juga telah mencoba membuatnya sedikit lebih menyenangkan, mencoba (barangkali tanpa banyak keberhasilan) seperti Stephen Hawking berjumpa Terry Pratchett. Banyak ilmuwan akan berargumen bahwa subjek-subjek sukar seperti teori relativitas Einstein hanya dapat ‘dibungkam’ sebelum mencapai level di mana penjelasannya tak lagi benar. Saya benci istilah tersebut: dibungkam. Kedengarannya begitu merendahkan. Dan meski disanjung oleh masyarakat sebagai kalangan yang lebih cerdas dari yang lain, ilmuwan cuma orang yang telah menghabiskan bertahun-tahun dilatih untuk memahami jargon relevan,
konsep abstrak, dan rumus matematika. Bagian sulitnya ialah menerjemahkan ini ke dalam kata-kata dan ide yang bisa dimengerti oleh seseorang tanpa pelatihan tersebut. Karena demikianlah caranya berkembang, buku ini ditulis dengan mempertimbangkan audiens remaja. Namun, ini diperuntukkan bagi siapapun yang merasa judulnya mempesona atau membangkitkan keingintahuan. Tak peduli apakah Anda belum pernah memungut satupun buku sains sejak Anda berumur lima belas. Jadi bagaimana dahulu buku ini terbentuk? Well , sekitar tiga tahun lalu, kepala departemen fisika saya saat itu di Universitas Surrey, Bill Gelletly, menyarankan agar saya memberi, sebagai salah satu dari rangkaian kuliah untuk mahasiswa tahun pertama yang meliputi sederetan topik umum dalam fisika modern, sebuah kuliah tentang ‘wormhole’. Topik tersebut sudah pasti bukan bagian dari mata kuliah tradisional fisika tingkat prasarjana. Nyatanya, penggemar serial TV Star Trek: Deep Space Nine barangkali lebih tahu soal wormhole daripada rata-rata fisikawan. Bagaimanapun juga, saya pikir itu akan menyenangkan, lalu saya membaca buku-buku bertema tersebut untuk persiapan memberi kuliah. Pada saat harinya tiba, saya terkejut mendapati banyak mahasiswa yang bukan mengambil mata kuliah tersebut, juga periset pasca doktoral dan anggota staf, justru ada di antara hadirin. Kelihatannya ada sesuatu yang magis dari judul itu. Tiap tahun departemen saya mengirim banyak pembicara, dari antara staf akademisnya, dan judul-judul kuliah ke sekolah-sekolah dan perguruan tinggi setempat. Ini terutama sebagai publisitas departemen dengan harapan bahwa kuliah ini akan memainkan peranan dalam kampanye untuk menarik mahasiswa baru. Saya menyodorkan pembicaraan ‘wormhole’ sebagai salah satunya. Demikian suksesnya itu sampai-sampai saya ditanya oleh Institute of Physics apakah mau menjadi Schools Lecturer tahun 1998. Ini melibatkan komitmen lebih besar yang mengharuskan bepergian mengelilingi negeri untuk memberikan kuliah kepada kaum remaja berusia 14-16 tahun, dengan audiens berjumlah beberapa ratus dalam satu waktu. Dan, setelah melakukan banyak persiapan untuk penampilan ini, saya mendapati bahwa saya telah mengumpulkan banyak sekali material mempesona untuk dijejalkan ke dalam kuliah satu jam dan memutuskan menuliskannya ke dalam sebuah buku. Saya telah mencoba sebisa mungkin untuk up-to-date. Nyatanya, saat naskah dikirim kembali kepada saya dari penerbit untuk koreksi dan perubahan
akhir, saya harus merevisi sepenuhnya bab kosmologi. Lantaran adanya penemuan astronomi mutakhir, banyak ide tentang ukuran dan bentuk Alam Semesta berubah selama beberapa bulan yang singkat sejak saya menulis bab tersebut.
Jim Al-Khalili Portsmouth, England, July 1999
M
ENENGOK paruh kedua tahun 1998 silam sewaktu bagian terbesar buku ini ditulis, saya sadar berhutang banyak terima kasih kepada isteri saya Julie dan anak-anak saya David dan Kate atas kesabaran mereka menyertai saya. Karena saya tak mungkin membiarkan penulisan buku ini mengganggu riset saya, penulisannya harus dikerjakan di rumah pada malam hari dan akhir pekan. Saya juga berhutang kepada teman, keluarga, dan kolega berikut yang bermurah hati mau membaca seluruh naskah dan memberi begitu banyak komentar dan saran konstruktif: Julie Al-Khalili, Reya Al-Khalili, Richard Wilson, Johnjoe MacFadden, Greg Knowles, Simon Doran, James Christley, Ray Mackintosh, John Miller, dan James Curry. Saya yakin masih ada kekeliruan, dan saya sendirian yang bertanggungjawab atas hal itu. Saya juga harus berterima kasih kepada Bill Gelletly atas saran yang membuat seluruh proyek ini dimulai, Kate Jones atas beberapa diskusi makan siang yang konstruktif tentang entropi, Youcef Nedjadi atas penjelasan beberapa aspek kehendak bebas, Matt Viser atas pemberitahuan beberapa ide teranyar tentang wormhole, Brian Stedeford atas wawasan bermanfaat tentang karya Lewis Carroll, Phil Palmer atas penjelasan sejumlah poin dalam kosmologi, James Malone atas kemurahan menyediakan citra wormhole hasil komputer untuk sampul buku, dan terakhir editor pengawas saya di Institute of Physics Publishing, Michael Taylor, atas semua bantuan dan dukungannya.
“Saatnya telah tiba,” kata Walrus, “untuk membicarakan banyak hal”... Lewis Caroll, Through the Looking Glass ...tentang atom, bintang, dan galaksi, dan apa arti black hole; dan apakah ruang Einstein bisa cukup menekuk untuk jadi mesin waktu.
B
UKU INI diperuntukkan bagi semua orang—saya tahu setiap orang—yang penasaran mengenai konsep-konsep yang terdengar eksotis seperti black hole, lengkungan ruang, Big Bang, perjalanan waktu, dan alam semesta paralel. Dalam menulis buku ini saya bertanya pada diri sendiri apakah orang awam bisa memahami sedikit tentang beberapa ide fisika modern tanpa ingin sekali mengecek sebelumnya bahwa IQ mereka menjangkau tugas tersebut. Subjek buku ini telah diliput di tempat lain pada banyak level berbeda. Paling puncak ialah teks tingkat tinggi atau karya ilmiah untuk praktisi di bidang tersebut. Ini adalah buku jampi penyihir, hanya bisa diurai oleh segelintir orang yang punya hak istimewa. Lalu ada buku yang ditujukan bagi mahasiswa fisika. Ini juga memuat beberapa jampi, tapi tak terlalu kuat. Di bawahnya ada pasar sains populer. Buku-bukunya ditujukan kepada non-ilmuwan karena memuat sedikit matematika atau tidak sama sekali. Namun, buku tersebut hanya menarik mereka yang (a) ilmuwan atau (b) fans buku semacam itu, yang telah membaca buku-buku serupa mengenai subjek tersebut tanpa kecuali. Jadi, saat menulis buku ini saya mengerahkan segala upaya untuk memangkas jargon ilmiah sebanyak mungkin. Belakangan ini para penulis sains populer, pada umumnya, semakin cakap dalam menjelaskan konsepkonsep kompleks memakai istilah sehari-hari. Tapi sesekali kita akan memakai ‘bahasa Jargon’ sebab kita lupa bahwa ia tak mengandung makna yang sama untuk setiap orang.
Sepuluh menit, pendek atau panjang? Pada suatu musim panas, saat berusia sekitar sepuluh atau sebelas tahun, saya jadi tertarik dengan konsep waktu. Dari mana ia berasal? Apa kita menemukannya ataukah ia senantiasa ada? Apakah masa depan telah eksis di suatu tempat? Apakah masa lalu masih sedang dimainkan? Pertanyaanpertanyaan yang mendalam bagi seorang anak kecil. Tapi, sebelum Anda mengira ini adalah bakat kanak-kanak saya, izinkan saya berbagi dengan Anda ide saya tentang perjalanan waktu. Saya tahu bahwa di sisi lain dunia, di suatu tempat di tengah-tengah Samudera Pasifik, terdapat garis tak nampak yang menjulur dari Kutub Utara ke Kutub Selatan yang membagi dunia ke dalam hari ini dan kemarin! Jika sebuah kapal dilabuhkan di tengah garis ini, maka di satu ujung kapal boleh jadi berpukul 09.00 Selasa pagi dan di ujung lainnya masih pukul 10.00 Senin pagi. Tentu ini merupakan contoh jelas perjalanan waktu, cuma dengan berjalan beberapa yard di sepanjang geladak! Ok, saya tahu ada sesuatu yang mencurigakan dan saya ingat suatu malam ayah saya menjelaskan kepada saya bahwa zona-zona waktu di seluruh dunia hanyalah penemuan manusia. Contoh, bila diputuskan bahwa saat tengah malam di New York, Inggris sudah berpukul 05.00 pagi, ini hanyalah cara kita memastikan bahwa, seraya Bumi berputar, dan berbagai negara menghadap ke arah matahari, durasi siang kurang-lebih sama untuk setiap orang, jika tidak pada waktu yang sama. Saya mengikuti semua ini, tapi sedikit banyak membuat saya kecewa. Pasti konsep ‘waktu’ lebih dari sekadar itu, sesuatu yang lebih misterius. Saya berteori tentang waktu yang mengalir dengan laju berbeda-beda yang tergantung pada mood saya. Jam pasti melambat menuju akhir pelajaran sekolah dan, begitu hari ulangtahun saya mendekat, minggu dan hari hampir berhenti. Kini giliran anak-anak saya yang sampai pada kesimpulan ini. Jika saya memberitahu mereka bahwa mereka punya waktu sepuluh menit lagi sebelum mereka harus menaruh mainan, mereka sungguh serius saat bertanya apakah itu adalah sepuluh menit pendek, menengah, atau panjang? Bagaimanapun, siapa yang bisa membantah observasi sederhana bahwa, bagi seorang anak kecil, waktu berjalan sangat lambat. Satu tahun adalah waktu yang sangat panjang bagi anak berusia lima tahun sebab angka itu menyusun seperlima hidup mereka, tapi semakin tua usia kita, semakin cepat rasanya tahun-tahun meluncur: dapatkah Anda percaya sekarang sudah Natal lagi!? Atau: benarkah sudah 3 tahun berlalu sejak saya terakhir kali berada di sini? Dan sebagainya.
Jauh dalam lubuk hati, kita merasa tahu bahwa waktu mengalir dengan laju tetap. Ketika ditanya seberapa cepat waktu mengalir, respon fasih dan lazim para ilmuwan adalah mengatakan bahwa lajunya satu detik per detik. Dalam kultur kita, kita percaya bahwa, tak peduli seberapa subjektif kita merasa tentang aliran waktu, terdapat jam kosmik yang menandai detik, menit, jam, hari, dan tahun di setiap tempat di Alam Semesta tanpa belas kasihan dan tanpa dapat ditawar dan tak ada yang bisa kita lakukan untuk mengubahnya. Ataukah ada? Apakah waktu kosmik semacam itu betul-betul eksis? Fisika modern telah menunjukkan bahwa ia tidak eksis. Jangan khawatir, terdapat bukti amat kuat untuk mendukung ini. Sebelum saya beranjak lebih jauh, cobalah ini sebagai ukuran: kita merasa yakin bahwa perjalanan waktu ke masa depan adalah mungkin. Ilmuwan telah berhasil menjalankan banyak eksperimen yang menguji ini dan membuktikannya di luar dugaan. Jika Anda meragukan kepingan informasi yang mengagumkan ini, bahkan mungkin mengherankan, maka itu bukan akibat penutup-nutupan oleh pemerintah ala X-Files melainkan lebih karena Anda belum menjalani mata pelajaran relativitas khusus. Semua akan diungkap, saya harap, dalam buku ini. Akal sehat Barangkali wajar mengatakan bahwa kebanyakan orang tidak mempunyai hubungan yang baik dengan teori-teori relativitas Einstein (ya, ada dua teori). Jadi saya tak pernah terkejut oleh respon yang saya peroleh ketika memberitahu teman-teman non-ilmuwan bahwa tak ada yang bisa berjalan lebih cepat daripada cahaya. “Bagaimana kau tahu?” tanya mereka. “Hanya karena ilmuwan belum menemukan sesuatu yang bisa berjalan lebih cepat daripada cahaya bukan berarti bahwa kau tidak akan menarik kembali ucapanmu suatu hari nanti. Kau sebaiknya lebih berpikiran terbuka pada kemungkinan-kemungkinan lain yang mungkin belum terjadi padamu. Bayangkan memperlihatkan televisi kepada sebuah suku terpencil di pedalaman Amazon yang belum pernah melihatnya sebelumnya,” dan seterusnya. Saya tak sedikitpun terganggu oleh respon ini sebab sikap inilah yang saya harap dimiliki oleh pembaca buku ini. Yakni, berpikiran terbuka dan mempunyai kemampuan untuk menerima pandangan keduniaan yang baru sekalipun itu bertentangan dengan segala yang Anda yakini, atau apa yang biasa Anda sebut akal sehat.
Albert Einstein pernah dikutip mengatakan bahwa akal sehat hanyalah prasangka yang kita peroleh pada usia delapan belas. Jadi, bagi suku Amazon yang belum pernah melihat televisi sebelumnya, akan bertentangan dengan akal sehat mereka bahwa kotak semacam itu bisa berbicara kepada mereka dan mempertunjukkan kepada mereka seluruh dunia di dalamnya. (Ok, saya berasumsi mereka mempunyai listrik dan pembangkit listrik!) Tapi saya yakin Anda akan sependapat bahwa setelah kita menghabiskan cukup waktu dengan suku ini untuk menjelaskan gelombang radio dan elektronik modern dan segala hal lain yang membuat televisi bekerja, maka mereka akan dengan segan harus menyesuaikan pandangan keduniaan mereka sehingga informasi baru ini tak lagi bertentangan dengan akal sehat mereka. Di permulaan abad 20, beberapa teori ilmiah baru dikembangkan dan terbukti benar sampai sekarang. Di antara mereka ada yang bertanggung jawab atas seluruh sains dan teknologi modern. Fakta bahwa kita mempunyai jam digital, komputer, televisi, microwave, pemutar CD, dan hampir semua alat modern lain merupakan saksi bahwa teori-teori ini, jika bukan seluruh cerita, sangat benar dalam cara mereka menggambarkan dunia di sekeliling kita. Teori-teori yang dibicarakan ini adalah relativitas dan mekanika quantum. Saya harus menjelaskan bahwa teori sukses adalah teori yang bisa memprediksi apa yang akan terjadi di bawah keadaaan tertentu: jika saya melakukan ini , maka, menurut teori saya, akan terjadi itu. Jika saya menjalankan sebuah eksperimen dan menemukan bahwa prediksi teorinya benar, maka ini adalah bukti yang mendukung teori. Tapi teori tidak sama dengan hukum. Hukum gravitasi menyatakan bahwa semua objek di Alam Semesta ditarik ke satu sama lain oleh sebuah gaya yang tergantung pada seberapa masif mereka dan seberapa jauh mereka terpisah. Ini tidak diragukan, dan seraya kita tahu bahwa itu perlu dimodifikasi manakala kita berurusan dengan objek-objek amat masif seperti black hole, kita mempercayainya seutuhnya manakala menggambarkan cara objek yang jatuh berperilaku terhadap Bumi. Namun, sebuah teori hanya bagus selama teori yang lebih baik tidak maju dan menyangkalnya. Kita tak pernah bisa membuktikan sebuah teori, hanya bisa menyangkalnya, dan teori sukses adalah teori yang tahan terhadap ujian waktu. Berlawanan dengan pandangan banyak non-ilmuwan, kebanyakan ilmuwan lebih suka membuktikan bahwa sebuah teori ilmiah itu salah, semakin terhormat semakin bagus untuk disangkal. Jadi, karena teori-teori seperti mekanika quantum dan relativitas Einstein telah bertahan selama sebagian
besar abad ini, meski terdapat upaya tetap fisikawan untuk membuktikannya salah atau setidaknya menemukan celah atau kelemahan, kita harus mengakui bahwa kedua teori tersebut barangkali benar, atau setidaknya berada di jalur yang benar. Kembali ke masa depan Maaf, saya menyimpang dari cerita. Saya harus kembali ke hal menarik soal bahwa perjalanan waktu adalah memungkinkan. Nanti dalam buku ini saya akan menjelaskan lebih dalam apa itu teori relativitas. Sementara itu, berikut adalah contoh ajaran relativitas kepada kita. Jika Anda bepergian dalam sebuah roket yang bisa berjalan begitu cepat mendekati kecepatan cahaya, dan Anda mengitari Galaksi selama, katakanlah, empat tahun, maka saat pulang ke Bumi, Anda akan sedikit terguncang. Jika kalender di roket Anda menyatakan Anda berangkat Januari 2000 dan pulang Januari 2004, maka, tergantung kecepatan persis Anda dan seberapa berliku jalur Anda melintasi bintangbintang, Anda mungkin menemukan bahwa menurut Bumi, tahun kepulangan Anda adalah 2040 dan semua orang di Bumi telah bertambah tua 40 tahun! Mereka akan sama-sama terguncang melihat betapa Anda masih tampak muda mengingat betapa lamanya Anda, menurut mereka, telah pergi. Jadi jam roket Anda, yang bepergian dengan kecepatan amat tinggi, mengukur empat tahun, sedangkan jam Bumi telah menghitung empat puluh tahun. Bagaimana ini bisa terjadi? Bisakah waktu betul-betul melambat di dalam roket Anda akibat kecepatan tingginya? Bila demikian, ini artinya, praktisnya, Anda telah melompat 36 tahun ke masa depan! Walaupun saya akan kembali membahas ini nanti, ide waktu yang melambat saat Anda bepergian pada kecepatan tinggi ialah sesuatu yang betulbetul telah dicek dan dikonfimasikan berkali-kali dalam eksperimen berlainan sampai derajat akurasi amat tinggi. Contoh, ilmuwan telah menyinkronkan dua jam atom berpresisi tinggi, kemudian menempatkan salah satunya di sebuah pesawat jet dan yang lainnya di sebuah laboratorium di Bumi. Setelah jet pulang, kedua jam dicek lagi. Ditemukan bahwa jam yang bepergian tertinggal sepecahan detik di belakang rekannya yang tinggal di rumah. Meski kecepatan sedang 1000 km/jam (kecepatan terbang jet) adalah kecil dibanding kecepatan cahaya (jutaan kali lebih cepat), selisih kecil, jika tak disebut mengesankan, antara catatan kedua jam tersebut riil. Jam-jam itu begitu akurat sehingga kita tidak meragukan catatannya atau kesimpulan yang kita tarik darinya.
Pembaca yang tidak tahu sesuatu tentang teori relativitas mungkin ingin membantah pada poin ini bahwa contoh di atas tidak sesederhana kedengarannya. Itu benar, tapi seluk-beluk hal yang dikenal sebagai paradoks jam ini harus menunggu sampai saya membahas relativitas khusus di Bab 6. Untuk sekarang, cukup menjaga pembahasan pada level pernyataan sederhana, tapi tepat sempurna, bahwa kecepatan tinggi memperkenankan perjalanan waktu ke masa depan. Bagaimana dengan perjalanan waktu ke masa lalu? Dalam banyak hal, ini lebih mempesona lagi. Tapi ternyata juga jauh lebih sulit. Mungkin mengejutkan Anda bahwa pergi ke masa depan lebih mudah daripada ke masa lalu. Anda mungkin berpikir bahwa gagasan pergi ke masa depan lebih menggelikan. Masa lalu mungkin tak dapat diakses, tapi setidaknya ada di luar sana; ia telah terjadi. Masa depan, di sisi lain, masih harus terjadi. Bagaimana Anda bisa pergi ke waktu yang belum terjadi? Yang lebih buruk lagi, jika Anda percaya bahwa Anda mempunyai suatu kendali atas takdir Anda, maka semestinya terdapat versi masa depan dalam jumlah tak terhingga. Lantas apa yang mengatur versi mana yang akan Anda datangi? Tentu saja, mendatangi masa depan lewat perjalanan antariksa kecepatan tinggi tidak berarti bahwa masa depan sudah ada di luar sana menanti Anda. Itu hanya berarti Anda meninggalkan kerangka waktu orang lain dan memasuki kerangka waktu di mana waktu bergerak lebih lambat. Saat Anda berada dalam kondisi ini, waktu di luar berdetak lebih cepat dan masa depan menghampar dengan kecepatan tinggi. Saat Anda bergabung kembali dengan kerangka waktu asli Anda, Anda telah mencapai masa depan secara lebih cepat dibanding orang lain. Ini sedikit mirip dengan bangun dari koma setelah berlalu beberapa tahun dan berpikir bahwa Anda koma selama beberapa jam saja. Perbedaannya tentu saja adalah bahwa Anda akan terguncang saat pertama kali Anda memandang cermin dan melihat betapa Anda telah jauh menua, sedangkan dalam kasus perjalanan high speed , jam tubuh Anda dan segala sesuatu di roket betul-betul berada dalam kerangka waktu berbeda. Yang betul-betul aneh adalah bahwa Anda tidak melihat sesuatu yang berbeda saat Anda bergerak pada kecepatan ini. Bagi Anda, waktu berjalan pada laju normalnya di roket dan jika Anda bisa melihat ke luar jendela, Anda akan, paradoksnya, melihat waktu di luar berjalan lebih lambat! Namun, ada pengecualian untuk ini. Sekali Anda mencapai masa depan, Anda terpaku di sana dan tak bisa pulang ke masa kini yang Anda tinggalkan.
Tanggal keberangkatan Anda dengan roket kini berada di masa lalu Anda, dan perjalanan waktu ke masa lalu agak menjadi persoalan. Tapi menyebutnya sebagai persoalan tidaklah sama dengan menyatakannya mustahil. Bertemu diri Anda sendiri Ada begitu banyak contoh mengherankan tentang betapa menggelikannya jika perjalanan waktu ke masa lalu dapat dilakukan sampai-sampai saya bisa mengisi seluruh buku ini dengan contoh tersebut. Contoh, bagaimana jika perjalanan waktu ke masa lalu dapat dilakukan dan Anda memutuskan mengunjungi diri Anda saat lebih muda di waktu persis sebelum Anda menginvestasikan tabungan Anda dalam bisnis patungan yang Anda tahu akan gagal. Jika Anda berhasil meyakinkan diri muda Anda agar tidak melaksanakannya, maka kiranya hidup Anda akan berbeda. Pada saat Anda mencapai usia di mana Anda pergi ke masa lalu untuk menasehati diri Anda agar membatalkan keputusan, tidak akan ada kebutuhan untuk berbuat demikian sebab Anda tak pernah melakukan investasi. Jadi Anda tidak pergi ke masa lalu. Tapi pada saat yang sama Anda harus mempunyai ingatan tidak menginvetasikan uang lantaran diberitahu oleh diri tua Anda yang mengunjungi Anda dari masa depan. Anda sekarang hidup di sebuah dunia di mana Anda membuat keputusan untuk tidak berinvestasi . Apakah ini garagara Anda bertemu diri tua Anda yang menasehati agar tidak melakukannya? Bila demikian, bagaimana Anda bisa menjadi orang tersebut yang merasa perlu pergi ke masa lalu untuk memperingatkan Anda terhadap sesuatu yang akhirnya tidak Anda lakukan? Jika Anda sama sekali bingung dengan apa yang baru Anda baca, jangan khawatir, memang semestinya demikian. Itulah poin utuh sebuah paradoks. Berikut adalah, secara sekilas, kemungkinan solusi. Jika Anda pergi ke masa lalu untuk memperingatkan diri Anda agar tidak melakukan sesuatu, maka kedua hal tersebut adalah benar. Pertama, fakta bahwa Anda akan pergi ke masa lalu untuk menghentikan sesuatu yang telah terjadi mengandung arti bahwa Anda pasti gagal dalam upaya tersebut lantaran itu memang terjadi. Bagaimanapun, hanya ada satu versi sejarah. Kedua, Anda mesti mengingat sebuah waktu di masa lalu saat Anda dikunjungi oleh diri tua Anda dan Anda tahu bahwa itu adalah upaya sia-sia dan karenanya tahu bahwa itu tak layak dicoba. Di sinilah penjelasan ini mogok. Jika Anda tahu tidak ada baiknya pergi ke masa lalu untuk memperingatkan diri Anda dan kemudian memutuskan
tidak pergi, lantas siapa yang pergi? Anda harus pergi ke masa lalu sebab Anda ingat pernah bertemu diri tua Anda yang mencoba meyakinkan Anda agar tidak masuk dalam bisnis patungan. Ini berarti Anda tidak punya kebebasan untuk memilih tindakan. Jadi, apa yang terjadi? Apakah suatu Penguasa Waktu muncul dan memaksa Anda memasuki mesin waktu yang memperingatkan Anda tentang konsekuensi mengerikan terhadap struktur ruangwaktu jika Anda tidak memasukinya? Meski terdapat persoalan semacam itu, Anda mungkin tertarik untuk mengetahui bahwa perjalanan waktu ke masa lalu ternyata diperkenankan oleh teori relativitas umum Einstein, sebuah penemuan yang dibuat setengah abad silam. Dan karena relativitas umum saat ini merupakan teori terbaik kita mengenai sifat waktu, kita harus mempertimbangkan prediksiprediksinya secara serius sampai kita bisa menemukan alasan bagus, barangkali berdasarkan pemahaman lebih mendalam akan teori tersebut, untuk mengesampingkan mereka. Karenanya, Anda mungkin bertanya-tanya mengapa sampai sekarang tak ada seorang pun yang mampu mengkonstruksi mesin waktu? Dalam buku ini saya menjelaskan alasannya, menyinggung beberapa topik paling mempesona dalam fisika. Beberapa hal yang telah kita temukan mengenai Alam Semesta kita begitu mengagumkan dan luar biasa sampai-sampai saya berharap Anda akan merasa tertipu karena belum mengetahuinya hingga sekarang. Itulah yang saya harap Anda dapatkan dari buku ini; berbagi perasaan penasaran yang saya miliki tentang kosmos. Memberi Anda suatu amunisi ilmiah keras untuk membuat teman-teman pesta makan malam Anda terkesan ketika diskusi perjalanan waktu dimulai.
Berhubungan dengan bentuk EOMETRI adalah cabang matematika mengenai atribut dan hubungan titik, garis, permukaan, dan benda padat. Mayoritas orang barangkali tidak mengingat geometri yang dipelajarinya di sekolah: luas lingkaran, panjang sisi segitiga siku-siku, volume kubus dan silinder, tak lupa pula alatalat perdagangan handal itu, kompas dan busur derajat, dengan nostalgia kecintaan. Karenanya saya berharap Anda tidak terlalu tertunda oleh bab yang dicurahkan untuk geometri. Dalam semangat perang buku ini terhadap bahasa Jargon ilmiah, saya akan mendefinisikan ulang pengertian geometri dengan mengatakan bahwa ia berhubungan dengan bentuk . Mari kita periksa apa yang kita maksud dengan bentuk dalam pengertian paling umum. Perhatikan huruf ‘S’. Bentuk nya disebabkan oleh sebuah garis melengkung. Sepercik cat pada kanvas juga memiliki bentuk, tapi ini bukan lagi berbentuk garis melainkan luas. Objekobjek padat memiliki bentuk pula. Kubus, bola, manusia, mobil, semuanya memiliki bentuk geometris yang disebut volume. Atribut yang berlainan pada ketiga kasus di atas—garis, permukaan, dan volume—adalah jumlah dimensi yang dibutuhkan untuk mendefinisikan mereka. Garis dikatakan satu-dimensi, atau 1D, luas adalah dua-dimensi, atau 2D, dan volume adalah 3D. Adakah suatu alasan mengapa saya tidak bisa terus beranjak ke dimensi lebih tinggi? Apa yang begitu istimewa dengan angka tiga sehingga kita harus berhenti di situ? Jawabannya, tentu saja, adalah bahwa kita hidup di alam semesta yang mempunyai tiga dimensi ruang; kita mempunyai kebebasan untuk bergerak ke depan/ke belakang, ke kiri/ke kanan, dan ke atas/ke bawah, tapi mustahil bagi kita untuk menunjuk ke arah baru yang siku-siku terhadap tiga arah lain tersebut. Dalam matematika, ketiga arah ke mana kita bebas bergerak ini disebut saling tegak lurus, bahasa matematikawan untuk ‘siku-siku terhadap satu sama lain’.
G
Semua objek padat di sekeliling kita adalah 3D. Buku yang Anda baca ini mempunyai tinggi, lebar, dan tebal tertentu (ketiganya adalah panjang yang diukur ke arah yang siku-siku terhadap satu sama lain). Bersama-sama, ketiga bilangan ini menetapkan dimensi buku. Nyatanya, jika Anda mengalikan bilangan-bilangan tersebut, Anda memperoleh volumenya. Ini tidak berlaku untuk semua objek padat. Bola, misalnya, hanya memerlukan satu bilangan untuk menetapkan ukurannya: jari-jari. Tapi ia tetap tiga-dimensi sebab merupakan objek padat yang tersimpan di ruang 3D. Kita melihat di sekeliling kita bentuk-bentuk yang satu-dimensi, duadimensi, ataupun tiga-dimensi, tapi tidak pernah empat-dimensi sebab objek semacam itu tidak dapat diakomodasi di ruang tiga-dimensi kita. Nyatanya, kita bahkan tidak bisa membayangkan seperti apa bentuk empat-dimensi. Membayangkan sesuatu berarti membangun modelnya dalam otak kita yang hanya bisa menanggulangi sampai tiga dimensi. Kita benar-benar tidak akan sanggup memahami bentuk 4D. Bagi banyak orang, ‘satu-dimensi’ berarti ‘satu arah’. Penambahan dimensi lain pada sesuatu berarti memperkenankannya bergerak ke arah baru. Cukup benar, tapi, Anda mungkin bertanya, bagaimana dengan huruf ‘S’ tadi? Saat menuliskan ‘S’, pena Anda membuat kurva ke arah-arah berlainan. Bagaimana bisa bentuk akhirnya masih 1D? Bayangkan sebuah dot bernama Fred yang tinggal di sebuah garis lurus (gambar 1.1). Fred tak bisa bergerak ke luar garis dan dilarang bergerak ke atas atau ke bawah. Kita katakan gerakan ini adalah satu-dimensi. Nyatanya, karena garis itu merupakan keseluruhan alam semesta Fred, kita katakan dia tinggal di sebuah alam semesta 1D. Tapi bagaimana jika alam semestanya adalah huruf ‘S’? Berapa banyak dimensi yang
Gambar 1.1. Fred sang dot hidup di alam semesta satu-dimensi yang (a) flat dan (b) melengkung.
dia tinggali sekarang? Jawabannya tetap satu. Dia masih dilarang bergerak ke atas atau ke bawah garis. Hidupnya mungkin kini lebih menarik karena terdapat beberapa belokan untuk dia lalui, tapi melengkungkan sebuah bentuk tidaklah menambah jumlah dimensinya. (Ngomong-ngomong, karena Fred sendiri hanyalah dot, atau ‘titik’ menurut definisi matematis, dia merupakan makhluk nol-dimensi.) Cara lain untuk membahas dimensi-dimensi sebuah ruang ialah dengan mengetahui berapa banyak bilangan, disebut koordinat, yang kita perlukan untuk menemukan posisi tertentu di dalam ruang tersebut. Contoh berikut, yang saya ingat pernah saya baca bertahun-tahun silam tapi entah di mana, merupakan contoh tergamblang yang saya ketahui. Bayangkan Anda berada di atas tongkang yang menyusuri kanal. Berdasarkan suatu titik referensi, katakanlah desa yang Anda lewati sebelumnya, Anda hanya perlu satu bilangan: jarak yang Anda tempuh dari desa itu, untuk menetapkan posisi Anda. Jika Anda kemudian memutuskan berhenti untuk makan siang, Anda bisa menelepon seorang teman dan memberitahunya bahwa Anda berada, katakanlah, enam mil ke arah hulu dari desa. Tak peduli seberapa berliku kanal tersebut, enam mil adalah jarak yang Anda tempuh dan bukan ‘jalan lurus’. Jadi kita katakan tongkang itu dibatasi untuk bergerak ke satu dimensi, sekalipun tidak ketat dalam garis lurus. Bagaimana jika Anda berada dalam kapal di samudera? Anda memerlukan dua bilangan (koordinat) untuk menemukan posisi Anda. Berkenaan dengan suatu titik referensi, katakanlah dermaga terdekat atau koordinat internasional, bilangan itu adalah garis lintang dan garis bujur. Karenanya, kapal tersebut bergerak ke dua dimensi. Untuk kapal selam, di sisi lain, Anda perlu 3 bilangan. Di samping garis lintang dan garis bujur, Anda juga harus memperinci panjang dimensi ketiga, kedalaman. Jadi kita katakan kapal selam bebas bergerak di ruang tiga-dimensi. Apa itu ruang? Dalam pertemuan staf di Departemen Fisika Universitas Surrey di mana saya bekerja, selalu terdapat item berjudul ‘Ruang’ pada agenda. Dalam agenda inilah berbagai kelompok riset berdebat soal ruang kantor untuk mahasiswa riset dan periset tamu yang memerlukan meja selama beberapa minggu dan soal ruang laboratorium untuk eksperimen mereka. Tapi saat kepala departemen mencapai poin tersebut dalam pertemuan dan mengatakan sesuatu seperti
“Nah sekarang kita sampai ke bahasan Ruang—”, biasanya seseorang bergumam, “—batas final”. Anda pikir fisikawan tak punya selera humor! Kita semua berpikir tahu apa arti ‘ruang’, entah itu ruang dalam pengertian ‘ada ruang kosong tersisa di pojok itu’ atau ‘tidak ada cukup ruang untuk mengayunkan seekor kucing’, atau ruang dalam pengertian keragaman batas final ‘ruang angkasa’. Saat dipaksa untuk memikirkannya, kita akan menganggap ruang cuma sebagai tempat untuk menaruh sesuatu. Ruang sendiri bukanlah zat. Sampai sini kita semua pasti sependapat. Tapi dalam hal tersebut, dapatkah ruang eksis bilamana tidak mengandung materi apapun? Pikirkan sebuah kotak kosong. Sekalipun kita memompa keluar semua molekul udara yang dikandungnya hingga betul-betul tak ada apapun di dalam kotak, kita akan masih gembira dengan konsep bahwa ruang masih terus eksis. Ruang hanya merujuk pada volume kotak. Adalah kurang bisa dipahami bilamana ruang tidak memiliki batas. Ruang di dalam kotak hanya eksis, kita pikir, berkat eksistensi kotak itu sendiri. Bagaimana jika kita menyingkirkan tutup dan dinding kotak? Apakah ruang masih eksis? Tentu saja. Tapi kini ia adalah kawasan ruang yang menjadi bagian kawasan lebih besar di dalam ruangan kita berada. Mari kita mencoba sesuatu yang sedikit lebih besar: Alam Semesta kita pada dasarnya adalah volume ruang amat besar (mungkin tak terhingga) yang mengandung materi (galaksi, bintang, nebula, planet, dan lain-lain). Bagaimana jika Alam Semesta betul-betul hampa dan tak mengandung materi sama sekali? Masih adakah ia? Jawabannya ya, karena ruang tidak harus mengandung materi untuk eksis. Pada poin ini, pembahasan dapat dengan mudah terjun—karena saya mengerjakan semua pembahasan, dan saya tahu seperti apa saat memulai— ke dalam subjek amat teknis dan samar (tapi banyak diperdebatkan) yang dikenal sebagai prinsip Mach. Prinsip ini menyatakan bahwa ruang, atau setidaknya jarak dan arah di dalamnya, tidaklah bermakna bilamana tidak mengandung materi apapun. Di samping ini, Einstein telah menunjukkan dalam teori relativitasnya bahwa ruang, seperti waktu, adalah relatif juga. Namun, saya tak ingin terlalu berat di tahap awal buku ini dan akan berasumsi bahwa walaupun ruang bukanlah zat, ia pasti berupa sesuatu! Tapi jika ruang bukanlah zat, dapatkah kita berinteraksi dengannya? Dapatkah materi mempengaruhinya dengan suatu cara? Ternyata materi memang dapat mempengaruhi ruang: ia dapat menekuknya! Sekali Anda memahami fakta ini, Anda mestinya takkan pernah lagi terkesan oleh klaim-
klaim penekukan pisau atau sendok dengan kekuatan pikiran (trik sulap murahan dan agak tak berarti). Di bab berikutnya, saya akan meminta Anda membayangkan menekuk ruang 3D.1 Anda mungkin berpikir, saya dapat dengan mudah menekuk objek 3D seperti buku ini. Well , tidak sesederhana itu. Yang saya maksud bukan objek 3D ditekuk di dalam ruang 3D melainkan menekuk ruang 3D itu sendiri. Pikirkan lengkungan garis 1D yang membentuk huruf ‘S’. Kita memerlukan sehelai kertas 2D untuk menuliskan ‘S’ di atasnya. Kita katakan bentuk 1D tersebut tersimpan di dimensi lebih tinggi. Demikian pula, penekukan sehelai kertas membutuhkan penggunaan ruang 3D kita jika kita ingin memvisualisasikannya. Jadi, untuk memahami apa yang dimaksud dengan menekuk ruang 3D, kita harus membayangkan ruang 4D yang di dalamnya ia bisa ditekuk.
Gambar 1.2. (a) Sebuah persegi (bentuk 2D) digambar di ruang flat 2D, (b, c) persegi bisa ditekuk atau diubah bentuk di dalam ruang flat 2D, atau (d) ruang 2D itu sendiri melengkung. Bila Anda masih sedikit bingung dengan perbedaan antara menekuk objek padat di ruang dan menekuk ruang itu sendiri, berikut adalah contoh sederhana dalam 2D. Buat gambar segiempat di atas sehelai kertas (gambar 1.2(a)). Segiempat tersebut bisa ditekuk di dalam permukaan 2D (kertas) untuk membentuk sebuah bentuk lain. Contoh, bayangkan mendorong pojokpojoknya ke arah berlawanan sehingga membentuk berlian, sebagaimana pada gambar 1.2(b), atau garis-garis bisa digambar ulang secara melengkung sebagaimana pada gambar 1.2(c). Ini sungguh berbeda dengan menekuk helai 1
Untuk lebih akurat, setiap kali saya membahas penekukan ruang 3D, semestinya saya mengatakan penekukan ‘ruangwaktu’ 4D. Teori relativitas Einstein mengatakan kita harus menyebut kombinasi tiga dimensi ruang dengan satu dimensi waktu sebagai demikian. Namun, untuk sementara ini, saya akan menunda pembahasan bagaimana ruang dan waktu dicampur sampai saatnya nanti dalam buku ini.
kertas itu sendiri (gambar 1.2(d)). Nah, segiempat itu terlihat tertekuk bagi kita walaupun kita belum menggambar ulangnya; justru ruang di mana segiempat itu eksis telah tertekuk. Dunia2D dan penghuni dunia2D Karena mustahil bagi kita untuk membayangkan dimensi lebih tinggi yang ke dalamnya kita bisa melengkungkan dunia 3D kita, saya akan memakai trik berguna. Kita mencukupkan diri dengan salah satu dimensi ruang kita, katakanlah dimensi kedalaman, dan kemudian kita bisa mengurus dunia 2D imajiner (mari kita tegas dan orisinil dan menyebutnya dunia2D). Dunia flat dua-dimensi semacam itu telah dibahas oleh banyak penulis selama bertahuntahun dan diberi berbagai julukan, mulai dari Flatland sampai Planiverse. Penghuni alam semesta demikian berbentuk flat, makhluk kertas yang dibatasi untuk bergerak ‘di dalam’ permukaan bukan ‘di atas’ permukaan. Mereka bisa bergerak ke atas/ke bawah dan ke kiri/ke kanan tapi tidak bisa bergerak ke luar permukaan sebab itu akan memerlukan gerakan ke dimensi ketiga yang mana mustahil bagi mereka. Nah, dimensi keempat ilusif yang mustahil bagi kita makhluk 3D untuk dipahami (tapi kita perlukan untuk memvisualisasikan lengkungan ruang 3D kita) adalah ekuivalen dengan dimensi ketiga bagi penghuni dunia2D. Kita punya akses ke dimensi ketiga ini sekalipun penghuni dunia2D tidak bisa. Seperti apakah alam semesta 2D semacam itu? Sebagai permulaan, penghuninya merasa sulit memikirkan dimensi ketiga, sebagaimana kita ATAS
KIRI
KANAN
BAWAH
Gambar 1.3. Makhluk dua-dimensi yang tinggal di dunia2D bebas bergerak ke atas/ke bawah dan ke kiri/ke kanan, tapi tak punya akses ke dimensi ketiga yang akan melibatkan gerakan keluar kertas.
kesulitan mencoba memikirkan dimensi keempat. Pada gambar 1.3 terdapat dua makhluk 2D. Sungguh menarik memikirkan bagaimana mereka menjalankan fungsi dasar. Contoh, mata mereka harus memiliki kebebasan untuk mondar-mandir dari sisi ke sisi agar bisa melihat ke kedua arah. Seandainya tidak begitu, dan mata mereka terpaku di salah satu sisi kepala mereka, maka, walaupun mereka mempunyai keuntungan untuk bisa melihat ke kedua arah pada waktu bersamaan, mereka akan kehilangan keterampilan vital. Mampu menatap objek yang sama dengan kedua mata memungkinkan mereka, sebagaimana kita, untuk menilai seberapa jauh objek tersebut. Namun, jika kedua mata berada di sisi kepala yang sama, mereka tidak akan bisa melihat ke belakang, kecuali kalau mereka berdiri terbalik! Ini lantaran mereka tidak bisa memutar kepala mereka, sebuah keterampilan yang memerlukan akses ke dimensi ketiga. Kedua persoalan ini bisa diatasi jika mata mereka bebas mondar-mandir sebagaimana telah saya lukiskan. Persoalan lain yang akan mereka jumpai bisa juga dilihat dari gambar 1.3. Bagaimana penghuni dunia2D yang menuruni anak tangga melewati penghuni yang sedang menggali lubang? Dia tak bisa meminggir darinya sebab itu membutuhkan gerakan ke luar bidang (ke luar alam semesta mereka) yang mana tidak diperbolehkan. Mereka barangkali memiliki semacam persetujuan di mana penghuni kiri harus memberi jalan kepada penghuni kanan sebagaimana pada gambar 1.4. Atau mungkin terdapat semacam persetujuan di mana seorang penghuni dunia2D harus selalu memberi jalan kepada penghuni lainnya yang lebih tinggi dalam jenjang sosial.
Gambar 1.4. Satu-satunya cara agar penghuni 2D dapat melewati satu sama lain. Mereka tak bisa saling meminggir sebab itu mengharuskan salah satu dari mereka bergerak keluar kertas.
Aspek yang terutama menarik dari dunia2D adalah apa yang bisa dilihat oleh penghuni dunia2D ketika menatap objek di dunia mereka. Pertamatama, izinkan saya mengingatkan Anda tentang yang kita lihat ketika menatap objek padat seperti bola. Yang kita ‘lihat’ sebetulnya adalah citra 2D pada retina mata, yang amat penting untuk persepsi kedalaman. Dengan satu mata tertutup pun kita tahu bahwa yang sedang kita tatap adalah objek padat tigadimensi bukan objek flat dua-dimensi, seperti cakram, berkat cara cahaya yang memancar dari bola menyediakan shading. Tanpa ini pun, kita tahu dari pengalaman seperti apa bola itu dan bagaimana ia berperilaku. Jadi, saat kita menonton pertandingan sepak bola di televisi, kita tahu bahwa objek sirkuler yang sedang ditendang tersebut adalah bola sepak tiga-dimensi dan bukan cakram flat yang mirip bola dan menggelinding pada tepinya. Kita mengetahui ini meski tidak bisa melihat shading apapun di bagian bawah bola dan meski gambar televisi itu sendiri merupakan proyeksi 2D dari realitas 3D. Saat kita menatap objek 3D, kita hanya melihat permukaan dua-dimensi yang menghadap kita. Otak kita lalu memperhitungkan pengalaman masa lalu tentang objek demikian, ditambah cara cahaya berinteraksi dengan permukaan tersebut, untuk membangun sebuah model bentuk tiga-dimensi dalam pikiran kita sekalipun kita tidak bisa melihat bagian belakangnya. Bagaimana ini menyamai apa yang dilihat penghuni dunia2D? Bola mereka adalah lingkaran. Saat penghuni dunia2D menatap lingkaran, dia akan menatapnya ‘antar tepi’ dan karenanya hanya akan melihat setengah kelilingnya. Pada ‘retina’-nya dia akan melihat citra satu-dimensi: garis lurus. Lagi-lagi, dia harus mengandalkan shading untuk melihat lengkungan garis dan harus merotasi lingkaran untuk yakin bahwa garis tersebut membelok sepenuhnya. Jika lingkaran itu sedang diterangi dari atas, katakanlah dari matahari dua-dimensi di atas kepala, maka bagian atas garis yang dia lihat akan lebih terang daripada bagian bawah yang membentuk bagian bawah lingkaran. Jadi, cara lingkaran terlihat oleh penghuni dunia2D tidaklah sama dengan kita sebab mereka takkan pernah bisa melihat bagian dalamnya. Dari titik menguntungkan untuk memandang dunia2D, kita bisa menatap bagian dalam semua objek, tak hanya lingkaran tapi juga tubuh penghuni dunia2D. Semua organ dalam mereka akan terlihat oleh kita, memberi pengertian baru pada istilah ‘pembedahan jantung’. Mustahil bagi penghuni dunia2D untuk melihat bagian lingkaran tertutup di dunia mereka, sebagaimana mustahil bagi kita untuk melihat bagian dalam bola cekung.
Bayangkan kita menemukan dunia2D di suatu tempat di alam semesta kita. Pada prinsipnya, jika ia flat maka semestinya ia memanjang terus seperti tilam besar tak terhingga yang mengiris tiga dimensi ruang kita. Tapi mari kita bayangkan bahwa ia mempunyai ukuran terhingga dan bahwa kita menemukannya di suatu tempat. Saya tak peduli di mana pun: di bawah ranjang Anda, di belakang sofa Anda, atau di loteng nenek Anda. Saya akan berasumsi bahwa kita mampu berkomunikasi dengan penghuni dunia2D.2 Kita saksikan adegan pada gambar 1.5(a) sebagai upaya penghuni dunia2D untuk
Gambar 1.5. (a) seorang penghuni 2D tidak bisa menemukan cara mengambil mahkota di dalam kotak tanpa merusaknya dan menyalakan alarm. (b) Kita dapat membantu sang pencuri dengan merenggut mahkota keluar dunia2D, menuju dimensi ketiga, dan mengembalikannya ke atas kepala sang pencuri. 2
Saya berasumsi kita mampu berbicara dengan dan didengar oleh mereka. Suara ditransmisikan melalui vibrasi molekul-molekul udara 3D kita. Vibrasi ini akan ditransfer ke molekul 2D di dunia2D. Semua ini tentu saja sama sekali omong-kosong, tapi menyenangkan untuk dipikirkan.
memindahkan sebuah objek dari dalam segiempat. Dia bahkan tidak bisa melihat objek tersebut dan tidak mampu menggapainya tanpa membuka segiempat. Bagi kita, objek itu tak hanya terlihat, tapi kita juga bisa, jika kita mau, menggapai dunia2D dan merenggutnya dari dua dimensinya kemudian menempatkannya kembali ke dalam dunia2D di luar segiempat (gambar 1.5(b)). Kita dapat melakukan ini sebab punya akses ke dimensi ketiga. Setelah menakuti penghuni dunia2D hingga mempercayai kekuatan paranormal, dengan membuat sebuah objek muncul entah dari mana—sebuah objek yang baru beberapa detik sebelumnya terkunci di dalam segiempat yang tak bisa dipenetrasi—kita memutuskan memamerkan keajaiban ruang 3D dengan memperkenalkan bola kepada mereka dengan memasukkan bola kecil ke dalam dunia2D. Tentu saja, bola tersebut akan menyusup ke sisi lain asalkan tak ada objek 2D yang menghalangi. Penghuni dunia2D mula-mula akan melihat sebuah titik tumbuh menjadi garis yang memanjang lalu memendek sesaat sebelum menghilang. Dia menyimpulkan dari shading-nya bahwa garis itu merupakan bagian keliling sebuah lingkaran sehingga tahu bahwa dirinya sedang menatap lingkaran yang bermula kecil, membesar, mencapai ukuran maksimum (saat bola sudah menembus separuh jalan), kemudian menyusut lagi ke ukuran nol begitu muncul di sisi lain dunia2D. Jadi, pada suatu momen tertentu, penghuni dunia2D hanya akan melihat potongan-lintang bola tersebut. Ruang melengkung Saya menyebutkan bahwa dunia2D imajiner ini tak harus luas tak terhingga dan karenanya memiliki tepi, suatu batas yang menetapkan perbatasannya. Kita nanti akan menyimak bahwa alam semesta tak memiliki tepi sehingga dunia2D kiranya pasti memanjang terus. Ternyata ini hanya terjadi (yakni memanjang terus) jika dunia2D adalah flat, sebagaimana selama ini saya asumsikan. Bagaimana jika penghuni dunia2D tinggal di permukaan bola? Ruang mereka kini melengkung dan tak lagi berukuran tak terhingga. Bagaimanapun, bola mempunyai luas permukaan terhingga yang jelas-jelas tidak memiliki tepi sebab penghuni dunia2D bisa bergerak ke manapun di alam semesta ini tanpa pernah mencapai titik yang tidak bisa dilalui. Konsep penting dan agak licin untuk dipahami di sini adalah bahwa walaupun dunia2D ini merupakan permukaan bola 3D, bagian dalam bola dan semua ruang di luar permukaan tak harus eksis sepanjang menyangkut penghuni dunia2D. Jadi, sedikit banyak, analogi dengan manusia yang tinggal di permukaan Bumi tak
mesti diambil terlalu serius sebab kita jelas-jelas adalah makhluk 3D yang terpaku di permukaan objek 3D. Penghuni dunia 2D hanya mempunyai akses ke permukaan 2D. Interior bola bahkan tidak eksis bagi mereka. Pertanyaan menarik yang ingin saya ajukan berikutnya adalah apakah penghuni dunia2D tahu bahwa ruang mereka melengkung. Cara bagi mereka untuk mencaritahu adalah cara yang kita pakai untuk membuktikan bahwa Bumi tidak flat: memberangkatkan seseorang ke satu arah dan akhirnya kembali ke titik tolak dari arah berlawanan setelah mengelilingi bola. Tentu saja kita sekarang rutin mengirim astronot ke orbit yang bisa menoleh ke belakang dan melihat bahwa Bumi itu bundar, tapi penghuni alam semesta 2D terpenjara di permukaan dan tak bisa bergerak ke atas dunia mereka untuk melihat ke bawah. Ada cara lain agar mereka dapat mengecek apakah dunia mereka melengkung. Kita belajar di sekolah bahwa jika kita menambahkan nilai tiga sudut interior suatu segitiga hasilnya selalu 180 derajat. Tak peduli seberapa besar atau kecil segitiga yang kita gambar atau bagaimana bentuknya, jawabannya akan selalu sama. Jika ia adalah segitiga siku-siku, maka dua sudut lain pasti berjumlah 90 derajat pula. Jika salah satu sudutnya tumpul dengan besaran, katakanlah, 160 derajat, maka dua sudut lain pasti berjumlah 20 derajat, dan seterusnya. Tapi sebelum Anda terlalu puas diri setelah nyaman mengatasi sedikit geometri ini, perkenankan saya merusak semua ini dengan menyatakan bahwa urusan sudut segitiga yang selalu berjumlah 180 derajat ini hanya berlaku jika segitiganya digambar di atas permukaan flat ! Segitiga yang digambar di atas bola mempunyai sudut yang selalu berjumlah lebih dari 180 derajat. Berikut adalah contoh sederhana yang mendemonstrasikan maksud saya. Untuk membantu Anda memahami ini, Anda perlu sebuah bola dan pena berujung wol. Bayangkan seorang penjelajah memulai perjalanan di Kutub Utara. Dia berangkat dalam garis lurus menuju Selatan (saat Anda berada di Kutub Utara, satu-satunya arah yang dapat Anda tuju ialah selatan) melewati ujung timur Kanada lalu menuruni Atlantik barat. Dia, tentu saja, hati-hati menghindari Segitiga Bermuda sebab mempercayai semua omong-kosong takhayul itu. Dia terus menuju selatan sampai mencapai khatulistiwa di suatu tempat di Brazil utara. Saat berada di khatulistiwa, dia berbelok ke kiri dan menuju Timur menyeberangi Atlantik, kini bergerak dalam garis lurus di sepanjang khatulistiwa. Dia mencapai pantai Afrika dan meneruskan ke Kenya yang pada
saat sampai dia mengalami iklim cukup panas dan lembab dan memutuskan untuk berbelok ke kiri dan menuju Utara lagi. Dia melintasi Ethiopia, Arab Saudi, Timur Tengah, melintasi Eropa Timur dan kembali ke Kutub Utara. Jika Anda membuat jejak kasar rutenya, Anda akan melihat bahwa dia telah menyelesaikan sebuah segitiga (gambar 1.6(b)). Amati secara teliti tiga sudutnya. Pada waktu mencapai khatulistiwa dan berbelok ke kiri, dia membuat sudut siku-siku (90 derajat). Tapi saat dia akhirnya meninggalkan khatulistiwa untuk kembali menuju utara, dia membuat sudut siku-siku lainnya. Karenanya, dua sudut ini sudah berjumlah 180 derajat. Tapi kita belum mengikutsertakan sudut yang dia buat di Kutub Utara bersama dua garis lurus perjalanan keluar dan masuknya tersebut. Ini semestinya juga kuranglebih menghasilkan sudut 90 derajat, walaupun tentu saja ukuran sudut ini tergantung pada seberapa jauh yang dia tempuh sepanjang khatulistiwa. Saya telah memilih bahwa dia menjejaki segitiga dengan tiga sudut siku-siku berjumlah 270 derajat, dengan menghubungkan tiga garis lurus. Segitiga semacam itu merupakan kasus istimewa tapi aturan dasarnya adalah bahwa segitiga apapun yang digambar di permukaan bola akan mempunyai sudut-sudut berjumlah lebih dari 180 derajat. Contoh, segitiga yang menghubungkan Paris, Roma dan Moskow akan mempunyai sudutsudut yang berjumlah sedikit di atas 180 derajat. Penyimpangan kecil dari 180 derajat ini adalah karena segitiga demikian tidak meliputi sebagian kecil signifikan luas permukaan total Bumi dan karenanya hampir flat. Kembali ke penghuni dunia2D, mereka bisa memakai teknik yang sama untuk mengecek apakah ruang mereka melengkung. Mereka berangkat dalam roket 2D dari planet induk mereka dalam garis lurus sampai mencapai bintang jauh. Di sana, mereka akan berbelok dengan suatu sudut tetap dan berangkat menuju bintang lain. Setelah berada di bintang kedua, mereka kembali ke rumah. Setelah menjejaki segitiga, mereka mengukur ketiga sudutnya. Jika hasilnya lebih dari 180 derajat3, mereka dapat menyimpulkan bahwa mereka tinggal di ruang melengkung. Atribut lain, yang mungkin Anda ingat dari sekolah, adalah bahwa keliling lingkaran ditentukan oleh pi kali diameternya. Harga pi , kita diberitahu, tidak dapat dirundingkan. Terdapat tombol pada sebagian besar kalkulator saku 3
Permukaan bisa dilengkungkan dengan sebuah cara lain agar segitiga yang digambar di atasnya akan mempunyai sudut-sudut berjumlah kurang dari 180 derajat, tapi saya akan menjelaskan itu nanti.
yang menetapkan pi sampai 10 angka desimal (3,1415926536), tapi kebanyakan kita mengingatnya 3,14. Oke, saya akui bahwa saya mengingatnya sampai sepuluh angka desimal yang ditunjukkan kalkulator, tapi itu hanya karena saya begitu sering menggunakannya dalam pekerjaan saya, tak berbeda dengan mengingat sebuah nomor penting. Namun, saya punya seorang teman matematikawan yang mengetahui pi sampai 30 angka desimal. Selain soal itu, dia sungguh normal. Kita diajari bahwa pi adalah konstanta matematis. Ia ditetapkan sebagai rasio dua bilangan: keliling dan diameter lingkaran di ruang flat. Jika penjelajah kita tadi mengelilingi Lingkaran Arktik, yang mempunyai diameter yang bisa dia ukur dengan akurat (yakni dua kali jarak dari Lingkaran Arktik ke Kutub Utara), maka dia akan mendapatkan dalam pengalian harga diameter dengan pi (yakni cara untuk menentukan keliling
Gambar 1.6. (a) Segitiga yang tergambar pada sehelai kertas flat memiliki sudut-sudut-sudut interior A + B + C = 180 0. (b) Segitiga yang tergambar pada permukaan bola memiliki sudut-sudut yang berjumlah lebih dari 1800. Di sini digambar sebuah segitiga yang terdiri dari tiga sudut 900.
lingkaran) sebuah harga yang sedikit lebih besar daripada keliling sejati Lingkaran Arktik. Kelengkungan Bumi mengandung arti bahwa Lingkaran Arktik adalah lebih kecil daripada jika Bumi flat. Atribut segitiga dan lingkaran yang kita pelajari di sekolah dikenal sebagai geometri Euclidean, atau ‘geometri flat’. Geometri 3D bola, kubus, dan piramida juga merupakan bagian geometri Euclidean jika mereka tersimpan di ruang 3D flat. Atribut mereka berubah jika ruang 3D-nya melengkung, serupa dengan perubahan atribut segitiga dan lingkaran saat digambar di atas ruang 2D melengkung semisal permukaan bola. Jadi, ruang 3D kita memang melengkung tapi kita tidak perlu memvisualisasikan dimensi keempat untuk ‘melihat’ kelengkungan ini. Kita dapat mengukurnya secara tak langsung dengan mempelajari geometri ruang 3D dan objek padat di dalamnya. Prakteknya, kita tak pernah melihat penyimpangan dari geometri Euclidean sebab kita hidup di sebuah bagian Alam Semesta di mana ruang hampir begitu flat sehingga kita tak pernah bisa mendeteksi kelengkungan apapun. Ini serupa dengan mencoba mendeteksi kelengkungan Bumi dengan menggambar segitiga di atas lapangan sepak bola. Tentu saja, lapangan bola tak sepenuhnya halus. Demikian halnya, ruang mengandung kawasan-kawasan lengkungan di sana-sini sebagaimana akan kita simak di bab berikutnya. Bagaimana jika dimensi ruang keempat memang eksis di samping tiga dimensi kita? Apa yang dapat kita katakan soal atributnya? Cara terbaik adalah memulai dengan menjawab bahwa dimensi keempat bagi kita adalah layaknya dimensi ketiga bagi penghuni dunia2D. Bayangkan Anda sedang berdiri di pusat sebuah lingkaran besar yang digambar di atas tanah flat seperti lingkaran pusat sebuah pitch4 futbol. Jika kini Anda berjalan dalam garis lurus ke suatu arah, Anda akan menuju garis keliling lingkaran. Ini disebut arah radial sebab saat Anda mencapai garis keliling, Anda telah berjalan sepanjang jari jari lingkaran. Di sisi lain, seekor burung yang sedang bertengger di pusat lingkaran bisa bergerak sepanjang dimensi ketiga: ke atas. Jika ia terbang lurus ke atas, maka ia selalu akan meninggalkan semua bagian lingkaran. Nah, tambahkan dimensi lain pada contoh ini dan bayangkan burung berada di pusat sebuah bola (katakanlah sangkar bundar). Ke arah manapun si burung terbang, ia akan bergerak menuju jeruji sangkar, dan semua arah baginya kini radial. Sebagaimana dalam contoh lingkaran 2D di mana burung bisa bergerak sepanjang dimensi ketiga meninggalkan lingkaran, kini kita dapat 4
Titik tertentu di mana bola menyentuh tanah—penj.
memahami apa artinya bergerak sepanjang dimensi keempat. Mulai dari pusat sangkar, itulah arah ke mana si burung harus terbang demi meninggalkan semua titik dalam sangkar pada waktu bersamaan! Ini bukan arah yang dapat kita visualisasikan sebab, sebagaimana telah saya sebutkan sebelumnya, otak kita hanya tiga-dimensi. Jadi apa yang akan kita lihat jika kita memiliki seekor burung ajaib, yang mampu memanfaatkan dimensi keempat, terperangkap dalam sangkar? Kita akan melihat ia menghilang dari pandangan dan kemudian bergabung kembali dengan ruang 3D kita di suatu tempat lain, barangkali di luar sangkar. Itu akan terlihat mengherankan bagi kita sebagaimana herannya penghuni dunia2D terhadap keterampilan 3D kita merenggut objek dari ruang 2D mereka. Efek menarik lain dari penggunaan dimensi lebih tinggi adalah yang terjadi saat objek terbalik. Bayangkan Anda mampu mengangkat penghuni dunia2D dari dunianya, membaliknya sehingga sisi kiri dan kanannya bertukar, kemudian menaruh dia kembali. Untuk sejenak, segala sesuatu akan sungguh membingungkan baginya. Dia takkan merasa berbeda selain segala sesuatu di sekelilingnya berada di sisi yang salah. Dia harus menyesuaikan diri terhadap kehidupan di sebuah dunia di mana matahari 2D tak lagi terbit dari kanan sebagaimana biasanya, melainkan dari kiri. Dan kini dia harus berjalan ke arah berlawanan untuk pergi kerja dari rumahnya. Segala sesuatu akan lebih lucu jika Anda mempertimbangkan apa jadinya bagi Anda jika seorang makhluk 4D merenggut Anda dari dunia 3D kita dan membalik Anda. Sebagai permulaan, orang-orang akan melihat sesuatu yang sedikit berbeda dari penampilan Anda karena bagi mereka wajah Anda kini terlihat seperti saat Anda bercermin. Saat Anda kemudian memandang cermin, Anda juga akan melihat perbedaan. Sebab tak ada satupun wajah yang simetris. Sisi kiri wajah kita berbeda dari sisi kanan. Mungkin mata yang satu sedikit lebih rendah daripada mata yang lain atau, seperti saya, hidung Anda sedikit bengkok ke satu sisi, atau Anda mempunyai tahi lalat di satu pipi, dan sebagainya. Tapi ini baru permulaan masalah Anda. Segala sesuatu di sekeliling Anda terlihat terbalik antara belakang dan depan. Semua tulisan akan terbalik, jarum jam akan berputar berlawanan dan Anda sekarang akan bertangan kidal jika sebelumnya bertangan kanan. Satu cara untuk menguji keadaan adalah Anda berkeliling sambil melihat dunia lewat cermin. Perlu beberapa waktu sebelum Anda berhenti bertubrukan dengan segala hal.
Betulkah ada dimensi keempat? Jika Anda sudah tahu sedikit tentang teori relativitas Einstein (saya berasumsi tidak) maka Anda mungkin juga sedikit khawatir pada poin ini. Bagaimanapun, tidakkah Einstein mengatakan sesuatu soal waktu sebagai dimensi keempat? Di Bab 6 saya akan membahas teori relativitas khusus Einstein di mana waktu dan ruang dihubungkan secara mengejutkan sekali, menjadi apa yang disebut ruangwaktu empat-dimensi. Untuk sekarang, kita dapat memahaminya dengan cara sederhana berikut. Kembali ke contoh kapal selam yang membutuhkan tiga bilangan untuk menetapkan posisinya. Jika ia sedang bergerak, penyebutan bilangan-bilangan itu tidaklah berarti kecuali kalau kita juga menyatakan kapan kapal selam berada di posisi tersebut. Jadi sekarang kita membutuhkan empat bilangan untuk menemukan lokasinya secara tepat: garis lintang, garis bujur, kedalaman, dan waktu ketika ia mempunyai harga-harga itu. Namun, kita tak boleh alpa akan fakta bahwa waktu tidaklah sama dengan tiga dimensi ruang. Kita bebas bergerak ke depan dan ke belakang sepanjang salah satu dari tiga sumbu ruang, tapi dibatasi untuk bergerak ke depan saja sepanjang sumbu waktu (dari masa lalu ke masa depan). Pertanyaannya di sini adalah apakah mungkin eksis dimensi ruang keempat, tak terjangkau indera kita. Seratusan tahun lalu, beberapa ilmuwan paling dihormati di dunia percaya bahwa dunia roh, alam hantu dan siluman, adalah empat dimensi dan ruang 3D kita tercakup di dalamnya. Penghuni dunia dimensi lebih tinggi ini adakalanya akan melewati dunia 3D kita tapi tidak terlihat oleh kita. Zaman sekarang tentu saja hampir tidak ada ilmuwan serius (maksud saya tidak memperhitungkan persuasi campuran) yang mempercayai ini. Bukan berarti dimensi lebih tinggi dikesampingkan. Nyatanya, beberapa teori baru, tapi belum teruji, dalam fisika mengindikasikan bahwa bahkan mungkin ada lebih dari empat dimensi ruang, yang semuanya di luar pemahaman kita. Dua teori yang saat ini sedang digemari, dikenal sebagai teori superstring dan teori-M 5, mengindikasikan bahwa Alam Semesta kita sesungguhnya mengandung sembilan (menurut teori superstring), dan sepuluh (menurut teori-M), dimensi ruang (plus satu dimensi waktu). Tapi semua dimensi tambahan yang tak diinginkan itu tergulung begitu kecil sehingga kita tak pernah bisa mendeteksi mereka. Anda mungkin berpikir ini cuma omong-kosong tapi faktanya adalah 5
‘M’ adalah singkatan dari membran, tapi teori membran merupakan nama yang begitu membosankan sehingga banyak fisikawan lebih menyukainya sebagai singkatan dari magic sebab mereka mengklaim bahwa teori ini sanggup menjelaskan semua gaya alam.
bahwa salah satu dari teori eksotis ini boleh jadi ternyata merupakan teori yang menggambarkan realitas pokok Alam Semesta kita. Sungguhpun kesemua tiga dimensi ruang yang kita kenal ada di hadapan kita, kita akan menyimak di beberapa bab berikutnya bahwa bermanfaat sekali mencadangkan dimensi tambahan untuk membantu kita memahami aspek tertentu teori relativitas Einstein: ruang melengkung.
Apel dan bulan ENURUT MITOS, Isaac Newton sedang duduk di bawah sebuah pohon apel ketika, setelah kepalanya tertimpuk satu buah apel yang jatuh, dirinya menemukan hukum gravitasi—mengimplikasikan bahwa mungkin ketokan pada kepala menghasilkan kilasan pemahaman. (Apel jatuh—boing—bola lampu menyala di atas kepala dan, hmm, kelihatannya tanah mengerahkan gaya terhadap apel, menariknya ke bawah.) Tentu saja tidak sesederhana itu. Newton bukan manusia pertama yang melihat segala sesuatu jatuh! Pemahaman dia jauh lebih mengesankan daripada itu. Mungkin cerita bahwa sebuah apel betul-betul jatuh ke atas kepala Newton memang mitos, tapi menurut keterangan Newton sendiri, merenungkan sebuah apel yang jatuh di pertanian ibunya-lah (serta hal-hal lain seperti mengapa Bulan mengelilingi Bumi) yang membawanya menuju hukum gravitasi universalnya yang terkenal. Ada apa dengan apel jatuh sampai-sampai Newton bisa melihat apa yang tidak bisa dilihat oleh orang lain sebelumnya? Sederhananya, dia melihat melampaui hal yang jelas terlihat— bahwa semua objek mempunyai kecenderungan untuk ingin bergerak ke bawah menuju Bumi—dan menyadari bahwa terdapat gaya tarik antara apel dan Bumi yang tak hanya menyebabkan apel jatuh ke bawah menuju Bumi tapi juga Bumi jatuh ke atas menuju apel . Nyatanya, sebaiknya tidak memikirkannya dari segi objek yang jatuh, melainkan bahwa Bumi dan apel tertarik menuju satu sama lain. Ramah, bersahabat, populer, pecinta keluarga. Semua sifat ini sungguh asing pada diri Isaac Newton. Dilahirkan di Woolsthorpe, Lincolnshire, Inggris, pada hari Natal 16426, dia adalah penyendiri yang tak pernah menikah dan tak punya banyak teman. Dia kemudian terlibat dalam perselisihan panjang dan
M
6
Tanggal ini berdasarkan kalender Julian yang dipakai di Inggris saat itu. Menurut kalender Gregorian yang sudah dipakai di negara-negara Eropa lain saat itu dan dipakai di setiap tempat hari ini, tanggal kelahirannya adalah 4 Januari 1643.
sengit dengan ilmuwan-ilmuwan lain soal siapa yang pertama kali mencapai penemuan tertentu. Namun, meski umumnya terdapat citra negatif ilmuwan dalam media populer masa kini yang sedihnya menghalangi begitu banyak remaja dari subjek, Newton bukanlah ilmuwan tipikal. Dia menutupi kekurangannya dalam keterampilan sosial dengan menjadi, dalam pandangan banyak orang, ilmuwan terhebat yang pernah hidup. Dia membuat begitu banyak kontribusi penting terhadap begitu banyak bidang sehingga sebagian besar fisika yang diajarkan di sekolah hari ini disebut sebagai fisika Newtonian. Ini untuk membedakannya dari fisika modern abad 20 yang akan dibahas dalam buku ini. Newton juga menemukan teknik matematika, kalkulus, yang merupakan alat standar untuk mempelajari sebagian besar fisika hari ini. Namun, penemuan kalkulus adalah penyebab sebuah kontroversi panjang. Perselisihannya ialah apakah Newton atau matematikawan Jerman, Gottfried Leibnitz, yang boleh mengklaimnya. Di kalangan ilmiah pada masa itu, perselisihan ini, di mana Inggris dan Jerman masing-masing mengklaim bahwa seterunya telah mencuri ide orang mereka, mengandung kegairahan patriotis yang mirip dengan persaingan modern dalam pertempuran sepakbola dua negara. Namun, tak seperti pertandingan modern yang terlalu sering mengambil resolusi tendangan penalti, dalam pertempuran kalkulus tidak ada pemenang jelas. Sepertinya masing-masing telah mengembangkan teknik secara terpisah. Bagaimanapun, sebagian besar penelitian dasar telah diletakkan setengah abad sebelumnya oleh matematikawan besar Prancis, Fermat. Kembali ke gravitasi. Jauh sebelum Newton, disadari bahwa alasan objek jatuh adalah karena Bumi mengerahkan gaya terhadap semua benda sehingga menarik mereka ke arahnya. Diketahui pula bahwa Bulan mengorbit Bumi karena Bumi mengerahkan suatu gaya misterius terhadapnya sehingga mencegahnya hanyut ke angkasa. Newton mengadakan hubungan antara kedua fenomena ini. Mengatributkan gerak Bumi dan apel jatuh pada satu gaya yang sama (gravitasi) merupakan percobaan berani seorang jenius. Sampai saat itu diyakini bahwa hukum alam yang sama sekali berbeda mengatur perilaku objek bumi (apel) dan objek angkasa (Bulan). Hukum gravitasi Newton menyatakan bahwa dua objek di Alam Semesta akan tertarik menuju satu sama lain oleh gaya tak nampak. Bumi dan semua objek di permukaannya, Bumi dan Bulan, Matahari dan planet, bahkan Matahari dan galaksi kita, semuanya sedang tertarik menuju satu sama lain. Jadi, bukan Bumi saja yang menjaga kita tetap terpaku di permukaannya;
sedikit banyak, kita juga menjaga Bumi tetap terpaku di kaki kita karena kita sedang menarik Bumi ke arah kita dengan gaya sebanyak yang dikerahkannya terhadap kita. Ketika tadi saya mengatakan bahwa Bumi jatuh ke atas menuju apel jatuh, saya bermaksud sungguh-sungguh. Persisnya, karena terpaku di permukaan Bumi, kita lihat apel yang bergerak menuju Bumi. Tapi apel punya hak yang sama untuk mengklaim (sebab apel punya hak) bahwa dirinya tidak sedang bergerak sama sekali dan bahwa Bumi-lah yang bergerak ke arahnya. Demikian halnya, seorang pria dan seorang wanita yang mengapung berdekatan di ruang hampa akan tertarik secara fisikal menuju satu sama lain— sekalipun mereka tidak ‘tertarik secara fisik’ kepada satu sama lain—oleh gaya gravitasi yang akan menyebabkan mereka melayang perlahan lebih dekat lagi. Namun, gaya ini akan sangat lemah (ekuivalen dengan gaya amat kecil yang diperlukan untuk memungut sebutir gula jika terpisah beberapa centimeter). Gaya gravitasi sangatlah kecil manakala massa yang terlibat berukuran kecil. Mengapa gaya gravitasi yang menyebabkan apel jatuh tidak menarik Bulan turun ke Bumi juga? Perbedaan antara dua kasus tersebut adalah bahwa, meski massa Bulan jauh lebih besar, ia sedang mengorbit Bumi dan selalu bergerak ke arah yang bersinggungan dengan jalur orbitnya, sedangkan apel bergerak menuju pusat Bumi. Sebetulnya agak buruk menyatakannya demikian. Definisi ‘mengorbit’ yang lebih baik adalah bahwa Bulan jatuh menuju Bumi dalam garis lengkung yang membentuk jalur sirkuler di sekeliling Bumi sehingga tak pernah bisa lebih mendekat. Saat Newton pertama kali mengkalkulasi ini sewaktu wabah tahun 1666, dia pikir dirinya mendapat jawaban salah dan, karena kecewa, menahan diri dari mempublikasikan temuannya. Baru bertahun-tahun kemudian, saat membahas persoalan tersebut dengan temannyalah (Edmund Halley, yang terkenal akan kometnya) dirinya menyadari signifikansi penemuannya. Hukum gravitasi Newton sukses hebat selama lebih dari tiga ratus tahun. Perhatikan, ini dikenal sebagai hukum gravitasi, sebab ilmuwan begitu yakin itu merupakan kata terakhir mengenai subjek yang mereka angkat di atas teori belaka yang dapat ditolak jika dan ketika sesuatu yang lebih baik muncul. Tapi itulah yang persis terjadi pada 1915. Namanya Einstein. Albert Einstein. Gravitasi Einstein Hukum gravitasi Newton akan terasa menggambarkan gaya tak nampak, hampir ajaib, yang beraksi di antara semua objek seberapa jauh pun mereka
terpisah (walaupun menjadi jauh lebih lemah seiring bertambahnya jarak) dan tak peduli apapun yang terdapat di antara mereka, sekalipun ruang hampa. Karenanya kita katakan bahwa gaya gravitasi tidak memerlukan ‘medium’ (atau ‘bahan’) untuk beraksi. Einstein memberikan penjelasan yang jauh lebih mendalam daripada ini. Dia mengklaim bahwa gravitasi tidak beraksi secara langsung terhadap sebuah objek, melainkan terhadap ruang itu sendiri, menyebabkannya melengkung. Pelengkungan ruang ini kemudian menyebabkan objek-objek di dalamnya berperilaku secara berbeda dibanding jika ruang tidak melengkung. Bingung? Mari kita ambil langkah mundur dan melihat bagaimana Einstein sampai pada penafsiran yang terasa musykil ini. Pernahkah Anda menaiki salah satu simulator taman hiburan itu? Anda menempati kursi bersama dengan beberapa penumpang lain di dalam sebuah kapsul tertutup dan menonton film pendek berisi adegan pengejaran yang futuristik. Kapsul terasa betul-betul berakselerasi, mengerem, mendesing membeloki tikungan tajam, menaiki benjolan, mendaki, dan jatuh. Faktanya, menangguhkan ketidakpercayaan Anda ternyata mudah. Prinsip yang dipakai dalam tunggangan ini dikenal sebagai prinsip ekuivalensi Einstein dan begitu sederhana sampai-sampai bisa dinyatakan dalam satu kata: g-force (atau dua kata?). Einstein menyadari bahwa gaya yang Anda rasakan saat berakselerasi (barangkali paling terasa ketika berada di pesawat yang mencepat sepanjang landasan persis sebelum lepas landas) dan gaya gravitasi adalah ekuivalen. Nyatanya, kita katakan bahwa percepatan pesawat yang mendorong kita ke kursi menyediakan g-force. ‘G’ adalah singkatan dari gravitasi dan, nyatanya, merupakan kuantitas dengan satuan akselerasi bukan gaya. Jadi akselerasi satu ‘g’ akan setara dengan akselerasi yang dialami benda saat jatuh. Sekilas ini terlihat agak tidak masuk akal. Bagaimanapun juga, gaya yang mendorong Anda ke belakang di kursi Anda ada kaitannya dengan gerakan dan akselerasi, sedangkan gaya gravitasi beraksi saat Anda sedang berdiri diam sekalipun (dengan menjaga Anda tetap terpaku di tanah). Tapi pikirkan sedikit tentang bagaimana tunggangan simulator sebetulnya bekerja. Bagaimana Anda bisa mendapat sensasi akselerasi sekalipun Anda berpaling dari gambar-gambar meyakinkan di layar? Bagaimanapun juga, simulator tidak bergerak ke mana-mana, ia hanya berjungkit-jungkit dan bergoncang-goncang pada pijakannya. Yang perlu ia lakukan untuk memberi kesan akselerasi maju, katakanlah satu ‘g’, hanyalah berjungkit ke belakang sehingga Anda dan kursi Anda menghadap ke atas. Kita begitu terbiasa dengan sensasi yang kita rasakan
saat kita berbaring di ranjang pada malam hari sehingga kita lupa tentang tarikan gravitasi Bumi yang memaksa kepala kita terbenam ke dalam bantal. Nyatanya, gaya yang biasa kita anggap pasti ini ekuivalen dengan gaya yang mendorong kita ke kursi jika kita berada dalam mobil yang sedang berakselerasi dari nol sampai enam puluh mil per jam dalam dua setengah detik saja! Inilah alasannya mengapa begitu mudah mengelabui otak hingga berpikir bahwa gaya gravitasi yang betul-betul kita rasakan dalam simulator adalah gaya akselerasi. Dengan cara yang sama, saat tunggangan simulator kita berhenti begitu mendadak sehingga kita merasa diri kita terlempar ke depan, yang terjadi adalah bahwa simulator sedang menjungkit kita ke depan dan membiarkan gravitasi mengerjakan sisanya. Contoh lain yang mendemonstrasikan kerja prinsip ekuivalensi adalah sisi terbalik contoh simulator, yakni memakai akselerasi untuk mensimulasikan gravitasi. Ini adalah contoh paling lumrah yang digunakan ketika subjek ini diajarkan. Bayangkan Anda terikat pada kursi Anda dalam roket sungguhan sedang menanti hitung mundur untuk peluncuran. Kursi Anda sedemikian rupa sehingga Anda menghadap ke atas menuju puncak (depan) roket. Selanjutnya, bayangkan Anda begitu santai dan berbaring dalam perjalanan Anda hingga Anda tertidur—sangat tidak mungkin, saya tahu. Saat Anda bangun, dan sebelum Anda sempat memandang keluar jendela, prinsip ekuivalensi akan mengatakan bahwa Anda takkan sanggup membedakan antara sensasi yang Anda rasakan jika roket masih berada di landasan luncur di mana gravitasi mendorong Anda ke kursi, dan sensasi yang Anda rasakan jika roket telah lama meninggalkan Bumi dan kini berada di ruang angkasa dan berakselerasi pada satu ‘g’ konstan. Nyatanya, jika Anda terus menahan godaan untuk memandang keluar jendela guna mengecek apakah kegelapan ruang hampa ataukah lingkungan familiar landasan roket yang menatap balik Anda, Anda takkan sanggup menemukan suatu eksperimen untuk dijalankan di dalam roket yang akan memungkinkan Anda menebak di mana Anda berada.7 Eksperimen yang saya maksud adalah mulai dari observasi sederhana, seperti mempelajari ayunan pendulum atau menyaksikan bola jatuh, sampai pengukuran rumit 7
Oke, pada prinsipnya, dan dengan peralatan yang cukup sensitif, Anda bisa mengatakan perbedaannya sebab medan gravitasi Bumi adalah radial ketimbang planar. Artinya jika Anda menjatuhkan dua bola berdampingan di Bumi, mereka akan bergerak sepanjang garis lurus menuju pusat Bumi. Garis-garis ini tidak sungguh paralel. Dalam roket yang sedang berakselerasi, mereka akan persis paralel.
melibatkan sinar laser dan cermin; pokoknya ekperimen apapun yang dapat membedakan antara perilaku objek yang mengalami akselerasi satu ‘g’ dan efek gravitasi Bumi. Akhirnya ketegangan memuncak dan Anda memandang keluar untuk melihat bahwa Anda memang sedang berakselerasi di ruang angkasa. Namun, semua eksperimen fisika itu telah memperingatkan Anda sehingga Anda duduk kembali ke kursi Anda dan tidur. Saat bangun, Anda merasa tak berbobot. Anda gembira karena tadi teringat untuk mengikat diri Anda atau Anda akan mengapung dan kepala Anda membentur panel instrumen. Kini Anda dihadapkan dengan teka-teki lain jika Anda tidak memandang keluar. Anda tahu, Anda bisa hanyut di ruang angkasa pada kecepatan konstan dengan mesin roket mati, yang tentu saja menerangkan sensasi ketakberbobotan, atau Anda bisa jatuh menerobos atmosfer Bumi dan terancam segera tewas jika Anda tidak cepat-cepat mengambil kendali roket. Anda tahu, saat Anda jatuh bebas menerobos medan gravitasi Bumi, Anda mengalami ketakberbobotan, seolah-olah tarikan gravitasi Bumi telah dimatikan. Jatuh bebas Kebanyakan kita takkan pernah mendapat kesempatan mengalami situasi di atas, jadi berikut terdapat contoh lain untuk menjelaskan poin ini. Jika Anda cukup berani (nekad?) untuk melakukan bungy jump, Anda akan diampuni jika merasa bahwa, seraya Anda jatuh ke permukaan planet dan berakselerasi sepanjang waktu, tarikan gravitasi belum pernah begitu nyata atau terasa lebih dramatis. Nyatanya, yang terjadi adalah sebaliknya. Ini mungkin juga sekali-kalinya dalam hidup Anda bahwa aksi gravitasi sama sekali mati dan Anda dikatakan ‘jatuh bebas’. Selama beberapa detik meriangkan itu Anda mengalami gravitasi nol. Seolah-olah gravitasi akhirnya telah memperoleh apa yang dimauinya dan Anda sedang melakukan apa yang telah ia usahakan untuk membuat Anda menjalani seluruh hidup Anda. Biasanya terdapat tanah padat di bawah kaki Anda yang merusak segala sesuatu untuk itu. Jadi, tugasnya selesai, gravitasi untuk sementara telah mangkir dari dinas. Lebih tepatnya, ketimbang mengatakan bahwa gravitasi absen, kita katakan ia telah dihapuskan sama sekali oleh akselerasi Anda. Sensasi jatuh bebas adalah yang dirasakan astronot selama mereka mengapung di ruang angkasa jauh dari gravitasi Bumi (atau di orbit sekeliling Bumi). Tak heran mereka harus menjalani pelatihan keras untuk mengatasi
mabuk angkasa. Adalah menenangkan jika berpikir bahwa perjalanan antariksa merupakan sebuah bungy jump panjang! Jadi apa maksudnya mengalami gravitasi nol? Katakanlah, saat Anda jatuh, Anda ‘menjatuhkan’ sebuah batu yang telah Anda genggam. Karena ia jatuh pada laju yang sama dengan Anda, ia akan bergerak di samping Anda.8 Cara fisikawan memandang ini, jika dia mempunyai kesadaran untuk berhenti menjerit tentang betapa hidupnya perasaannya dan mengabaikan tanah yang muncul menyambutnya, adalah dengan mengesampingkan semua yang ada di sekelilingnya dan membayangkan hanya dirinya dan batu yang eksis. Nah batu terlihat mengapung di udara di sebelahnya, sebagaimana objek-objek mengapung dalam gravitasi nol di angkasa. Inilah mengapa, dalam contoh roket, Anda takkan bisa memutuskan, tanpa memandang keluar, apakah roket sedang bergerak menerobos atmosfer Bumi dalam jatuh bebas atau mengapung di angkasa. Contoh-contoh seperti yang telah saya gambarkan barusan disebut eksperimen pikiran sebab kita tidak harus mengalaminya secara fisikal untuk mengumpulkan beberapa pemahaman mengenai kerja alam. Einstein sangat gemar pada pendekatan semacam itu sebab dia menghabiskan waktunya dengan duduk dan berpikir, ketimbang bekerja di laboratorium menjalankan eksperimen sungguhan. Dia menyebut ini eksperimen gedanken (‘gedanken’ adalah bahasa Jerman untuk ‘pikiran’). Tentu saja, bungy jump dan tunggangan simulator dalam pekan raya yang menunjukkan klip-klip dari Star Wars bukanlah contoh yang dapat dia mintai bantuan. Apa kaitan semua ihwal akselerasi ini dengan ide-ide Einstein tentang ruang melengkung? Saya rasa masih harus menjelaskan sedikit lebih banyak. Kita sekarang harus kembali ke contoh roket. Ingat sedikit saat Anda bangun dan tak bisa memutuskan, tanpa mengobrol dan memandang keluar, apakah roket masih harus lepas landas atau sedang berakselerasi pada satu ‘g’ di angkasa? Ada eksperimen gedanken tertentu yang harus Anda jalani sekarang. Berdiri di satu sisi roket dan lemparkan bola secara horizontal menyeberangi roket, sebagaimana pada gambar 2.1(a). Bola akan mengikuti trayektori melengkung dan mengenai sisi lain pada satu titik di bawah titik yang 8
Inilah eksperimen yang diduga dilakukan Galileo dari puncak Menara Pisa—tidak, dia tidak melakukan bungy jump—dengan menunjukkan bahwa semua objek jatuh pada laju yang sama tak peduli berapapun berat mereka (sepanjang mereka tidak begitu ringan sehingga terpengaruh oleh hambatan udara seperti kertas atau bulu).
semestinya ia kenai seandainya ia menempuh garis lurus. Inilah persis yang kita duga akan terjadi jika roket masih berdiri di landasan luncur, dengan bola mematuhi hukum gravitasi. Jika roket kini sedang berakselerasi, Anda semestinya, menurut prinsip ekuivalensi, melihat bola mengikuti trayektori melengkung pula. Seandainya roket mengapung bebas di angkasa dengan mesinnya mati (yakni meluncur pada kecepatan konstan), ia akan membawa bola bersamanya dan Anda akan melihat bola menyeberang dalam garis lurus. Ini karena bola dan roket mempunyai kecepatan ‘naik’ yang sama. Tapi jika roket sedang berakselerasi, sebagaimana pada gambar 2.1(b) (perhatikan bahwa gambar kanan adalah sepecahan detik kemudian setelah gambar kiri), maka bola tidak akan merasakan akselerasi ini saat terbang menyeberangi roket. Jadi pada waktu bola mencapai sisi lain, roket sedang bergerak sedikit lebih cepat daripada ketika bola meninggalkan tangan Anda. Titik di dinding berlawanan di mana bola semestinya menghantam akan pindah ke atas sedikit dan trayektorinya akan tampak melengkung bagi Anda. Prinsip ekuivalensi benar. Walaupun penjelasan trayektori melengkung adalah berbeda dalam kedua kasus, efek yang Anda amati sama.
Gambar 2.1. (a) Bola yang dilempar di bawah pengaruh gravitasi Bumi akan mengikuti trayektori melengkung. (b) Bola yang dilempar ketika roket berada dalam gravitasi nol akan mengikuti trayektori garis lurus seandainya roket bergerak dengan kecepatan konstan. Tapi jika roket berakselerasi, sebagaimana pada gambar ini, pelempar akan melihat jalur bola melengkung ke bawah sebab roket sedang bergerak lebih cepat daripada bola sewaktu bola mencapai sisi lain.
Berikutnya, sebagai ganti melempar bola menyeberangi roket, sorotkan obor ke dinding berlawanan tadi supaya sorot cahaya terarahkan secara horizontal. Jika Anda mempunyai peralatan yang cukup sensitif, Anda akan menemukan bahwa sorot cahaya menekuk sedikit ke bawah menuju punggung/dasar roket. Ini adalah efek yang bisa kita pahami dengan sungguh mudah jika roket berakselerasi di angkasa sebab kita akan memakai argumentasi yang sama dengan kasus bola. Walaupun cahaya dari obor menyeberangi roket secara amat cepat, ia masih perlu waktu terhingga yang selama itu roket telah memperoleh sedikit kecepatan tambahan dan telah sedikit bergerak maju. Persoalan yang mungkin Anda miliki adalah mempercayai bahwa sorot cahaya akan mengikuti jalur melengkung yang sama saat roket berdiri di permukaan Bumi. Tapi prinsip ekuivalensi menaklukkan semuanya, dan cahaya ternyata tidak berbeda dengan bola. Di Bumi pun jalur cahaya sedikit melengkung ke bawah sebanyak besaran yang sama dengan kelengkungannya dalam roket berakselerasi. Cahaya tidak berbobot sama sekali9, lantas bagaimana bisa ia ditekuk oleh gravitasi? Bagaimanapun, massa bisa dianggap sebagai energi beku, dan cahaya sudah pasti memiliki energi, jadi mungkin kita dapat menganggapnya mempunyai berat dan tak boleh terkejut jika ia berperilaku seperti objekobjek materil dan tertarik ke bawah oleh gravitasi Bumi. Nyatanya, Newton sendiri telah menyatakan bahwa cahaya tersusun dari sederet partikelpartikel amat kecil yang akan dipengaruhi oleh gravitasi sebagaimana bola. Tapi saya khawatir kita akan mendapatkan jawaban yang keliru untuk besaran kelengkungan yang kita lihat jika kita memakai pendekatan Newton. Jika kita mengkalkulasi besaran penekukan yang semestinya kita lihat pada jalur sorot cahaya, berdasarkan argumen Newton bahwa cahaya mempunyai massa dan ditarik oleh gravitasi, kita akan sampai pada jawaban yang hanya setengah dari harga yang betul-betul kita ukur dengan peralatan sensitif kita. Karenanya pasti ada yang salah dengan hukum gravitasi Newton, setidaknya dalam menggambarkan efek gravitasi terhadap cahaya. Argumentasi Einstein berbeda secara radikal. Penjelasannya membuang gaya gravitasi sama sekali. Malah, dia mengatakan bahwa semua objek materil di Alam Semesta akan mempengaruhi ruang dan waktu di sekitar mereka yang 9
Terima saja ini untuk sementara. Saya akan menjelaskannya lebih lanjut di Bab 6. Yang saya maksud tentu saja adalah bahwa cahaya tidak memiliki sesuatu yang disebut massa diam.
menyebabkan keduanya melengkung. Jadi, ketimbang berpikir dari segi Bumi yang mengerahkan sebuah ‘gaya’ terhadap kita, apel, Bulan, bola, dan sorot cahaya, yang menarik segala sesuatu ke arahnya, Einstein mengklaim bahwa Bumi menyebabkan ruang di sekelilingnya melengkung. Nah, semua objek yang bergerak di kawasan ruang ini sederhananya mengikuti garis lengkungan. Tak ada gaya yang menjaga Bulan tetap di orbit dan tak ada gaya yang menarik sorot cahaya dalam roket diam ke bawah menuju Bumi. Segalanya bergerak bebas, tapi di sepanjang sebuah jalur yang senantiasa merupakan rute terpendek yang tersedia. Jika ruang adalah flat, jalur ini akan berupa garis lurus, tapi karena ruang tempat mereka bergerak adalah melengkung, maka begitu pula jalur yang diambilnya. Jalur semacam ini di ruang melengkung 10 disebut geodesik . Einstein mengembangkan ide ini selama periode yang mengarah ke Perang Dunia I. Dia merampungkannya, teori relativitas umumnya, pada 1915. Tapi dunia harus menunggu sampai 1919 sebelum teori tersebut diverifikasi secara eksperimen. Einstein menyatakan bahwa gravitasi Matahari akan menekuk jalur cahaya yang mencapai kita dari bintang-bintang jauh jika cahaya tersebut berpapasan cukup dekat dengan Matahari dalam perjalanannya menuju Bumi. Namun persoalannya adalah bahwa ketika bintang berada di petak langit yang sama dengan Matahari, cahaya matahari yang cerlang membuat kita mustahil dapat melihat bintang tersebut. Astronom harus menunggu gerhana matahari total, saat Bulan bergerak di antara Matahari dan Bumi dan menghalangi cahaya matahari, untuk menguji teori Einstein. Pada 1919, astrofisikawan Inggris, Sir Arthur Eddington, memimpin sebuah ekspedisi ke hutan Amazon yang berhasil memotret gerhana matahari dan mengukur sudut defleksi kecil cahaya bintang tertentu akibat medan gravitasi Matahari. Itu merupakan pengukuran sulit, tapi membuktikan bahwa Einstein benar. Itu menjadi headline di seluruh dunia lalu nama Einstein dikenal luas.
10
Lagi-lagi saya tekankan bahwa semestinya saya memperbincangkan ruangwaktu empat dimensi daripada ruang tiga-dimensi saja. Beberapa contoh dan analogi yang saya gambarkan dalam buku ini hanya untuk membantu Anda mendapatkan perasaan umum untuk subjek ini dan tak boleh diambil serius. Untuk memperoleh pemahaman yang lebih akurat tentang apa yang terjadi tidaklah mudah dan di luar lingkup buku ini.
Ruang karet Di Bab 1, saya berargumen bahwa ruang tidak boleh dianggap sebagai sekadar ‘tempat untuk menaruh sesuatu’, melainkan bahwa ia memiliki atribut geometrisnya sendiri. Atribut-atribut ini berubah dengan kehadiran massa. Untuk memvisualisasikan bagaimana ruang dapat melengkung dekat objek masif, kita akan memakai trik membuang salah satu dimensi ruang dan memikirkan lagi lengkungan dunia2D. Cara terbaik untuk memahami apa yang terjadi pada ruang saat kita memasukkan objek masif adalah membayangkan ruang (2D) seperti tilam karet. Bayangkan menggelindingkan bola kecil melintasi trampolin. Ia pasti menyeberang dalam garis lurus. Sekarang, bagaimana jika Anda berdiri diam di tengah-tengah trampolin dan menyuruh seseorang menggelindingkan bola itu lagi? Anda akan membuat lekukan yang menyebabkan material trampolin sedikit membungkuk. Jika jalur yang diambil bola cukup dekat dengan lekukan ini, ia akan mengikuti lengkungan dan terbelokkan untuk bergerak ke arah berbeda (gambar 2.2). Dipandang dari atas, akan terlihat seolah-olah Anda
Gambar 2.2. Karena benda masif seperti bintang atau planet membuat lekukan di ruang, jalur objek kecil yang melintas di dekatnya akan dilengkungkan oleh ‘lubang’ itu. Kelengkungan inilah yang kita atributkan pada gaya tarik gravitasi. mengerahkan sebuah gaya misterius terhadap bola yang menyebabkannya tertarik menuju Anda dan menjauhi jalur lurusnya yang semula. Beginilah kita membayangkan materi melengkungkan ruang di sekelilingnya. Lengkungan menyebabkan objek lain mengikuti jalur yang berbeda dari jalur yang akan mereka tempuh bila tak ada lengkungan. Yang terjadi pada trampolin adalah bahwa bola mengikuti jalur geodesik. Jalur ini lebih disukai bagi bola; jalur yang paling wajar ingin ia ambil mengingat adanya lengkungan material
trampolin yang dijumpainya. Dengan demikian, jalur geodesik adalah jarak terpendek antara dua titik. Jadi bila Anda ditanya, berapa jarak terpendek di antara dua titik, jangan jawab garis lurus. Geodesik hanya menjadi garis lurus manakala ruangnya flat. Jika bola bergerak lebih lambat di sepanjang jalur yang sama di atas trampolin, maka ia akan terperangkap dalam lubang dan akan bergerak spiral ke dalam menuju kaki Anda. Dalam contoh di atas, material trampolin merepresentasikan ruang 2D sehingga analogi tersebut longgar sebab semua objek di ruang imajiner ini harus bertempat di dua-dimensi, sedangkan bola adalah objek tiga dimensi yang menggelinding di atas permukaan. Demikian pula, lekukan yang Anda buat dengan berdiri di atas trampolin sebetulnya diakibatkan oleh gravitasi Bumi yang menarik Anda ke bawah, padahal saya meminta Anda membayangkan bahwa massa Anda sendirilah yang melengkungkan permukaan 2D. Kenyataannya, karena Anda adalah objek 3D di ruang 3D, yang sebetulnya Anda lakukan adalah melengkungkan ruang riil di sekeliling Anda. Namun, efek ini begitu kecil sehingga tak pernah bisa diukur. Meski demikian, memang benar bahwa setiap kali Anda menjalani diet, bukan cuma perut lebih flat yang ingin Anda capai—sesuatu yang semakin sulit saya capai dalam tahun-tahun belakangan—tapi juga ruang di sekeliling Anda akan sedikit lebih flat sebab Anda mengalami penurunan massa! Jadi sekarang kita dapat memahami interpretasi gravitasi Einstein. Semua benda materil melengkungkan ruang di sekelilingnya, yang besarannya tergantung pada seberapa masif mereka, dan ruang melengkung ini kemudian memandu semua benda yang bergerak di situ, membuat mereka berjalan sepanjang jalur geodesik. Jalur-jalur semacam itu dapat dipahami jika Anda memikirkan jalur penerbangan yang diambil sebuah pesawat. Beberapa tahun lalu saya terbang dari London ke Tokyo untuk menghadiri sebuah konferensi fisika. Saya menatap atlas dunia saya untuk mendapat gambaran samar negara-negara yang akan saya lalui. Saya lupa bahwa peta adalah proyeksi flat permukaan Bumi yang melengkung. Jadi walaupun jarak terdekat antara dua titik pada peta (katakanlah London dan Tokyo) terlihat seperti garis lurus di kertas, untuk menemukan jarak terpendek sungguhan kita harus melihat globe. Untuk melakukan ini tempatkan salah satu ujung gelang karet di London dan ujung lainnya di Tokyo. Gelang akan selalu mengikuti garis geodesik sebab ini adalah jarak terpendek di antara kedua titik. Jalur lain akan lebih panjang dan gelang harus lebih meregang.
Karena ia mempunyai kecenderungan alami untuk meminimalisir panjangnya, ia akan selalu mencari rute yang membutuhkan paling sedikit peregangan. Nah, kita lihat jalur penerbangan—dengan asumsi bahwa pilot ingin meminimalisir konsumsi bahan bakar dan tidak tersimpangkan dari geodesik akibat cuaca buruk atau ruang udara terlarang sebuah negara—akan melintasi sebuah kawasan jauh di utara London dan Tokyo, sebuah jalur yang terlihat melengkung jika Anda menggambarnya pada peta flat. Sekarang setelah saya memperkenalkan gambaran gravitasi Einstein, kita bisa berlanjut untuk melihat beberapa konsekuensinya yang lebih mempesona, misalnya lubang di ruang yang ke dalamnya segala sesuatu bisa jatuh dan lenyap selamanya: black hole. Anda akan menemukan bahwa objekobjek sefantastik itu adalah fakta sains bukan fiksi sains sebab atsronom kini hampir yakin bahwa black hole betul-betul eksis di ruang angkasa. Untuk melapangkan jalan bagi pembahasan black hole, pertamatama kita harus mempelajari sedikit tentang bagaimana ia bisa terbentuk. Agar ini bisa terjadi, ruang perlu dilengkungkan dengan besaran luar biasa. Ini membutuhkan sesuatu yang amat padat memang. Bumi keseluruhan pun tidak cukup—yang, ngomong-ngomong, menyingkirkan kemungkinan bahwa Segitiga Bermuda adalah suatu jenis lubang di ruang yang menelan kapal dan pesawat yang tak menaruh curiga, sebab lubang seukuran itu membutuhkan massa yang jauh lebih besar dari planet ini keseluruhan, dan kita bisa dengan mudah menetapkan massa Bumi dari caranya mengorbit Matahari. Yang kita butuhkan untuk pelengkungan ruang yang serius adalah sesuatu berukuran besar, seperti bintang. Kelap, kelip Perasaan apa yang bangkit saat Anda menatap langit di malam tak berawan? Apa Anda terpesona oleh keluasan angkasa? Pernahkah Anda bertanya-tanya apa yang terjadi di atas sana, di antara peniti cahaya gemerlapan yang kita sebut bintang itu, jumlahnya begitu mengesankan tapi masing-masing tampak begitu tak signifikan? Mudah sekali melupakan apa sebetulnya mereka: ceret api raksasa, jutaan kali lebih besar daripada Bumi. Bintang-bintang begitu jauh sehingga perlu bertahun-tahun bagi roket tercepat kita untuk mencapai tetangga terdekat kita sekalipun. Tapi ada sebuah bintang yang bisa dicapai roket kita dalam hitungan bulan.
Bintang terdekat dengan Bumi adalah seorang kawan lama. Tanpanya kita tidak akan ada di sini. Matahari kita menopang hampir semua kehidupan di Bumi dengan kehangatan dan cahayanya. Panas yang dihasilkan di dalamnya dan memancar keluar untuk memandikan planet-planetnya adalah sesuatu yang kita semua akui. Penulis Douglas Adams meringkas ketidakacuhan kita secara luar biasa: “Beberapa miliiar triliun ton nukleus hidrogen superpanas yang meledak terbit perlahan-lahan di atas horizon dan berusaha terlihat kecil, dingin, dan sedikit lembab.” Bintang memiliki banyak warna dan ukuran berlainan dan Matahari kita agak rata-rata. Ia berumur sedang dan agak kecil. Seorang astrofisikawan akan memberitahu Anda bahwa Matahari adalah bintang dwarf G2 kuning sekuens utama. Terdengar sangat mengesankan, bukan? Hampir sedikit mempersukar. Anda hanya bisa membayangkan keangkuhan antargalaksi saat alien tamu dari bintang kelas A putih besar seperti Vega atau Sirius menatap ke bawah telinga mereka ke arah kita (hidung mereka berada di atas kepala). Tapi dalam bidang perbintangan, berukuran kecil memiliki keuntungan tersendiri. Semua bintang mempunyai ekspektasi hidup tertentu yang dapat bervariasi dari sejuta sampai miliaran tahun. Itu semua tergantung pada apa yang terjadi di bagian dalam mereka dan ini akhirnya tergantung pada massa mereka, yakni ukuran berapa banyak materi yang mereka kandung. Jadi apa yang terjadi di bagian dalam sebuah bintang? Kita sekarang tahu bahwa semua bintang adalah seperti periuk masak kosmik. Sebagian besar atom yang menyusun tubuh Anda disintesiskan di dalam suatu bintang, jauh sebelum Matahari dan tata surya kita terbentuk; sebuah bintang yang tak lagi eksis. Saya sadar bahwa tampaknya kita menyimpang dari cerita utama kita tentang bagaimana black hole tercipta, tapi siklus hidup bintang sangat krusial terhadap cerita ini. Bintang-bintang mengalami beberapa fase yang sungguh berbeda selama hidup mereka, masing-masing lebih mempesona daripada sebelumnya. Memasak unsur-unsur Segala sesuatu di sekeliling kita tersusun dari atom-atom. Mereka tentu saja ada sembilan puluh dua macam, disebut unsur. Mereka mencakup mulai dari gas-gas teringan, seperti hidrogen dan helium, kemudian karbon, oksigen, nitrogen, dan unsur-unsur berat seperti aluminium, nikel, besi, emas, sampai
bocah besar seperti timah dan uranium. Pernahkan Anda bertanya-tanya bagaimana atom-atom berlainan ini sampai terbentuk? Proses itu dikenal sebagai nukleosintesis—coba ucapkan itu tiga kali dengan cepat. Kurang dari semenit setelah kelahiran Alam semesta, kondisinya sedemikian rupa sehingga dua unsur teringan tadi bisa disintesiskan dan setelah itu Alam Semesta mengandung kira-kira 75% hidrogen dan 25% helium, dengan bumbu beberapa unsur berikutnya dalam tabel periodik seperti lithium dan beryllium. Ramuan ini adalah material mentah bintang-bintang. Saat awanawan gas antarbintang ini terbentuk, mereka mulai menyusut akibat pengaruh tarikan gravitasi mereka sendiri. Begitu memadat, gas memanas dan, lambatlaun, sebuah bintang baru-lahir terbentuk di pusatnya. Ketika temperatur ini mencapai beberapa juta derajat yang membakar, kondisi menjadi cukup panas untuk menyalanya bintang. Bintang-bintang bersinar berkat proses fusi termonuklir. Ini berlangsung ketika nukleus dua atom hidrogen berfusi membentuk nukleus sebuah atom helium, melepaskan energi besar dalam proses tersebut. Ilmuwan telah mencoba, sejauh ini tak berhasil, untuk meniru-niru proses ini di Bumi secara terkendali untuk menghasilkan pasokan energi tak terbatas dan bersih (dalam arti tidak bersifat radioaktif). Persoalannya adalah, tentu saja, kita tidak bisa mencegah plasma-plasma bertemperatur amat tinggi dalam oven fusi kita meloloskan diri. Bintang, di sisi lain, terus terbakar dan bersinar cerlang sepanjang reaksi fusi berlangsung di bagian dalamnya sebab gravitasinya menjaga kesatuannya. Pada waktu yang sama, proses ini menyediakan outward pressure pressure yang menahan inward pressure pressure gravitasi bintang yang meremukkan. Ini berlangsung di bagian dalam Matahari selama lima miliar tahun ini sejak ia terlahir (bersama dengan sembilan planetnya) dari awan gas dan debu. Matahari akan terus bersinar gembira seperti ini untuk lima milar tahun lagi. Jadi saat ini ia sudah kira-kira separuh jalan menempuh hidupnya. Sepanjang-panjangnya umur bintang, ini adalah rentang hidup yang luar biasa panjang, yang karenanya ia mempunyai massa kecil untuk disyukuri. Semakin masif sebuah bintang, semakin kuat tekanan gravitasinya, sehingga semakin padat dan panas interiornya, dan semakin cepat ia membakar bahan bakar nuklirnya. Bintang-bintang terbesar, sejuta kali massa Matahari, akan hidup selama beberapa juta tahun saja.
Lima miliar tahun dari sekarang Matahari akan mulai kehabisan bahan bakar hidrogennya dan perlahan-lahan akan memasuki fase baru hidupnya. Ia akan menjadi sesuatu yang disebut bintang raksasa merah. Ketika ia menghabiskan semua hidrogen di intinya, ia akan mulai kolaps akibat bobotnya sendiri dan semua materi di inti akan jadi termampatkan sehingga memanas lagi. Pada poin ini, dua hal amat berlainan terjadi. Pertama, panas di inti adalah sedemikian rupa sehingga atom-atom helium kini terdorong menyatu untuk menghasilkan unsur-unsur yang lebih berat. Pada waktu yang sama, lapisan luar Matahari mengembang dan membengkak sedemikian besar sehingga planet yang terdekat dengannya, Merkurius, akan tertelan. Matahari kini akan berkali lipat lebih cerlang daripada sebelumnya, dan akan memenuhi separuh langit yang terlihat dari Bumi. Sayangnya, kita takkan bisa menyaksikan peristiwa ini sebab permukaan Matahari kini akan begitu dekat sehingga menguapkan Bumi. Bagaimanapun juga, seandainya manusia masih ada lima miliar tahun mendatang, mereka akan, semoga, telah lama menemukan rumah baru sejak masa tersebut. Setelah semiliar tahun selanjutnya, Matahari akan memasuki fase akhir hidupnya dengan menumpahkan sebagian kecil kandungannya ke angkasa. Ini membentuk cakram gas agak cantik yang disebut nebula planeter, yang di jantungnya inti sekarat Matahari M atahari akan bertengger: bintang binta ng white dwarf . Objek semacam itu terbentuk ketika sebagian besar massa Matahari telah kolaps pada dirinya sendiri akibat gravitasinya saat proses-proses fusi termonuklir akhirnya berhenti. Ia akan utamanya terdiri dari kristal karbon dan oksigen dan akan menyerupai berlian bundar masif seukuran Bumi. Lambat-laun, white dwarf ini akan menyejuk dan menjadi semakin redup dan semakin dingin sampai akhirnya mati sepenuhnya. Objek semacam itu amat padat dan kepingan seukuran kacang polong saja berbobot sekitar satu ton. Jadi, Matahari kita akan mengakhiri hari-harinya secara agak tak luar biasa, bahkan memalukan, jika dibandingkan dengan banyak bintang lebih besar yang dapat mengadakan pertunjukan kembang api mengesankan. Sampanye supernova di langit Tidak semua bintang mengakhiri hidup mereka sebagai white dwarf . Nyatanya, jika sebuah bintang lebih dari beberapa kali lipat massa Matahari, ia ditakdirkan untuk menghadapi ajal yang jauh lebih spektakuler. spektakuler. Sekali proses nuklir di dalamnya berhenti, massa tambahannya mengandung arti bahwa ia
akan mengerahkan tekanan gravitasi terhadap intinya. Ini menyebabkan inti menjadi begitu padat dan panas sehingga mengirimkan gelombang kejut materi kembali keluar menembus bintang dan menyebabkannya meledak sebagai supernova. Ia secara singkat akan menjadi objek paling spektakuler di seluruh galaksi. Selama beberapa hari ia akan bersinar ratusan juta kali lebih cerlang; lebih cerlang daripada gabungan semua bintang lain di galaksi. Satu atribut bintang yang belum saya sebutkan adalah bahwa sebagian besar mereka berpasangan, disebut sistem biner, di mana dua bintang mengorbit satu sama lain. Nyatanya, bintang-bintang tunggal yang terisolasi seperti Matahari adalah minoritas. Skenario bintang masif tunggal yang meledak di atas dikenal sebagai supernova tipe II. Mereka mempunyai derajat kecerlangan bermacam-macam dan tidak tergantung pada apakah bintang tersebut adalah bagian sebuah sistem biner atau bukan. Ada cara lebih umum sebuah bintang bisa mengalami supernova. Itu dikenal sebagai tipe I, dan terjadi pada sistem biner. Sekalipun sebuah bintang awalnya tidak cukup masif dan berakhir sebagai white dwarf , ia mungkin masih bisa menghisap material dari bintang rekannya dan bertambah berat. Jadi ia bisa memperoleh massa kritis dengan cara ini. Salah satu supernova paling terkenal dalam tahun-tahun belakangan terlihat pada 1987. Semua bintang yang kita lihat di langit malam berada di Galaksi Bima Sakti kita. Galaksi-galaksi lain begitu jauh sehingga kita tak bisa melihat bintang-bintang tersendiri. Bintang yang meledak pada 1987 bukan berada di galaksi kita melainkan di galaksi tetangga yang dikenal sebagai Awan Magellan Besar. Pada level tercerlangnya, ia bisa dilihat dengan jelas di langit malam. Di pusat banyak bekas supernova terdapat inti padat kecil, sisa bintang asli. Objek ini mempunyai diameter yang sama dengan sebuah kota besar seperti London atau New York, jadi jauh lebih kecil daripada bintang white dwarf . Karenanya ia jauh lebih padat sebab masih mengandung sebagian kecil signifikan material bintang asli yang meledak. Sekeping kecil inti padat seukuran kacang polong ini akan berbobot, di Bumi, sebesar Gunung Everest! Objek demikian disebut bintang neutron, dan merupakan salah satu objek paling mempesona dalam astrofisika. Nyatanya, bintang neutron adalah subjek banyak aktivitas riset mutakhir. Anda mungkin pernah menjumpai istilah ‘pulsar’. Semua bintang neutron berputar sangat cepat dan meniup sesorot radiasi ke angkasa sambil melakukan demikian. Jika Bumi kebetulan berada di
jalur sorot meluas ini, bintang neutron tersebut bagi kita akan terlihat seolah cahayanya berdenyut hidup dan mati, dan karenanya dinamakan pulsar. Beberapa pulsar berputar berkali-kali per detik dan saya akan kembali membahas mereka nanti dalam buku ini ketika saya mempertimbangkan kemungkinan memakai mereka untuk membuat mesin waktu. Meski kita telah membahas semua objek astronomis yang terdengar eksotis ini, kita masih harus menemui black hole. hole. Mari kita pikirkan apa yang terjadi ketika sebuah bintang yang lebih besar lagi, katakanlah dua puluh atau tiga puluh kali massa Matahari, berhenti bersinar. Bintang semacam itu tidak akan sanggup melawan kekolapsan gravitasinya sendiri. Ia akan terus kolaps sampai teremas hingga densitas sedemikian tinggi sampai-sampai cahayanya sendiri pun tidak dapat meloloskan diri dari tarikan gravitasinya. Bagi seseorang yang menyaksikan dari jauh, bintang tersebut akan tiba-tiba lenyap dari pandangan. Ia telah menjadi black hole. hole. Tapi cerita ini lebih daripada itu dan saya akan kembali membahas black hole hole di Bab 4. Di bab berikutnya kita akan menerapkan beberapa ide tentang lengkungan dan peregangan ruang untuk memandang Alam Semesta secara keseluruhan. Banyak yang telah kita pelajari tentang Alam Semesta baru diketahui setelah bertahun-tahun pengukuran dan observasi astronomi. Beberapa ide teoritis masih harus dikonfirmasikan sedangkan yang lainnya tetap sangat spekulatif. Satu hal yang pasti: ada masih banyak pertanyaan tak terjawab. Dalam beberapa halaman berikutnya saya akan mengulas beberapa ide teranyar mengenai awal-mula, bentuk, ukuran, dan takdir Alam Semesta kita.
Alam Semesta mungkin tertutup, tertutup, tapi ia terbuka lagi setelah makan siang. Erica Thurston, mahasiswa fisika Surrey Langit malam IKA ANDA, seperti saya, tinggal di area perkotaan berpenduduk padat, di mana polusi cahaya berarti pada malam cerah pun Anda hanya bisa melihat sedikit objek tercerlang di langit, maka Anda barangkali akan kesulitan untuk mengenali banyak bintang atau planet. Saya masih dapat menemukan Mars dan Venus, tetangga terdekat kita selain bulan, tapi saya tak lagi yakin soal rasi. Saat kanak-kanak, saya dulu jauh lebih akrab dengan langit malam. Saya lahir di Baghdad dan menghabiskan enam belas tahun pertama hidup saya di Irak, tapi meninggalkan negeri tersebut untuk selama-lamanya bersama keluarga saya pada akhir 1970-an ketika iklim politik berubah. Sebelum itu, kami biasa mengunjungi Inggris setiap dua atau tiga tahun untuk menghabiskan liburan musim panas kami bersama kakek-nenek saya. Namun, musim panas di Irak memiliki sihirnya sendiri. Awan-awan terakhir akan telah lenyap pada akhir April, ditakdirkan untuk tidak menodai langit biru lagi sampai Oktober, dan liburan sekolah akan membentang selama tiga setengah bulan yang cerah panas (kami bersekolah enam hari dalam sepekan). Selama Juli dan Agustus, temperatur akan mencapai maksimum pertengahan empat puluhan (derajat Celcius) dan hampir tak pernah jatuh ke bawah tiga puluh derajat yang lembab dan tak nyaman di malam hari. Ritual paling menggairahkan yang mengkonfirmasi datangnya musim panas Timur Tengah adalah ketika seprei di bawa ke atap. Rumah-rumah mempunyai tangga yang membawa ke atap datar di mana setiap orang tidur selama kira-kira seperempat tahun untuk melepaskan diri dari panas dan kelembaban yang mencekik. Jadi, malam-malam musim panas selalu berarti terbangun sambil menatap langit yang penuh dengan ribuan bintang, mencoba membuat bentuk dan pola dengan menghubungkan ‘bintik-bintik’.
J
Akhirnya mereka sebagian akan dikaburkan oleh kelambu yang kami tutupkan ke atas kami sehingga melingkungi masing-masing kami dalam tenda transparan. Tak pernah ada kerisauan sekecil apapun akan turunnya hujan. Hujan tak pernah turun di musim panas. Kini tinggal di Selatan Inggris, saya hampir lupa betapa indahnya langit malam, dan terkadang saya kehilangan getaran jiwa dalam memperhatikan meteor. Jadi, ya, saya dulu bisa mengenali beberapa bintang. Berbaring di atas atap kami sebagai anak belia, saya belajar bahwa beberapa ‘bintang’ tercerlang itu bukanlah bintang sama sekali melainkan planet, yang hanya bersinar karena, seperti Bulan, mereka memantulkan cahaya Matahari saat ia berada di sisi lain Bumi. Bintang-bintang sejati jutaan kali lebih jauh daripada planet, jadi harus bersinar berkali lipat lebih cerlang agar kita mampu melihat mereka. Saya juga samar-samar ingat pernah sedikit kecewa tapi gembira saat menemukan bahwa meteor tak lebih dari sebuah batu kecil yang terbakar begitu memasuki atmosfer Bumi, dan bahwa itulah yang sebetulnya disebut meteor. Bab ini adalah campuran dua bidang ilmiah terkait: astronomi dan kosmologi. Kebanyakan orang punya gambaran bagus soal apa itu astronomi, tapi tidak banyak yang akrab dengan arti kosmologi. Sejauh menyangkut – ologi, Anda pasti setuju bahwa kosmologi terdengar agak mengesankan dan membangkitkan rasa hormat. Ia adalah studi Alam Semesta keseluruhan: ukuran dan bentuknya, kelahiran dan evolusinya, bahkan mungkin takdirnya. Ia juga terlihat sebagai bidang fisika yang paling glamor. Ia mengajukan, dan bahkan mengaku menjawab, pertanyaan-pertanyaan yang dirasa oleh banyak orang berada di luar alam sains. Sebagian besar yang kita ketahui tentang Alam Semesta didapat lewat eksperimen dan observasi astronomi yang cermat dan teliti, yang terus-menerus diperbaiki seraya dibangunnya teleskop lebih canggih dan berkembangnya teknik baru. Tapi sementara kosmologi, secara longgar, adalah sub-bidang astronomi, pengetahuan yang kita peroleh tentang Alam Semesta juga datang dari bidang sains lain, seperti nuklir dan fisika partikel dan astrofisika teoritis. Kosmologi teoritis melibatkan penciptaan model-model matematis Alam Semesta yang diidealkan dengan memecahkan persamaan teori relativitas umum Einstein. Ini bisa dirumuskan sedemikian rupa agar menggambarkan atribut Alam Semesta keseluruhan dan bukan hanya sekawasan kecil ruang dan waktu di sekitar sebuah objek masif, misalnya bintang.
Sebagaimana dalam bagian-bagian lain buku ini, saya akan membahas ide-ide tentang Alam Semesta kita yang, setidaknya pada waktu penulisan buku ini, mewakili pemahaman terbaik dan teori-teori kesayangan kita saat ini. Beberapa tahun dari sekarang, beberapa ide ini mungkin akan terbukti salah. Di sisi lain, ada atribut-atribut tertentu Alam Semesta yang cukup kita yakini dan yang saya yakin akan bertahan terhadap ujian waktu. Di akhir bab ini saya akan meringkas fitur-fitur Alam Semesta apa saja yang, menurut pandangan saya, benar dan yang masih terbuka bagi perdebatan. Untuk memberi Anda gambaran tentang seberapa pesat persisnya ideide dan teori-teori dalam kosmologi berubah dan maju berkat pengukuran astronomis yang lebih akurat lagi, saya harus menulis ulang potonganpotongan substansial bab ini selama tahap pengkoreksian naskah. Nyatanya, kita akan lihat bahwa 1998 adalah tahun penting dalam kosmologi. Seberapa besar Alam Semesta? Saya tergoda untuk cukup bilang AMAT BESAR! dan membiarkan begitu saja. Nyatanya, menurut bukti astronomis termutakhir, mungkin ternyata Alam Semesta itu tak terhingga. Artinya ia membentang terus. Namun, kita hanya bisa melihat sebagian kecilnya, bahkan dengan teleskop paling powerful yang diharapkan bisa dibangun. Ada semacam horizon di angkasa luar yang kita tak pernah bisa melihat melampauinya dan itu menandai batas apa yang dikenal sebagai Visible Universe (Alam Semesta Tampak). Ini bukan tepi sungguhan tapi ada kaitan dengan fakta bahwa Alam Semesta tak selamanya ada dan cahaya perlu waktu tertentu untuk mencapai kita. Saya akan mempelajari ini sedikit lebih banyak saat membahas sesuatu yang disebut paradoks Olbers. Bumi mengorbit Matahari pada jarak 150 juta kilometer, yang ekuivalen dengan hampir 4000 kali keliling Khatulistiwa. Bersama-sama, Matahari dan planet-planetnya membentuk tata surya. Orbit Bumi memakan waktu 365 hari 6 jam, itulah alasannya kita memerlukan tahun kabisat 366 hari, sebab empat kali enam jam akan melengkapi hari tambahan tersebut. Tentu saja tidak masuk akal mengukur jarak astronomis besar dalam kilometer. Mereka diukur dari segi jarak tempuh cahaya dalam setahun. Di bab mengenai relativitas khusus, kita akan melihat bahwa kecepatan cahaya adalah kecepatan tercepat yang dapat dicapai oleh sesuatu di Alam Semesta.11 11 Partikel
hipotetis yang dikenal sebagai tachyon, yang bisa bergerak lebih cepat daripada cahaya, diprediksikan oleh teori relativitas Einstein tapi barangkali tak eksis di Alam Semesta riil.
Meski demikian, perlu waktu tertentu bagi cahaya untuk berangkat dari A ke B; tergantung seberapa jauh B berada. Ini mungkin tidak nyata bagi kita saat menceklik tombol lampu di sebuah ruangan. Bagi kita, seluruh ruangan bermandikan cahaya secara seketika, tapi ini hanya lantaran jarak yang perlu ditempuh cahaya dari bohlam ke empat penjuru ruangan adalah begitu kecil. Nyatanya, tipikalnya cahaya cuma memakan waktu sepersepuluh miliar detik untuk berangkat dari bohlam menuju dinding-dinding ruangan. Pada jarak astronomis, waktu yang diperlukan cahaya untuk berjalan dari satu tempat ke tempat lain menjadi lumayan besar. Contoh, cahaya memakan waktu delapan menit dari Matahari untuk mencapai Bumi: cuma delapan menit untuk menempuh 150 juta kilometer. Tapi ia perlu lima jam untuk mencapai planet terluar, Pluto. Dalam setahun, cahaya dapat menempuh jarak dari Matahari ke Bumi enam puluh ribu kali lipat. Jarak yang dapat ditempuh oleh cahaya dalam setahun ini dikenal sebagai, secara imajinatif, tahun-cahaya. (Well , bagaimana lagi Anda akan menyebutnya?) Meski demikian, sedikit membingungkan memakai istilah yang mengandung rentang waktu untuk menetapkan jarak, tapi di situlah ceritanya. Jarak kosmik yang sangat besar ini mengandung arti bahwa kosmologi menyimpan trik cerdik. Saat kita, lewat teleskop kita, memandang sebuah bintang yang satu tahun-cahaya jauhnya, kita harus ingat bahwa kita sedang melihat cahaya yang meninggalkan bintang tersebut setahun lalu. Jadi kita bukan sedang melihat bintang itu dalam keadaannya yang sekarang melainkan versi yang sedikit lebih muda. Praktisnya, kita sedang memandang masa lalu. Dalam geologi dan arkeologi, ilmuwan mempertimbangkan bukti di sekeliling mereka (batu dan sisa fosil) dan mencoba menyimpulkan seperti apa tampilan/bentuk sesuatu di masa lampau. Sedangkan astronom bisa memandang masa lalu secara langsung. Semakin jauh mereka memandang di angkasa, semakin tua cahaya yang ditangkap teleskop mereka dan semakin penyelidikian mereka menuju masa lalu. Objek terjauh yang dapat dideteksi dari Bumi adalah miliaran tahun-cahaya jauhnya dan memperlihatkan seperti apa tampilan Alam Semesta saat ia sangat muda. Selain Matahari, bintang yang terdekat dengan kita adalah bintang yang jauh lebih redup dan lebih kecil yang disebut Proxima Centauri , berjarak cuma empat tahun-cahaya. Yang relatif dekat dengan bintang ini adalah sistem biner Alpha Centauri , yaitu sepasang bintang mirip Matahari yang mengorbit satu sama lain sekali setiap delapan puluh tahun. Kebetulan, Beta Centauri berada
dekat Alpha Centauri tapi seratus kali lebih jauh. Sebagai bintang raksasa yang sangat cerlang, mereka bersinar dengan kecerlangan serupa di kawasan langit malam yang sama sehingga mereka terlihat, bagi kita, berdekatan. Bintang-bintang begitu jauh sehingga Anda benar jika berpikir bahwa sebagian besar angkasa adalah cuma itu: ruang. Tapi Anda salah jika berpikir bahwa bintang-bintang tersebar merata di sepanjang Alam Semesta. Jarak ke tetangga-tetangga terdekat yang telah saya kutip di atas sungguh tipikal di antara bintang-bintang, tapi bintang-bintang di tempat lain bisa bergerombol jauh lebih dekat, dan terdapat bentangan luas Alam Semesta yang tak mengandung bintang sama sekali. Tak terkecuali, semua bintang yang berkerumun dalam kelompok besar disebut galaksi. Kita tinggal di Galaksi Bima Sakti (dengan huruf kapital G untuk membedakannya dari galaksi lain), yang berbentuk seperti cakram flat dengan kawasan pusat menonjol keluar. Kawasan luar terdiri dari lengan-lengan spiral yang memberinya nama: galaksi spiral. Ia berdiameter 80.000 tahun-cahaya dan, untuk memberi Anda gambaran ukuran ini, ada lebih banyak bintang di Galaksi kita (sekitar 100 miliar) daripada jumlah manusia yang hidup di Bumi (sekitar 6 miliar). Matahari terletak menjelang tepi Galaksi, pada salah satu lengan spiralnya, dan mengorbit pusat Galaksi sekali setiap 255 juta tahun. Pusat galaksi berpopulasi jauh lebih padat dan mengandung bintang-bintang yang lebih tua daripada Matahari. Membantu sekali menganggap Galaksi sebagai sebuah kota bintang besar, dengan Matahari terletak di pinggiran kota modern, jauh dari kegiatan dan kesibukan pusat galaksi yang ramai. Semua bintang yang kita lihat di langit dengan mata telanjang berada di Galaksi kita, tapi ada miliaran galaksi lain, masing-masing dengan populasi bintangnya sendiri. Sedikit sekali dari bintangbintang ini, bahkan di galaksi-galaksi tetangga, yang bisa dipilah dengan sebuah teleskop sekalipun. Satu-satunya waktu di mana ia bisa dilihat dengan mata telanjang adalah jika ia mengalami ledakan supernova saat sinarnya secara singkat lebih cerlang daripada gabungan seluruh bintang di galaksinya. Tak hanya bintang-bintang yang menggugus di galaksi, galaksi-galaksi juga mengelompok dalam gugus. Galaksi kita adalah salah satu galaksi dari kumpulan campuran beranggotakan sekitar 40, dikenal sebagai Kelompok Lokal . Terdekat dengan kita adalah sejumlah galaksi dwarf yang menggantung pada ekor jas kita. Galaksi besar yang terdekat dengan kita adalah Nebula Andromeda, berjarak sekitar 2 juta tahun-cahaya dan merupakan satu-satunya galaksi, di luar Galaksi kita, yang terlihat jelas dari Bumi dengan mata telanjang.
Pengukuran astronomis telah mencapai derajat presisi dan kerumitan sedemikian tinggi dengan teleskop-teleskop lebih powerful yang sedang dibangun, memungkinkan kita untuk menyelidiki lebih dalam ke angkasa, sehingga kita sekarang tahu bahwa gugus-gugus galaksi sendiri mengelompok menjadi apa yang dikenal sebagai supergugus. Kelompok Lokal kita, nyatanya, adalah bagian Supergugus Lokal . Apa berikutnya? Gugus supergugus? Apa yang diberitahukan oleh semua ini kepada kita tentang Alam Semesta? Satu hal, ia sangat kental. Pada setiap skala: dari bintang sampai galaksi sampai gugus sampai supergugus, materi cenderung menggumpal secara tak merata. Ini, tentu saja, diakibatkan oleh gaya gravitasi penakluksegala yang mengatur struktur Alam Semesta keseluruhan. Tarikan gravitasi timbal-balik semua bintang di Galaksi menjaga mereka tetap terikat bersama. Gravitasilah yang menyebabkan galaksi-galaksi menggumpal menjadi gugus dan supergugus, dan tarikan gravitasi semua materi di Alam Semesta-lah yang mengatur bentuk keseluruhannya. Alam Semesta mengembang Belakangan ini banyak non-ilmuwan menjumpai konsep Alam Semesta mengembang. Tapi apa maksudnya itu? Apa ini cuma ide aneh lain yang ditemukan oleh ilmuwan berdasarkan satu atau dua kelumit bukti yang bisa juga ditafsirkan dengan cara lain? Jawabannya tidak. Ada begitu banyak bukti yang mendukung observasi bahwa Alam Semesta kita sedang membesar sehingga kita tak lagi boleh ragu. Perluasan ini dikonfirmasikan pada 1929 silam saat astronom Amerika, Edwin Hubble, membuat penemuan luar biasa, tapi itu setelah beberapa kosmolog memprediksikan efek tersebut secara teoritis. Kosmolog modern pertama, tentu saja, adalah Einstein sendiri. Segera setelah dia merampungkan teori relativitas umumnya pada 1915, dia mulai memakai persamaannya untuk menggambarkan atribut global Alam Semesta keseluruhan. Dia segera menjumpai persoalan serius. Jika, pada waktu tertentu, semua galaksi di Alam Semesta adalah diam terhadap satu sama lain, dan asalkan Alam Semesta berukuran terhingga, maka tarikan gravitasi timbal-balik mereka akan menyebabkan mereka mulai saling berkumpul dan Alam Semesta akan kolaps pada dirinya sendiri. Ia tidak bisa tetap statis. Ini sebetulnya konsep yang sungguh rumit untuk diatasi (dan bukan satu-satunya yang akan kita jumpai di bab ini). Ini karena, secara naif, Anda akan berpikir
bahwa Alam Semesta yang ditetapkan oleh volume ruangnya semestinya tetap berukuran sama meski materi yang dikandungnya mengendap menuju ‘pusat’-nya. Ini sungguh keliru. Sebab satu hal, kita akan lihat bahwa Alam Semesta tidak mempunyai pusat sama sekali dan, bagaimanapun, kita telah mempelajari bahwa gravitasi mempengaruhi ruang itu sendiri dan tidak sekadar bertindak terhadap materi ‘di dalam’-nya. Prediksi persamaan miliknya sendiri meresahkan Einstein. Pandangan yang saat itu dipegang luas, dan tak terkecuali Einstein meski dia menemukan banyak ide revolusioner lain, adalah bahwa Alam Semesta, pada level galaksi dan lebih besar, pasti statis dan tak berubah. Entah keadaannya sudah demikian selamanya atau sang pencipta menciptakannya pada suatu waktu di masa lampau, ini tak jadi soal. Kedua pandangan tersebut mendukung gambaran Alam Semesta yang konstan. Ide alam semesta berevolusi adalah asing dan tak ada gunanya. Jadi, ketika persamaan-persamaan relativitas umum Einstein terasa mengindikasikan bahwa Alam Semesta semestinya sedang menyusut, dia memutuskan menambal beberapa hal. Dia berargumen bahwa, dalam rangka mengimbangi tarikan masuk gravitasi diperlukan gaya antigravitasi yang melawan, dikenal sebagai gaya tolak kosmik, yang akan mengimbangi tarikan gravitasi dan menjaga semua galaksi tetap terpisah dan Alam Semesta tetap stabil. Perbedaan antara gravitasi dan antigravitasi sama dengan perbedaan antara gaya tarik yang menarik kutub utara sebuah magnet menuju kutub selatan magnet lain dan gaya tolak yang mendorong dua kutub utara saling berpisah. Gaya tolak kosmik ini muncul dalam matematika sebagai sebuah bilangan, yang Einstein sebut konstanta kosmologis. Dalam persamaannya, ini dilambangkan oleh huruf lambda Yunani. (Dalam matematika tingkat lanjut, tidaklah cukup memakai x, y, dan z untuk kuantitas tak dikenal. Kita segera kehabisan huruf alfabet dan mulai merampas huruf Yunani— pi adalah contoh paling dikenal). Yang Einstein nyatakan adalah trik matematis untuk mencapai model alam semesta statisnya. Beberapa tahun setelah karya awal Einstein, kosmolog Soviet, Aleksandr Friedmann, mempublikasikan sebuah paper di mana dia menyatakan membuang tolakan kosmik (dengan mengeset harga konstanta kosmologis sama dengan nol dalam persamaan Einstein). Friedmann menemukan bahwa ketika dirinya menerapkan persamaan relativitas umum Einstein pada Alam Semesta dan diselesaikan lewat matematika, dia selalu menemukan solusi (persamaan lain) yang memprediksikan bahwa jarak antara dua titik di ruang
meregang seiring waktu. Dia menemukan secara teoritis bahwa Alam Semesta membesar sepanjang waktu. Dua ilmuwan lain sampai pada kesimpulan sama pada waktu yang hampir sama. Mereka adalah astronom Belanda, Willem de Sitter, dan kosmolog (dan pendeta) Belgia, Georges Lemaitre. Ini mungkin agak mengejutkan jika kita memikirkan bagaimana jadinya aksi gravitasi bilamana tak ada gaya tolak kosmik untuk merenggangkan materi di Alam Semesta. Tentu, tanpa gaya tolak kosmologis, Alam Semesta pasti menyusut, bukan tumbuh. Tapi alam semesta mengembang bisa dipahami dengan cara berikut. Pertama-tama, bayangkan sesuatu telah menyebabkan Alam Semesta mengembang, sebuah ledakan awal. Tarikan gravitasi semua materi di Alam Semesta kemudian akan mencoba memperlambat laju perluasan. Inilah esensi argumen Friedmann. Jika tak ada gaya tolak kosmik untuk mengimbangi tarikan gravitasi, dan Alam Semesta berawal dengan mengembang, maka ia sedang mengembang atau menyusut saat ini. Ia tak bisa tetap seimbang antara perluasan dan kolaps sebab tak akan stabil. Contoh sederhana untuk mendemonstrasikan ini adalah yang terjadi pada sebuah bola di lereng licin. Jika ditempatkan di separuh atas lereng, ia akan selalu menggelinding ke bawah. Tapi jika kita tidak tahu bagaimana mulanya bola itu bisa sampai berada di lereng, maka kita akan menduga ia sedang menggelinding naik lereng (dapat disamakan dengan alam semesta mengembang) atau turun lereng (alam semesta kolaps), tak pernah diam. Tentu saja satu-satunya cara ia bisa menggelinding naik lereng adalah jika ia telah sengaja diberi dorongan awal, tapi dalam kasus tersebut ia akan segera mulai melambat dan akhirnya mulai menggelinding turun lagi. Nah bayangkan lereng tersebut mendatar di puncak. Asalkan bola awalnya diset menggelinding naik lereng cukup cepat, ia bisa mencapai puncak. Sekali berada di sana, ia kemudian bisa terus menggelinding untuk jangka waktu tak terbatas tanpa melambat (tentu saja saya mengabaikan gesekan dan hambatan angin di sini sebab bola sungguhan pada akhirnya akan berhenti di atas permukaan flat sekalipun). Dengan asumsi bahwa bola selalu diberi kecepatan awal yang sama menaiki lereng, yang mengatur nasib akhirnya kemudian adalah seberapa tinggi puncak itu. Jika terlalu tinggi, bola tidak akan sanggup mencapai puncak dan akan menggelinding turun lagi. Dengan cara inilah kita dapat memandang perluasan Alam Semesta. Keefektifan tarikan gravitasi tergantung pada jumlah materi yang dikandung
Alam Semesta. Yang saya maksud bukan cuma bintang, planet, dan objek padat lain, melainkan segala zat di Alam Semesta. Ini bisa dalam bentuk debu, gas, partikel subatom, bahkan energi murni. Jadi, apakah Alam Semesta kini sedang menyusut atau mengembang, itu tergantung pada seberapa banyak materi yang dikandungnya dan seberapa lama tarikan gravitasi semua materi ini telah mengerem perluasan awal. Inilah esensi model alam semesta Friedmann. Tak seorang pun, tak pula Einstein, yang bersedia mempercayai temuan Friedmann, sampai bukti eksperimen ditemukan. Ini terjadi beberapa tahun kemudian. Sayangnya, Friedmann meninggal pada 1925 dan tidak sempat melihatnya. Hubble, menggelembung... Edwin Hubble hampir menjadi petinju kelas berat profesional. Tapi dia memilih jalur karir dalam astronomi, dan kini teleskop paling terkenal dunia dinamai dengan namanya. Apa haknya atas kemahsyuran? Satu hal, dia merupakan orang pertama yang menyadari bahwa galaksi-galaksi lain eksis di luar Bima Sakti. Sampai waktu itu, dianggap bahwa corengan cahaya kecil yang dapat dilihat lewat teleskop adalah awan-awan debu, disebut nebula, di galaksi kita. Hubble menemukan bahwa mereka terlalu jauh untuk menjadi bagian Bima Sakti dan karenanya pasti merupakan galaksi tersendiri. Dia juga menemukan bahwa galaksi-galaksi lain ini terlihat terbang menjauh dari galaksi kita pada kecepatan yang proporsional dengan seberapa jauh mereka berada. Semakin jauh sebuah galaksi, semakin cepat ia terlihat mundur dari kita. Yang luar biasa adalah bahwa ini terjadi ke manapun dia mengarahkan teleskopnya. Dia telah menunjukkan secara eksperimen bahwa model Alam Semesta mengembang Friedmann benar. Einstein terpaksa mengakui bahwa memasukkan konstanta kosmologis ke dalam persamaannya merupakan kekeliruan terbesar dalam karir ilmiahnya. Hubble berargumen, secara tepat, bahwa karena Alam Semesta kini sedang mengembang, maka di masa lampau ia pasti lebih kecil daripada ukurannya hari ini. Bayangkan perluasan Alam Semesta bisa difilmkan dari titik menguntungkan ‘di luar’ Alam Semesta—tentu saja ini mustahil sebab seluruh ruang, menurut definisi, berada di dalam Alam Semesta. Dengan memutar mundur film, Anda akan melihat Alam Semesta menyusut. Jika Anda cukup jauh memutar ke masa lampau, Anda akan mencapai sebuah waktu di mana
semua galaksi saling meliputi dan segalanya agak sesak. Putar lebih jauh lagi ke masa lampau dan semua materi akan semakin teremas dan terperas lebih rapat sampai Anda mencapai momen kelahiran Alam Semesta.12 Hubble membuat penemuannya dengan mengukur sesuatu yang disebut redshift kosmologis cahaya. Untuk memahami apa maksudnya ini, pikirkan fenomena yang lebih familiar yang disebut pergeseran Doppler, yakni, sebagaimana Anda barangkali ketahui, perubahan pitch yang Anda dengar ketika, misalnya, sebuah ambulans kilat berjalan melewati Anda. Penyebab efek ini adalah perubahan frekuensi gelombang suara yang menjangkau Anda dari ambulans saat ia berada dalam dua situasi berbeda: bergerak menuju Anda dan bergerak menjauhi Anda. Saat ia mendekat, gelombang suara teremas, menimbulkan frekuensi lebih tinggi ( pitch tinggi), tapi saat menjauh, gelombang tersebut meregang sehingga menimbulkan frekuensi lebih rendah ( pitch rendah). Hal yang sama terjadi pada cahaya. Ketika sebuah objek sedang menjauhi kita—misalnya galaksi jauh—gelombang cahaya yang menjangkau kita darinya meregang dan frekuensi cahaya itu turun. Daripada frekuensi cahaya, kita lebih sering membicarakan panjang gelombangnya. Anda barangkali ingat sesuatu tentang panjang gelombang dari fisika semasa Anda sekolah. Anda tahu, ripple tank , pegas panjang yang meregang menyeberangi kelas. Alangkah menyenangkan! Ngomong-ngomong, panjang gelombang adalah jarak antara dua puncak gelombang yang berurutan. Jadi penurunan frekuensi cahaya sebetulnya diakibatkan oleh peregangan panjang gelombang. Karena kita yakin bahwa galaksi jauh pasti mengandung bintang yang serupa dengan bintang di Galaksi kita, dan karena kita tahu berapa panjang gelombang yang dimiliki cahaya—proses-proses nuklir di bagian dalam semua bintang menyebabkan mereka bersinar dengan cahaya berpanjang gelombang spesifik—maka dengan mengukur perubahan panjang gelombang cahaya, kita dapat menetapkan seberapa cepat galaksi sedang menjauhi kita. Tentu saja, astronom akan cepat menguraikan bahwa hal tersebut tidak sesederhana ini, tapi prinsip dasarnya benar. Saya akan kembali membahas beberapa selukbeluk pengukuran laju perluasan nanti. Efek itu disebut redshift (pergeseran merah) sebab panjang gelombang meregang seraya galaksi menjauh, dan panjang gelombang cahaya tampak 12 Istilah
Hoyle.
‘big bang’ belum tercipta sampai tahun 1950-an oleh astrofisikawan dan penulis Fred
yang lebih panjang diasosiasikan dengan warna lebih merah. Istilah ‘redshift ’, meski sebetulnya hanya berlaku pada cahaya tampak, dipakai untuk semua anggota spektrum elektromagnet. Kita terlebih dahulu harus mempertimbangkan apakah memerahnya cahaya dari galaksi jauh yang diobservasi oleh Hubble dapat ditafsirkan dengan cara lain. Astronom tentu saja sudah mencoba, sebab mereka mulanya tidak ingin percaya bahwa Alam Semesta betul-betul mengembang. Cara nyata agar ini bisa terjadi adalah jika cahaya kehilangan energi dalam perjalanannya dari sumbernya menuju teleskop kita, sebab penurunan energi juga akan membuat panjang gelombang menjadi lebih panjang. Satu-satunya cara agar cahaya kehilangan energi adalah jika ia harus mengalahkan jalannya menerobos debu antarbintang atau gas yang dijumpainya dalam perjalanannya menembus angkasa. Tapi ada kesulitan fatal dalam penjelasan ini. Cahaya kehilangan energi dengan melambungkan atom-atom materi di jalurnya. Jadi ia cenderung bergerak zigzag dan ini akan membuat citra galaksi terlihat blur (kabur). Karena tidak pernah teramati ada pengaburan citra galaksi, penjelasan ini harus disingkirkan. Satu-satunya penjelasan lain adalah pergeseran Doppler diakibatkan oleh alam semesta yang mengembang. Segelintir fisikawan, termasuk seorang kolega saya yang mengajari saya relativitas saat menjadi mahasiswa, berargumen bahwa redshift dapat dijelaskan oleh sesuatu yang dikenal sebagai pergeseran Doppler lintang. Ini adalah pergeseran Doppler yang teramati pada cahaya dari objek yang sedang bergerak pada kecepatan tinggi menyeberangi bidang pandang kita dan bukan menjauhi kita. Ini sungguh benar. Namun, saya akan menunjukkan bahwa redshift bukan satusatunya bukti yang kita punya tentang perluasan. Ruang sedang meregang Mari kita lihat lebih dekat apa arti penemuan Hubble. Bagaimana bisa semua galaksi sedang menjauhi galaksi kita? Tentu saja ini berarti kita harus menempati posisi istimewa di Alam Semesta. Kita harus berdiri tepat di pusatnya. Jika galaksi-galaksi di semua sisi kita, dan yang berjarak sama dari kita, sedang bergerak menjauh pada kecepatan sama, maka kita mungkin menyimpulkan bahwa kita tidak sedang bergerak sama sekali. Seolah-olah semua materi di Alam Semesta berasal dari pojok kecil kita. Mungkin kita unik sebagai satu-satunya kehidupan di Alam Semesta, walaupun ini terasa agak tidak mungkin mengingat besarnya ukuran Alam
Semesta. Tapi kebanyakan kita pasti tak punya alasan untuk percaya bahwa kita menempati lokasi istimewa di Alam Semesta. Nyatanya, sebuah ajaran penting dalam kosmologi, dikenal sebagai prinsip kosmologi, menyatakan bahwa tidak ada tempat istimewa di Alam Semesta. Bahwa, pada skala amat besar, Alam Semesta terlihat sama di setiap tempat. Jadi bagaimana segala sesuatu terlihat menjauhi kita?
Gambar 3.1. Ruang mengembang model tilam karet. Bayangkan galaksi-galaksi 2D terpisah merata di atas kisi. Begitu tilam mengembang, setiap galaksi akan melihat semua galaksi sekelilingnya bergerak menjauh darinya. Jawabannya sebetulnya sederhana. Bukan galaksi-galaksi yang terbang di angkasa menjauhi galaksi kita, melainkan ruang di antara kita dan mereka yang meregang. Bayangkan tilam karet besar yang di atasnya Anda menempatkan penanda pada titik-titik kisi persegi sehingga mereka semua berjarak sama dari satu sama lain (gambar 3.1). Jika tilam itu diregangkan setara ke semua arah, jarak antara dua penanda akan bertambah. Setiap penanda akan melihat segala hal di sekeliling mereka sedang menjauhinya dan tak ada penanda yang lebih istimewa dari yang lain. Tentu saja saya mengasumsikan tilam tersebut amat besar, kalau tidak, kita harus mencemaskan penanda-penanda yang bertengger di tepi. Saat saya memberi kuliah tentang topik ini, saya hampir selalu memperoleh suatu percikan cerdas dari audiens yang mengajukan pertanyaan berikut: jika ruang sedang mengembang dan segala sesuatu tersimpan di ruang maka tentu segala sesuatu itu semestinya sedang mengembang bersama, termasuk kita dan semua peralatan pengukur milik kita di Bumi. Jika jarak antara Galaksi kita dan galaksi lain bertambah dua kali lipat selama periode tertentu maka, tentu, jarak antara semua atom di tubuh kita, pita pengukur, dan penggaris juga akan bertambah dua kali lipat.
Setelah mengajukan pertanyaan ini, mereka cenderung beralih dengan penuh kemenangan kepada audiens lain seolah ingin berkata, ‘di sana, mari kita lihat dia keluar dari situ!’ Namun, jawabannya ternyata sederhana. Ingat bahwa gravitasi beraksi untuk memperlambat perluasan ruang, dan jika gravitasi cukup kuat, ia akan menang sempurna atas perluasan. Pada level keseluruhan Alam Semesta, laju perluasannya tinggi dan densitas materi amat rendah. Tapi pada level Galaksi kita, ruang di dalamnya takkan terpengaruhi sebab gravitasi cukup kuat pada skala ini untuk mencegah perluasan. Pada level manusia dan perangkat pengukur kita, materi amat sesak dan kesatuan atom-atom penyusun segala sesuatu dijaga oleh gaya yang jauh lebih kuat daripada gravitasi sekalipun. Gaya ini disebut gaya elektromagnet dan merupakan lem yang mengikat atom-atom. Ruang hampir pasti tidak diperkenankan mengembang pada level ini sehingga kita, dan segala hal lain di Bumi, tetap berukuran sama. Saatnya memberikan contoh sehari-hari (silahkan lewatkan paragraf ini jika sudah yakin dengan contoh sebelumnya). Pikirkan gelembung udara yang naik dari dasar tangki ikan. Gelembung-gelembung ini berawal kecil sebab tekanan air di dasar tangki tinggi dan memeras udara di dalam gelembung. Begitu gelembung naik, tekanan menurun dan gelembung mengembang akibat dorongan keluar dari molekul udara di dalamnya. Karena jumlah molekul udara di dalam tiap gelembung tak berubah, mereka harus berpisah saat gelembung membesar. Namun, dan ini poin krusial, kita tak boleh menyangka ukuran tiap molekul udara akan tumbuh bersama dengan gelembung. Poin menarik yang dihasilkan adalah bahwa galaksi terdekat dengan Galaksi kita, Andromeda (atau M31 menurut nama astronomis yang sangat imajinatif), sebetulnya sedang bergerak menuju kita! Andromeda berjarak 2 juta tahun-cahaya dan, menurut estimasi laju perluasan Alam Semesta, semestinya sedang bergerak menjauhi kita dengan kecepatan 55 km/detik. Tapi justru, ia sedang bergerak menuju kita dengan kecepatan 300 km/detik! Perluasan Alam Semesta, karenanya, bahkan tak terlihat pada skala Kelompok Lokal galaksi kita, apalagi di Bumi. Tunggu, Anda mungkin berpikir, kalau begitu apa Hubble keliru? Saya pikir dia mengobservasi semua galaksi yang menjauhi galaksi kita? Jawabannya, galaksi-galaksi tidak terdistribusi seragam dengan jarak setara di sepanjang Alam Semesta. Dia mengobservasi galaksi-galaksi amat jauh, yang memang sedang menjauhi kita, dan bukan galaksi-galaksi dekat.
Kecepatan gerak Galaksi kita dan Andromeda ekuivalen dengan menempuh jarak mengelilingi dunia dalam dua menit, atau jarak antara Bumi dan Matahari dalam seminggu kurang. Tapi sebelum Hollywood memutuskan mendasarkan film blockbuster berikutnya pada bagaimana segelintir pria dan wanita pemberani menyelamatkan Bumi dari tubrukan dengan Andromeda yang sebentar lagi terjadi, saya mesti jelaskan bahwa, dengan laju sekarang, perlu beberapa miliar tahun bagi kedua galaksi untuk bergabung. Bahkan jika akhirnya terjadi, sangat tak mungkin segala sesuatu betul-betul akan menghantam Bumi sebab, seperti telah kita simak, bintang-bintang terpisah sungguh jauh dan peluang sebuah bintang untuk mengarungi tata surya sangatlah kecil. Fisikawan mampu membangun simulasi komputer canggih yang menunjukkan secara dinamis bagaimana dua galaksi berperilaku saat mereka bergabung. Lalu bagaimana dengan gaya antigravitasi Einstein, konstanta kosmologis yang muncul dalam persamaannya untuk mencegah Alam Semesta kolaps akibat bobotnya sendiri? Apakah penemuan Friedman dan Hubble membuangnya secara permanen ke timbunan sampah ilmiah? Selagi bidang kosmologi berkembang dan dewasa pada abad 20, konstanta kosmologis telah terbukti lebih tahan lama dan tabah. Nyatanya, kemunculan kembalinya lebih sukses daripada Rolling Stones. 13 Sejenak, kosmolog memutuskan bahwa ia tidak akan dan tidak boleh disingkirkan sama sekali dari persamaan Einstein. Mungkin sebaiknya dibiarkan tapi diberi harga amat kecil sehingga tidak berbenturan dengan observasi Hubble. Ingat, di sini saya berbicara tentang model matematis abstrak Alam Semesta yang diprediksi ketika persamaan Einstein terpecahkan. Dengan mengubah-ubah harga konstanta kosmologis, kosmolog dapat mempelajari atribut model-model alam semesta berbeda. Atribut-atribut ini kemudian dapat diperbandingkan dengan atribut yang teramati di Alam Semesta riil. Batas atas telah dikomputasi dan ternyata ia begitu kecil sehingga kebanyakan kosmolog merasa bahwa masuk akal menyingkirkannya dari persamaan, sebagaimana Einstein lakukan. Alasan-alasan lain untuk menginginkan konstanta kosmologis telah datang dan pergi. Tapi hari ini, kita punya alasan bagus untuk percaya bahwa ia tidak nol. Pemikiran mutakhir mengindikasikan Einstein tak membuat blunder ketika dia memasukkannya ke dalam persamaan. Pertama, mari kita tinjau lebih dekat bukti Big Bang itu 13
Tentu saja jika Anda cukup tua untuk menjadi penggemar Rolling Stones, Anda akan berargumen bahwa mereka tak pernah menghilang sehingga tak perlu ada kemunculan kembali.
sendiri. Bagaimanapun, jika Alam Semesta membesar, maka ia pasti memiliki momen penciptaan definitif ketika pertama kali mulai mengembang. Apakah Big Bang betul-betul terjadi? Kita sekarang sangat yakin bahwa Alam Semesta kita terlahir sekitar 15 miliar tahun silam dalam kondisi temperatur dan densitas luar biasa tinggi. Bukti apa yang kita punya tentang ini? Subbidang kosmologi yang dicurahkan untuk mempelajari kelahiran Alam Semesta dikenal sebagai kosmogoni dan merupakan salah satu bidang riset fisika paling menggairahkan. Bukti paling memaksa bahwa Alam Semesta kita tercipta dalam sebuah Big Bang tentu saja datang dari observasi bahwa ia sedang mengembang. Sebagaimana telah saya sebutkan sebelumnya, jika Alam Semesta sedang membesar, dengan galaksigalaksi terbang memisah, maka pada suatu titik di masa lampau semua materi di Alam Semesta pasti terperas bersama. Selain perluasan Alam Semesta, model Big Bang juga didukung oleh dua observasi krusial lain. Yang pertama adalah keberlimpahan unsur ringan. Fakta bahwa kira-kira 3/4 dari semua atom di Alam Semesta adalah atom hidrogen dan seperempat adalah helium, dua unsur teringan dan termudah untuk dibuat, serta sejumlah kecil unsur lain, mensyaratkan alam semesta yang mulanya panas dan padat tapi mendingin cepat begitu mengembang. Pada momen Big Bang, jauh sebelum bintang dan galaksi mempunyai peluang untuk terbentuk, semua materi di Alam Semesta terperas bersama dan tidak ada ruang kosong. Tak lama setelah Big Bang (kurang dari sedetik), partikel-partikel subatom mulai terbentuk dan, seraya Alam Semesta mengembang dan mulai mendingin, partikel-partikel ini mampu menyatu untuk menghasilkan atom. Kondisi temperatur dan tekanan harus tepat agar atom-atom ini terbentuk. Seandainya temperaturnya terlampau tinggi, atom takkan bisa tetap utuh. Mereka akan pecah berkeping-keping dalam pusaran ribut partikel high-speed dan radiasi. Di sisi lain, sekali Alam Semesta mengembang sedikit, temperatur dan tekanan akan menjadi terlalu rendah untuk memungkinkan atom hidrogen dan helium terperas bersama membentuk unsur lain (yang lebih berat). Inilah alasannya mengapa utamanya hidrogen dan helium terbentuk di Alam Semesta awal, sebuah proses yang terjadi di lima menit pertama setelah Big Bang. Hampir semua unsur lain harus menunggu sampai mereka bisa dimasak di dalam bintang. Model Big Bang memprediksikan proporsi tepat hidrogen dan helium yang diobservasi oleh astronom.
Kepingan bukti lain yang mendukung Big Bang yang, seperti perluasan Alam Semesta, diprediksi secara teoritis sebelum dikonfirmasikan secara eksperimen, dikenal sebagai radiasi kosmik latar. Ini adalah ‘afterglow ’14 ledakan Big Bang dan berbentuk radiasi gelombang mikro yang merembesi seluruh ruang angkasa dan hari ini mempunyai temperatur sekitar tiga derajat di atas nol absolut (atau minus 270 derajat Celcius). Untuk mengukur temperatur radiasi ini secara eksperimen, kita tak harus memasang termometer di angkasa. Justru, kita memakai sesuatu yang terlihat seperti piring satelit raksasa yang disebut teleskop radiasi dan begitu sensitif sampaisampai dapat ‘mendengar’ sinyal lemah radiasi ini dari angkasa luar. Ini dilakukan untuk pertama kalinya pada 1960-an dan telah dikonfirmasi berkalikali sejak saat itu dengan sensitivitas yang terus meningkat. Jika Anda merasa ini sulit dipercaya, saya terkesan ketika seseorang memberitahu saya baru-baru ini bahwa kita bahkan mampu mendengar desisan gelombang radio lemah yang dipancarkan oleh planet Yupiter memakai radio bergelombang panjang. Hari ini, tidak boleh ada banyak keraguan bahwa Big Bang memang terjadi. Namun, ada isu lain yang masih harus dipecahkan. Beberapa bahkan sedang diklarifikasi pada saat penulisan buku ini. Contoh, beberapa tahun lalu kita tak tahu apakah gravitasi suatu hari nanti akan menghentikan perluasan Alam Semesta dan menyebabkannya kolaps kembali, berakhir dengan semua materi berlari bersama dalam malapetaka implosi yang dikenal sebagai Big Crunch, atau apakah perluasan akan berlangsung terus selamanya, dengan Alam Semesta terus mendingin dan berakhir dalam apa yang dikenal sebagai kematian panas atau Big Freeze. Hari ini kita rasa punya jawabannya. Ternyata nasib Alam Semesta tak hanya tergantung pada seberapa banyak materi yang dikandungnya, tapi pada peran konstanta kosmologis Einstein. Ini menjadikan kosmologi sedikit lebih rumit dari yang kita harapkan. Jadi saya akan mengarungi beberapa isu besar ini secara hati-hati, dimulai dengan bentuk Alam Semesta. Tepi ruang angkasa Pikirkan dua pertanyaan berikut: 1. Jika Alam Semesta sedang mengembang tapi pada waktu bersamaan mengandung keseluruhan ruang, ia mengembang menuju apa? 2. Apa yang ada di luar tepi Alam Semesta? 14
Pijaran yang tertinggal setelah sumbernya menghilang—penj.
Kita merasa seolah-olah pasti ada sesuatu di luar Alam Semesta kita yang dapat mengakomodasinya seraya ia mengembang. Percaya atau tidak, pertanyaan-pertanyaan ini bukan bersifat filosofis atau metafisik belaka. Sains punya jawaban untuk keduanya. Kita cuma tak memikirkannya dengan benar. Di sinilah semua hal tentang geometri dimensi tinggi dalam Bab 1 memberi hasil. Secara naif, kita menganggap Big Bang sebagai suatu ledakan yang terjadi pada suatu titik waktu di lokasi spesifik di ruang tiga-dimensi. Dari titik ini, semua materi tersembur keluar dan terbang berpisah sejak saat itu. Salah! Pertama, kita telah belajar bahwa Big Bang tidaklah seperti ledakan supernova dengan semua materi terbang menjauh dari titik pusat. Perluasan Alam Semesta adalah peregangan ruang itu sendiri, dengan materi tersimpan di dalam ruang dan dibawa serta dalam perjalanan itu. Kedua, tidak ada titik di Alam Semesta di mana penjelajah antariksa dapat datangi, menanam bendera yang bertuliskan: ‘Big Bang Terjadi Di Sini’. Ingat kembali contoh peregangan tilam karet. Big Bang terjadi di setiap tempat di atas tilam tersebut secara serentak, dan peregangan terjadi di sepanjang tilam. Saya rasa sekarang ini Anda belum merasa gembira dengan penjelasan ini. Beri saya beberapa halaman lagi. Saya tahu saya belum menjawab kedua pertanyaan di atas. Mari kita coba pecahkan langsung. Bayangkan Anda dapat lepas landas dalam sebuah roket dengan kecepatan tinggi dan terus melaju dalam garis lurus—mari kita asumsikan pula bahwa Anda kekal dan bahwa roket memiliki pasokan bahan bakar yang tak terbatas. Akankah Anda mencapai sebuah titik yang selebihnya Anda tidak dapat tempuh? Suatu batas yang di belakangnya tidak ada apa-apa sama sekali? Menurut model Alam Semesta Friedmann berbasis teori relativitas umum Einstein (yang kita percaya menggambarkan fitur-fitur umum Alam Semesta secara tepat), jawabannya tidak, Alam Semesta tidak mempunyai tepi. Tidak ada batas fisik yang akan dicapai roket Anda ketika kehabisan ruang angkasa. Anda takkan pernah pula mencapai suatu titik yang di belakangnya tidak ada apa-apa. Jika jurang dalam ini bisa ditetapkan sebagai ruang, maka ia masih merupakan bagian Alam Semesta, entah mengandung materi ataupun tidak. Jadi barangkali, roket Anda bisa terus melaju, dan Anda takkan meninggalkan Alam Semesta, hanya memasuki kawasan kosongnya. Nyatanya Friedmann menemukan dua kemungkinan tipe alam semesta berbeda. Jika ada cukup materi agar gravitasi suatu hari menghentikan perluasan dan menyebabkan Alam Semesta kolaps kembali (dapat disamakan
dengan bola yang menggelinding turun lereng curam), maka kita mempunyai apa yang disebut alam semesta tertutup (closed universe). Jika, di sisi lain, tidak ada cukup materi untuk menghentikan perluasan, maka kita tinggal di alam semesta terbuka (open universe).15 Di sinilah saya harus hati-hati. Model Friedmann membuat sebuah asumsi penting: konstanta kosmologis Einstein adalah nol. Berarti tidak ada gaya antigravitasi yang beraksi saat ini untuk memperumit segala sesuatu, meskipun mulanya ia bertanggung jawab untuk mengeset perluasan yang sedang terjadi. Pembahasan berikut, karenanya, disederhanakan 16 untuk kasus tanpa konstanta kosmologis. Alam semesta tertutup Untuk memvisualisasikan alam semesta tertutup, kita mesti kembali ke contoh di Bab 1, penghuni dunia2D yang tinggal di permukaan bundar. Alam semesta mereka juga tertutup, dan karenanya berukuran terhingga sebab permukaan memiliki luas tertentu. Bola dikatakan memiliki lengkungan positif, sebab jika Anda bergerak sepanjang dua jalur di permukaannya yang siku-siku terhadap satu sama lain, keduanya akan membelok ke arah yang sama. Alam semesta tertutup semacam itu hampir pasti tidak memiliki tepi sebab penghuni dunia2D dapat berjalan ke manapun mereka suka di permukaannya tanpa mencapai tepi. Nyatanya, jika penghuni dunia2D berangkat dengan roket dalam garis lurus (menurut penglihatannya), dia akhirnya akan kembali ke tempat semula. Itulah persis yang akan terjadi jika kita tinggal di alam semesta tertutup melengkung positif; kita akhirnya akan kembali ke tempat semula. Ingat pula bahwa bagi penghuni dunia2D, bagian dalam bola (dan bagian luar) bahkan tidak eksis. Itu di luar dua dimensi mereka. Jika Alam Semesta kita tertutup maka bentuk paling sederhana yang dapat dimilikinya adalah permukaan bola empat-dimensi yang dikenal sebagai hiperbola. Ini ekuivalen dengan permukaan bola 3D-nya penghuni dunia2D, hanya saja memiliki satu dimensi lain dan mustahil bagi kita untuk divisualisasikan. Karenanya kita mesti menghabiskan sedikit lebih banyak pemikiran mengenai alam semesta penghuni dunia2D sebab alam semesta kita akan seperti itu jika kita membuang salah satu dimensi ruang kita. 15 Lebih
tepatnya, dia memprediksi tiga tipe alam semesta sebab ada alam semesta ‘flat’ yang seimbang antara terbuka dan tertutup. 16 Oke, ‘disederhanakan’ maksud saya adalah dibandingkan dengan Alam Semesta riil!
Contoh berikut adalah cara standar dalam menjelaskan konsep Big Bang. Bayangkan alam semesta penghuni dunia2D adalah permukaan balon yang sedang ditiup. Perluasan alam semesta ini kini persis sama dengan tilam karet flat yang mengembang yang saya bahas tadi. Setiap titik di permukaan balon akan menjauh dari satu sama lain. Nah, jadi jelaslah bahwa Big Bang bukan suatu tempat di permukaan balon. Adalah lebih tepat untuk menganggapnya sebagai pusat balon itu sendiri, sebab setiap titik di permukaan bukan hanya sedang saling menjauh, mereka semua juga menjauh dari pusat balon. Namun, gambaran ini pun belum begitu benar sebab interior balon bahkan tidak harus eksis. Anda lihat saya memakai analogi balon yang merupakan objek 3D, sehingga kita dapat membayangkan permukaan 2D-nya. Bagaimanapun juga, Anda akan berpikir bahwa tidak masuk akal membicarakan sebuah bola tanpa membayangkan ia mengandung volume interior. Tapi itu cuma untuk memudahkan kita. Alam semesta 2D tertutup semacam itu dapat eksis tanpa tersimpan di ruang 3D dan kita katakan bahwa big bang-nya terjadi di setiap tempat di permukaannya secara serentak, dan karena seluruh permukaannya terperas menjadi suatu titik, kita tidak harus merinci di mana titik tersebut berada di dalam ruang tiga-dimensi. Ini adalah cara praktis bagi otak kita untuk memvisualisasikannya. Sebagai ikhtisar, jika Alam Semesta mengandung cukup materi, suatu hari ia akan berhenti mengembang dan mulai kolaps. Ia akan menjadi alam semesta tertutup terhingga yang mempunyai lengkungan positif, dan tidak akan memiliki tepi, persis sebagaimana bola tidak memiliki tepi. Mungkin berguna sekali menganggapnya mengembang menuju dimensi lebih tinggi, tapi sebenarnya ini hanya penolong dan dimensi lebih tinggi tak harus betulbetul eksis. Perihal di mana Big Bang terjadi, kita bisa katakan bahwa ia terjadi di setiap tempat secara serentak sebab keseluruhan Alam Semesta tumbuh dari satu titik dan setiap tempat terkurung di tempat yang sama. Apakah titik itu mengapung di ruang dimensi lebih tinggi, kita tak tahu. Alam semesta terbuka Alam Semesta dikatakan terbuka jika tidak mengandung cukup materi untuk menghentikannya mengembang.17 Dalam kasus ini, segalanya sedikit lebih sulit 17 Jika
Anda sedikit lebih tahu tentang kosmologi, Anda mungkin sadar bahwa alam semesta dapat mengembang selamanya dan tetap tertutup. Jika Anda adalah kosmolog, Anda tak perlu membaca buku ini.
untuk divisualisasikan. Sebagai permulaan, karena alam semesta tipe ini tidak menutupi dirinya sendiri, maka satu-satunya cara agar ia tidak memiliki tepi adalah ia harus tak terhingga.18 Bentuk paling sederhana yang bisa dimiliki alam semesta semacam itu adalah flat, analogi tiga-dimensi tilam karet yang meluas tak terhingga ke semua arah. Tapi Alam Semesta yang tak memiliki lengkungan sama sekali merupakan kasus istimewa. Ini akan seperti contoh bola yang menggelinding naik lereng dan berusaha mencapai puncaknya sambil kehabisan dorongan dan tak punya energi lagi untuk menggelinding di sepanjang puncak yang flat. Kemungkinan besar, jika tidak menggelinding turun kembali, ia akan punya energi tersisa untuk terus menggelinding di sepanjang puncak. Alam semesta yang ekuivalen dengan skenario demikian tak akan flat tapi melengkung. Namun, kali ini kita katakan ia memiliki lengkungan negatif.
Gambar 3.2. Ruang 2D melengkung (a) positif dan (b) negatif. Jadi, dengan membuang salah satu dimensi ruang, kita dapat memahami berbagai tipe lengkungan Alam Semesta. Jika alam semesta melengkung positif dapat disamakan, di dimensi rendah, dengan permukaan sebuah bola dan alam semesta flat dapat disamakan dengan tilam flat duadimensi, apa bentuk permukaan dua-dimensi melengkung negatif? Yang ini tidak begitu mudah. Nama matematis tepat untuk bentuk semacam itu adalah permukaan right-hyperboloid , atau hiperbolik, dan mustahil divisualisasikan secara benar. Kasarnya, ia berbentuk pelana (lihat gambar 3.2). Perbedaan antara lengkungan positif bola dan lengkungan negatif pelana adalah bahwa, sementara pada bola suatu dua jalur di permukaannya yang saling bersilangan secara siku-siku akan melengkung ke arah yang sama, dalam kasus pelana kedua jalur akan melengkung ke arah berlawanan. Dan alasan mengapa pelana bukanlah gambaran akurat permukaan hiperbolik adalah bahwa, sambil Anda menjauh dari pusat pelana, permukaannya semakin flat, sedangkan untuk right-hyperboloid , permukaannya harus memiliki kelengkungan yang sama di setiap tempat. Mustahil membuat sketsa permukaan semacam itu. 18 Sekali
lagi, buku ini tak diperlukan. Nanti saya akan membahas bagaimana alam semesta terbuka tidak harus berluas tak terhingga.
Karena bentuk alam semesta terbuka sangat sulit divisualisasikan, bahkan di dimensi rendah, mari kita lihat apakah kita bisa berbuat sesuatu yang lebih baik dalam memahami fitur membingungkan lain. Yakni, jika Alam Semesta adalah terbuka dan tak terhingga lantas ia mengembang menuju apa? Tak terhingga yang saya maksud adalah bahwa ruang meluas seterusnya ke semua arah. Rasanya mustahil ia dapat mengembang sama sekali sebab seluruh ruang telah terpakai habis dan tercakup di dalam Alam Semesta. Lagi, kita bisa melihat persoalan secara lebih jelas di ruang dua-dimensi. Untuk kasus alam semesta tertutup (permukaan balon), kita dapat membayangkan perluasannya ke arah luar menuju dimensi lebih tinggi, tapi untuk tilam flat yang mempunyai luas tak terhingga, perluasannya akan selalu berada di bidang tilam, dan kita tak bisa memanfaatkan dimensi ketiga (lepas dari tilam) sebagai suatu tempat tujuan perluasan. Untuk memecahkan persoalan ini saya harus menjelaskan sedikit matematika. Tak ada seorangpun yang merasa nyaman memikirkan ketakterhinggaan. Saya ingat saat kecil pernah diberitahu bahwa ketika mati kita pergi ke Surga dan tinggal di sana selama-lamanya. Pemikiran ini dulu membuat saya depresi sebab saya tak nyaman memikirkan sesuatu yang berlangsung terus tanpa akhir betapapun baik maksudnya. Meski kebanyakan kita kesulitan merenungkan ketakterhinggaan, beberapa matematikawan mendapat penghidupan dari mempelajarinya. Nyatanya, bahkan ada berbagai tipe ketakterhinggaan. Pikirkan urutan bilangan bulat (atau bilangan utuh): 1, 2, 3, 4,...yang berlanjut seterusnya tanpa akhir. Kita katakan bahwa terdapat bilangan bulat yang tak terhingga. Tapi bagaimana dengan urutan bilangan genap: 2, 4, 6, 8,...? Tentu urutan ini juga panjang tak terhingga. Dan karena bilangan bulat secara total dua kali lebih banyak daripada bilangan genap, kita memiliki dua ketakterhinggaan di mana yang satu lebih besar dua kali daripada yang lain. Bagaimana dengan seluruh bilangan, bukan cuma bilangan bulat? Misalnya, mari kita pertimbangkan bilangan: 0, 0,1, 0,2, 0,3,... 0,9, 1,0, 1,1, 1,2, 1,3,... dan seterusnya sampai tak terhingga. Urutan tak terhingga ini mengandung sepuluh suku untuk setiap bilangan dalam urutan bilangan bulat. Karenanya, apakah ketakterhinggaan suku dalam urutan ini sepuluh kali lebih besar daripada ketakterhinggaan bilangan bulat? Dalam matematika, terdapat subjek utuh yang dicurahkan untuk studi ketakterhinggaan. Ternyata ketiga urutan di
atas termasuk ke dalam golongan ketakterhinggaan yang sama. Tapi ada yang lainnya. Pikirkan urutan semua bilangan (disebut set bilangan riil) yang mencakup semua pecahan di antara bilangan-bilangan bulat. Bahkan interval di antara dua bilangan bulat beurutan seperti 0 dan 1 akan mengandung ketakterhinggaan bilangan (0,..., 0,00103,..., 0,36252,..., 0,9997,..., 0,999999,..., 1), sebab kita bisa selalu memikirkan pecahan baru untuk disisipkan, betapapun banyaknya tempat desimal yang dimilikinya. Demikian pula, akan ada ketakterhinggaan bilangan pecahan di antara 1 dan 2, 2 dan 3, 763 dan 764, dan seterusnya. Dengan demikian, kita mempunyai set yang mengandung ketakterhinggaan bilangan bulat dan ketakterhinggaan pecahan di antara bilangan bulat berurutan. Keseluruhan ketakterhinggaan ini jauh ‘lebih kuat’ daripada ketakterhinggaan bilangan bulat, meski kedua-duanya tak pernah berakhir! Ternyata ada berbagai ketakterhinggaan dalam jumlah tak terhingga! Ke mana semua ini menuntun kita? Kosmolog Igor Novikov, yang dianggap banyak orang sebagai jawaban Rusia terhadap Stephen Hawking, memakai ide berbagai ketakterhinggaan untuk menjelaskan bagaimana alam semesta berluas tak terhingga masih bisa mengembang. Bayangkan Anda mendaftar masuk Hotel Infinity, yang memiliki kamar berjumlah tak terhingga— saya pernah tinggal di segelintir hotel yang kamarnya banyak sekali dan tentu saja saya tersesat di beberapa hotel itu. Anda diberitahu di meja penerimaan bahwa mereka amat sibuk malam itu dan bahwa sudah ada tamu dalam jumlah tak terhingga sehingga semua kamar telah ditempati. Anda mengadu kepada manajemen bahwa Anda telah memesan kamar dan bersikeras bahwa mereka punya satu kamar untuk Anda malam itu. “Tak masalah,” kata manajemen, “di Hotel Infinity selalu ada kamar untuk lebih banyak orang.” Mereka lalu memindahkan tamu kamar 1 ke kamar 2, tamu kamar 2 ke kamar 3, dan seterusnya, sampai tak terhingga. Anda lalu diberi kamar 1. Bagaimana jika tamu dalam jumlah tak terhingga datang secara serentak? Tetap bukan masalah (lupakan sejenak tentang antrian tak terhingga di meja pendaftaran). Manajemen kini memindahkan tamu kamar 1 ke kamar 2, tamu kamar 2 ke kamar 4, tamu kamar 3 ke kamar 6, tamu kamar 4 ke kamar 8, dan seterusnya sampai semua tamu dipindahkan. Nah semua kamar bernomor genap ditempati. Karena ada kamar dalam jumlah tak terhingga, semua tamu awal ini tertampung. Dengan begitu ini membuat kamar bernomor ganjil yang tak terhingga menjadi lowong dan tersedia bagi pendatang baru.
Kita bisa mempertalikan contoh tamu hotel ini dengan ruang yang ditempati oleh alam semesta berluas tak terhingga. Tak masalah jika tamutamu baru datang sepanjang waktu. Hotel, karena memiliki kamar berjumlah tak terhingga, selalu dapat menampung mereka. Dengan cara yang sama, ruang tak terhingga selalu bisa mengembang. Kita sekarang tiba pada fitur alam semesta berluas tak terhingga yang barangkali paling membingungkan. Jika sesuatu tumbuh dalam hal ukuran, maka ia, menurut definisi, akan memakan waktu selamanya untuk menjadi tak terhingga. Dengan demikian, jika Alam Semesta kita berukuran tak terhingga di masa kini maka ia juga pasti berukuran tak terhingga di masa lalu. Nyatanya, ia pasti sudah berukuran tak terhingga pada momen Big Bang! Ini betul-betul bertentangan dengan gagasan lazim Big Bang sebagai peristiwa di mana seluruh ruang terperas menjadi titik berukuran nol. Ini setidaknya dapat divisualisasikan untuk kasus alam semesta tertutup dengan membuang sebuah dimensi dan mempertimbangkan contoh balon. Sedangkan alam semesta terbuka tak pernah berukuran nol. Satu-satunya cara untuk memikirkan ini adalah membayangkan bahwa Big Bang terjadi di setiap tempat secara serentak di alam semesta yang telah berukuran tak terhingga. Tentu saja di titik manapun di alam semesta tak terhingga semacam itu densitasnya akan tak terhingga pula. Cara lain untuk memikirkannya ialah jika big bang alam semesta terbuka adalah seperti garis yang panjang tak terhingga. Sekalipun ia mempunyai titik dalam jumlah tak terhingga (karena titik berluas nol), ia masih mempunyai volume nol secara keseluruhan. Dengan begitu kita bisa membayangkan bahwa Alam Semesta Tampak kita tumbuh dari satu titik saja (satu big bang) di garis tersebut. Saya takkan memaksakan analogi ini terlalu keras. Terakhir, hanya untuk memastikan bahwa Anda kebingungan sama sekali, apapun bentuk Alam Semesta sekarang, sekalipun hampir betul-betul flat, ia pasti berbentuk melengkung tak terhingga saat Big Bang! Kalau begitu apa bentuk Alam Semesta kita? Nah, setelah memberi Anda ide tentang berbagai kemungkinan bentuk Alam Semesta kita (dan barangkali Anda sakit kepala sepanjang bahasan tersebut), saya akan secara singkat meninjau beberapa penemuan dan ide mutakhir dalam kosmologi dan apa kata mereka tentang Alam Semesta. Bagaimanapun juga, jika Alam Semesta suatu hari akan kolaps kembali dalam Big Crunch, saya
pikir masyarakat berhak untuk tahu. Mungkin terjadinya bukan jutaan tahun mendatang, tapi beberapa orang akan tidur lebih nyenyak jika diberitahu. Sebagaimana sudah saya sebutkan, entah Alam Semesta itu terbuka, tertutup, atau flat, ini tergantung pada berapa banyak materi yang dikandungnya. Namun, ini sedikit menjadi persoalan jika Alam Semesta berukuran tak terhingga, sebab dengan demikian ia juga harus mengandung materi dalam jumlah tak terhingga, betapapun tipisnya mereka tersebar! Alasannya adalah prinsip kosmologis yang menyatakan bahwa setiap bagian Alam Semesta mirip dengan setiap bagian lain sehingga densitas materi kurang-lebih konstan pada skala besar. Ini sedikit mirip dengan berkata bahwa sekalipun hanya satu dari ribuan kamar Hotel Infinity ditempati, tetap ada tamu berjumlah tak terhingga. Sehingga fisikawan justru membicarakan densitas materi. Yaitu jumlah materi per unit volume ruang yang mestinya berupa bilangan masuk akal sekalipun volume keseluruhan adalah tak terhingga. Jika Alam Semesta mempunyai densitas materi yang lebih dari besaran kritis tertentu maka gravitasi gabungan semua materi ini akan mampu menghentikan perluasan dan menyebabkannya kolaps kembali. Di sisi lain, jika densitasnya kurang dari besaran kritis ini maka gravitasi hanya bisa memperlambat perluasan sampai pada suatu laju konstan dan tak pernah menghentikannya. Alam Semesta akan mengalami perluasan abadi. Yang cukup aneh, banyak kosmolog mempunyai alasan bagus untuk percaya bahwa densitas materi persis seimbang pada harga kritis: seimbang tajam di antara alam semesta yang suatu hari nanti akan kolaps dan alam semesta yang akan terus mengembang selamanya. Malah, densitas materi akan sedemikian rupa sehingga gravitasinya akan terus memperlambat laju perluasan sampai akhirnya berhenti mengembang. Namun memakan waktu selamanya agar ini terjadi, sehingga takkan ada kekolapsan. Ini ekuivalen dengan alam semesta flat, tak terbuka ataupun tak tertutup. Bagaimana kosmolog sampai percaya bahwa skenario tidak mungkin semacam itu bisa terjadi dan mengapa mereka menginginkan demikian? Faktanya adalah, sejauh teleskop memandang, Alam Semesta memang terlihat flat. Ia tidak tampak memiliki kelengkungan positif ataupun negatif. Ini sungguh menjadi persoalan bagi kosmolog sebab sulit dipercaya bahwa ada densitas materi yang tepat untuk menjaga ruang tetap flat. Jika betul demikian, maka gravitasi akan selalu mengerém perluasan, terus-menerus memperlambatnya. Ini berbeda dari alam semesta terbuka melengkung negatif
(dengan densitas kurang dari besaran kritis) sebab dalam kasus tersebut gravitasi memperlambat perluasan hanya sampai pada suatu laju konstan selamanya. Sebagian besar kosmolog percaya bahwa masalah keflatan kini telah dipecahkan berkat sesuatu yang disebut inflasi. Penjelasan sederhana atas keflatan ruang yang kita amati adalah jika Alam Semesta jauh lebih besar dari perkiraan kita. Dengan cara yang sama, kita tidak mengamati kelengkungan Bumi sebab kita hanya bisa melihat sebagian kecil permukaannya. Persoalan dalam penjelasan ini adalah bahwa Alam Semesta tidak terlihat cukup tua untuk mengembang sampai ukuran sedemikian besar. Karenanya terdapat permikiran bahwa, ketika Alam Semesta baru berumur sepecahan detik, ia mengalami periode perluasan pesat yang amat singkat di mana ia tumbuh hingga berukuran setriliun triliun triliun triliun kali daripada sebelumnya. Angka ini luar biasa besar dan ditulis sebagai angka satu diikuti 48 buah nol! Dengan demikian, Alam Semesta boleh jadi tergulung sebelum periode inflasi. Lalu, dalam waktu kurang dari sekedipan mata, ia tumbuh sampai berukuran sedemikian besar sehingga kita takkan pernah mampu mendeteksi kelengkungan, seberapa jauhpun kita memandang angkasa. Karenanya model Alam Semesta berinflasi ini mensyaratkan densitas yang sangat dekat dengan harga kritis yang menjadikannya flat. Dalam matematika, densitas ini dilambangkan dengan huruf kapital Yunani, omega (ditulis sebagai Ω). Jika densitasnya berada pada harga kritis, ekuivalen dengan ruang flat, kita katakan omega memiliki harga satu. Jika Alam Semesta adalah melengkung positif dan tertutup maka omega lebih besar dari satu, dan jika melengkung negatif dan terbuka maka omega kurang dari satu. Kita tak yakin apakah inflasi pesat Alam Semesta belia ini terjadi atau tidak. Sebagian besar kosmolog percaya itu terjadi, tapi argumen yang mendukung dan menentangnya berbeda tipis dan bersandar pada sejumlah isu berbeda, yang beberapanya belum terpecahkan. Mungkinkah kita dapat mengukur densitas materi di Alam Semesta secara langsung? Kosmolog yakin itu memungkinkan. Mereka bersandar pada prinsip kosmologis yang, jika Anda ingat, menyatakan bahwa Alam Semesta terlihat sama di setiap tempat. Dengan kata lain, densitas materi di setiap tempat adalah sama dengan di pojok kecil kita. Tentu saja ‘pojok kecil’ yang saya maksud adalah bagian Alam Semesta yang bisa kita lihat. Lantas apa yang sebetulnya mereka lihat? Ternyata densitas materi yang bisa dilihat oleh
kita (yakni jumlah galaksi di volume ruang tertentu) adalah sekitar satu persen dari harga kritis yang dibutuhkan untuk alam semesta flat. Oh, oh, kita menghadapi masalah! Di mana yang 99 persennya? Materi tak tampak Bagian massa Alam Semesta yang hilang ini dipercaya terbuat dari sesuatu yang secara enigmatik dikenal sebagai dark matter . Diyakini bahwa mungkin ada sekitar 10 sampai 40 kali lebih banyak materi, atau ‘benda’, di angkasa luar sana daripada yang sebetulnya bisa kita lihat. Ini bukan karena mereka begitu jauh atau tersembunyi di belakang objek lain, tapi karena mereka betulbetul tak terlihat. Anda mungkin berpikir, bagaimana para ilmuwan bisa yakin tentang sesuatu yang dapat mereka lihat di angkasa luar, apalagi benda yang tak terlihat! Well , lagi-lagi, jawabannya ternyata sederhana: galaksi-galaksi berbobot jauh lebih berat daripada total bintang-bintang dan objek tampak yang dikandungnya dan pasti juga terbuat dari awan material tak tampak yang membentang melampaui bintang tampak. Kesimpulan aneh ini dicapai dari dua rute yang sungguh terpisah. Pertama adalah dengan mempelajari cara bintang-bintang di pinggiran luar galaksi mengorbit pusatnya. Jika sebagian besar massa sebuah galaksi terkonsentrasi di pusatnya, yang mana sesuai dengan sangkaan kita sebab merupakan kawasan yang paling dipadati bintang, maka bintang-bintang luar tersebut semestinya ber-revolusi jauh lebih lambat daripada kenyataannya. Satu-satunya jalan untuk menjelaskan cara bintang-bintang ini berperilaku adalah jika terdapat suatu bentuk materi tak tampak, dijuluki sebagai halo dark matter , yang mengelilingi, dan membentang luas dari, materi tampak (bintang-bintang). Halo ini harus mengandung berkali-kali lipat lebih banyak materi daripada gabungan semua bentuk materi tampak. Indikasi lain bahwa galaksi-galaksi lebih masif daripada kelihatannya ditemukan secara langsung dengan mengukur bobot mereka. Ini dilakukan memakai ide Einstein bahwa gravitasi sebuah objek masif melengkungkan ruang di sekelilingnya. Ingat dari bab yang lalu bahwa teori relativitas umum pertama kali diuji secara eksperimen dengan mengobservasi defleksi cahaya dari bintang-bintang jauh saat melintas cukup dekat dengan medan gravitasi Matahari. Dengan cara yang sama, sebuah galaksi akan mendefleksikan cahaya dari galaksi jauh saat berada dalam garis pandang antara galaksi jauh tersebut dan kita. Besaran penekukan cahaya memberitahu kita berapa banyak
massa yang dimiliki galaksi dekat. Lagi, kita menemukan bahwa galaksi-galaksi mengandung jauh lebih banyak materi daripada sekadar benda tampak. Sampai belakangan, tak jelas tersusun dari apa dark matter ini. Mulanya dianggap bahwa boleh jadi ia tersusun seluruhnya dari bintang dingin mati, black hole, planet, bongkahan batu, plus material non-berkilau lain (dan karenanya tak terlihat) yang mungkin sedang mengapung di luar sana. Objek semacam itu dijuluki MACHO (Massive Astronomical Compact Halo Object). Namun, ternyata terdapat batas pada jumlah jenis materi ini, yang ditentukan oleh proporsi unsur-unsur yang tersintesiskan persis setelah Big Bang. Jadi persoalannya masih ada. Kita sekarang yakin bahwa dark matter bukan cuma eksis, tapi juga bahwa sebagian besarnya pasti tersusun dari zat jenis baru yang masih harus kita temukan. Eksperimen yang djalankan di Jepang dan diumumkan pertengahan 1998 mengindikasikan bahwa sebagian dark matter barangkali tersusun dari partikel unsur yang disebut neutrino. Permasalahan terkait entitas amat kecil ini, yang diprediksi secara teoritis di awal 1930-an dan ditemukan dalam eksperimen laboratorium pada 1956, adalah bahwa tak ada seorangpun yang yakin partikel tersebut betul-betul berbobot sama sekali. Partikel ini sangat sulit dimengerti sebab berjalan menembus materi padat, termasuk perangkat pengukur kita, seolah-olah materi padat tersebut tidak ada. Nyatanya, miliaran neutrino, utamanya yang diproduksi di Matahari, pada saat ini juga sedang mengalir menembus tubuh Anda tanpa Anda ketahui. Para ilmuwan Jepang kini telah menemukan bahwa partikel tersebut memang memiliki massa amat kecil yang cukup untuk menerangkan bagian materi galaksi yang tak tampak, berkat jumlahnya. Bahkan di angkasa luar diperkirakan terdapat, secara ratarata, beberapa ratus teman kecil dengan volume seukuran sarung jari. Bahkan dengan memperhitungkan semua material normal di galaksigalaksi (baik yang terlihat ataupun tidak) plus semua neutrino, kita masih tidak bisa menerangkan semua massa yang dimiliki galaksi. Neutrino menyusun apa yang disebut ‘dark matter panas’ sebab mereka menderu pada kecepatan tinggi. Kita kini yakin bahwa pasti ada lebih banyak lagi, mungkin dalam bentuk partikel berat berjalan lambat yang menyusun ‘dark matter dingin’. Saat ini penyelidikan sedang berjalan di sejumlah laboratorium di seantero dunia untuk menemukan partikel baru semacam itu. Favorit saya adalah WIMP (weakly interacting massive particles) yang mungkin berkontribusi berkali-kali lipat lebih banyak terhadap massa Alam Semesta dibanding gabungan semua
materi tampak. Partikel semacam itu belum pernah terlihat—well , Anda takkan melihat mereka jika mereka tak terlihat bukan—tapi ilmuwan dapat memperhitungkan atribut yang dipertunjukkannya dan merancang eksperimen untuk mendeteksinya. Jadi, estimasi mutakhir terbaik untuk semua materi di Alam Semesta (materi tampak maupun dark matter ) hanya menerangkan sekitar sepertiga dari densitas yang disyaratkan untuk membuat omega setara dengan satu dan Alam Semesta flat. Kemungkinannya semakin meningkat bahwa tak ada yang lain lagi di luar sana; bahwa omega memang kurang dari satu. Bagaimana ini cocok dengan teori inflasi yang mensyaratkan alam semesta flat? Apa kita harus memodifikasinya, atau bahkan membuangnya sama sekali? 1998: tahun besar dalam kosmologi Mengukur perluasan Alam Semesta ialah urusan sulit. Itu melibatkan lebih dari sekedar penetapan kecepatan kemunduran galaksi-galaksi jauh dari kita dengan mengukur redshift cahaya mereka. Pertama-tama, sulit mengetahui pasti seberapa jauh mereka persisnya. Dan karena begitu jauh, mereka cenderung, secara rata-rata, merupakan galaksi muda—ingat, cahaya dari mereka berangkat jutaan, bahkan miliaran, tahun silam—dan galaksi muda cenderung lebih biru dan cerlang sebab bintang mereka lebih muda. Di sisi lain, mereka sangat redup sebab begitu jauh. Di samping semua ini, galaksi terdapat dalam semua bentuk dan ukuran dan, sementara kita dapat secara handal menggali rata-rata jika cukup banyak dari mereka dipelajari, pengukuran redshift seluruh galaksi bukan cara terbaik untuk menyimpulkan laju perluasan. Ada metode yang lebih handal. Ingat dari Bab 2 bahwa supernova begitu cerlang, mereka secara singkat bersinar lebih cerlang daripada galaksi mereka. Terutama, supernova tipe Ia (hasil kehancuran menyeluruh sebuah bintang dalam sistem biner setelah memperoleh massa kritis dengan mengisap materi dari rekannya) bersinar dengan kecerlangan, atau keberkilauan, tertentu. Mereka juga menggolak dan padam dalam waktu tertentu. Ini artinya mereka dapat digunakan sebagai standar handal untuk mengukur jarak. Belakangan, supernova tipe Ia telah digunakan untuk menetapkan laju perluasan Alam Semesta; tentu saja jadi hasil paling menggairahkan dalam astronomi pada 1998. Mendeteksi ledakan supernova sebuah bintang di galaksi jauh amatlah sulit sebab mereka luar biasa redup. Bahkan yang lebih menakjubkan soal hasil mutakhir adalah bahwa supernova yang amat jauh terlihat lebih redup lagi
daripada semestinya berdasarkan jarak mereka. Alasan atas hal ini mungkin karena ruang adalah melengkung negatif (hiperbolik) yang memiliki atribut aneh yang membuat objek jauh menjadi redup akibat cara cahayanya menyebar di alam semesta demikian. Tapi ada kemungkinan lain yang lebih membangkitkan keingintahuan. Mungkin supernova-supernova ini lebih redup lantaran lebih jauh daripada perkiraan kita. Tapi itu berarti mereka semestinya mundur lebih cepat daripada yang diindikasikan oleh redshift mereka. Dengan kata lain, mereka tidak punya redshift yang cukup tinggi untuk jarak mereka. Karena cahaya yang menjangkau kita dari supernova-supernova ini berangkat saat Alam Semesta jauh lebih muda, redshift rendah mereka mengindikasikan laju perluasan lebih lambat di masa lalu! Saya tahu Anda mungkin harus membaca paragraf ini lagi untuk mengikuti urutan logis argumen, tapi jika observasi-observasi memang benar maka garis dasarnya adalah bahwa perluasan Alam Semesta BUKAN sedang melambat, melainkan mencepat ! Satu-satunya jalan yang memungkinkan ini adalah jika sebuah gaya antigravitasi sedang mendorong perluasan, memisahkan galaksi-galaksi dan meregangkan ruang. Sementara pengaruh gravitasi semakin lemah dengan semakin terpisahnya galasi-galaksi, antigravitasi justru semakin kuat seiring bertambahnya jarak, sehingga akan mendorong perluasan lebih cepat lagi. Eksistensi gaya aneh ini merupakan cara lain untuk mengatakan bahwa konstanta kosmologis tidaklah nol. Tapi dari mana ia berasal? Jawaban lazim adalah bahwa itu disebabkan oleh suatu bentuk energi tak tampak yang aneh dan baru yang menyebar di sepanjang ruang. Energi ini mempunyai efek paradoks mendorong perluasan ruang sambil pada saat bersamaan berkontribusi menutup Alam Semesta kembali ke dirinya sendiri. Dengan kata lain, ia membantu menyusun bagian kecil omega yang hilang untuk menggenapkannya menjadi harga satu, yang lebih disukai oleh banyak fisikawan teoritis. Nyatanya, omega mungkin bahkan sedikit di atas satu, menjadikan Alam Semesta tertutup, sekalipun bisa mengembang selamanya. Ini membuat argumen-argumen sederhana berbasis model alam semesta Friedmann menjadi keliru. Kita tak bisa lagi mengatakan bahwa alam semesta terbuka adalah alam semesta yang akan mengembang selamanya, sementara alam semesta tertutup suatu hari pasti kolaps dalam big crunch. Bentuk Alam Semesta dan takdirnya tak lagi bersangkut-paut. Adapun mengenai asal-usul energi ruang hampa ini, fisikawan masih mengerjakannya. Itu mungkin akan turun menjadi salah satu dari sejumlah
jargon ganjil (yang dengannya Anda harap dapat membuat teman-teman Anda terkesan) seperti ‘fluktuasi quantum’, ‘transisi fase’, ‘cacat topologis’ atau, yang paling hebat dari semuanya, ‘quintessence’. Apakah Alam Semesta itu tak terhingga? Berikut adalah topik ringan lain yang bisa Anda bahas bersama keluarga dan teman daripada sepak bola.19 Jika ternyata densitas keseluruhan Alam Semesta, akibat semua materi dan energi tampak dan tak tampak, masih belum cukup untuk membuatnya tertutup, maka kebijaksanaan konvensional menyatakan bahwa ia pasti tak terhingga (untuk menghindari adanya tepi yang bisa membuat Anda terjatuh). Tentu mungkin saja bahwa apa yang terlihat bagi kita adalah alam semesta flat tak terhingga boleh jadi tertutup dan terlampau besar untuk terdeteksinya suatu kelengkungan. Kebanyakan orang, termasuk kosmolog, jauh lebih suka tidak berurusan dengan alam semesta tak terhingga. Dalam beberapa tahun belakangan muncul sebuah bidang studi baru yang disebut topologi kosmik, yakni studi bentuk Alam Semesta. Satu hasil kerja dalam bidang ini yang tidak saya sadari sampai baru-baru ini adalah bahwa alam semesta terbuka, entah flat ataupun hiperbolik, masih bisa memiliki ukuran terhingga. Nyatanya, dan inilah bagian menyenangkannya, sekalipun Alam Semesta adalah flat, mungkin ternyata ia berbentuk seperti permukaan donat berdimensi lebih tinggi (donat dengan lubang di tengah). Saya tahu Anda pasti berpikir bahwa permukaan donat hampir tidak flat. Tapi hal tersebut karena ini cuma penaksiran terhadap bentuk yang sedang saya bicarakan. Pertama, permukaan donat hanya dua-dimensi. Kedua, ruang 2D yang saya rujuk pun tidak mungkin eksis tersimpan di ruang 3D kita. Nama tepat untuk bentuk demikian adalah torus Euclidean, dan beratribut, persis seperti permukaan donat, memiliki lebih dari satu garis yang menghubungkan dua titik di atasnya. Tentu saja jika Alam Semesta betul-betul berbentuk donat maka massa yang hilang kemungkinan besar adalah gula atau kayu manis. Mengapa malam hari gelap? Anda mungkin berpikir bahwa pertanyaan ini agak remeh, bahkan pandir, untuk ditanyakan. Bagaimanapun juga, anak kecil pun ‘tahu’ bahwa ini akibat 19
Maaf soal ini. Dua topik obrolan favorit saya ialah fisika dan sepakbola, dan tak harus dengan urutan demikian.
Matahari terbenam ke bawah horizon, dan oleh karena tak ada benda lain di langit dekat yang secerlang Matahari, kita harus memanfaatkan cahaya pantulan suram dari Bulan dan bahkan cahaya lebih suram lagi dari bintang jauh. Well , coba tebak? Tidak sesederhana itu! Kita punya alasan bagus untuk percaya bahwa sekalipun Alam Semesta tidak berukuran tak terhingga, ia barangkali begitu besar sehingga praktisnya tak terhingga. Jika demikian, maka kita bertentangan dengan sesuatu yang dikenal sebagai paradoks Olbers. Secara sederhana, paradoks ini menyatakan bahwa langit malam tak berhak gelap sama sekali. Bahkan semestinya lebih terang daripada siang hari. Nyatanya, langit semestinya begitu terang, sepanjang waktu, sehingga bahkan tak jadi soal apakah Matahari berada di atas langit atau tidak. Bayangkan Anda sedang berdiri di tengah-tengah hutan yang sangat besar. Begitu besarnya sampai-sampai Anda bisa menganggap ia luas tak terhingga. Nah, cobalah menembakkan anak panah ke arah tertentu (horizontal) sedemikian rupa agar tidak mengenai batang pohon. Dalam situasi yang diharapkan ini, anak panah harus dibiarkan terus melesat dalam garis lurus tanpa pernah jatuh ke tanah. Anda merasa bahwa tentu saja itu mustahil. Sekalipun anak panah melewati semua pepohonan dekat, pada akhirnya ia akan selalu mengenai salah satunya. Karena hutan tak terhingga luasnya, akan selalu ada sebuah pohon di jalur terbang sang panah, seberapa jauh pun pohon itu. Juga tak peduli seberapa lebat hutan itu. Seandainya Anda menebang 99% dari seluruh pohon, ini berarti anak panah akan, secara rata-rata, melesat sepuluh kali lebih jauh sebelum menjumpai sebuah batang pohon. Nah pikirkan model alam semesta sederhana yang tak terhingga, statis (tidak mengembang), dan bintang-bintangnya tersebar merata. Cahaya yang menjangkau kita dari bintang-bintang tersebut adalah seperti anak panah. Tak peduli ke manapun kita memandang langit, jika Alam Semesta adalah tak terhingga semestinya kita selalu melihat sebuah bintang di garis pandang kita. Jadi takkan ada lowong di langit di mana kita tak melihat satu bintang pun dan semestinya seluruh langit seterang permukaan Matahari, sepanjang waktu! Alam Semesta riil mungkin juga tak terhingga, tapi dalam hal lain ia tak sungguh-sungguh seperti model sederhana di atas. Pertama, bintang-bintang tidak tersebar merata tapi mengelompok di galaksi-galaksi. Ini tak jadi soal. Ini hanya berarti bahwa langit malam mestinya seterang galaksi rata-rata, yang tidak sungguh seterang permukaan bintang rata-rata tapi masih menyilaukan.
Kedua, Alam Semesta sedang mengembang. Apa ini menghasilkan perbedaan? Fisikawan telah menjalankan kalkulasi detil yang menunjukkan bahwa ini tidak memecahkan persoalan, cuma menguranginya. Lantas apa jawabannya? Dulu dianggap angkasa mungkin dipenuhi debu dan gas antarbintang yang akan menghalangi cahaya dari galaksi-galaksi jauh. Tapi jika Alam Semesta sudah ada untuk waktu yang lama, maka material ini pun akan secara perlahan memanas, akibat cahaya yang diserapnya, dan pada akhirnya akan bersinar dengan kecerlangan yang sama dengan galaksi yang dikaburkannya. Jawaban yang benar, yang akhirnya mengubur paradoks Olber, adalah bahwa Alam Semesta belum eksis untuk waktu yang lama, sehingga cahaya dari galaksi-galaksi amat jauh belum cukup sempat menjangkau kita. Jika Big Bang terjadi 15 miliar tahun silam, galaksi-galaksi yang lebih jauh dari 15 miliar tahun-cahaya (ingat satu tahun-cahaya adalah jarak yang ditempuh oleh cahaya dalam setahun) tak dapat kita lihat sebab cahaya mereka masih dalam perjalanan dan harus mencapai kita. Diakui, bahasan ini sedikit rumit akibat perluasan Alam Semesta, tapi yang bisa kita lihat di langit hanyalah sebagian kecil dari keseluruhan Alam Semesta. Ini disebut Alam Semesta Tampak dan kita tak bisa, dengan teleskop tercanggih pun, melihat melampaui horizon tertentu di angkasa. Dengan demikian, Alam Semesta Tampak (pojok kecil kita) memang punya tepi sekalipun Alam Semesta secara keseluruhan tidak. Akhirnya, kita dapat membalik paradoks Olber dan mengatakan bahwa bukti riil terjadinya Big Bang adalah malam hari gelap! Sebelum Big Bang? Salah satu pertanyaan paling populer yang diajukan oleh audiens saat saya memberi kuliah kosmologi adalah menyangkut ada apa sebelum Big Bang. Bagaimanapun, jika Big Bang benar-benar terjadi 15 miliar tahun silam, lantas apa yang menyebabkannya terjadi? Apa yang memicu kelahiran Alam Semesta kita? Di sini saya akan secara ringkas mengemukakan tiga jawaban standar terhadap pertanyaan di atas. Saya akan menyampaikannya dalam urutan terbalik (menurut pilihan pribadi). Yang pertama hanya berlaku jika Alam Semesta kita mengandung cukup materi untuk akhirnya menghentikan perluasannya. Dalam kasus ini, pada suatu hari di masa depan yang sangat jauh ia akan mulai menyusut, berakhir dalam Big Crunch. Bila ini terjadi, dan kita menganggap kekolapsan ke dalam Big Crunch tersebut sebagai pembalikan-waktu Big Bang awal, maka kedua
peristiwa ini ekuivalen. Karenanya Big Crunch Alam Semesta kita mungkin bertindak sebagai Big Bang untuk alam semesta baru yang lahir dari abu alam semesta kita. Dan jika demikian, maka Alam Semesta kita mungkin mengikuti alam semesta sebelumnya yang juga mengembang lalu kolaps. Mungkin seperti ini selamanya; alam semesta dalam jumlah tak terhingga, masingmasing mengembang lalu kolaps bergiliran. Jadi, jawaban terhadap pertanyaan “ada apa sebelum Big Bang?” adalah bahwa ada alam semesta lain, barangkali mirip dengan punya kita. Karena kini kelihatannya perluasan Alam Semesta sedang mencepat, ia takkan pernah bisa kolaps lagi. Mungkin Big Bang merupakan peristiwa sekali saja. Dalam kasus ini, kita harus mempertimbangkan jawaban yang lebih eksotis. Yang sedang mendapat popularitas di antara fisikawan yang lebih cenderung matematis adalah bahwa Alam Semesta merupakan, sebelum Big Bang, bagian dari ruang 10 dimensi (atau 11, tergantung dengan siapa Anda bicara) yang jauh lebih besar. Alam semesta ini digambarkan ‘tak stabil’, seolah ia tak yakin apa yang harus dilakukan dengan dirinya sendiri. Big Bang menyelamatkan dengan menyebabkannya ‘melompat quantum’ ke dalam status yang lebih stabil. Saat ini terjadi, 6 (atau 7) dari dimensi-dimensi itu tergulung menjadi bola luar biasa kecil dan menyisakan tiga dimensi ruang dan satu dimensi waktu yang kita punya hari ini. Uraian teoritis yang sulit dan berbelit ini sebetulnya muncul secara alami dari teori termaju, tapi pada saat yang sama terkabur, dalam fisika modern, dikenal sebagai teori superstring dan teori-M. Waktu akan mengatakan apakah keduanya ada di jalur yang benar. Jawaban terakhir, dan standar, adalah berikut. Jika teori relativitas umum Einstein benar, dan kita yakin itu benar, maka Big Bang bukan hanya menandai kelahiran Alam Semesta melainkan juga permulaan waktu sendiri. Menanyakan apa yang terjadi sebelum Big Bang mengharuskan adanya waktu untuk menyisipkan kata ‘sebelum’. Karena tak ada waktu sebelum Big Bang, pertanyaan tersebut tak masuk akal. Ringkasan Saya telah membahas banyak landasan dalam bab ini dan mungkin bermanfaat sekali meninjau ulang secara singkat beberapa ide yang telah saya diskusikan dan mengemukakan tingkat kepercayaan saya akan akurasinya. Big Bang: Yup, hampir pasti terjadi. Meski masih ada segelintir fisikawan yang menentangnya. Mereka berargumen bahwa Alam Semesta tidak memiliki
momen penciptaan melainkan sudah ada selamanya. Teori yang mereka anut dikenal sebagai teori steady teori steady state. state. Menariknya, meski ada begitu banyak bukti mendukung Big Bang, ide steady ide steady state belum state belum terkubur secara memuaskan. Perluasan Alam Semesta: Semesta: Seperti halnya Big Bang, tak ada lagi keraguan nyata soal ini. Umur Alam Semesta: Semesta: Estimasi di akhir abad 20 menetapkannya berumur 15 miliar tahun tapi angka ini masih bisa direvisi naik (atau turun saya kira). Bentuk Alam Semesta: Semesta: Kemungkinan besarnya terbuka atau flat, berdasarkan estimasi mutakhir terhadap jumlah materi yang dikandungnya dan laju perluasan saat ini. Seandainya harus memilih, saya akan mengatakan bahwa ia barangkali flat (atau hampir flat, kita takkan pernah bisa menyatakannya). Ukuran Alam Semesta: Semesta: Alam Semesta flat atau terbuka masih mungkin berukuran terhingga, tapi jauh lebih besar daripada bentangan terjauh yang bisa kita lihat. lihat . Teori-teori Teori-teori mutakhir lebih memilih tidak tak terhingga. Nasib Alam Semesta: Semesta: Tak peduli apa bentuk atau ukuran Alam Semesta, hasil-hasil terbaru yang mengukur laju perluasan berdasarkan supernova jauh, mengindikasikan kuat bahwa Alam Semesta akan mengembang selamanya dan berakhir dalam Big Freeze. Sedikit banyak, ini lebih mudah ditanggulangi bagi banyak orang, sebab setidaknya waktu akan berjalan selamanya. Membicarakan Big Bang sebagai permulaan waktu adalah satu hal, tapi Big Crunch akan menandai akhir waktu. Bukan hanya tak ada yang akan bertahan setelahnya, setelahny a, tapi kata ‘setelah’ takkan memiliki makna! Inflasi : Teori ini terlihat sungguh sehat saat ini, walaupun ada sejumlah versi berlainan. Kebanyakan mensyaratkan Alam Semesta flat, tapi sebuah teori baru yang disebut ‘inflasi terbuka’ sekarang sedang dikembangkan. Ini membuang persyaratan keflatan dan memperkenankan konsep aneh alam semesta terbuka tak terhingga yang pas di dalam ‘gelembung’ volume terhingga yang mengapung di suatu ruang eksternal.20 Antigravitasi : Pada saat ini konstanta kosmologis kembali digemari, mengindikasikan bahwa terdapat gaya tolak antigravitasi yang memisahkan materi yang mendorong perluasan Alam Semesta. Tapi kita masih belum memahami asal-usulnya.
20
Jangan salahkan saya, bukan saya saya yang menemukannya! menemukannya!
Black hole adalah lubang tutup ruang. ruang. Beavis and Butthead Ada hal-hal tersembunyi soal cahaya! cah aya! AHAYA adalah barang aneh memang. Mungkin Anda belum membuang terlalu banyak waktu untuk bertanya-tanya dari apa cahaya terbuat, kecuali kalau Anda punya latar belakang ilmiah. Tentu Anda mungkin berpikir, ia adalah sesuatu yang memancar dari objek-objek seperti Matahari, bohlam listrik, obor, lilin, api, dan sebagainya, lalu, dari apapun ia terbuat, memasuki mata kita dan kita dapat ‘melihat’ segala hal. Ketika cahaya memantul dari sebuah objek, ia mengangkut ke dalam retina kita informasi tentang bentuk dan warna objek tersebut. Tapi cahaya sendiri terbuat dari apa? Saya sudah menggambarkan bagaimana cahaya dari sebuah objek yang sedang menjauhi kita memerah akibat peregangan panjang gelombang cahaya. Ini mengimplikasikan bahwa ia bukan terbuat dari material fisik yang bisa kita sentuh. Nyatanya, kita diajari di sekolah bahwa ia hanyalah gelombang energi periodik yang berosilasi, seperti gelombang suara atau riakan di permukaan kolam saat batu dilemparkan. Semua eksperimen yang Anda lakukan di lab sains sekolah mungkin telah mengkonfirmasikan ini. Gelombang cahaya memantul cermin, terfokus lewat lensa, dan terpecah menjadi warna-warna pelangi, dikenal sebagai spektrum cahaya tampak (saat cahaya matahari melewati prisma). Beberapa eksperimen cahaya ini bisa sangat menyenangkan, dan saya ingat menikmati pembangunan kamera boks saat kanak-kanak dan mencoba memahami bagamana sinar cahaya yang melewati lubang peniti kecil di sisi boks masih dapat menghasilkan citra (terbalik) di bagian belakang. Untungnya bagi mereka yang memiliki ambang kebosanan lebih rendah dibanding fisikawan rata-rata, cahaya ternyata hampir tidak semembosankan dan sesederhana yang diajarkan di sekolah. Nyatanya, ia begitu aneh sampai-
C
sampai semua guru sains menandatangani sebuah dokumen rahasia di mana mereka bersumpah takkan pernah membocorkan sifat sejati cahaya kepada anak-anak polos dan tak menaruh curiga. Saat tumbuh dewasa, anak-anak takkan berminat sama sekali atau langsung saja menolak percaya bahwa sesuatu yang familiar dalam kehidupan sehari-hari semisal cahaya bisa menyembunyikan begitu banyak misteri dan begitu fundamental bagi kerja Alam Semesta. Oke, saya akui bahwa perjanjian rahasia jahat yang ditandatangani oleh guru-guru sekolah terdengar seperti sesuatu yang keluar dari kisah Roald Dahl21. Tentu saja tak ada konspirasi global untuk menyembunyikan sifat sejati cahaya, tapi saya serius saat berkata bahwa ada hal-hal tersembunyi soal cahaya! Suara adalah contoh sederhana gelombang. Sebuah objek dikatakan menghasilkan suara jika membuat molekul udara di sekelilingnya bervibrasi. Molekul-molekul ini bertubrukan dengan molekul-molekul lain di dekatnya yang membuat mereka bergerak sehingga mencapai telinga kita. Molekul udara di dalam telinga kemudian membuat gendang telinga bervibrasi, lalu otak kita menerjemahkan vibrasi ini menjadi sesuatu yang kita kenal sebagai suara. Tapi kita tak bisa mengatakan bahwa suatu ‘zat’ materil telah berjalan dari objek penghasil suara menuju telinga kita. Cahaya jauh lebih dari sekadar ini. Di Bab 6 saya akan mengungkap bagaimana cahaya sangat fundamental bagi sifat dasar ruang dan waktu. Fisikawan David Bohm menyimpulkan bahwa “saat kita tiba pada persoalan cahaya, kita tiba pada aktivitas fundamental di mana eksistensi mempunyai landasannya.” Untuk sekarang, dan untuk tujuan pembahasan black hole, hole, mari kita selidiki dari apa a pa sebetulnya cahaya tersusun. Isaac Newton tegas percaya, berlandaskan eksperimen prismanya yang terkenal, bahwa cahaya tersusun dari searus partikel-partikel kecil yang dia sebut corpuscle corpuscle (sel darah). Ini jelas, klaimnya, sebab cahaya hampir pasti tidak berperilaku seperti gelombang suara. Sinar cahaya selalu berjalan dalam garis lurus (penekukan cahaya akibat gravitasi belum ditemukan saat itu) dan membentuk bayangan tajam. Gelombang suara berjalan mengitari rintangan dan dapat dengan mudah menekuk. Gelombang suara membutuhkan medium untuk berjalan; zat materil yang tersusun dari atom yang, dengan berosilasi, mengangkut energi dan frekuensi suara. Inilah alasannya alas annya mengapa poster iklan 21
Penulis buku cerita anak—penj. anak—penj.
film Alien Alien memuat tulisan, yang sungguh tepat, ‘Di angkasa, tak ada yang dapat mendengar jeritan Anda’, sebab di angkasa tak ada udara untuk mengangkut gelombang suara. Cahaya, di sisi lain, sama sekali tak begini dan jelas tak kesulitan berjalan di ruang hampa. Atas alasan ini Newton yakin bahwa teori partikel cahayanya benar. Tapi tidak semua orang merasa yakin, dan perlu lebih dari seabad untuk munculnya bukti jelas bahwa teori Newton bukanlah keseluruhan cerita. Di awal abad 19, Thomas Young menemukan bahwa penyebab cahaya tidak terlihat menekuk adalah karena efeknya begitu kecil. Panjang gelombang cahaya begitu pendek dibandingkan gelombang suara sehingga besaran penekukan, disebut difraksi, sulit dideteksi. Namun demikian, Young mencapai ini dengan mengirimkan cahaya lewat celah amat sempit dan menunjukkan bahwa, saat mengenai layar di sisi lain, ia membentuk sederet rumbai terang dan gelap sedemikian rupa sehingga mustahil untuk dijelaskan seandainya cahaya tersusun dari partikel. Rumbai-rumbai interferensi semacam itu, demikian mereka dikenal hari ini, dijelaskan dalam setiap buku teks fisika sebagai sesuatu yang diakibatkan oleh cara puncak dan palung gelombang cahaya dari kedua celah memperkuat dan menghapuskan. Kita telah mengamati efek ini di sekolah, dengan tingkat ketertarikan beragam, dalam eksperimen tangki riak. riak . Jadi apakah Newton keliru? Apakah cahaya merupakan gelombang, bukan searus partikel kecil? Di akhir abad 19, interpretasi Young bahwa cahaya adalah gelombang dikonfirmasikan ketika fisikawan Skotlandia, James Clerk Maxwell, mengembangkan set persamaan yang menunjukkan bahwa semua cahaya yang kita lihat adalah sebentuk radiasi elektromagnetik, yang kita ketahui sekarang mencakup bentuk-bentuk lain seperti gelombang radio, gelombang mikro, sinar X, inframerah, dan radiasi ultraviolet. Ternyata cahaya tersusun dari kombinasi medan listrik dan magnet, bervibrasi secara siku-siku terhadap satu sama lain, yang dapat berjalan di ruang hampa. Jadi bagaimanapun juga cahaya adalah gelombang. Apakah ini akhir cerita? Masih jauh sekali. Sertakan Albert Einstein, yang memenangkan hadiah Nobel dalam fisika berkat paper yang dia tulis pada 1905—yang, herannya, tak ada kaitan sama sekali dengan teori relativitasnya. Paper itu itu menjelaskan sesuatu yang disebut efek fotolistrik dan membuktikan bahwa Newton tidak keliru sama sekali. Cahaya pada level paling fundamentalnya tersusun dari entitas amat kecil yang disebut photon disebut photon..
Lantas bagaimana dengan rumbai interferensi Young? Dan bagaimana dengan gelombang elektromagnetik Maxwell? Apa yang sedang terjadi di sini? Tentu cahaya harus memutuskan dari apa dirinya terbuat: gelombang atau partikel? Sudah ada banyak buku yang menjelaskan apa yang sedang terjadi. Ternyata cahaya memang menderita schizofrenia. Terkadang ia berperilaku seperti gelombang periodik dan lain kali seperti searus partikel. Tergantung tipe eksperimen yang kita lakukan! Jika Anda tak suka ini, sayang sekali. Saya katakan cahaya memang aneh. Teori yang menggambarkan aturan perilaku cahaya dikenal sebagai QED, singkatan dari quantum electrodynamics (elektrodinamika quantum), dan dikembangkan oleh, di antaranya, fisikawan Amerika Richard Feynman di akhir 1940-an. QED sendiri, sebagaimana tersirat dari namanya, diperoleh dari teori yang jauh lebih luas dalam fisika modern yang disebut mekanika quantum, quantum, yang tak hanya menggambarkan perilaku cahaya tapi juga semua materi dan energi pada level paling fundamentalnya (level atom dan lebih kecil). Mekanika quantum dikembangkan pertengahan 1920-an oleh sejumlah fisikawan Eropa, termasuk Einstein. Mekanika quantum menggambarkan bagaimana sebuah atom dapat berada di dua tempat berbeda pada waktu yang sama, dan bagaimana partikel-partikel amat kecil dapat secara spontan muncul entah dari mana kemudian lenyap lagi dengan cepat. Semua fisikawan top dunia sependapat bahwa jika seseorang tidak gelisah dengan penjelasan mekanika quantum soal dunia yang kita tinggali maka dia barangkali tidak betul-betul memahami mekanika quantum. Terlepas dari ini, ia telah menjadi penemuan ilmiah paling sukses dan penting di abad 20. Mekanika quantum menopang seluruh ilmu kimia modern dan seluruh elektronika modern. Tanpanya, kita takkan mampu memahami struktur kristal, atau menemukan laser atau chip silikon. Tanpa pemahaman aturan mekanika quantum, takkan ada televisi, komputer, microwave microwave,, pemutar CD, jam digital, dan banyak lagi yang kita anggap biasa di zaman teknologi kita. Untuk sekarang, kita akan meninggalkan pembahasan cahaya dengan sebuah kutipan dari Einstein tahun 1951 (empat tahun sebelum ia meninggal): “Selama lima puluh tahun memikirkan hal ini belum membawa saya lebih dekat menuju jawaban terhadap pertanyaan ‘Apa quantum cahaya [photon]?’ Hari ini setiap orang berpikir dirinya tahu, padahal mereka keliru.” keliru. ”
Setelah memberi Anda pengenalan singkat mengenai sifat cahaya, saya bisa mulai membahas atribut black hole. Bintang tak tampak Untuk memulai kisah kita tentang black hole, kita harus mundur dua ratus tahun ke penghujung abad 18, sebab saat itulah ilmuwan pertama kali menyadari bahwa black hole mungkin eksis. Ketika itu, black hole dikenal sebagai bintang tak tampak dan eksistensinya menyusul secara logis dan beralasan dari kombinasi hukum gravitasi Newton dan teori partikel cahayanya. Hingga belakangan, dianggap bahwa orang pertama yang memprediksi eksistensi black hole adalah matematikawan dan astronom terkenal Prancis, Pierre Laplace, pada 1795. Kini jelas bahwa dia kalah oleh geolog Inggris bernama John Michell, yang merupakan kepala Gereja Thornhill di Yorkshire. Michell dianggap sebagai bapak seismologi dan merupakan orang pertama yang menjelaskan, menyusul gempa Lisbon tahun 1755, bahwa gempa berawal sebagai hasil tekanan gas dari air mendidih akibat panas vulkanis. Dia juga menguraikan bahwa gempa bisa dimulai di bawah dasar laut dan bahwa Lisbon merupakan contohnya. Ide-idenya mengenai pembentukan black hole di ruang angkasa disampaikan kepada Royal Society of London pada 1783. Michell maupun Laplace mendasarkan argumen serupa mereka pada ide kecepatan pelarian. Baru-baru ini saya menonton dokumenter di televisi tentang para pembuat roket amatir. Orang-orang ini mendalami hobinya secara serius dan mengadakan kompetisi untuk melihat roket mana yang dapat mencapai ketinggian tertinggi sebelum gravitasi Bumi menariknya kembali. Persoalannya adalah, tentu saja, roket perlu mencapai kecepatan pelarian sebelum dapat lepas dari tarikan Bumi dan mencapai angkasa luar. Yang mengejutkan, angkasa tidak betul-betul sejauh itu—sekitar dua jam perjalanan mobil jika kita mampu naik lurus. Hanya saja, berapapun kecepatan sebuah objek saat berangkat, gravitasi akan segera mulai memperlambatnya, jadi ia harus berangkat dengan cukup cepat untuk memperhitungkan pelambatan ini. Ingat, gaya gravitasi menjadi semakin lemah seiring bertambahnya jarak, jadi roket tak perlu berjalan sangat cepat setelah mencapai ketinggian tertentu. Prakteknya, roket hanya memasuki orbit secara berangsur-angsur, dengan menyalakan mesin dalam tahapan berturut-turut.
Kecepatan pelarian di permukaan Bumi adalah 11 km/detik (atau 40.000 km/jam). Di bulan, kecepatan pelariannya sedikit di atas 2 km/detik, ini menjadi alasan mengapa misi Lunar Modules Apollo tidak memerlukan mesin roket demikian besar untuk meninggalkan bulan dan pulang ke Bumi. Kecepatan pelarian di Matahari adalah 620 km/detik. Inilah angka yang dikerjakan Michell, berdasarkan ukuran dan densitas Matahari. Dia juga tahu angka lain dengan suatu akurasi: kecepatan cahaya, yang telah diukur seabad sebelumnya, dan yang 500 kali lebih besar daripada kecepatan pelarian Matahari. Oleh karena itu Michel mengkalkulasi bahwa sebuah bintang yang 500 kali lebih besar daripada Matahari, tapi berdensitas sama, akan mempunyai kecepatan pelarian yang setara dengan kecepatan cahaya.22 Michell mengikuti kebijaksanaan konvensional di masa itu; kebijaksanaan Isaac Newton, dan percaya bahwa cahaya tersusun dari partikelpartikel. Karenanya teriring pula bahwa cahaya semestinya dipengaruhi oleh gravitasi seperti halnya objek lain. Tapi bintang yang berdensitas sama dengan Matahari, namun 500 kali lebih besar, akan memiliki kecepatan pelarian yang melampaui kecepatan cahaya, sehingga partikel-partikel cahaya takkan cukup cepat untuk melepaskan diri dari tarikan gravitasinya. Bintang semacam itu, karenanya, pasti tampak hitam bagi dunia luar. Nyatanya, ia tak tampak! Michell telah menjelaskan bagian ‘black ’-nya tapi kita harus melangkah cepat ke abad 20 untuk memahami apa arti ‘hole’-nya. Bagaimanapun juga, sebuah bintang tak tampak, sebagaimana dijelaskan oleh Michell dan Laplace, betul-betul tidak menarik. Nyatanya, penggunaan ide kecepatan pelarian untuk menjelaskan black hole sedikit mirip dengan mengatakan bahwa Big Bang hanyalah ledakan besar materi dan energi, itu saja. Sebagaimana saya jelaskan di bab sebelumnya, Big Bang tidak terjadi di suatu tempat di ruang dan di suatu titik di waktu melainkan mencakupi ruang dan waktu di dalamnya sedemikian rupa sehingga sangat sulit bagi kita untuk diraba. Demikian halnya, black hole lebih dari sekadar gumpalan besar dan rapat bintang mati yang gravitasinya terlampau kuat untuk meloloskan cahaya. Nyatanya, black hole, secara mengherankan, berbeda dari bintang tak tampak milik Michell. Sebagai permulaan, bintang hitam Michell adalah objek padat dengan suatu ukuran definitif. Black hole, sebagaimana kita pahami hari ini, terdiri dari ruang yang 22
Perhatikan, saya menggunakan istilah velocity dan speed dalam kalimat yang sama. Keduanya memiliki arti yang sama di sini dan penggunaan keduanya murni hanya soal kebiasaan. Ada perbedaan teknis antara keduanya, tapi itu tak perlu kita risaukan.
hampir hampa sama sekali! Nyatanya, ia benar-benar lubang di ruang, yang di dalamnya atribut ruang dan waktu berganti sama sekali. Dan walaupun kita belum pernah bertatap muka dengan black hole, kita punya ide kasar seperti apa rasanya jatuh ke dalamnya (sangat tidak menyenangkan). Alasan atas keyakinan ini adalah kepercayaan kita terhadap teori relativitas umum Einstein. Sebab jika relativitas umum benar, dan sejauh ini kita tak punya alasan untuk meragukannya, ia menyiratkan bahwa black hole tak hanya eksis di Alam Semesta kita tapi juga merupakan konsekuensi tak terelakkan dari gravitasi versi Einstein. Salah seorang pakar relativitas umum terkemuka di dunia, Kip Thorne, beranjak jauh dengan menyatakan bahwa “hukum fisika modern sebenarnya menuntut eksistensi black hole”. Kita terputus di akhir Bab 2 setelah menggambarkan secara singkat apa yang terjadi pada bintang yang jauh lebih masif daripada Matahari ketika kehabisan bahan bakar nuklirnya. Setelah menyelesaikan perjalanan bergelombang—tapi saya harap menyegarkan—mengarungi beberapa ide dalam kosmologi di bab yang lalu, sekarang kita siap melihat lebih detil bagaimana dan mengapa persisnya black hole terbentuk. Ingat, pandangan gravitasi Einstein berkaitan dengan kelengkungan ruang, dan semakin kuat medan gravitasi sebuah benda masif, ruang di sekelilingnya semakin melengkung dan terdistorsi. Saat sebuah bintang besar meledak sebagai supernova, ia akan sering menggugurkan sebagian besar massanya ke angkasa dan menyisakan inti bintang neutron yang tak lagi punya cukup massa untuk kolaps lebih jauh. Di dalam objek serapat itu, materi terpadatkan begitu ketat sampai-sampai atomatom pun tidak dapat memelihara identitas awal mereka. Pada materi normal, misalnya benda-benda yang ada di sekeliling kita, termasuk diri kita, atomatom sendiri hampir merupakan ruang hampa meski begitu kecil. Mereka tersusun dari inti kecil yang dikenal sebagai nukleus atom yang dikelilingi oleh elektron-elektron yang ukurannya lebih kecil lagi. Hukum mekanika quantum mengatur bagaimana elektron-elektron ini berperilaku di dalam atom dan menjelaskan mengapa mereka menjaga jarak dari nukleus. Di dalam bintang neutron, gravitasi begitu kuat sehingga atom-atom teremas merapat dan elektron-elektron terperas menuju nukleus. Hukum mekanika quantum menyatakan bahwa kini akan ada tekanan keluar yang mencegah bintang neutron kolaps lebih jauh akibat bobotnya sendiri.
Bagaimana jika, setelah sebuah bintang menggugurkan sebagian massa dalam peristiwa supernova, inti sisanya masih di atas suatu massa kritis (kirakira tiga kali massa Matahari)? Nah, objek amat kompak berdensitas bintang neutron pun tidak cukup ‘padat’. Materinya tidak punya cukup tekanan internal untuk menahan penyusutan gravitasi lebih jauh. Nyatanya bintang tersebut tak punya pilihan selain terus kolaps. Bukannya melambat, kekolapsan gravitasi sebetulnya mencepat. Ini seperti bola yang menggelinding di puncak bukit. Sekali ia melewati titik tertinggi dan mulai menggelinding turun di sisi lain, ia hanya akan semakin cepat dan cepat. Pertanyaannya adalah, apa yang terjadi selanjutnya? Tentu kekolapsan harus berhenti di suatu tempat? Bintang terperas semakin kecil, seiring semakin terpadatkannya materi di dalamnya. Kita sekarang tahu bahwa kecepatan pelarian dari permukaan sebuah bintang tergantung pada massa maupun ukurannya. Jadi kita tak memerlukan bintang yang memiliki densitas sama dengan Matahari dan yang 500 kali lebih besar untuk mempunyai kecepatan pelarian melampaui kecepatan cahaya. Kita bisa mencapai hasil yang sama jika Matahari sendiri dapat diperas hingga berdiameter beberapa kilometer saja sebab dengan begitu, meski memiliki massa yang sama (jumlah material awal yang sama) dengan sebelum diperas, ia kini jauh lebih padat. Densitas demikian akan sangat lebih besar daripada densitas bintang neutron sekalipun (yang tipikalnya memiliki kecepatan pelarian sekitar setengah kecepatan cahaya) dan akan terus kolaps lebih jauh untuk membentuk black hole. Jadi, argumen Michell dan Laplace bahwa sebuah bintang yang sedang kolaps pada akhirnya akan lenyap dari pandangan semestinya juga berlaku untuk bintang yang sedang kolaps yang densitasnya lebih besar daripada harga kritis untuk bintang neutron. Bagaimanapun juga, kita ingin tahu apa yang bisa menghentikan kekolapsan gravitasi tak terkendali sebuah objek semacam itu, sekalipun kita tak bisa lagi ‘melihat’ apa yang sedang terjadi. Petunjuknya ada dalam fakta bahwa Michell dan Laplace memakai gravitasi versi Newton bukan versi Einstein. Di Bab 2, perbedaan utama antara gravitasi Newtonian dan gravitasi Einsteinian adalah sebagaimana penafsirannya. Newton menggambarkan gravitasi sebagai gaya tarik di antara dua objek, sedangkan Einstein mengatakan bahwa itu merupakan pelengkungan ruang di sekeliling objek akibat massanya, yang menyebabkan objek lain di dekatnya menggelinding menuju lekukan ruang di sekeliling objek pertama sehingga bergerak mendekatinya. Tapi tentu hasil akhirnya sama
bagaimanapun kita memilih menafsirkannya? Ternyata tidak demikian. Sekali gravitasi menjadi sangat kuat (sebagaimana di sekitar sebuah bintang masif yang sedang kolaps), gravitasi versi Einstein mulai menyimpang secara radikal dari gravitasi Newton. Nyatanya, gravitasi Newton dikatakan hanya tepat secara kira-kira. Ia bekerja dengan baik di medan gravitasi lemah Bumi, tapi untuk memahami black hole kita harus membuangnya sama sekali. Segera setelah Einstein menyelesaikan teori relativitas umumnya pada 1915, dia mulai mencoba memecahkan persamaan medannya. Persamaanpersamaan ini merupakan perwujudan rumit (tapi menawan secara matematis) idenya mengenai hubungan antara materi, ruang, dan waktu. Tapi penulisan persamaan-persamaan itu baru separuh pertempuran. Persamaanpersamaan itu kemudian harus diterapkan pada situasi dan skenario tertentu yang tak sekadar melibatkan ‘penaruhan’ angka ke dalam rumus, tapi juga melibatkan halaman demi halaman aljabar yang rumit dan membosankan. Ini sangat kontras dengan matematika gravitasi Newtonian, yang begitu sederhana sehingga diajarkan di sekolah. Solusi tepat pertama atas persamaan relativitas umum Einstein didapat oleh astronom Jerman bernama Karl Schwarzschild. Dia menyelesaikan kalkulasinya saat berada di atas ranjang kematiannya, setelah mengidap penyakit kulit tak tersembuhkan selama Perang Dunia I, dan hanya beberapa bulan setelah Einstein mempublikasikan karyanya. Solusi Schwarzschild, sebagaimana sekarang dikenal, menggambarkan atribut ruang dan waktu akibat medan gravitasi di sekeliling bulatan konsentrasi massa. Baru kemudian disadari bahwa hasil Schwarzschild mengandung deskripsi black hole di ruang. Nyatanya, baru pada 1967-lah fisikawan Amerika John Wheeler pertama kali menciptakan frase ‘black hole’ yang sejak saat itu telah menangkap imajinasi masyarakat dengan begitu spektakuler. Di luar horizon Solusi Schwarzschild atas persamaan Einstein menyatakan bahwa saat sebuah benda yang cukup masif kolaps akibat bobotnya sendiri, ia akan mencapai ukuran kritis yang selebih ukuran ini tidak ada yang dapat menghentikannya dari kekolapsan lebih jauh, tak peduli seberapa teremas ia. Ini adalah ukuran yang, menurut gravitasi Newtonian dan sebagaimana dikalkulasi oleh Michell, harus dimiliki bintang agar kecepatan pelarian setara dengan kecepatan cahaya. Tapi ada perbedaan besar dalam relativitas.
Jika kita hanya menggunakan aturan gravitasi Newtonian maka, asalkan tekanan internal bintang kolaps cukup kuat, tak ada alasan mengapa ia tak bisa berhenti kolaps pada, atau melebihi, ukuran kritis ini. Itu hanya tergantung pada tahapan di mana molekul, atom, atau bahkan partikel subatom mengatakan, “cukup, kami takkan sanggup terhadap pemampatan lebih jauh lagi.” Gaya gravitasi menurut Newton tumbuh dalam apa yang secara matematis dikenal sebagai “hubungan kuadrat terbalik dengan jarak”. Ini artinya jika sebuah bintang kolaps hingga radiusnya separuh harga awalnya maka gaya gravitasi terhadap permukaannya akan empat kali lebih kuat. Jika ia kolaps menjadi sepertiga radius awalnya maka gravitasi akan 9 kali lebih kuat, jika kolaps menjadi seperempat harga awalnya maka gravitasi akan 16 kali lebih kuat, dan seterusnya. Seiring radius semakin kecil, gaya gravitasi semakin besar. Seandainya memungkinkan seluruh massa bintang diperas hingga seukuran persis nol (kini beradius nol), maka gaya gravitasi akan tak terhingga. Relativitas umum mengatakan sesuatu yang amat berbeda. Seandainya sebuah bintang kolaps hingga suatu ukuran kritis, sehingga kecepatan pelariannya setara dengan kecepatan cahaya, maka gaya gravitasi terhadap permukaannya akan tak terhingga! Maksud saya gaya yang dibutuhkan untuk menghentikannya kolaps lebih lanjut akan tak terhingga. Radius ukuran kritis disebut radius Schwarzschild dan menandai batas black hole. Kita sekarang paham bahwa kekolapsan pasti berlanjut melampaui radius ini. Jika Anda cenderung matematis23, Anda mungkin penasaran24 bagaimana mungkin gaya ini tak terhingga pada radius Schwarzschild dan tumbuh lebih kuat lagi setelah bintang kolaps lebih jauh. Bagaimana sesuatu bisa lebih besar daripada tak terhingga?! Jawabannya terdapat dalam pembahasan objek jatuh bebas (Bab 2). Ingat, saat Anda jatuh bebas, katakanlah di ujung tali bungy jump (dan sebelum mencapai tanah), percepatan Anda menghapuskan efek gravitasi dan Anda tidak merasakan suatu tarikan gravitasi. Demikian halnya, saat permukaan bintang kolaps melewati radius kritisnya, ia sedang jatuh bebas, dan permukaannya tidak merasakan tarikan gravitasi interior bintang. Inilah mengapa bintang tersebut tak bisa berhenti pada radius kritis sebab sekarang mustahil untuk menghentikannya kolaps lebih jauh. Dalam radius Schwarzschild, tak ada—bukan cuma cahaya—yang dapat meloloskan diri. Bayangkan sebuah bola yang memiliki radius setara dengan 23 24
Jangan khawatir jika tidak. Jangan khawatir jika Anda tidak cenderung matematis dan tidak penasaran!
radius Schwarzschild dan melingkungi bintang kolaps. Permukaan spheris imajiner demikian dikenal sebagai horizon peristiwa dan merupakan batas artifisial di ruang yang menandai point of no return (titik di mana kita tak dapat kembali darinya—penj). Di luar horizon, gravitasi sangat kuat tapi terhingga dan memungkinkan bagi objek untuk lolos dari tarikannya. Tapi sekali berada dalam horizon, sebuah objek harus berjalan lebih cepat daripada cahaya untuk meloloskan diri, dan ini tak diperkenankan. Jadi konsep horizon peristiwa agak tak menyenangkan, dalam arti ia hanya memperkenankan perjalanan searah. Horizon peristiwa adalah nama yang pantas sebab bisa disamakan (secara longgar) dengan pengertian lazim ‘horizon’ di Bumi. Horizon adalah garis artifisial yang menandai jarak terjauh yang bisa kita lihat dan tampak sebagai tempat di mana tanah bertemu dengan langit. Kita paham bahwa batas ini diakibatkan oleh kelengkungan Bumi dan, karena cahaya berjalan kurang-lebih dalam garis lurus dekat permukaan Bumi, kita tak mampu melihat melampauinya. Demikian halnya, horizon black hole menandai batas yang melebihinya kita tak bisa melihat ‘peristiwa’ apapun. Tapi tak seperti horizon di Bumi yang terus-menerus mundur begitu kita mendekatinya, horizon peristiwa black hole adalah tetap dan kita bisa mendekatinya sedekat mungkin kita suka, dan bahkan melewatinya jika kita cukup nekad. Semua benda punya horizon peristiwa potensialnya sendiri dengan radius Schwarzschild-nya sendiri. Bumi pun bisa dibuat menjadi black hole, tapi karena tidak memiliki cukup massa untuk kolaps sendiri, ia harus diperas dari luar. Jangan tanya saya bagaimana, saya cuma bilang bahwa jika ia bisa diperas cukup keras maka akhirnya ia akan melewati horizon peristiwanya sendiri, yang begitu itu terjadi kekolapsannya akan terus berlangsung. Radius Schwarzschild Bumi kurang dari setengah centimeter, artinya suatu black hole yang memiliki materi sebanyak di planet kita akan seukuran kacang polong. Sekali bintang kolaps menyusut melewati horizon peristiwanya, tak ada yang dapat menghentikannya terus kolaps lebih jauh sampai seluruh massanya tergumal menjadi satu titik. Ini disebut singularitas dan merupakan entitas yang amat aneh memang. Nyatanya begitu aneh sampai-sampai hukum fisika yang bekerja—setahu kita—sempurna di area lain (menggambarkan perilaku partikel subatom terkecil hingga atribut keseluruhan Alam Semesta) mogok dalam persoalan singularitas black hole. Karenanya sungguh melegakan bagi Alam Semesta di luarnya bahwa horizon peristiwa memperisai kita dari benda seganjil itu.
Tanpa horizon peristiwa, siapa yang tahu bagaimana singularitas akan merusak hukum fisika di luar black hole. Nyatanya, horizon tersebut begitu penting sampai-sampai fisikawan telah menemukan hukum penyensoran kosmik yang terdengar hebat yang, mereka harap, berlaku di setiap tempat di alam. Hukum ini bertindak seperti Mary Whitehouses 25 kosmologi yang menjaga Alam Semesta dari chaos, ketakterprediksian, dan ketakterhinggaan singularitas. Lantas apa bunyi hukum ini? Sungguh sederhana: “Kau tak boleh memiliki singularitas telanjang.” Anda harus camkan bahwa pernyataan sindiran ini betul-betul hanya hipotesis dan mungkin ternyata, dalam setidaknya skenario teoritis tertentu, tidak berlaku. Contoh, diklaim bahwa black hole yang amat kecil, lebih kecil daripada atom, mungkin pernah tercipta persis setelah Big Bang dan lambat-laun menguap lewat proses yang dikenal sebagai radiasi Hawking (yang akan kita simak di bab berikutnya). Beberapa kalkulasi telah menunjukkan bahwa mungkin yang tersisa di akhir penguapan ini adalah singularitas telanjang. Namun, ini sama sekali tidak jelas. Menurut persamaan-persamaan relativitas umum, singularitas adalah tempat di mana materi memiliki densitas tak terhingga, ruang melengkung tak terhingga, dan waktu berakhir. Ada miskonsepsi umum bahwa waktu berakhir di horizon peristiwa. Ini akibat apa yang dilihat oleh pengamat jauh saat mereka menyaksikan sesuatu jatuh ke dalam black hole. Saya akan mengurus ini nanti, untuk sekarang saya ingin kembali ke singularitas yang menandai akhir waktu. Membangkitkan ingatan? Pasti. Ini persis sama dengan cara saya menggambarkan Big Bang. Hanya saja Big Bang menandai permulaan waktu, bukan akhir waktu. Terlepas dari itu, kedua kasus ini luar biasa mirip di mana Big Bang merupakan induk semua singularitas; singularitas telanjang sebagai tambahan. Kembali ke black hole dan interiornya yang, sebagaimana ditetapkan oleh horizon peristiwa, sama sekali merupakan ruang hampa, terlepas dari singularitas di pusatnya (dan terlepas dari suatu materi yang telah ditangkap oleh sang lubang dan jatuh masuk). Alasan mengapa singularitas memiliki densitas tak terhingga dapat dipahami jika kita memikirkan bagaimana kita mengkalkulasi densitas sebuah objek. Rasio massa:ukuran. Jadi, jika objek 25 Mary
Whitehouse adalah sekretaris kehormatan National Viewers and Listeners Association di Inggris dan telah berkampanye selama bertahun-tahun untuk ‘membersihkan’ media ini dan lainnya dengan mengembalikan tayangan seks yang lebih ‘seimbang’ dalam program-program untuk keluarga.
bermassa tertentu memiliki ukuran nol maka untuk memperoleh densitasnya kita harus membagi sebuah bilangan non-nol dengan nol. Dan ini, percayalah, adalah sesuatu yang amat tidak menyenangkan untuk dilakukan dalam matematika. Coba saja sendiri. Bagi suatu bilangan dengan nol memakai kalkulator saku. Kalkulator saya menghasilkan lambang ‘-E-‘ yang merupakan singkatan dari ‘error’ sebab kalkulator sederhana tidak sanggup menanggulangi bilangan tak terhingga. Komputer workstation yang saya pakai untuk riset di universitas juga tidak sanggup. Jika ia menjumpai pembagian dengan nol, program yang dijalankannya langsung crash. Setidaknya itu memberi saya manfaat, yaitu memberitahu saya di mana permasalahan kodenya. Namun, ternyata singularitas tidak separah ini. Ketika kita menerapkan aturan mekanika quantum, sebagaimana seharusnya pada level ini, kita menemukan bahwa singularitas memiliki ukuran amat kecil (jauh lebih kecil daripada atom) tapi non-nol . Banyak detil fisika masih harus diatasi, sebab penerapan aturan mekanika quantum secara bersamaan dengan aturan relativitas umum adalah sesuatu yang belum seorangpun tahu cara melakukannya dengan benar. Karenanya, black hole sangatlah sederhana dalam hal struktur. Ia memiliki pusat (singularitas) dan permukaan (horizon peristiwa). Yang lainnya hanya gravitasi. Tentu saja yang membuat black hole begitu mengagumkan adalah cara gravitasinya yang dahsyat mempengaruhi ruang (dan waktu26) di dekatnya. Sebuah lubang yang tak pernah bisa diisi Sejauh ini, saya telah menggambarkan pembentukan black hole dari segi kekolapsan gravitasi. Tapi kita telah belajar bahwa pandangan gravitasi Einstein adalah dari segi kelengkungan ruang. Black hole bisa juga digambarkan dengan cara ini. Pikirkan contoh yang saya gunakan di Bab 2, penaruhan sebuah objek berat di tengah-tengah tilam karet yang menyebabkannya melentur akibat bobot tersebut. Lobang di tilam ini ekuivalen dengan lengkungan ruang 26 Penggemar
teori relativitas dan black hole mungkin saat ini bertanya-tanya mengapa saya menghindari pembahasan waktu dan bagaimana ia dipengaruhi oleh gravitasi menurut Einstein. Saya sadar bahwa cara tradisional mengajarkan fisika black hole ada dalam deskripsi terpadu lengkungan ruang dan waktu. Memang akan sangat sulit bagi saya menggambarkan apa yang terjadi seandainya kita jatuh ke dalam black hole tanpa membahas bagaimana persepsi waktu kita berubah. Namun seluruh konsep waktu telah begitu direvolusi oleh karya Einstein sehingga ia patut diperkenalkan secara lebih seksama dan lemah-lembut bagi non-fisikawan. Karenanya saya akan, sebisa mungkin, menunda pembahasan sifat waktu, di dalam dan di luar black hole, sampai saatnya nanti.
akibat pengaruh benda masif. Jika benda jauh lebih berat, lobang akan lebih dalam. Black hole dapat disamakan dengan kasus ketika sebuah objek amat berat, tapi berukuran titik, menyebabkan karet (ruang) melengkung dan menciut menjadi lubang yang dalam tak terhingga berbentuk kerucut. (gambar 4.1). Horizon peristiwa di sini dapat disamakan dengan lingkaran di suatu tempat di dalam pinggiran lubang tak berdasar ini, yang melebihinya kita takkan bisa melepaskan diri.
Gambar 4.1. Black hole di ruang 2D. Ada dua observasi menarik yang bisa kita lakukan di sini berdasarkan gambar sederhana ini. Pertama, black hole tak pernah bisa disumbat atau diisi dengan materi. Semakin banyak materi yang dituangkan ke dalamnya, semakin besar black hole jadinya. Ia akan makan dan tumbuh. Kedua, ukuran black hole, sebagaimana diukur menurut volume di dalam horizon peristiwanya, sebetulnya hanya ukuran yang dilihat oleh pengamat luar. Sebagai contoh, black hole yang terbentuk oleh kekolapsan sebuah bintang yang sepuluh kali massa Matahari akan memiliki radius Schwarzschild 30 kilometer, menjadikan black hole tersebut kurang-lebih seukuran kota besar. Tentu saja, seorang pengamat luar bagaimanapun juga tidak bisa melihat melampaui horizon peristiwa dan karenanya tak bisa
mengetahui seperti apa keadaan di dalamnya. Tapi jika ruang di dalam horizon membentuk lubang yang dalam tak terhingga maka jarak dari horizon ke singularitas semestinya juga tak terhingga. Kenyataannya, dan sebagaimana akan saya gambarkan nanti, seandainya Anda jatuh ke dalam black hole maka Anda hanya perlu waktu amat pendek untuk mencapai singularitas sebab ruang dan waktu menjadi rusak di dalam horizon dan seseorang tidak dapat memakai aturan sederhana semisal kecepatan = jarak dibagi waktu. Dari luar, semua black hole bermassa sama terlihat identik; kita tak mampu mengetahui apapun tentang objek yang menciptakan black hole, bahkan tak tahu komposisi awal kimiawinya. Semua informasi itu telah lenyap dari Alam Semesta kita selama-lamanya. William J. Kaufmann mengemukakan poin ini secara gamblang dalam bukunya yang hebat, Universe. Dia mempertimbangkan dua black hole hipotetis—satu dihasilkan oleh kekolapsan gravitasi besi seukuran 10 massa surya dan satunya lagi oleh mentega kacang seukuran 10 massa surya. Sekali mereka berdua kolaps melampaui horizon peristiwa, mereka menjadi identik dan kita tak mampu mengatakan black hole mana yang terbentuk dari besi atau mentega kacang. Miskonsepsi umum menyangkut black hole adalah bahwa ia akhirnya akan melahap habis segala sesuatu di Alam Semesta. Ini tak benar. Gravitasi berperilaku relativistik di kawasan di mana prediksi versi Einstein menyimpang radikal dari prediksi gravitasi Newtonian. Contoh, black hole beradius Schwarzschild 30 kilometer hanya akan menyebabkan medan gravitasi sekelilingnya berperilaku relativistik sampai jarak seribu kilometer. Di luar rentang ini, black hole mematuhi hukum gravitasi Newtonian yang agak membosankan dan berperilaku seperti bintang normal seukuran massa tersebut dalam hal mempengaruhi gerakan objek-objek jauh. Black hole berputar
Sejauh ini saya membatasi diri pada pembahasan jenis black hole paling sederhana: black hole yang digambarkan oleh solusi Schwarzschild atas persamaan medan Einstein. Sebetulnya ini hanya skenario yang diidealkan. Black hole riil berputar pula. Kita tahu bahwa bintang berputar pada porosnya sebagaimana Bumi lakukan. Karenanya saat kolaps mereka akan berputar lebih cepat lagi. Mari kita periksa secara singkat mengapa demikian. Sebuah kuantitas penting dalam fisika dikenal sebagai momentum sudut dan dimiliki oleh semua objek berotasi. Kuantitas ini begitu penting
karena merupakan salah satu kuantitas, seperti energi, yang dikatakan kekal , artinya ia tetap sama asalkan objek yang berotasi tidak terkena gaya eksternal. Momentum sudut tergantung pada massa objek, laju putaran, dan bentuknya. Pikirkan seorang ice skater yang berputar, dengan lengannya terulur keluar. Begitu dia menarik lengannya lebih dekat dengan tubuh dan menyilangkannya di depan dada, dia akan berputar lebih cepat. Alasannya adalah, momentum sudutnya tetap konstan—abaikan gesekan bilah skate terhadap es—dan, dengan menempelkan lengannya, dia telah mengganti bentuk dirinya yang mana akan mengurangi momentum sudutnya. Namun, dia juga akan berputar lebih cepat untuk mengkompensasi hal ini dan menjaga momentum sudutnya tetap sama. Peningkatan laju putarannya bukanlah sesuatu yang dia lakukan secara sengaja; itu terjadi otomatis. Tidakkah hukum fisika cerdik? Bintang berputar yang kolaps berperilaku dengan cara sama: penurunan ukurannya diimbangi dengan berputar lebih cepat demi mempertahankan momentum sudutnya. Inilah mengapa pulsar (bintang neutron berputar yang kita simak di Bab 2) berputar begitu cepat. Menurut gravitasi versi Newton, kita tak bisa mengatakan perbedaan antara efek gravitasi objek spheris berputar dan objek spheris tak berputar (sepanjang tidak terhuyung saat berputar). Lagi-lagi, di sini relativitas umum berbeda. Black hole berputar betul-betul menyeret ruang di sekelilingnya untuk membentuk pusaran gravitasi, mirip dengan lingkaran air di sekeliling lubang sumbat. Di kawasan ruang semacam itu, benda yang mengorbit harus berakselerasi ke arah yang berlawanan dengan putaran black hole demi bertahan! Hasil aneh ini menyediakan kita alat untuk mengukur laju putaran black hole yang, bersama dengan massanya (yang darinya kita bisa menyimpulkan ukurannya), merupakan satu-satunya kuantitas lain yang ada untuk menggambarkan black hole.27 Untuk mengukur putaran black hole, kita perlu memasukkan dua satelit ke orbit ke arah berlawanan di sekelilingnya. Karena satelit yang mengorbit ke arah yang berlawanan dengan putaran black hole pasti ‘menentang pasang’ ruang yang bergerak, ia takkan perlu waktu lama lagi untuk menyelesaikan satu orbit penuh sebab dengan menempuh lebih banyak ruang ia telah berjalan lebih jauh. Perbedaan tempo orbit di antara satelit-satelit itu memberitahu kita laju putaran. 27
Kita juga bisa mengukur muatan listrik black hole tapi ini akan sangat kecil dan hanya menarik perhatian secara teoritis. Prakteknya, black hole bermuatan listrik pada akhirnya akan selalu dinetralkan dengan menghisap partikel-partikel yang bermuatan listrik berlawanan.
Kawasan di mana ruang terseret di sekeliling black hole berputar ini disebut ergosphere. Artinya black hole berputar akan memiliki dua horizon: horizon spheris dalam, yang merupakan horizon peristiwa asli dan yang darinya tak ada yang dapat meloloskan diri, dan horizon menonjol luar, yang menandai permukaan ergosfer (gambar 4.2). Di dalam ergosfer, penyeretan begitu kuat sehingga tak ada yang mampu bertahan. Namun, sebuah objek yang jatuh ke dalam ergosfer masih bisa meloloskan diri lagi, sepanjang ia tidak nyasar di dalam horizon peristiwa. Jatuh ke dalam black hole Salah satu hal paling mempesona dari black hole adalah yang terjadi pada objek/astronot bunuh-diri yang jatuh ke dalamnya, dan bagaimana ini kelihatannya bagi seorang pengamat yang menyaksikan dari jarak aman. Mari kita pertama-tama pertimbangkan akan seperti apa jadinya seandainya Anda cukup sial jatuh ke dalam black hole.
Gambar 4.2. Ergosfer yang mengelilingi horizon peristiwa black hole berputar. Satu aspek gravitasi yang belum disebutkan sejauh ini adalah gaya tidal. Kita tahu bahwa tarikan gravitasi sebuah benda menjadi kian lemah dengan semakin jauhnya kita darinya. Tentu saja, cukup dengan berdiri di tanah, kaki Anda pasti merasakan tarikan gravitasi lebih kuat daripada kepala Anda, yang lebih jauh dari permukaan Bumi. Ini memang benar, tapi perbedaan medan gravitasi Bumi begitu kecil pada jarak sekecil itu sehingga Anda takkan pernah merasakannya. Kita bisa, di sisi lain, dengan jelas melihat efek tidal gravitasi Bulan terhadap Bumi. Ini karena sisi Bumi yang menghadap bulan merasakan tarikan gravitasi lebih kuat daripada sisi sebaliknya sehingga menimbulkan, seraya Bumi berputar, pasang laut harian yang darinya gaya tidal mendapatkan namanya.
Adapun black hole, gaya gravitasinya berubah secara jauh lebih dramatis dan Anda mampu merasakan efek tidal bahkan sepanjang tubuh Anda. Ini menjadi kuat tak tertahankan dan akhirnya akan mengoyak tubuh Anda jauh sebelum Anda tergumal di singularitas. Black hole kecil, berukuran beberapa massa surya, mempunyai gaya tidal yang begitu ekstrim sehingga astronot yang pergi terlalu dekat akan tewas jauh sebelum dia melintasi horizon peristiwa sekalipun! Sangat tak menyenangkan, kan? Anda akan berpikir bahwa setidaknya Anda diberi kesempatan untuk mendekati horizon tanpa terlalu banyak masalah. Untungnya kita punya alasan bagus untuk percaya bahwa terdapat black hole bermassa jutaan kali massa Matahari. Black hole supermasif semacam itu memiliki gaya tidal lebih lembut dan seseorang dapat mudah melintasi horizon peristiwanya tanpa merasa gelisah. Seraya Anda terus jatuh bebas menuju singularitas, intensitas gaya tidal akan secara bertahap bertambah. Jadi walaupun Anda akhirnya akan terkoyak lalu tergumal menjadi sebuah titik berdensitas tak terhingga, setidaknya kini Anda bisa sedikit melihat-lihat sepanjang perjalanan turun Anda. Sepanjang buku ini Anda mungkin telah merasa28 bahwa saya telah mencoba menunda pembahasan efek aneh gravitasi terhadap waktu hingga bagian berikutnya. Bagaimanapun, saya tak bisa berlaku adil terhadap black hole tanpa sedikit mengendurkan ketetapan hati saya mengenai hal ini. Di dalam sebuah black hole, ruang dan waktu begitu melengkung sehingga jarak dari horizon peristiwa ke singularitas bukanlah jarak di ruang dalam pengertian normal (dalam arti bahwa ia bisa diukur dalam satuan kilometer atau suatu satuan panjang lain yang sesuai). Malahan, ia menjadi arah waktu. Pada dasarnya jarak radial ke pusat black hole bertukar dengan sumbu waktu! Tunggu sebentar, Anda berpikir, kita telah membahas ukuran black hole dari segi radius Schwarzschild-nya yang diukur paling pasti dalam satuan panjang. Bedanya, radius Schwarzschild adalah radius sebagaimana dipandang dari luar black hole. Bayangkan mengamati black hole dengan latar belakang terang yang jelas-jelas akan menarik perhatian terhadap horizon gelapnya, misalnya latar belakang gas nebula yang berkilau. Jarak lintas cakram gelap ini adalah diameternya, atau dua kali radius Schwarzschild. Sekali berada di dalam black hole, keadaan sangat berbeda. 28
Dari catatan kaki rutin yang menjengkelkan semisal ini.
Pertukaran ruang dan waktu ini menjelaskan mengapa objek yang jatuh ke dalam black hole tak punya pilihan selain bergerak masuk menuju singularitas. Fisikawan menyamakan ini dengan cara tak terhindarkan untuk bergerak menuju masa depan. Lebih lanjut, karena Anda tak bisa bergerak lebih jauh setelah mencapai singularitas, titik ini menandai akhir waktu itu sendiri! Di sinilah singularitas black hole berbeda dari Big Bang yang merupakan singularitas yang menandai permulaan waktu. Singularitas black hole lebih mirip singularitas Big Crunch (yang menandai akhir ruang dan waktu jika ada cukup materi di Alam Semesta untuk menyebabkannya kolaps pada dirinya sendiri). Waktu yang diperlukan untuk mencapai singularitas dari horizon, sebagaimana diukur oleh seseorang yang jatuh ke dalamnya, adalah proporsional dengan massa black hole. Jadi untuk black hole bermassa 10 kali massa Matahari diperlukan 1/10.000 detik untuk mencapai singularitas, sedangkan untuk black hole supermasif diperlukan beberapa menit. Pertanyaan yang sering ditanyakan adalah apakah astronot yang jatuh melewati horizon peristiwa sebuah black hole melihat sesuatu yang berbeda (asumsikan black hole-nya cukup besar bagi astronot untuk bertahan terhadap gaya tidal). Jawabannya tidak. Satu-satunya cara Anda bisa mencaritahu apakah Anda telah melintasi horizon (astronot kini diganti jadi Anda? jangan ambil ini secara pribadi, saya bahkan tak mengenal Anda dan takkan mengharapkan akhir semacam itu bagi siapapun) adalah jika Anda mencoba berhenti jatuh dan mendaki keluar kembali dengan menyalakan mesin roket Anda untuk mendorong diri Anda naik lagi dari pusat black hole. Menurut astrofisikawan Rusia dan pakar black hole terkemuka, Igor Novikov, aspek ganjil lain fisika black hole dan konsekuensi pelengkungan waktu adalah bahwa dengan mencoba melakukan ini (menyalakan roket Anda untuk lari dari black hole) Anda akan mencapai singularitas lebih cepat lagi daripada jika Anda membiarkan mesin Anda mati! Ini tentu sangat kontra-intuitif tapi dia menjelaskannya dengan cara berikut. Ingat, tanpa menyalakan mesin roket, Anda jatuh bebas dan tidak merasakan gaya gravitasi (tentu saja terlepas dari adanya gaya tidal). Dengan memalingkan roket Anda dari singularitas dan menyalakan mesin, Anda akan merasakan gaya percepatan ke atas dan, berkat prinsip ekuivalensi, ini serupa dengan merasakan efek medan gravitasi. Namun, lantaran ruang dan waktu tercampur-baur di dalam black hole, Anda terus jatuh dengan laju yang sama
sebagaimana sebelumnya. Hanya saja kini waktu Anda akan melambat. Ini dikenal sebagai dilasi waktu gravitasi ( gravitational time dilation) dan saya akan membahasnya di Bab 6. Artinya, jatuh dari horizon ke singularitas yang memakan waktu katakanlah 10 detik kini mungkin terasa seperti 5 detik saja. Aneh! Saat menulis bab ini, saya mengatakan kepada isteri saya, Julie, bahwa saya telah mencapai bagian di mana saya menggambarkan bagaimana rasanya berada di dalam black hole. “Sangat gelap, kukira,” begitu sahutnya mendalam tanpa ekspresi. Nyatanya, ia tidak sama sekali gelap sebab cahaya dari Alam Semesta luar masih masuk. Bedanya, cahaya itu menjadi tertekuk dan terfokus ke petak kecil yang terang. Seperti pemandangan cahaya mundur dari pintu terowongan gelap seraya Anda masuk lebih dalam. Sekarang mari kita pertimbangkan apa yang dilihat pengamat ketika sebuah objek jatuh ke dalam black hole yang, demi kesederhanaan, diasumsikan tidak berputar. Nah, bayangkan Anda berada di kapal antariksa, melayang-layang pada jarak aman di luar horizon peristiwa. Anda menyaksikan seorang kolega jatuh masuk menuju horizon. Bukannya melihat dia jatuh semakin cepat hingga tiba-tiba menghilang melewati horizon, laju jatuhnya tampak semakin melambat begitu dia mendekati horizon hingga akhirnya dia berhenti, terbeku, persis di luarnya. Pelambatan objek jatuh ini adalah akibat gravitasi mempengaruhi laju aliran waktu. Nyatanya, waktu benar-benar melambat di medan gravitasi dan ini paling bisa dilihat di medan kuat di luar sebuah black hole. Jika si astronot telah mengkalkulasi bahwa dirinya akan melewati horizon peristiwa pada jam 12 persis menurut kedua arloji kalian yang telah disinkronkan sebelumnya, maka Anda bisa, lewat teleskop canggih Anda, mengamati waktu yang terlihat pada jamnya saat dia jatuh. Anda akan melihat jarum arlojinya melambat begitu dia mendekati horizon hingga jarum itu akhirnya berhenti persis pada jam 12. Nyatanya, di horizon, waktu diam. Terkadang ada pernyataan (keliru) bahwa Anda akan melihat dia terbeku di luar horizon selama-lamanya. Nyatanya, citra dia akan memudar sangat cepat dan dia akan lenyap. Ini bukan karena Anda telah ‘melihat’-nya jatuh melewati horizon, tapi lebih karena cahaya yang mencapai Anda dari dirinya telah terredshift -kan menjadi panjang gelombang demikian panjang sehingga cepat melampaui spektrum tampak. Redhift tersebut tidak sama dengan redshift akibat galaksi jauh yang mundur yang cahayanya mengalami pergeseran
Doppler. Nah, ada pengaruh tambahan akibat pelambatan waktu dekat horizon yang membuat cahaya terlihat memiliki frekuensi lebih rendah dan karenanya panjang gelombangnya lebih panjang dan ter-redshift -kan. Namun, astronot yang jatuh itu mempunyai konsep laju aliran waktu yang berbeda dan mengkalkulasi bahwa dirinya akan jatuh menuju black hole semakin cepat. Melihat black hole Saat ini Anda mungkin berpikir bahwa semua pembicaraan tentang pelambatan waktu, bergerak dengan kecepatan cahaya, teregang seperti spageti lalu tergumal menjadi ukuran nol dan densitas tak terhingga merupakan cerita sains fiksi belaka. Bagaimanapun juga, tak ada yang pernah berhadap-hadapan dengan black hole riil dan semua kesimpulan ini dicapai dengan mempelajari atributnya secara teoritis. Hingga tahun 1960-an, kebanyakan astronom merasa sulit percaya, terlepas dari prediksi teoritis, bahwa mungkin betul-betul ada black hole di luar sana. Tapi dengan kemajuan dalam bidang astronomi radio dan sinar X dan sejumlah penemuan menggairahkan selama tahun 1960-an semisal radiasi kosmik latar (yang mengkonfirmasi teori Big Bang), quasar, dan pulsar, tiba-tiba black hole tak lagi terasa menggemparkan. Berdampingan dengan ini, banyak kemajuan teoritis penting dalam fisika black hole dicapai selama tahun 1960-an dan 1970-an, dan pada 1980-an saya kira astronom telah yakin sekitar 90% bahwa black hole memang eksis. Anda mungkin menganggap level keyakinan 90% tidak begitu cukup, syukurlah bagi fans black hole seperti saya tahun 1990-an menyaksikan akumulasi bukti lebih jauh dan kita tak lagi ragu. Saya menaruh level keyakinan sekarang pada angka 99%. Kalau begitu, apa bukti itu? Bagaimanapun juga, jika secara definisi black hole adalah hitam, bagaimana ia bisa ditemukan di kegelapan angkasa? Sekalipun seseorang kebetulan memiliki nebula berkilau sebagai latar belakangnya, Anda harus ingat bahwa black hole begitu kecil pada skala astronomis sehingga ia akan terlampau kecil untuk terlihat oleh teleskop tercanggih sekalipun. Rahasia pendeteksian black hole (yang, herannya, diuraikan 200 tahun silam oleh John Michell) terletak pada cara mereka mempengaruhi materi tampak di dekatnya. Ingat, bintang biner mengorbit satu sama lain atau, lebih tepatnya, di sekeliling pusat gravitasi gabungan mereka (sebuah titik imajiner di angkasa yang menjadi titik tengah massa mereka). Jika mereka bermassa
sama, maka mereka akan mempunyai radius orbit yang sama sebab pusat gravitasi mereka akan berada separuh jalan di antara mereka, tapi jika salah satu bintang jauh lebih berat daripada yang lain maka ia hanya akan terhuyung sedikit sedangkan yang ringan mengerjakan sebagian besar ‘perjalanan’ mengelilinginya. Ini karena pusat gravitasi kini jauh lebih dekat ke bintang yang besar. Jika salah satu bintang cukup besar untuk kolaps menjadi black hole maka, sekalipun kini ia tak terlihat, efek gravitasinya terhadap partnernya akan sama. Catat, mereka tak begitu berdekatan untuk tertelannya bintang satunya lagi oleh black hole tersebut sebab bintang-bintang itu akan saling tertarik jauh sebelumnya jika mereka sedekat itu (tapi mereka mungkin masih cukup dekat agar black hole menghisap sebagian gas dari permukaan partnernya). Secara teori kita semestinya bisa melihat ‘keterhuyungan’ gerakan bintang tampak yang tersisa dan karenanya menyimpulkan berapa banyak massa yang diperlukan untuk membuat objek sebesar bintang bergerakgerak seperti ini. Bagaimanapun juga, bintang tunggal tidak terhuyung tanpa alasan dan gerakan semacam itu pasti hasil dari konsentrasi massa dahsyat di dekatnya. Belakangan ditemukan bahwa keterhuyungan kecil posisi sebuah bintang mungkin diakibatkan oleh planet-planet di orbit di sekelilingnya yang tidak bisa dilihat secara langsung. Namun, dari massa bintang dan besaran keterhuyungan, kita dapat menyimpulkan seberapa masif partner tak tampak itu. Jika lebih dari katakanlah 10 massa surya (untuk menjaga segala kemungkinan supaya aman), maka ia pasti merupakan black hole. Mendeteksi keterhuyungan itu bukan dengan, sebagaimana mungkin Anda sangka, mengukur gerak menyamping (gerak mondar-mandir bintang secara siku-siku terhadap garis pandang kita) tapi dari perubahan panjang gelombang cahaya yang meninggalkan bintang saat orbitnya membawanya menuju kita dan saat ia mundur dari kita. Lagi-lagi ini merupakan efek Doppler. Panjang gelombang cahaya termampatkan (ke ujung spektrum biru) saat bintang bergerak menuju kita dan teregangkan (ke ujung merah panjang gelombang lebih panjang) saat ia menjauh. Tak peduli ke arah mana pun sistem biner bergerak sebab perubahan panjang gelombanglah yang kita perlukan. Dari laju perubahan panjang gelombang ini, plus beberapa keping informasi lain, kita bisa simpulkan periode orbit dan karenanya massa partner tak tampak. Semua ini terdengar cerdas secara teori, tapi prakteknya ternyata tidak begitu sederhana. Ada alasan lain mengapa kita hanya akan melihat salah satu
bintang dalam sistem biner. Penjelasan paling sederhana adalah jika bintang lain terlampau kecil dan redup dan karenanya kalah cerlang dari rekannya yang lebih besar dan terang. Mungkin partner tak tampak itu adalah white dwarf atau bahkan bintang neutron. Yang diperlukan adalah bukti bahwa ia memiliki massa di atas harga kritis untuk sebuah black hole (katakanlah lima atau sepuluh kali massa Matahari). Namun, ini pun bukan bukti bahwa ia merupakan black hole. Igor Novikov mengatakan berikut: “’ketidaktampakan’ adalah bukti jelek eksistensi sesuatu”, dan dia mengutip lelucon tua mengenai judul riset tesis: ‘Ketiadaan tiang dan kabel telegraf di situs-situs penggalian arkeologis sebagai bukti perkembangan komunikasi radio di peradaban kuno’. Akhirnya yang mengkonfirmasi keberadaan black hole di antara sistem bintang biner adalah sesuatu yang sudah kita singgung. Jika kedua rekan itu (bintang yang masih bersinar dan kandidat black hole yang tak tampak) cukup berdekatan maka medan gravitasi black hole yang luar biasa akan lambatlaun menghisap gas dari selubung luar si bintang. Gas ini akan memilin masuk menuju horizon peristiwa dan memanas sepanjang waktu seraya mencepat dan membentuk apa yang dikenal sebagai cakram akresi di sekeliling black hole. Materi di cakram ini begitu panas sehingga, sebelum jatuh masuk, gas akan mengeluarkan sinyal jelas emisi sinar X yang kuat, yang merupakan semburan radiasi elektromagnetik high energy . Emisi itu akan berbeda secara tak kentara dari emisi sinar X yang dihasilkan oleh beberapa pulsar (bintang neutron berputar) akibat rotasi cepatnya, sebab dalam kasus cakram akresi black hole pewaktuan semburannya acak. Pulsar sinar X mengeluarkan sinyalnya dengan interval tetap seraya berputar, sedikit mirip lampu sorot luar ruangan. Apakah sistem biner sinar X semacam itu eksis? Jawabannya ya. Contoh paling sederhana ialah sistem yang akhirnya, dan dengan enggan (lantaran taruhan yang dia jalani dengan Kip Thorne), diakui oleh Stephen Hawking bahwa pasti mengandung black hole. Sistem ini disebut Cygnus X-1 dan berjarak sekitar 6000 tahun-cahaya dari Bumi, tapi berada di Galaksi kita. Bintang rekan yang tampak ialah bintang raksasa bermassa sekitar 30 kali massa Matahari (disimpulkan dengan mempelajari cahaya yang dikeluarkannya). Dengan mempelajari caranya terhuyung (dari pergeseran periodik Doppler-nya), massa partner tak tampaknya telah ditetapkan sekitar 10 massa surya.29 Potongan 29
Kita tak yakin soal estimasi ini dan masih ada kesempatan kecil bahwa ia mungkin merupakan bintang neutron masif jika berada pada batas massa lebih rendah.
terakhir dalam jigsaw ini datang dari periode emisi sinar X dengan frekuensi beberapa ratus kali per detik dari cakram akresi dan memberitahu kita seberapa cepat gas mengorbit black hole. Karena tak ada yang bisa berjalan lebih cepat daripada cahaya, periode ini memberi kita ukuran maksimum orbit dan mengindikasikan bahwa black hole pasti jauh lebih kecil daripada Bumi, dan pemerasan 10 massa surya menjadi volume sedemikian kecil berarti itu pasti black hole. Hukum fisika menyatakan bahwa tak mungkin yang lain. Ada beberapa kandidat lain untuk black hole dalam sistem biner sinar X di Galaksi kita dan galaksi dekat. Diperkirakan bahwa Galaksi kita sendiri barangkali mengandung jutaan black hole! Yang telah saya bahas sejauh ini ialah black hole lumrah yang terbentuk saat bintang masif kolaps akibat bobotnya sendiri. Ada tipe black hole lain yang, sedikit-banyak, lebih mengesankan lagi. Penemuan besar lain dalam astronomi pada 1960-an adalah quasar (singkatan dari quasi-stellar radio source). Yang dimaksud dengan quasi-stellar adalah bahwa ia dianggap mirip dengan bintang dalam artian mereka lebih terlihat sebagai objek mirip titik daripada gumpalan luas cahaya seperti galaksi atau nebula. Ia juga mengeluarkan radiasi kuat dalam pita frekuensi radio—dan bukan lantaran ia mengandung stasiun radio sendiri sebagaimana saya sangkakan sebagai anak kecil dahulu saat pertama kali membaca tentangnya. Hari ini, hanya sebagian kecil dari semua quasar yang ditemukan merupakan sumber radio, tapi nama itu telah melekat. Yang lebih penting, ternyata quasar tidak sekecil bintang. Mereka juga merupakan objek paling jauh di Alam Semesta Tampak dan beberapa berjarak lebih dari sepuluh miliar tahun cahaya (artinya cahayanya meninggalkan mereka saat Alam Semesta berusia sangat muda). Objek sedemikian jauh bersinar secerlang itu berarti mereka pasti luar biasa energetik. Nyatanya quasar kini dianggap sebagai galaksi muda ‘aktif’ dengan sebagian besar energi (sekitar seribu kali lebih banyak daripada output energi dari semua bintang di Galaksi kita) berasal dari inti pusat yang amat kecil. Inti ini mengandung apa yang dikenal sebagai black hole supermasif. Tipikalnya, black hole semacam itu memiliki massa jutaan kali lebih besar daripada Matahari. Sejak penemuan bahwa quasar menyembunyikan black hole raksasa di dalamnya, ditemukan bahwa banyak galaksi besar barangkali mengalami fase quasar sebelum menetap. Sekalipun tidak, galaksi-galaksi itu boleh jadi masih mengandung black hole supermasif di pusatnya. Ini terbentuk dari akumulasi banyak gas bintang di pusat-pusat galaksi yang padat. Black hole Andromeda
kira-kira 30 juta massa surya dengan radius menjulur hingga seukuran tata surya kita. Black hole Galaksi kita sendiri lebih kecil dengan ukuran estimasi beberapa juta massa surya saja. Sekali sebuah black hole supermasif terbentuk, ia lambat-laun akan memakan bintang-bintang sekelilingnya dan tumbuh membesar. Bagaimanapun tidak begitu hitam Dua puluh lima tahun silam Stephen Hawking menemukan bahwa black hole tak hitam sama sekali, sebagaimana dipandang dari luar. Dia menyadari bahwa sebuah proses quantum yang dikenal sebagai pair creation (pembentukan pasangan) dapat menyebabkan black hole membocorkan energinya secara sangat lambat ke angkasa raya. Seraya melakukan ini, ukurannya akan berangsur menyusut sampai akhirnya meledak dan tak menyisakan apapun. Karenanya tak benar jika mengatakan bahwa sesuatu yang jatuh ke dalam black hole takkan pernah keluar lagi. Pada akhirnya ia akan terpancarkan keluar sebagai partikel-partikel kecil selama periode yang, praktisnya, bisa dianggap memakan waktu selama-lamanya! Proses ini disebut radiasi Hawking dan perlu sedikit dijelaskan. Di dunia subatom, dua partikel, seperti elektron dan partikel antimaterinya30 (disebut positron), dapat secara spontan muncul dari kenihilan sama sekali. Mekanika quantum menyatakan ini diperbolehkan sepanjang kedua partikel berekombinasi sangat cepat dalam sebuah proses yang disebut pair annihiliation (pemusnahan pasangan), guna mengembalikan energi yang mereka perlukan untuk terbentuk. Saya tahu ini tak masuk akal. Nyatanya, ini tidak boleh masuk akal, tapi banyak hal aneh bisa dan memang terjadi di dunia mekanika quantum. Anda mungkin bertanya dari mana energi untuk menciptakan partikel-partikel tersebut berasal. Jawabannya adalah bahwa energi bisa ‘dipinjam entah dari mana’ dan harus dikembalikan ‘entah ke mana’ dengan segera sebab alam tidak senang berhutang lama. Hawking menyadari bahwa ketika sepasang partikel terbentuk sangat dekat dengan 30
Terdapat miskonsepsi umum bahwa antipartikel memiliki massa negatif sehingga menghapuskan massa positif partikel. Tidak demikian. Antimateri memiliki jenis massa yang sama, dan dipengaruhi oleh gravitasi dengan cara yang sama, sebagaimana materi normal. Kata ‘anti’ berkaitan dengan partikel-partikel yang memiliki muatan listrik berlawanan (ditambah beberapa perbedaan lain). Jadi karena elektron bermuatan negatif, positron adalah positif. Selain dari itu mereka identik dalam segala hal terlepas dari fakta bahwa Alam Semesta kebanyakan mengandung elektron.
horizon peristiwa black hole, boleh jadi partikel atau antipartikelnya jatuh ke dalam black hole sedangkan yang lainnya mampu meloloskan diri. Karena tak dapat lagi saling memusnahkan bersama rekannya, ia diperbolehkan, seperti Pinocchio, menjadi elektron atau positron hidup yang riil. Energi yang disimpannya dan tak harus dibayar berasal dari black hole itu sendiri. Radiasi Hawking pasti berlangsung sepanjang waktu persis di luar horizon black hole, tapi hanya dalam sedikit kasus salah satu partikel akan lolos. Kebanyakan, keduanya akan jatuh ke dalam black hole. Alasan mengapa salah satu partikel bisa lolos adalah akibat gaya tidal: partikel yang agak lebih dekat dengan horizon tertarik secara jauh lebih kuat menujunya. Untuk black hole berukuran normal, proses ini bisa diabaikan sama sekali sebab jauh lebih banyak partikel akan terhisap masuk dari angkasa sekitar horizon ketimbang lepas lewat radiasi Hawking. Efek tersebut hanya menjadi cukup signifikan ketika black hole telah menyusut hingga ukuran mikroskopis (setelah waktu yang jauh lebih panjang daripada umur Alam Semesta) saat kawasan di luar horizonnya memanas dan radiasi menguat. Penyusutan black hole ini akibat ia mematuhi persamaan terkenal Einstein, E = mc 2, yang menyatakan bahwa massa (m) dan energi (E ) dapat dipertukarkan dan yang satu dapat dikonversi menjadi yang lain. Proses ini terjadi dua kali di sini. Pertama, partikel yang lolos telah dianugerahi massa (zat tertentu) yang diubah dari energi murni yang diekstrak dari black hole. Lalu, black hole sendiri, setelah kehilangan energi ini dengan bertanggungjawab atas pembentukan sebuah partikel, harus menghasilkan energi dengan menyerahkan sebagian kecil massanya. Dipandang dari jauh, kita akan mengatakan bahwa black hole meludahkan sebuah partikel. Horizon peristiwanya terlihat panas akibat radiasi partikel-partikel ini. Tapi hanya di sekitar black hole yang amat kecil proses ini tidak dapat diabaikan. Dinyatakan bahwa black hole mini semacam itu mungkin betul-betul eksis. Mereka mungkin terbentuk tepat setelah Big Bang dan beberapanya mungkin masih ada hari ini. Sebagai contoh, jika Gunung Everest bisa diperas hingga seukuran sebuah atom, ia akan berubah menjadi black hole mini demikian. Lalu ia akan mengeluarkan radiasi Hawking dengan laju amat tinggi. Meski begitu, ia sama sekali takkan menguap selama miliaran tahun. Nah, kebetulan Alam Semesta berumur sekitar 15 miliar tahun, jadi black hole mini yang terbentuk di Alam Semesta awal dengan massa awal setara Gunung Everest baru saja menguap sepenuhnya saat ini. Karena mereka mengeluarkan
radiasi dengan laju bertambah sambil menyusut ukurannya, mereka mestinya berakhir dalam ledakan akhir radiasi high energy yang dahsyat. Percaya atau tidak, astronom sedang mencari-cari semburan radiasi penyingkap rahasia semacam itu. Mungkin energi black hole bisa diekstrak secara artifisial juga. Dalam kasus ini, energi rotasilah yang diperah. Fisikawan matematis asal Inggris, dan kolaborator lama Hawking, Roger Penrose, telah mengajukan, bahkan sebelum ide penguapan Hawking, bahwa jika sebuah objek memasuki ergosfer black hole yang berotasi dan kemudian membelah menjadi dua bagian di mana yang satu jatuh ke dalam black hole, maka yang satunya lagi bisa terlempar keluar dengan lebih banyak energi daripada jika masuk. Energi yang diperolehnya itu berasal dari black hole dan akan sedikit memperlambat rotasi black hole. Mungkin sebuah peradaban maju yang menemukan black hole dapat memanfaatkan metode ini untuk mengubahnya menjadi sumber energi. White hole
Ada solusi tertentu persamaan relativitas umum yang tidak hanya memperkenankan eksistensi black hole tapi juga objek yang disebut white hole. Tapi ternyata ini hanya memungkinkan jika Alam Semesta memiliki atribut tertentu, disebut kondisi awal, pada saat Big Bang. Objek amat spekulatif ini merupakan kebalikan black hole yang, bukannya menghisap materi, akan memuntahkan materi dan energi ke Alam Semesta. Singularitas mereka berbeda pula dan menandai permulaan waktu, bukan akhir waktu. Tak seperti black hole, belum ada bukti meyakinkan bahwa white hole betulbetul eksis. Salah satu persoalannya adalah bahwa materi yang meninggalkan mereka mungkin jatuh masuk kembali dan white hole akan segera diubah menjadi black hole. Kini dipercaya bahwa white hole besar tidak eksis di Alam Semesta, tapi aturan mekanika quantum menyangkut partikel dan antipartikel mengindikasikan bahwa jika black hole mini eksis pada skala subatom, maka semestinya demikian pula dengan partner antimaterinya: white hole mini. Hawking telah menyatakan bahwa, sebagaimana pasangan partikel/ antipartikel dapat muncul selama waktu singkat, semestinya mungkin pula pasangan black hole/white hole tiba-tiba muncul entah dari mana. Tapi jangan cemas, mereka akan terlalu kecil untuk berefek terhadap kita.
“Waktu merupakan cara alam mencegah segalanya terjadi serentak.” John A. Wheeler “Waktu hanyalah barang terkutuk lain.” Anonim Seorang warga asing di London: “Tolong, apa itu waktu?” Warga di jalan: “Itu pertanyaan filsafat. Mengapa tanya saya?” J.G. Whitrow Apa itu waktu? ARI KITA luruskan satu hal. Apapun yang telah Anda baca atau dengar, tak ada seorangpun yang paham apa sebetulnya waktu. Sudah ada begitu banyak yang ditulis mengenai sifat waktu, terutama dalam beberapa tahun belakangan, sehingga akan sulit dalam buku ini untuk menyumbang banyak hal orisinil atau belum dibahas di tempat lain. Tapi itu bukan tujuan saya. Saya tak merasa seolah saya harus menelusuri banyak buku hebat (dan beberapa kurang hebat) yang mengurusi subjek waktu—walaupun saya telah membaca dalam jumlah lumayan selama bertahun-tahun—dan kemudian mencoba menghasilkan suatu ‘sudut pandang’ baru atau argumen cerdas yang tidak dipakai sebelumnya: teori waktu milik saya. Tentu saja banyak hal yang telah ditulis tentang waktu adalah omong-kosong sama sekali, tapi ada banyak yang, meski terdengar seperti omong-kosong saat pertama kali menjumpainya, betul-betul masuk akal asalkan Anda siap memikirkannya. Saya menyebutkan di awal buku bahwa subjek waktu telah mempesona saya saat kecil, dan masih demikian. Saya tak sendirian. Nyatanya barangkali saya hanyalah salah satu di antara mayoritas orang. Fakta yang menyedihkan adalah bahwa hari ini saya belum lebih dekat daripada saat berusia 10 tahun menuju pemahaman tentang apa arti waktu sebetulnya. Saya paham betapa
M
banyak hukum fisika yang memuat waktu secara fundamental, saya telah mendengar banyak argumen filsafat tentang aliran waktu, arah waktu, apakah waktu betul-betul ‘ada di luar sana’ atau sekadar ilusi: sebuah konsepsi imajinasi manusia. Tapi apakah saya lebih tercerahkan, ini bisa diperdebatkan. Tapi satu hal yang pasti. Seperti banyak teori lain yang telah kita lihat sejauh ini, teori relativitas Einstein di awal abad ini menggulingkan gagasan yang lama dan dihargai. Saya akan membahas relativitas waktu di bab berikutnya. Untuk sekarang saya akan membawa Anda melewati beberapa ide dalam fisika dan filsafat mengenai sifat waktu, yang sebagian besarnya sudah ada jauh sebelum Einstein. Siapa penemu waktu? Manusia sudah lama menyadari sifat siklus waktu dalam rutinitas malam mengikuti siang dan berlalunya musim. Kita juga menyadari sifat linier waktu yang mengalir dari masa lalu menuju masa depan. Peristiwa-peristiwa yang kini berada di masa lalu kita akan tetap di sana, takkan pernah kembali selain mundur dan terus mundur. Di awal sejarah manusia, membagi satu hari ke dalam satuan waktu yang lebih kecil menjadi kebutuhan. Karena gerakan Matahari di langit—jauh sebelum diketahui bahwa ini diakibatkan oleh rotasi Bumi—memakan waktu yang (kurang-lebih) tetap, tidaklah mengherankan salah satu pencatat waktu terawal ialah jam matahari, ditemukan lebih dari 5000 tahun lalu di Mesir kuno. Perubahan besar pada jam mekanis terjadi di abad 16 saat Galileo menemukan bahwa pendulum berpanjang tertentu akan selalu memakan waktu yang sama untuk menyelesaikan satu ayunan penuh. Tapi baru pada pertengahan abad 17-lah jam pendulum pertama dibuat. Keakuratan ini memperkenankan pencatatan waktu yang jauh lebih presisi daripada sebelumnya, dan jam dibagi ke dalam menit, dan menit ke dalam detik. Hari ini, pendulum dan pencatat waktu mesin jam lambat-laun digantikan oleh yang lebih handal lagi. Arloji digital berisi kristal kwarsa kecil yang bervibrasi ribuan kali per detik ketika listrik dialirkan. Vibrasi ini begitu teratur sehingga Anda dapat mengeset arloji dengannya. (Maaf!) Dapatkah Anda bayangkan akan betapa sulitnya hidup kita hari ini dengan segala janji, jadwal, dan tenggat waktunya seandainya satuan waktu terkecil yang kita miliki adalah jam? Hari ini, pencatat waktu paling akurat di dunia ialah jam atom yang bisa mengukur interval waktu dengan presisi luar biasa. Ia bersandar pada fakta
bahwa atom-atom tertentu, ketika dipompa dengan energi, memancarkan cahaya dengan frekuensi presisi yang khas milik tipe atom tersebut. Yang paling terkenal ialah jam caesium yang kini menetapkan standar waktu dunia. Walaupun ‘detik’ adalah satuan waktu standar, ia jelas merupakan temuan manusia. Jika ada makhluk berakal di tempat lain di Alam Semesta, mereka akan mengukur waktu menggunakan ‘peredaran’ mereka sendiri yang didapat dari waktu yang dibutuhkan oleh planet mereka untuk menyelesaikan satu revolusi atau satu orbit mengelilingi matahari mereka. Hingga dewasa ini, ‘detik’ kita ditetapkan 1/60 dari 1/60 dari 1/24 dari waktu yang dihabiskan Bumi untuk menyelesaikan satu revolusi pada porosnya (yakni satu hari). Beginilah satu detik ditetapkan, tak lebih. Hari ini, kita begitu terobsesi dengan waktu sehingga definisi ini tak lagi memadai. Anda paham, ada persoalan. Ternyata Bumi sedang melambat. Tak cukup kentara, cuma satu detik setiap beberapa tahun, tapi ini cukup untuk mengandung arti bahwa, di dunia high tech kita, kita perlu cara lain dalam mengukur waktu. Jadi, karena semua atom caesium selalu memancarkan cahaya yang memiliki frekuensi 9.192.631.770 putaran per detik, ilmuwan menyimpulkan akan membalik pernyataan dan mengatakan bahwa satu detik ditetapkan sebagai interval waktu yang diperlukan oleh cahaya dari atom-atom caesium untuk berosilasi 9.192.631.770 kali. Ini disebut co-ordinated universal time (UTC). Karenanya durasi satu hari menurut UTC adalah 24 x 60 x 60 x 9.192.631.770 vibrasi atom caesium. Ini artinya setiap beberapa tahun kita harus menambahkan detik kabisat untuk memperhitungkan pelambatan putaran Bumi supaya definisi waktu yang baru tidak menyimpang dari definisi lama. Bagaimana tentang waktu sebagai konsep, ketimbang cara kita manusia mengukurnya? Sampai Isaac Newton menyelesaikan karyanya mengenai hukum gerak, waktu dianggap sebagai domain filsafat ketimbang sains. Namun, Newton menggambarkan secara matematis bagaimana objekobjek bergerak akibat pengaruh gaya, dan karena semua pergerakan dan perubahan memerlukan gagasan waktu untuk membuatnya masuk akal, dia menggunakan apa yang dikenal sebagai pandangan waktu realis. Pandangan ‘akal sehat’ ini masih bersama kita hari ini, terlepas dari fakta bahwa kita tahu itu keliru sebagaimana akan kita simak di bab berikutnya. Waktu Newtonian adalah absolut dan konstan. Dia menggambarkannya sebagai medium yang eksis sepenuhnya di ruang luarnya sendiri dan bebas dari semua proses yang terjadi di dalam ruang. Menurut pandangan ini, waktu
dikatakan mengalir dengan laju konstan seolah ada jam kosmik imajiner yang menandai detik, jam, dan tahun tanpa menghiraukan perasaan subjektif kita mengenai perlaluannya. Menurut Newton, waktu adalah absolut, nyata, dan matematis. Kita tak punya pengaruh terhadap laju alirannya dan tidak bisa membuatnya mencepat atau melambat. Kita juga tahu terkadang betapa tak handalnya kita dalam menilai interval waktu. Bayangkan Anda tertidur dalam perjalanan kereta yang normalnya memakan waktu satu jam, lalu Anda terbangun dan merasa bahwa itu hanya berlalu sekitar 10 menit. Saat Anda mengecek arloji Anda, Anda melihat bahwa sekarang sudah sejam kemudian, dan ini dikonfirmasikan ketika Anda memandang jendela untuk melihat bahwa Anda sudah dekat dengan tempat tujuan. Tentu bisa saja arloji Anda mengalami malfungsi dan kereta melaju sangat cepat selagi Anda tertidur selama 10 menit saja, tapi ini amat tidak mungkin sebab kita tahu betapa tak handalnya pencatatan waktu subjektif manusia. Kita semua mempunyai perasaan mendalam bahwa waktu Newtonian betul-betul ada ‘di luar sana’ dan mengalir dengan laju yang sama di setiap tempat di Alam Semesta. Semua agama besar dunia mengatakan sesuatu tentang sifat waktu. Agama-agama monotheis meyakini Tuhan Yang Maha Kuasa Yang menciptakan Alam Semesta dan Yang eksis di luar ruang dan waktu kita. Dia Maha Tahu, dalam arti bahwa Dia tak hanya mengetahui masa lalu tapi juga masa depan, dan Dia Ada Di mana-mana, yakni berada di semua tempat di semua waktu. Karenanya satu Tuhan Kekal Yang eksis di luar Alam Semesta kita tidak bertentangan dengan gagasan fisika modern mengenai Alam Semesta (yang mencakup ruang dan waktu) yang muncul saat Big Bang. Namun yang menjadi topik utama perdebatan di kalangan ilmuwan, filsuf, dan teolog, adalah peran Tuhan di alam semesta deterministis mesin jam ala Newton. Menurut pandangan mekanistis yang diberikan oleh hukum gerak Newton mengenai Alam Semesta, adalah mungkin, setidaknya secara prinsip, untuk mengetahui posisi dan kecepatan setiap partikel di Alam Semesta. Karena setiap partikel akan mengikuti trayektori yang terumuskan dengan baik dan berada di bawah pengaruh gaya-gaya yang, lagi-lagi secara prinsip, bisa dirumuskan dengan baik, adalah mungkin untuk mengetahui posisi mereka di suatu waktu mendatang dan karenanya mengetahui status Alam Semesta di masa depan. Karenanya masa depan telah dipetakan dan ditetapkan. Pandangan reduksionis semacam itu mengenai dunia mungkin terlihat tidak menyisakan ruang bagi kehendak bebas manusia. Karena kita pun terbuat
dari atom, kita tunduk pada hukum fisika yang sama sebagaimana objek lain; kalau begitu apa yang kita anggap sebagai kehendak bebas tidaklah lebih dari proses-proses mekanis di otak yang mematuhi hukum Newton sebagaimana hal lainnya. Prakteknya, tentu saja kita tak mampu mengkalkulasi posisi mendatang beberapa bola di meja biliar setelah mereka dipencarkan oleh bola kiu, apalagi posisi mendatang semua partikel di Alam Semesta. Tapi, menurut pandangan ‘deterministis’ ini, mestinya memungkinkan secara prinsip untuk melakukannya, asalkan kita punya komputer yang cukup canggih. Komputer semacam itu harus menjalankan sebuah program berkompleksitas sedemikian menakjubkan sehingga akan memuat jauh lebih banyak variabel tak diketahui daripada jumlah partikel di Alam Semesta. Ini karena setiap partikel perlu (sekurangnya) 6 bilangan untuk menetapkan statusnya pada waktu tertentu: tiga bilangan yang memberitahu kita keberadaannya di ruang 3D dan tiga bilangan lain untuk memberitahu kita seberapa cepat ia bergerak dan ke arah mana. Menurut penaksiran, kita takkan memerlukan semua informasi ini sebab sebuah atom di sebuah galaksi jauh tidak akan mempengaruhi sesuatu di Bumi, tapi sekalipun kita membatasi diri pada atom-atom di Bumi, kita masih berurusan dengan bilangan yang sangat mengesankan. Bagaimanapun juga, ada lebih banyak atom dalam satu gelas air daripada jumlah bergelas-gelas air di seluruh lautan di dunia. Meski begitu, saya menekankan bahwa, sepanjang jumlah partikel yang kita hadapi tidak tak terhingga, kita dapat mempertimbangkan sebuah komputer imajiner yang bisa mengkalkulasi posisi mendatang semua partikel di Alam Semesta jika si komputer tahu apa yang sedang mereka lakukan kini. Dan mengetahui masa depan mengimplikasikan mengetahui apa yang selanjutnya akan dilakukan semua benda. Pengetahuan semacam itu mestinya mencakup tentang manusia pula sebab kita semua hanya terbuat dari atom. Hari ini fisikawan tak lagi menganut ide alam semesta deterministis ini. Cara berpikir tersebut terguling ketika teori mekanika quantum dikembangkan pada pertengahan 1920-an yang menunjukkan bahwa, pada level paling fundamentalnya, alam bersifat acak dan tak bisa diprediksi.31 Terlepas dari ini, 31
Saya sadar bahwa penggunaan kata ‘tak bisa diprediksi’ di sini menyesatkan. Mekanika quantum cuma tak bisa diprediksi sebagaimana lemparan koin tak bisa diprediksi. Bagaimanapun, jika Anda melempar sebuah koin 100 kali maka kurang-lebih separuh hasilnya adalah sisi depan dan separuhnya lagi adalah sisi belakang. Jadi ada aturan statistik pasti yang berlaku untuk percobaan berjumlah banyak. Mekanika quantum bisa dipikirkan dengan cara ini.
banyak fisikawan percaya bahwa masa depan memang sudah ada di luar sana, bukan lantaran gambaran alam semesta mesin jam Newtonian, tapi karena ini merupakan hasil dari cara teori relativitas menyatukan waktu dengan ruang. Ide bahwa masa depan telah eksis melampaui pandangan Newtonian, yang hanya mengklaim bahwa masa depan dapat diprediksi. Adapun sifat waktu, tidak semua orang merasa senang dengan pandangan realis Newton tentang waktu absolut eksternal, bahkan sebelum dua revolusi sains abad 20 dalam fisika modern, yaitu teori relativitas dan mekanika quantum. Ilmuwan, filsuf, dan teolog sudah lama memperdebatkan beberapa isu yang akan saya bahas singkat di sini. Isu itu menyangkut tiga konsep: awal-mula waktu, aliran waktu, dan arah waktu. Momen pertama Pertama-tama saya akan secara singkat mengurus pertanyaan awal-mula waktu. Sebagian besar agama zaman sekarang mengajarkan momen penciptaan ketika Alam Semesta muncul. Mereka mungkin berbeda satu sama lain dalam hal ‘bagaimana’, ‘mengapa’, dan ‘kapan’-nya, tapi ide dasarnya sama. Sebagaimana kita simak di Bab 3, kebanyakan fisikawan (yang beberapanya sangat taat agama) kini juga percaya Alam Semesta berawal pada momen tertentu, sekitar 15 miliar tahun silam. Tapi bisakah kita mengatakan bahwa Big Bang ‘terjadi’ pada suatu momen waktu tertentu? Persoalannya adalah bahwa waktu sendiri dianggap bermula saat Big Bang dan merupakan bagian struktur Alam Semesta. Big Bang bahkan tidak bisa dianggap sebagai ‘peristiwa pertama’ sebab mensyaratkan bahwa ini terjadi di dalam waktu. Ide ini bukan khas milik sains, dan banyak agama mengajarkan adanya satu Pencipta Yang eksis di luar waktu, menjadikan-Nya bebas menciptakan waktu itu sendiri. Fisikawan kini sedang mencoba memahami mengapa Big Bang terjadi. Apa yang menyebabkannya? Sayangnya, sebab dan akibat adalah gagasan yang mensyaratkan waktu, dan karena Big Bang menandai permulaan waktu kita tak bisa mengatakan bahwa sesuatu ‘sebelum’-nya telah menyebabkannya terjadi. Itu ‘terjadi’ saja. Dan seolah ini tak cukup, ingat bahwa untuk memahami dunia amat kecil kita harus menerapkan ide dan konsep yang timbul dari teori mekanika quantum, dan Anda tidak bisa jauh lebih kecil daripada singularitas. Karenanya, singularitas Big Bang harus diperlakukan sebagai ‘peristiwa’ quantum.
Fisikawan masih harus menyortir banyak detil tapi beragumen bahwa, di dunia quantum, segalanya tak jelas dan tak pasti, bahkan urutan peristiwa. Yang cukup aneh (atau cukup menyenangkan, tergantung sudut pandang Anda), mekanika quantum membolehkan sesuatu terjadi tanpa sebab, termasuk Big Bang itu sendiri. Satu penjelasan yang gemar dipakai fisikawan untuk menggambarkan bagaimana Alam Semesta muncul adalah bahwa aturan mekanika quantum telah memperkenankan Big Bang terjadi dengan pemahaman bahwa Alam Semesta mesti cepat-cepat ‘lenyap’ lagi. Atas alasan yang belum kita pahami sepenuhnya, yang terjadi selanjutnya adalah Alam Semesta segera mengalami periode singkat perluasan pesat yang kemudian itu menjadi perlengkapan permanen, masih mengembang tapi dengan laju lebih tenang. Lantas jika bukan Big Bang, apa peristiwa pertama di Alam Semesta yang kini tercipta? Fisikawan dan penulis Paul Davies, yang telah menyelidiki sifat waktu sedalam orang lain, menjelaskan bahwa bahkan tidak boleh ada peristiwa pertama. Dia menyamakannya dengan menanyakan apa bilangan pertama setelah nol. Kita harus mempertimbangkan semua bilangan dan bukan hanya bilangan bulat, kalau tidak, bilangan pertama setelah ‘nol’ adalah ‘satu’. Tak peduli seberapa kecil bilangan yang kita pilih, kita selalu dapat membagi dua untuk memperoleh bilangan yang lebih kecil. Demikian halnya, tak ada peristiwa pertama setelah Big Bang. Seberapa awal pun peristiwa itu, selalu akan ada waktu lebih awal yang lebih dekat dengan Big Bang untuk dipertimbangkan. Namun, segera setelah mekanika quantum dibawa masuk ke dalam perdebatan, kita menemukan bahwa memang ada ‘waktu terawal’ setelah Big Bang. Pada skala panjang dan waktu terkecil, segalanya jadi membutir dan tak jelas, termasuk waktu itu sendiri. Sebagaimana konsep urutan peristiwa yang tak lagi berlaku pada ekstrim ini, begitu pula dengan ide waktu continuous. Pada skala ini, sebuah interval yang dikenal sebagai waktu Planck bisa dianggap sebagai irisan waktu bermakna yang terpendek. Tentu saja kita tidak menyadari penyimpangan dari aliran lembut waktu semacam itu sebab skala Planck begitu kecil. Nyatanya, dan sulit dipercaya, ada lebih banyak satuan waktu Planck dalam satu detik daripada jumlah detik sejak Big Bang. Anyway , poinnya adalah bahwa jika Anda pergi ke masa lalu menuju satu satuan waktu Planck setelah Big Bang, tak masuk akal untuk bertanya apa yang terjadi sebelumnya.
Apakah waktu mengalir? Banyak filsuf berargumen bahwa waktu merupakan sebuah ilusi. Pikirkan ini: waktu terdiri dari masa lalu, masa kini, dan masa depan. Sungguhpun kita mempunyai rekaman masa lalu dan ingatan tentang peristiwa tertentu yang telah terjadi, itu tak bisa lagi dianggap eksis. Masa depan, di sisi lain, masih harus dihamparkan dan karenanya tidak eksis pula. Ini menyisakan masa kini, yang ditetapkan sebagai garis pemisah antara masa lalu dan masa depan. Tentu saja ‘di sini dan kini’ eksis. Tapi walaupun kita ‘merasa’ bahwa garis ini terus menyusuri waktu, melahap masa depan dan mengubahnya menjadi masa lalu, ia hanyalah garis dan tidak memiliki suatu ketebalan. Karenanya, masa kini berdurasi nol dan tak bisa memiliki eksistensi riil pula. Dan jika ketiga komponen waktu tersebut tidak eksis, maka waktu itu sendiri merupakan ilusi! Anda mungkin, sebagaimana saya, tak menerima sepenuhnya argumen filsafat secerdas itu. Namun yang jauh lebih sulit dibenarkan adalah gagasan bahwa waktu ‘mengalir’; bahwa waktu berlalu. Sulit menyangkal perasaan bahwa inilah yang terjadi, tapi memiliki perasaan ‘mendalam’ mengenai sesuatu, betapapun kuatnya perasaan itu, tidaklah memadai dalam sains. Dalam bahasa keseharian kita, kita mengatakan bahwa ‘waktu berlalu’, ‘waktunya akan tiba’, ‘momen itu telah pergi’, dan sebagainya. Tapi jika Anda memikirkannya, semua gerak dan perubahan harus, secara definisi, dinilai berdasarkan waktu. Beginilah kita mendefinisikan perubahan. Ketika kita ingin menggambarkan laju proses tertentu, kita menghitung jumlah peristiwa dalam satuan waktu, seperti jumlah denyut jantung per menit, atau besaran perubahan dalam satuan waktu, seperti berapa banyak berat bayi telah bertambah dalam satu bulan. Tapi menjadi omong-kosong jika mencoba mengukur laju perubahan waktu sebab kita tidak bisa membandingkannya dengan dirinya sendiri. Orang-orang sering berkelakar bahwa waktu mengalir pada laju satu detik per detik. Ini jelas pernyataan tak bermakna sebab kita memakai waktu untuk mengukur dirinya sendiri. Untuk mengklarifikasi ini, bagaimana kita tahu seandainya waktu mendadak mencepat? Karena kita eksis di dalam waktu dan mengukur durasi interval waktu memakai jam yang, seperti jam internal biologis kita, kiranya pasti mencepat pula, kita takkan pernah menyadarinya. Satu-satunya cara untuk membicarakan aliran waktu (kita) ialah menilainya berdasarkan suatu waktu eksternal yang lebih fundamental. Tapi jika sebuah waktu eksternal untuk mengukur laju aliran waktu kita memang eksis, kita hanya akan memperparah masalah bukan memecahkannya.
Tentu saja jika waktu pada dasarnya mengalir, lalu mengapa waktu eksternal ini tak boleh mengalir juga? Dalam hal ini kita kembali ke persoalan kebutuhan akan skala waktu yang lebih fundamental lagi untuk mengukur laju aliran waktu eksternal tersebut, dan begitu seterusnya dalam hirarki tanpa akhir. Hanya karena kita tak mampu membicarakan laju aliran waktu bukanlah berarti waktu tidak mengalir sama sekali. Atau mungkin waktu diam selagi kita (kesadaran kita) bergerak sepanjangnya (kita bergerak menuju masa depan, bukan masa depan mendatangi kita). Saat Anda memandang keluar jendela kereta yang berjalan dan mengamati ladang-ladang yang berlalu cepat, Anda ‘tahu’ bahwa mereka diam dan keretalah yang bergerak. Demikian halnya, kita memiliki kesan subjektif kuat bahwa momen masa kini (yang kita sebut ‘sekarang’) dan sebuah peristiwa di masa depan kita (katakanlah Natal berikutnya) saling mendekat. Interval waktu yang memisahkan kedua momen tersebut menyusut. Entah kita mengatakan bahwa Natal berikutnya mendekati kita ataupun kita mendekati Natal berikutnya, maknanya sama saja: kita merasa bahwa sesuatu sedang berubah. Lantas bagaimana kebanyakan fisikawan sampai berargumen bahwa ide ini pun tidak valid? Mungkin terdengar aneh, hukum fisika tak mengatakan apapun tentang aliran waktu. Ia memberitahu kita bagaimana segala sesuatu seperti atom, katrol, pengungkit, jam, roket, dan bintang berperilaku saat terkena gaya berbeda pada jenak waktu tertentu, dan jika diberi status sebuah sistem pada momen tertentu, hukum fisika menyediakan kita aturan untuk mengkomputasi kemungkinan statusnya pada suatu waktu mendatang. Namun, ia sama sekali tak memuat petunjuk tentang waktu mengalir. Gagasan bahwa waktu berlalu, atau bergerak dengan suatu cara, sama sekali absen dalam fisika. Kita merasa bahwa, seperti ruang, waktu eksis saja; ia begitu adanya. Jelas, kata sebagian besar fisikawan, perasaan yang kita miliki bahwa waktu mengalir cuma itu: cuma perasaan, betapapun riilnya ia terasa oleh kita. Yang tak mampu disediakan oleh sains saat ini adalah penjelasan tentang dari mana perasaan kuat kita mengenai perlaluan waktu dan perubahan momen kini berasal. Beberapa fisikawan dan filsuf yakin ada sesuatu yang luput dalam hukum fisika. Saya takkan lebih jauh berkata bahwa saya menganut pandangan ini, tapi saya sungguh percaya bahwa kita hanya akan membuat kemajuan bilamana memiliki pemahaman lebih baik tentang bagaimana kesadaran kita bekerja, dan karenanya mengapa kita merasakan perlaluan waktu.
Saya mesti menyebutkan bahwa tak kurang Einstein sendiri memegang pandangan bahwa aliran waktu adalah ilusi dan bahkan mengungkapkannya saat mencoba menghibur janda yang ditinggal mati teman akrabnya, menyatakan bahwa si janda mesti terhibur oleh pengetahuan bahwa momen kini tidak lebih istimewa daripada suatu momen lain di masa lalu atau masa depan; semua waktu eksis bersama-sama. Sesuatu yang disebut entropi Sekalipun waktu tak mengalir, kita masih dapat mengatributkan arah padanya, disebut anak panah waktu. Ini konsep abstrak yang mengandung arti bahwa kita dapat menetapkan urutan peristiwa. Anak panah waktu menunjuk dari masa lalu ke masa depan, dari peristiwa terdahulu ke peristiwa terkemudian. Ini adalah arah waktu kejadian. Di sini penting untuk membedakan antara aliran waktu dan arah waktu. Bayangkan menatap frame-frame tersendiri pada rol film. Kita bisa dengan mudah menetapkan anak panah waktu yang menunjuk ke arah tertentu sepanjang rol berdasarkan frame mana yang lebih dahulu dan frame mana yang terkemudian. Kita bisa melakukan ini meski faktanya kita sedang menatap gambar diam peristiwa-peristiwa dan tak ada gerakan dalam frame-frame tersebut. Masing-masing adalah foto yang terbeku dalam waktu. Saat tiba pada persoalan arah waktu pun kita harus hati-hati. Kita tak boleh tertukar antara arah waktu riil (real direction of time) (jika hal semacam itu eksis) dan perasaan subjektif kita akan arah waktu. Terlebih dahulu izinkan saya mendefinisikan apa yang barangkali terlihat sebagai arah waktu tampak (obvious direction of time), dikenal sebagai anak panah psikologis, yakni arah waktu yang kita persepsikan; fakta bahwa kita mengingat peristiwa di masa lalu kita dan menatap peristiwa yang masih harus terjadi di masa depan kita. Seandainya anak panah psikologis waktu Anda tiba-tiba terbalik, akan terlihat seolah segala sesuatu di sekitar Anda berjalan terbalik. Masa depan orang lain akan berada di masa lalu Anda dan sebaliknya. Ini jelas begitu menggelikan sehingga saya takkan membuang waktu lebih banyak lagi untuk membahasnya dan Anda bisa berhenti berusaha memahaminya. Apakah memang ada persoalan terkait anak panah waktu? Tentu saja fakta bahwa kita melihat masa lalu terjadi sebelum masa depan adalah karena masa lalu memang terjadi sebelum masa depan! Alasan mengapa saya berhati-hati di sini adalah karena persamaanpersamaan fisika bahkan tidak menyediakan arah waktu. Waktu dapat mengalir
ke belakang dan hukum fisika akan tetap sama. Anda mungkin berargumen bahwa ini cuma nasib sial untuk fisikawan. Jika arah waktu luput dari persamaan-persamaan fisika maka mereka tidak bisa memberitahu kita keseluruhan cerita. Hanya karena mereka tidak bisa melihat arah waktu dari matematika bukan berarti tak ada satupun arah waktu di dunia riil . Tapi persoalannya lebih serius dari ini. Di dunia riil pun, pada level atom, hampir semua proses dapat dibalik dalam waktunya. Jika, dalam sebuah proses subatom, dua partikel (a dan b) bertemu dan bertubrukan, mereka akan sering saling melambungkan dan berpisah lagi. Jika Anda menonton rekaman proses demikian dan kemudian menyaksikannya berjalan terbalik, Anda takkan bisa memutuskan melalui jalan mana proses tersebut terjadi. Proses pembalikan waktu masih mematuhi hukum fisika. Saya mesti menguraikan bahwa ini akan menjadi eksperimen pikiran. Kita betul-betul tak bisa melakukannya sebab tak ada mikroskop di Bumi yang cukup canggih untuk menganalisa detil hingga level subatom. Seringkali terjadi, bukannya partikel a dan b saling melambungkan, justru dua partikel baru (katakanlah c dan d ) dihasilkan dan terbang berpisah. Lagi, Anda takkan bisa memutuskan urutan peristiwa yang benar jika Anda menonton rekaman proses ini sebab hukum fisika menyatakan bahwa proses pembalikan juga mungkin terjadi. Partikel c dan d boleh jadi bertubrukan untuk menghasilkan partikel a dan b. Karenanya Anda tak dapat mengatributkan anak panah waktu yang memberitahukan melalui jalan mana proses itu terjadi. Ini sangat kontras dengan peristiwa yang terjadi di sekeliling kita dalam kehidupan sehari-hari di mana kita tak punya masalah memutuskan ke arah mana waktu menunjuk. Contoh, Anda tak pernah melihat asap di atas cerobong berkumpul di situ dan terhisap rapi ke dalamnya. Demikian halnya, Anda tak bisa ‘mentidak-aduk’ gula dari secangkir kopi sekali ia telah larut, dan Anda tak pernah melihat setumpuk abu di perapian ‘batal terbakar’ untuk menjadi segelondong kayu kembali. Apa yang membedakan peristiwa-peristiwa ini dari peristiwa subatom? Mengapa sebagian besar fenomena yang kita lihat di sekitar kita tak pernah bisa terjadi secara terbalik? Tentu segala sesuatu pada akhirnya terbuat dari atom dan pada level tersebut segalanya bisa dibalik. Lantas pada tahap apa dalam perubahan dari atom menjadi asap cerobong, cangkir kopi, dan gelondongan kayu sebuah proses jadi tak bisa dibalik? Dengan pemeriksaan lebih seksama kita paham bahwa proses-proses di atas bukannya tak pernah bisa berjalan terbalik, tapi bahwa mereka sangat tak
mungkin untuk mengalami itu. Bahwa gula yang telah larut ‘batal larut’ lewat pengadukan dan menyusun ulang dirinya menjadi sebongkah gula kembali, itu sepenuhnya sudah ada dalam lingkup hukum fisika. Tapi jika kita melihat ini terjadi, kita akan mencurigai suatu jenis trik sulap. Dan sudah sepantasnya demikian, sebab peluang terjadinya begitu kecil sehingga dapat diabaikan. Mari kita pikirkan contoh yang lebih sederhana menggunakan setumpuk kartu. Ini lebih sederhana sebab kita berhadapan dengan jumlah komponen yang jauh lebih sedikit (52 kartu) daripada jumlah molekul gula atau asap atau kayu dalam contoh-contoh di atas. Dimulai dengan setumpuk kartu yang telah diurut agar empat rupa kartu dipisahkan dan masing-masing rupa kartu disusun dalam urutan menaik (dua, tiga, empat,…, joker, ratu, raja, as). Dengan sedikit mengocok kartu, urutan akan rusak. Sekarang kita bisa bertanya apa yang terjadi pada urutan kartu dalam pengocokan lebih lanjut ? Jawabannya jelas: kemungkinan besar kartu menjadi lebih kacau lagi untuk kembali ke urutan awal. Ketidakdapatdibalikkan ini sama dengan kasus bongkahan gula yang larut sebagian yang dalam pengadukan lebih lanjut selalu meneruskan pelarutan. Untuk memberi Anda gambaran probabilitas ini, saya beri contoh, seandainya Anda mengambil tumpukan kartu yang terkocok seluruhnya maka kemungkinan untuk mendapatkan urutan awal melalui pengocokan lebih lanjut adalah hampir sama dengan memenangkan jackpot National Lottery Inggris sembilan kali berturut-turut, bukan cuma satu atau dua kali! Ini semua sampai pada sebuah hukum penting dalam fisika yang disebut hukum termodinamika kedua. Subjek termodinamika melibatkan studi panas/kalor dan hubungannya dengan bentuk-bentuk energi lain. Astronom Arthur Eddington beranjak lebih jauh dengan mengklaim bahwa hukum kedua tersebut memegang posisi tertinggi di antara semua hukum alam. Ada tiga hukum termodinamika lain yang berkaitan dengan bagaimana kalor dan energi bisa ditransformasikan menjadi satu sama lain, tapi tak ada yang sepenting hukum kedua. Saya selalu merasa geli, salah satu hukum terpenting dalam keseluruhan fisika bahkan tidak dapat naik ke nomor satu dalam daftar hukum termodinamika. Hukum termodinamika kedua menyatakan bahwa segala sesuatu mengaus, mendingin, menuju berhenti, menua, dan membusuk. Ia menjelaskan mengapa gula larut dalam kopi tapi tak pernah ‘batal larut’. Ia juga menyatakan bahwa sebongkah es dalam segelas air akan meleleh karena panas selalu pindah dari air yang lebih hangat ke bongkahan es yang lebih
dingin dan tak pernah berjalan terbalik. Untuk memahami hukum kedua sedikit lebih baik, saya harus memperkenalkan kepada Anda sebuah kuantitas yang disebut entropi . Hukum kedua adalah pernyataan mengenai peningkatan entropi. Di sebuah sistem terisolasi, entropi akan tetap sama atau meningkat, tapi tak pernah bisa menurun. Entropi adalah kuantitas yang sedikit sulit didefinisikan secara tepat sehingga saya akan melakukan dalam dua cara: 1. Entropi adalah ukuran ketidakteraturan di sebuah sistem; seberapa kacau keadaannya. Tumpukan kartu terurut yang digambarkan tadi dikatakan memiliki entropi rendah. Dengan mengocok tumpukan, kita sedang merusak urutan awal mereka, dan meningkatkan entropi. Saat kartu kacau seluruhnya, entropi tumpukan dikatakan berada pada level tertingginya dan pengocokan lebih lanjut tidak bisa mencampur mereka lebih jauh lagi. 32 2. Entropi bisa pula dianggap sebagai ukuran kemampuan sesuatu untuk melakukan kerja (kerja yang saya maksud adalah kemungkinan mengekstrak energi berguna darinya, bukan kerja dalam makna biasa). Baterai berisi penuh mempunyai entropi rendah yang meningkat selagi ia digunakan. Mainan mesin jam, ketika diputar, memiliki entropi rendah yang meningkat seraya ia menuju berhenti. Setelah ia berhenti sepenuhnya, kita bisa mengeset ulang entropinya ke harga rendah dengan memutarnya kembali. Hukum kedua tidak dilanggar di sini sebab sistem (mainan mesin jam) tak lagi terisolasi dari lingkungannya (kita). Entropi mainan menurun, tapi kita ‘melakukan kerja’ untuk memutarnya dan entropi kita meningkat. Secara keseluruhan, entropi mainan + kita meningkat. Agak sulit menyediakan contoh entropi yang mencakupi kedua definisi di atas: definisi peningkatan ketidakteraturan dan kemampuan melakukan kerja. Namun, satu contoh peningkatan entropi yang tak terelakkan adalah kamar anak-anak saya. Sebelum mereka kembali dari sekolah di sore hari, kamar mereka rapi dan dikatakan berada dalam status entropi rendah. Sekali mereka pulang dan bermain di balik pintu kamar tertutup, terdapat kenaikan entropi amat pesat. Balok lego, mobil-mobilan, boneka, beruang teddy, perlengkapan teh dari plastik, dan aneka makanan plastik, semuanya dikeluarkan dari kotak penyimpanan dan ditebarkan sembarangan di seluruh lantai. Satu-satunya cara untuk mengembalikan kamar ke status entropi rendah awal adalah 32
Tentu saja pengocokan lebih lanjut akan mengacaukan kartu dengan cara lain, tapi kita takkan bisa mengatakan bahwa mereka jadi lebih kacau.
‘menerapkan kerja eksternal pada sistem’ (biasanya dalam wujud ibu mereka). Akan bertentangan dengan hukum fisika (atau yang dikenal sebagai hukum Al-Khalilis kedua) jika anak-anak memasuki kamar berentropi tinggi dan, tanpa kerja eksternal (misalnya ancaman verbal), menurunkan entropinya. Contoh lain peningkatan entropi ialah asap rokok di kantin perpustakaan universitas saya (pengungsian terakhir bagi perokok di kampus). Ketika sebatang rokok dinyalakan di area merokok, entropi dikatakan rendah sebab asapnya terbatas pada volume kecil kantin itu. Tapi berkat hukum termodinamika kedua, kita semua segera berbagi asap. Hukum termodinamika kedua menyatakan bahwa Anda tak pernah menyaksikan asap yang tersebar merata di seantero kantin berkumpul kembali di suatu pojok. Kita terkadang melihat contoh di mana seolah entropi menurun. Misal, jam tangan merupakan sistem yang amat teratur dan kompleks yang dihasilkan dari sekumpulan potongan logam. Tentu ini melanggar hukum kedua. Nyatanya ini hanyalah contoh mainan mesin jam dalam versi lebih rumit. Si pembuat jam telah mengerahkan sejumlah upaya untuk membuat jam, sedikit meningkatkan entropinya sendiri. Selain itu, peleburan bijih dan pengolahan logam yang dibutuhkan telah menghasilkan panas buangan dalam jumlah tertentu yang lebih dari cukup untuk menutupi penurunan kecil entropi akibat pembuatan jam. Jika kita merasa seolah entropi menurun, kita selalu menemukan bahwa faktanya sistem itu tak terisolasi dari sekitarnya dan bahwa, dengan memandang gambaran yang lebih luas, entropi akan selalu lebih tinggi daripada sebelumnya. Kita bisa memandang banyak proses yang terjadi di Bumi, dari evolusi kehidupan sampai pendirian bangunan amat teratur dan kompleks, mengurangi entropi di permukaan planet kita. Segala sesuatu mulai dari mobil, komputer, sampai kubis memiliki entropi lebih rendah daripada material mentah penyusunnya. Meski begitu, hukum kedua tidak tersingkirkan. Yang kita luputkan adalah fakta bahwa keseluruhan Bumi pun tidak bisa dianggap terisolasi dari sekitarnya. Kita tidak boleh lupa bahwa hampir semua kehidupan di Bumi, dan karenanya semua struktur berentropi rendah, adalah berkat sinar matahari. Ketika kita mempertimbangkan sistem gabungan Bumi + Matahari, kita melihat bahwa keseluruhan entropi meningkat sebab radiasi yang dicurahkan Matahari ke angkasa (yang sebagiannya diserap oleh Bumi) mengandung arti bahwa entropi gabungan meningkat secara jauh lebih banyak daripada besaran penurunan entropi di Bumi.
Anak panah waktu Ke mana semua ini membawa kita? Saya mulai dengan membicarakan arah aliran waktu. Ingat, ini bukan arah nyata dalam arti Utara atau Selatan, atau bahkan arah dalam waktu; ini adalah arah waktu dan hanya bisa menunjuk ke salah satu dari dua arah (berlawanan). Ada dua cara menentukan anak panah demikian: kita bisa mempertimbangkan dua peristiwa dan bertanya peristiwa mana yang terjadi pertama kali atau, dengan mempertimbangkan kuantitas yang berubah, kita bisa menentukan sebuah anak panah waktu menunjuk ke arah peningkatan atau penurunan kuantitas tersebut. Sering diklaim bahwa alasan mengapa kita ‘melihat’ waktu mengalir ke arah yang kita saksikan adalah karena otak kita, seperti sistem fisikal lainnya, harus mematuhi hukum termodinamika kedua. Jadi anak panah waktu psikologis harus selalu menunjuk ke arah peningkatan entropi. Ini amat meragukan. Keliru jika menyatakan bahwa entropi di otak kita meningkat. Seperti sistem biologis lain, otak kita memanfaatkan energi untuk memelihara status entropi rendahnya. Menurut penaksiran, entropi di otak kita tetap konstan selama sebagian besar masa hidup kita. Hukum termodinamika kedua memberi kita anak panah waktu yang kelihatannya lebih umum dan kurang subjektif daripada anak panah waktu psikologis yang kita bangun ke dalam kesadaran kita. Oleh sebab itu kita menetapkan apa yang disebut anak panah waktu termodinamis, yang selalu menunjuk ke arah peningkatan entropi. Karena kita selalu melihat entropi di sekitar kita meningkat, maka dengan sengaja anak panah termodinamis akan menunjuk ke arah yang sama dengan anak panah psikologis. Bagaimana jika suatu hari nanti entropi mulai menurun di setiap tempat di Alam Semesta? Kita akan katakan bahwa anak panah termodinamis telah terbalik. Lantas apa yang terjadi pada anak panah psikologis? Apa ia menunjuk ke arah berlawanan? Apa kini kita melihat gula tersusun kembali, tumpukan kartu mengurut kembali, dan asap rokok berkumpul kembali dari seantero ruangan dan memusat di, dan lenyap menjadi, ujung rokok yang dinyalakan? Jawabannya, beberapa orang percaya, adalah tidak. Di sinilah mereka mengambil gagasan bahwa proses-proses pikiran kita, yang menetapkan anak panah psikologis, adalah proses kimiawi di otak, dan seperti sistem fisikal lainnya, mesti tunduk pada hukum kedua. Jika, untuk alasan apapun, entropi mulai menurun di setiap tempat , maka itu mencakup otak kita (dan proses pikiran kita) dan anak panah psikologis akan terbalik pula. Saya tak begitu yakin
sebab, sebagaimana saya sebutkan sebelumnya, saya percaya bahwa otak kita berjuang melawan pasang peningkatan entropi di luar. Menurut saya belum jelas apa yang akan terjadi di dalam otak kita jika entropi mulai menurun di setiap tempat. Ada dua anak panah waktu lebih lanjut yang mesti saya jelaskan yang mencerminkan tipe proses lain yang tak bisa dibalik dalam fisika. Yang pertama adalah anak panah pengukuran quantum. Sepanjang sebuah sistem quantum, seperti atom, dibiarkan sendirian dan kita tak berupaya mengukur atributnya, ia tetap bisa dibalik sepenuhnya dalam arti bahwa proses-proses yang berlangsung di dalamnya bisa terjadi ke waktu depan atau ke waktu belakang. Namun sekali kita berupaya menyelidiki sistem (memakai suatu peralatan eksperimen semisal detektor untuk mengukur, katakanlah, posisi sebuah atom), terpilihlah sebuah arah definitif waktu. Atribut-atribut tertentu diubah secara permanen oleh tindakan pengukuran. Riset mutakhir makna mekanika quantum mengindikasikan bahwa anak panah pengukuran quantum sangat mirip pangkalnya dengan anak panah termodinamis. Cara lain mendefinisikan peningkatan entropi adalah lewat loss informasi. Dengan menyimpan file di komputer, Anda menciptakan keteraturan dan menurunkan entropi secara lokal. Hal sebaliknya terjadi manakala Anda menghapus file. Anda kehilangan informasi dan entropi meningkat. Kini terlihat bahwa anak panah pengukuran quantum terjadi akibat loss informasi serupa pada level subatom. Dalam jargon teknis, dikatakan bahwa koherensi quantum bocor ke lingkungan sekitar sistem quantum saat ia diselidiki, sehingga meningkatkan entropinya. Loss informasi quantum ini sedikit mirip dengan bocornya kalor sebuah objek panas ke lingkungannya yang dingin. Terakhir, saya mesti menyebutkan anak panah waktu yang keempat mengingat adanya temuan eksperimen mutakhir. Ia disebut anak panah materi/antimateri. Dalam eksperimen cukup tajam yang dijalankan di akselerator partikel CERN pada 1998, ditemukan bahwa perubahan antimateri menjadi materi sedikit lebih mungkin terjadi daripada sebaliknya. Eksperimen itu, dikenal sebagai CP-LEAR (singkatan dari charge parity experiment in the low energy antiproton ring), tidak dipangkas dan dikeringkan. Kelompokkelompok riset pesaing di seluruh dunia masih harus diyakinkan. Tapi jika benar, itu mengindikasikan bahwa seandainya Anda memulai dengan jumlah materi dan antimeteri yang setara, dalam bentuk partikel subatom yang disebut kaon, maka pada waktu kemudian semestinya terdapat lebih banyak
kaon materi daripada kaon antimateri. Ini menyediakan anak panah waktu pada level partikel-partikel ini, menunjuk ke arah pengurangan antimateri. Stephen Hawking keliru memahaminya Tak lama setelah saya memulai PhD saya pada 1987, saya berada di perpustakaan universitas untuk menjalankan apa yang dikenal sebagai penelitian kepustakaan. Saya mengerjakan sebuah persoalan dalam fisika yang melibatkan kalkulasi matematis panjang yang menggambarkan apa yang terjadi saat dua nukelus atom bertubrukan, dan saya mencari beberapa referensi dalam jurnal ilmiah yang terkait dengan penelitian saya. Tidak berhasil menemukan paper tertentu dan menjadi sedikit bosan, saya memutuskan mencari paper ilmiah mutakhir karangan Stephen Hawking, tak lain karena saya merasa penelitiannya dalam kosmologi mungkin menyediakan perubahan menggembirakan dari punya saya. Saya menemukan sebuah paper -nya yang berasal dari beberapa tahun silam sampai tahun 1985 di mana dia membahas bagaimana arah waktu barangkali terbalik jika Alam Semesta mulai menyusut. Ini terdengar menjanjikan. Saya memfotokopi artikel tersebut dan membacanya dalam perjalanan pulang naik kereta. Saya mengikuti argumen-argumen di beberapa halaman pertama tapi segera tertambat pada matematikanya. Namun demikian, malam itu saya memutuskan bahwa dia pasti keliru, tapi karena saya tidak bisa mengikuti detil matematikanya saya tidak merasa berada di atas pijakan yang cukup aman. Bagaimanapun juga, dia adalah ilmuwan terkenal dunia dan saya baru memulai sebagai mahasiswa riset di bidang fisika yang berbeda sama sekali. Walaupun saya belum tahu saat itu, Hawking sudah menyadari bahwa kesimpulannya dalam paper tersebut, yang telah menarik banyak perhatian, keliru. Meski begitu, saya ingin membahas ide-idenya terutama untuk menunjukkan betapa waktu bisa membingungkan dan ilusif jika seseorang sekaliber Stephen Hawking bisa keliru memahami. Nyatanya, saya terkagum melihat betapa begitu banyak ilmuwan mahsyur dan pakar dunia lain yang masih bisa memegang pandangan berlawanan mengenai sesuatu sefundamental ini. 33 33
Kesimpulan asli Stephen Hawking dan pengakuan kekeliruan dirinya terdokumentasikan dengan baik. Tapi ada fisikawan-fisikawan lain, yang sama-sama terkemuka, yang belum mengakui kesalahan setelah teori mereka terbantahkan lantaran kurangnya kejujuran dan integritas seperti yang dimiliki Hawking. Hawking sendiri menyatakan bahwa “harus ada jurnal pengakuan kesalahan di mana ilmuwan dapat mengakui kekeliruan mereka. Tapi itu mungkin takkan punya banyak kontributor.”
Ini semua sampai pada kebingungan yang dihadapi banyak orang terkait konsep entropi. Saya pertama-tama akan secara ringkas menggambarkan mengapa Hawking mencapai kesimpulan kontroversialnya. Hukum termodinamika kedua semestinya berlaku tanpa diskriminasi di setiap tempat di Alam Semesta, menyatakan bahwa entropi sistem terisolasi manapun tak bisa menurun. Jadi mengapa ia mesti tak berlaku pada keseluruhan Alam Semesta? Bagaimanapun, Alam Semesta secara keseluruhan menurut definisi merupakan sistem terisolasi sebab tak ada apapun di luarnya. Nyatanya, entropi Alam Semesta memang meningkat dan mengimplikasikan bahwa ia pasti lebih teratur di masa lalu. Nyatanya, ia pasti mempunyai entropi minimum saat Big Bang dan sejak saat itu telah menuju berhenti, atau mati. Tentu Anda mungkin menganggap pembicaraan mengenai entropi keseluruhan Alam Semesta agak ambisius, jika bukan sombong, tapi karena kita sedang mencoba membayangkan ukuran, bentuk, dan umurnya, mengapa tidak dengan entropinya sekalian? Untuk memulai, saya akan mempertimbangkan sebuah ‘model’ alam semesta sederhana yang sedikit berkaitan dengan realitas tapi akan membantu kita memahami peran apa yang mungkin dimainkan hukum kedua dalam evolusi Alam Semesta. Bayangkan sebuah boks tersegel yang di dalamnya semua molekul udara terkonsentrasi di satu pojok. Satu cara untuk mencapai kondisi ini adalah jika udara mulanya terkurung di dalam sebuah botol di pojok tersebut yang kemudian bisa dibuka dari jauh. Entropi boks dalam status awal ini rendah sebab kandungannya berada dalam status amat teratur dengan semua udara termuat secara rapi di dalam botol. Seraya waktu berlalu, udara akan keluar dari botol dan menyebar untuk memenuhi keseluruhan boks yang menyebabkan entropinya meningkat. Ketika molekul udara tersebar merata ke seantero boks, entropi akan berada pada level maksimum dan sistem dikatakan setimbang. Ini ekuivalen dengan tumpukan kartu yang dikocok seluruhnya. Ada probabilitas amat kecil bahwa pada suatu waktu kemudian kita akan mendapati semua molekul berada di dalam botol lagi. Sekarang bayangkan boksnya jauh lebih besar (katakanlah seukuran galaksi). Dengan begitu banyaknya molekul di dalam boks, massa gabungan mereka cukup bagi gravitasi untuk memiliki efek. Mungkin saja sekelompok molekul lebih saling mendekat secara sembarang daripada rata-rata molekul. Sekali ini terjadi, kita menduga gravitasi mengambil-alih dan menyebabkan
mereka tertarik menuju satu sama lain. Semakin banyak molekul yang ikut menggumpal, semakin efektif tarikan gravitasi gabungan mereka terhadap molekul sekitar. Penggumpalan gravitasi ini akhirnya akan menyebabkan semua udara berkerumun dalam timbunan-timbunan berukuran berlainan di seantero volume boks, dengan lowong kosong di antara mereka. Apa yang terjadi pada entropi sekarang? Kita memulai dengan molekul tersebar merata di seantero volume dan entropi berada pada level maksimum dan berakhir dengan status yang amat teratur, seperti menyapukan dedaunan Musim Gugur menjadi gundukan rapi. Seolah gravitasi telah menyebabkan hukum kedua dilanggar. Tidak demikian. Jika Anda menganggap peningkatan entropi sebagai proses keberhentian, maka materi yang cukup berdekatan untuk merasakan tarikan gravitasi akan ‘menuju berhenti’ selagi saling menarik. Sebuah bola di puncak bukit memiliki entropi rendah. Saat ia menggelinding turun bukit (akibat aksi gravitasi), entropinya meningkat. Kita katakan ia kehilangan kemampuan untuk melakukan kerja. Kita diajari di sekolah bahwa bola di puncak bukit mempunyai energi potensial yang berubah menjadi energi kinetik saat menggelinding turun. Demikian pula, mainan putar (yang tadi saya gambarkan memiliki entropi rendah) mempunyai energi potensial yang terus hilang selagi menuju berhenti dan entropinya meningkat. Jadi gravitasi meningkatkan entropi, tapi masih belum menjelaskan bagaimana entropi dalam boks bisa meningkat jika ia sudah berada pada level maksimum. Jawabannya adalah bahwa karena sejak semula molekul terpisah merata, gravitasi akan berjalan ke semua arah dan menghapuskan, dan entropi berada pada level maksimum. Jika, secara kebetulan (dan segalanya mungkin terjadi), molekul-molekul di kawasan tertentu lebih berdekatan daripada ratarata molekul maka ini melambangkan penyimpangan temporer dari status entropi maksium (setimbang). Agar hukum kedua meralat situasi tersebut, molekul-molekul ini punya dua pilihan: mereka bisa saling berpisah lagi menuju status setimbang awal mereka, atau mereka bisa saling menarik untuk membentuk gumpalan. Dengan kedua cara ini entropi meningkat kembali ke level maksimum. Kedua skenario bisa dipandang sebagai proses kematian sistem, tapi kini kita punya dua gambaran alternatif mengenai status entropi maksimum. Sekarang kita siap menghadapi Alam Semesta riil. Hawking memulai argumennya dengan menyatakan bahwa Alam Semesta pasti mempunyai entropi minimum saat Big Bang dan sejak saat itu, karena Alam Semesta harus
mematuhi hukum termodinamika kedua, telah menuju berhenti, bergerak menuju status entropi maksimum. Dia telah mengembangkan teori Alam Semesta yang mensyaratkannya tertutup dan percaya bahwa ia mengandung cukup materi untuk suatu hari nanti menghentikan perluasan dan menyebabkannya kolaps menuju Big Crunch. Ingat dari Bab 3 bahwa ini merupakan satu kemungkinan skenario nasib Alam Semesta yang tidak dapat kita kesampingkan. Sisa bab ini akan mengasumsikan bahwa ini akan betulbetul menjadi nasib Alam Semesta (yang, sebagaimana sudah kita temukan, kemungkinannya kecil saat ini). Dalam model Hawking, singularitas Big Bang dan Big Crunch adalah identik. Bagaimanapun juga, dalam kedua kasus semua materi dan energi di Alam Semesta akan tergumal menuju densitas tak terhingga dan ukuran nol. Jadi jika singularitas Big Bang berstatus entropi rendah, maka demikian pula semestinya dengan singularitas Big Crunch. Karenanya, selagi Alam Semesta menyusut, entropinya harus menurun lagi dan hukum termodinamika kedua akan dilanggar selama fase ini. Hawking percaya bahwa status perluasan maksimum juga melambangkan status entropi maksimum. Jadi fase penyusutan Alam Semesta merupakan kebalikan fase perluasan. Dalam hal anak panah waktu, jika entropi mulai menurun selama fase penyusutan maka anak panah termodinamis pasti terbalik (sebab ia ditetapkan selalu menunjuk ke arah peningkatan entropi), dan jika anak panah subjektif (psikologis) kita selalu ke arah yang sama dengan anak panah termodinamis, waktu kita juga akan berjalan terbalik. Berarti, bukannya menjadi peristiwa di masa depan kita, Big Crunch akan menjadi peristiwa di masa lalu kita. Tentu saja saya berasumsi manusia akan berlangsung hidup selama miliaran tahun yang dibutuhkan untuk menguji ini, tapi jika kita memang berlangsung hidup selama itu kita takkan betul-betul melihat Alam Semesta menyusut. Karena waktu kita akan berjalan terbalik, kita akan berpikir Alam Semesta masih mengembang. Karenanya kita juga takkan melihat pelanggaran hukum termodinamika kedua. Menurut kita entropi meningkat sebagaimana biasa. Kesimpulan paling mengagumkan dari situasi aneh ini adalah bahwa Alam Semesta mungkin nyatanya sedang kolaps saat ini, dan hanya karena kita mempunyai anak panah waktu yang menunjuk ke arah peningkatan entropi, kita keliru meyakininya sedang mengembang! Pada saat itu saya tak menyadarinya, tapi ide pembalikan arah waktu dalam kekolapsan alam semesta sebetulnya berkat Thomas Gold pada 1960-an.
Hawking mencoba menaruh ide tersebut di atas pijakan teoritis yang kokoh dengan mengambil sifat quantum dua singularitas tersebut. Nyatanya, perilaku Alam Semesta saat mendekati perluasan maksimum akan sangat aneh dalam gambaran awal Hawking. Katakanlah seorang manusia bertahan hidup dari fase perluasan sampai fase penyusutan sambil terlingkungi di dalam sebuah kapal antariksa. Anak panah waktu dia akan terbalik tiba-tiba dan dia takkan mengingat waktu perluasan maksimum sebab waktu tersebut kini berada di masa depannya. Saya sekarang akan menggambarkan keberatan saya terhadap ide ini. Pertama-tama, Hawking memakai kata ‘perluasan’ dan ‘penyusutan’ dan ‘bertahan hidup melewati periode perluasan maksimum menuju fase penyusutan’. Bahasa demikian mengimplikasikan bahwa harus ada anak panah waktu eksternal yang terpisah yang menunjuk dari Big Bang menuju Big Crunch. Kalau tidak, tak ada sesuatu untuk membedakan keduanya dan kita tak bisa mengatakan bahwa yang satu adalah ‘sebelum’ yang lain. Ketika diklaim bahwa kita mungkin ‘keliru’ menyangka bahwa kita hidup dalam fase perluasan padahal ‘sebetulnya’ dalam fase kekolapsan, kita memerlukan waktu eksternal untuk difungsikan sebagai hakim dan memberitahu kita apa yang sebetulnya sedang dilakukan Alam Semesta. Kita tak tahu ada anak panah waktu semacam itu dan pernyataan bahwa anak panah waktu tersebut eksis mengingatkan kita pada pembahasan sebelumnya mengenai waktu eksternal hipotetis yang dipakai untuk mengukur laju aliran waktu kita. Dan jika tak ada arah waktu keseluruhan yang istimewa yang melabeli fase perluasan dan penyusutan maka Big Crunch semestinya betul-betul ekuivalen dengan Big Bang dan juga menandai permulaan waktu. Karenanya kita akan memiliki waktu yang mengalir dari kedua singularitas, ke arah berlawanan, menuju ‘akhir waktu’ pada perluasan maksimum. Saya akan menyoroti persoalan akhir waktu ini dengan mempertimbangkan nasib manusia yang bertahan hidup di kapal antariksa tadi mendekati waktu perluasan maksimum. Dia mengkalkulasi bahwa Alam Semesta akan mencapai perluasan maksimum pada pukul tiga sore itu (kita sebut ini T-max ). Dia sadar bahwa anak panah waktu dirinya segera terbalik. Pada pukul tiga kurang satu detik segalanya normal dan dia tahu dirinya punya satu detik untuk dilalui. Apa yang akan terjadi dua detik kemudian? Kini jam menunjukkan pukul tiga lewat satu detik dan kita berada dalam fase penyusutan. Jika anak panah waktu dia kini telah terbalik dan semua proses di
dalam kapal antariksa berjalan terbalik maka jamnya kini akan menunjukkan pukul tiga kurang satu detik lagi. Dia masih akan berpikir bahwa Alam Semesta akan mengalami perluasan selama satu detik lagi. Bahkan pada pukul tiga kurang sepersejuta detik di sebelah T-max ini takkan ada yang tak biasa, tapi dua per sejuta detik kemudian dia masih akan percaya bahwa T-max adalah sepersejuta detik jauhnya dari dia. Kita bisa sedekat mungkin dengan T-max sesuka kita tapi takkan pernah ada waktu yang lebih dari itu. Itu betul-betul akan menandai ujung waktu. Keberatan di atas tidak membuktikan bahwa Hawking salah, melainkan bahwa bahasa yang dipakai mensyaratkan anak panah waktu tambahan yang tidak berubah arah pada momen T-max , dan yang tak ada acuan untuknya. Setelah membahas teorinya bersama kolega, Hawking segera menyadari bahwa Alam Semesta tidak harus kembali ke status entropi rendah saat Big Crunch dan karenanya tidak harus ada pembalikan arah anak panah waktu kita. Entropi Alam Semesta bisa terus meningkat dari fase perluasan menuju fase penyusutan. Sayangnya Hawking tertular pneumonia dan tak mampu menulis paper lanjutan untuk menjelaskan kekeliruannya. Saya ingat dengan gamblang pernah membaca buku best-seller -nya, A Brief History of Time, saat dalam perjalanan kereta menuju tempat kerja satu atau dua tahun setelah itu terbit—seorang teman membelikan saya paperback edition di bandara New Delhi jauh sebelum tersedia di Inggris—dan saya ingat merasa terkejut dan penuh kagum atas kejujuran Hawking. Di atas semua itu, saya ingat saat itu merasa malu lantaran seringai bodoh wajah saya menarik perhatian penumpang lain. Jadi bagaimana kita bisa memahami perbedaan antara Big Bang yang berentropi rendah dan Big Crunch yang berentropi tinggi? Satu penjelasan adalah bahwa ruang di dekat kedua singularitas tersebut memiliki geometri berbeda. Menurut pemikiran mutakhir adalah bahwa black hole merupakan gudang entropi. Semakin besar ia, semakin tinggi entropinya. Karena Big Crunch bisa dianggap sebagai black hole penghabisan yang telah menelan keseluruhan Alam Semesta, ia pasti memiliki entropi amat tinggi. Big Bang, kontrasnya, adalah seperti white hole dan memiliki entropi amat rendah. Tapi ini kurang memuaskan. Bagaimanapun juga, apakah gravitasi masuk hitungan? Apakah perluasan masuk hitungan? Dan, terutama, bagaimana Alam Semesta bisa berada dalam status entropi sedemikian rendah saat Big Bang?
Sekilas, Alam Semesta tampaknya berada dalam status entropi rendah saat ini. Bintang-bintang merupakan titik panas di angkasa yang memancarkan panas mereka ke sekeliling dan menyebabkan entropi meningkat (ingat, ide perpindahan panas adalah sebuah cara mendefinisikan entropi). Saat sebuah bintang berhenti bersinar, ia akan berakhir sama sekali dan akan berada dalam status entropi tinggi (baik berakhir sebagai black hole ataupun tidak). Jadi akan ada waktu di masa depan jauh ketika semua bintang telah mati dan radiasi mereka tersebar merata di angkasa (entropi tinggi). Namun, di sini ada persoalan serius yang telah coba diatasi oleh fisikawan, dengan tingkat keberhasilan yang rendah dan tinggi. Sebelum bintang dan galaksi terbentuk di Alam Semesta awal, bahkan sebelum materi sempat terbentuk dari energi murni, Alam Semesta telah berada dalam status kesetimbangan termal, dengan energi tersebar merata sehingga tak ada kawasan ruang yang lebih panas daripada yang lainnya. Tentu ini merupakan status entropi maksimum! Lalu apa yang menyebabkan bintang-bintang terbentuk? Sebuah proposal berbunyi begini: Memang benar Alam Semesta berawal dalam status entropi maksimum, tapi kala itu ia juga sangat kecil. Entropi yang dimilikinya maksimum untuk alam semesta seukuran itu. Lalu Alam Semesta mengalami periode perluasan pesat (inflasi) dan besaran entropi maksimum yang bisa dimilikinya meningkat dramatis. Namun, entropi aktualnya cepat-cepat tertinggal oleh harga maksimum potensial ini, menciptakan ‘gap entropi’. Dalam bukunya, The Emperor’s New Mind , Roger Penrose mengkritik pandangan ini dengan mengklaim bahwa situasi pembalikan waktu mestinya juga berlaku jika dan ketika Alam Semesta akhirnya kolaps menuju Big Crunch. Selagi ia menyusut, gap entropi akan menurun sampai mencapai kembali sebuah ukuran di mana entropinya maksimum. Penyusutan lebih lanjut akan menekan entropi lebih lanjut, melanggar hukum kedua. Oleh sebab itu bagaimana kita bisa memahami keasimetrian antara kedua singularitas tersebut? Bisakah gravitasi menyediakannya? Sebuah perbedaan nyata antara fase perluasan dan penyusutan adalah bahwa dalam fase penyusutan telah ada beberapa kondisi awal yang menyebabkan Alam Semesta mengembang. Fase penyusutan, di sisi lain, diakibatkan sepenuhnya oleh tarikan gravitasi materi di dalam Alam Semesta. Jadi pangkal fisikal perluasan dan penyusutan berbeda. Tapi akan memuaskan jika kita mampu menjelaskan evolusi Alam Semesta dari segi entropi.
Perbedaan lain yang sering dikutip adalah bahwa alam semesta tua yang menyusut takkan lagi memiliki bintang yang masih menyala. Ia hanya akan terdiri dari radiasi latar dingin, bintang mati, dan black hole. Jelas merupakan pemandangan entropi tinggi. Tapi ini bukan satu-satunya kemungkinan skenario. Untuk kesederhanaan, mari kita asumsikan bahwa Alam Semesta yang menyusut hanya mengandung cahaya berenergi rendah (photon) dan black hole. Hawking telah menunjukkan bahwa black hole menguap dan karenanya kita bisa membayangkan alam semesta yang begitu tua—yang punya cukup materi untuk menutupnya, artinya perlu waktu sangat lama bagi gravitasi untuk menghentikan dan membalik perluasan—sehingga semua black hole telah menguap. Apakah mereka meninggalkan singularitas hampa yang telanjang, hal ini belum jelas, tapi jika tidak maka Alam Semesta akhirnya hanya akan terdiri dari radiasi dingin. Kemungkinan solusi Saya masih belum menjelaskan bagaimana bintang dan galaksi bisa terbentuk. Ini hanya bisa terjadi jika ada ketidakteraturan, atau kerutan, di struktur ruang yang akan menyebabkan materi di situ lebih padat daripada rata-rata tempat lain. Selama ruang tidak mengembang terlampau cepat, tak terelakkan lagi bahwa materi di kawasan tersebut akan saling menggumpal lebih lanjut. Ini mirip dengan contoh molekul udara dalam boks yang saya bahas tadi. Dalam kasus tersebut, volume dalam boks tidak mengembang, dan kawasan-kawasan berdensitas lebih tinggi timbul murni secara kebetulan. Di Alam Semesta awal, kawasan di mana materi menggumpal bersama tersebut akhirnya memanas hebat hingga memicu fusi nuklir dan melahirkan bintang. Namun, besaran pengkerutan harus tepat. Jika terlalu kecil, materi takkan pernah menggumpal dan galaksi dan bintang (dan karenanya kita) takkan pernah terbentuk. Di sisi lain, jika ruang terlalu kusut maka densitas tinggi materi di kawasan itu akan cepat menghasilkan pembentukan black hole besar. Sekalipun kita tak memahami awal-mula ketidakteraturan ini, setidaknya kita mesti mencari bukti eksperimen bahwa ia eksis di Alam Semesta awal. Diprediksi secara teoritis bahwa ia timbul sebagai perbedaan temperatur amat kecil radiasi gelombang mikro latar yang, sebagaimana saya sebutkan di Bab 3, merupakan afterglow Big Bang. Namun efek ini pasti begitu kecil sehingga tidak bisa dideteksi dari Bumi. Pada 1992, NASA mengumumkan bahwa satelit COBE (singkatan dari COsmic Background Explorer) telah mendeteksi perbedaan
temperatur radiasi latar dengan magnitudo tepat. Penemuan itu dielu-elukan sebagai bukti final bahwa model Big Bang benar. Namun, beberapa astronom berargumen bahwa pernyataan ini terlalu keras dan bahwa temuan COBE hanya mendukung gagasan kita tentang pembentukan galaksi. Apa sekarang segalanya cocok? Apa entropi Alam Semesta bermula dari harga rendah saat Big Bang? Akankah ia terus meningkat sekalipun Alam Semesta suatu hari nanti kolaps menuju Big Crunch, dan karenanya menyediakan kita anak panah waktu yang tidak terbalik? Saya percaya demikian, tentu saja dengan asumsi bahwa Alam Semesta suatu hari nanti akan kolaps (saya tahu kemungkinannya kecil). Persis setelah Big Bang, Alam Semesta amat panas dan energetik dan karenanya berada dalam status entropi rendah. Selagi mengembang, ia mendingin. Entropinya meningkat pesat, bukan akibat perpindahan panas tapi lebih karena energinya bisa dianggap terpakai habis guna menyediakan kerja untuk perluasan. Seraya Alam Semesta mendingin, sejumlah kecil energinya jadi terkunci di dalam atom-atom hidrogen. Lalu, berkat kerutan di ruang yang menyediakan benih untuk pembentukan bintang, gravitasi segera mampu menyebabkan atom-atom ini menggumpal bersama untuk membentuk galaksi dan bintang di dalam kerutan ruang tersebut. Itu kemudian menyediakan cara untuk menyadap energi di dalam atom-atom ini lewat fusi nuklir. Jika galaksi dan bintang tidak terbentuk, Alam Semesta akan sudah lama kehilangan panas. Ia sekarang akan berupa tempat yang dingin dan gelap. Energi yang terkunci di dalam bintang menunda hal tak terhindarkan tersebut. Sedikit-banyak, kematian panas Alam Semesta sudah terjadi. Galaksi-galaksi sebetulnya hanyalah kantong terisolasi kecil untuk menahan peningkatan pesat entropi di sekeliling mereka. Radiasi gelombang mikro latar dengan temperaturnya 3 derajat di atas nol absolut merupakan bukti bahwa Alam Semesta telah hampir menuju berhenti sepenuhnya. Beberapa penulis mengklaim kematian panas Alam Semesta takkan pernah terjadi sekalipun ia terus mengembang selamanya. Karena ruang yang tersedia untuk materi di Alam Semesta selalu bertambah, mereka berargumen, akan selalu ada ruang lebih baginya untuk menyebar. Ini keliru. Sekali materi dan radiasi tersebar seragam di seantero ruang, maka perluasan lebih lanjut akan mengurangi densitas (jumlah materi di volume tertentu). Itu takkan mengubah status kesetimbangan.
Jika Alam Semesta ditakdirkan kolaps lagi akibat gravitasinya sendiri, maka ini melambangkan peningkatan entropi lebih lanjut. Tak peduli jika yang dikandungnya saat itu hanya radiasi dingin sebab penggumpalan gravitasi dalam pengertian biasa tidak dibutuhkan. Big Crunch tidaklah seperti pembentukan galaksi di Alam Semesta awal. Selama kekolapsan, keseluruhan Alam Semesta menutup dirinya sendiri. Cara terbaik untuk menggambarkan ini adalah membayangkan Alam Semesta sebagai pegas. Perluasan adalah seperti peregangan pegas. Jika meregang terlalu keras, ia takkan pernah kembali ke kondisi tergulungnya semula. Jika peregangannya lebih lembut, maka ia akan memperkenankan dirinya tertarik begitu jauh sebelum mengatup kembali ke posisinya. Demikian halnya, Alam Semesta pada perluasan maksimum masih mempunyai energi gravitasi potensial. Begitu kolaps, entropinya meningkat lebih lanjut lagi. Entropi maksimum tercapai pada Big Crunch yang menandai akhir waktu; ujung anak panah waktu termodinamis. Penjelasan di atas adalah penyederhanaan berlebihan. Saya sudah sebutkan bahwa belum ada konsensus nyata mengenai anak panah waktu dalam kosmologi dan argumentasi yang saya sodorkan masih jauh dari menentukan dalam subjek ini. Nah, setelah Anda melihat bagaimana waktu bisa membingungkan sebagai konsep, Anda akhirnya siap menemui teori relativitas khusus Einstein di mana dia berusaha menyatukan waktu dengan ruang untuk membentuk ruangwaktu empat-dimensi. Jangan terlalu khawatir. Dibandingkan dengan lanturan metafisik sureal dalam bab ini, relativitas khusus mestinya menjadi tiupan udara segar. Saya mencium skeptisisme.
“Ah! itu menjawab persoalan,” kata Hatter. “Dia takkan tahan terhadap pukulan. Kalau kau terus berhubungan baik dengannya, dia akan melakukan hampir apapun yang kau sukai dengan jam itu…kau bisa membuatnya tetap pada pukul setengah dua selama kau suka.” Lewis Caroll, Alice’s Adventures in Wonderland Apa yang istimewa dari relativitas khusus? GAKNYA, bab ini adalah ruang mesin buku ini. Sejauh ini, saya telah meminta Anda membayangkan dimensi lebih tinggi, berharap Anda menerima bahwa gravitasi bisa melengkungkan ruang dan waktu dan menerima perkataan saya tentang bagaimana rasanya jatuh ke dalam black hole. Namun, saya belum membahasnya cukup dalam untuk membuat Anda memahami sepenuhnya argumentasi logis yang menuntun pada semua itu, sebab berada di luar lingkup buku ini. Bab ini berbeda. Saya tak bisa meremehkan argumentasi yang membawa kita pada pandangan Einstein tentang ruang dan waktu. Di sinilah Anda akan melihat kejeniusan sejati Einstein dan, saya harap, memahami kesimpulan tak terhindarkan tapi mengherankan yang terpaksa dia capai. Sepuluh tahun sebelum teori relativitas umumnya (dipublikasikan pada 1915), Einstein menunjukkan, melalui keharusan logis, bagaimana waktu dan ruang terhubung. Di sinilah, sebagaimana akan kita simak, ide waktu sebagai dimensi keempat masuk hitungan. Ini kemudian dikenal sebagai teori relativitas khusus, dan baru setelah dia memahami struktur ‘ruangwaktu’ inilah dia bisa mengalihkan perhatiannya kepada teori relativitas umumnya di mana dia menunjukkan bagaimana gravitasi dapat melengkungkan ruangwaktu. Einstein mengumumkan teori relativitas khususnya (kini secara sederhana dikenal sebagai relativitas khusus) kepada dunia di tahun 1905 saat dirinya masih dalam usia pertengahan 20-an. Tapi dia telah bergelut dengan
A
konsep-konsep yang menghasilkannya sejak usia pertengahan belasan. Relativitas khusus merupakan alasan mengapa hari ini Einstein terkenal, terlepas dari fakta bahwa itu digantikan oleh relativitas umum yang jauh lebih hebat beberapa tahun kemudian, dan bahwa nyatanya konfirmasi eksperimen relativitas umumlah yang membuat nama dia dikenal luas. Paper Einstein mengenai relativitas khusus bahkan tidak dianggap sebagai karya terpentingnya pada tahun ia diterbitkan. Dampaknya perlu waktu untuk meresap. Ingat, dia menerima pengakuan komite hadiah Nobel atas karyanya yang membuktikan bahwa cahaya tersusun dari partikel. Jadi apa yang membuat teori relativitas khusus begitu istimewa? Keterangan populer mengenai relativitas khusus sering mencoba mengelabui Anda dengan penjelasan bahwa itu adalah teori yang memberi kita persamaan terkenal berikut: E = mc 2 Ini memang benar, dan rumus sederhana inilah yang membawa kita, dengan suka dan duka, memasuki abad nuklir. Namun, relativitas khusus jauh lebih dalam dari itu. Ini agak mirip dengan menggambarkan revolusi industri sebagai pemberi kita mesin uap. Realitanya, revolusi industri jauh lebih dari sekadar satu penemuan. Tak hanya kekuasaan politik bergeser dari pemilik tanah kepada kapitalis industri, tapi juga dengan perkembangan terakhir mesin pembakaran internal dan listrik terjadi perubahan menyeluruh dalam kehidupan orang-orang biasa. Demikian halnya, relativitas khusus jauh lebih dari sekadar E = mc 2. Ia menggembar-gemborkan revolusi dalam fisika. Ia menunjukkan bagaimana dan mengapa gagasan lama ruang dan waktu harus dibuang dan diganti dengan set konsep yang sedemikian baru dan tak lazim sampai-sampai, hingga hari ini, kita masih belum mampu melepaskan diri dari ‘gagasan lama’. Ruang dan waktu yang masih dianggap ‘masuk akal’ oleh sebagian besar orang, ditunjukkan salah oleh Einstein. Sejak saat itu setiap eksperimen yang direncanakan hanya berfungsi untuk mengkonfirmasikan, dengan akurasi yang terus meningkat, bahwa dia benar. Kita akan simak dalam bab ini mengapa begitu sulit bagi banyak orang untuk menerima idenya, bahkan sampai hampir seratus tahun kemudian. Newton, sudah sepantasnya demikian, diakui telah memastikan seluruh mekanika klasik dengan hukum geraknya. Hukum ini menggambarkan bagaimana objek bergerak dan bagaimana gaya-gaya semisal gravitasi mempengaruhinya dengan membuatnya mencepat, melambat, atau berubah
arah. Yang paling familiar dari hukum ini barangkali adalah hukum ketiga. Anda mungkin ingat bunyinya, setiap aksi memiliki reaksi setara dan berlawanan. Namun, hukum kedualah yang paling penting dan fundamental—murni kebetulan bahwa hukum terpenting di bidang termodinamika juga merupakan hukum kedua—dan menggambarkan bagaimana sebuah benda akan berperilaku saat ditekan. Semua objek bergerak dapat dibagi ke dalam dua kategori: objek yang tidak merasakan gaya, dan karenanya diam atau meluncur dalam garis lurus dengan kecepatan konstan, dan objek yang berada di bawah pengaruh suatu gaya yang menyebabkannya berubah kecepatan atau arah. Contoh kategori kedua meliputi objek jatuh, mobil berakselerasi atau mengerem, mobil membelok, bahkan bola menggelinding di sepanjang permukaan flat sebab hambatan angin dan gesekan adalah gaya yang beraksi untuk memperlambat bola. Hukum gerak Newton mencakup semua kasus di atas dengan akurasi yang dalam sebagian besar situasi sehari-hari sangat mengesankan. Teori relativitas Einstein jauh lebih dalam daripada sekadar menyatakan hukum gerak. Alasan mengapa dia memerlukan dua teori adalah karena dia harus membedakan antara dua kategori gerak di atas. Benda yang bergerak bebas dengan kecepatan konstan dan dalam ketiadaan gravitasi digambarkan oleh relativitas khusus. Begitu gaya gravitasi dihidupkan, kita harus beralih ke relativitas umum. Anda sudah menyimak bagaimana hukum gravitasi Newton hanya merupakan penaksiran menuju relativitas umum yang lebih tepat, tapi bekerja sangat baik di medan gravitasi lemah, seperti medan gravitasi Bumi. Demikian halnya, hukum gerak Newton hanya merupakan penaksiran menuju relativitas khusus, tapi perbedaannya kini timbul saat objek bergerak dengan kecepatan amat tinggi. Untuk sebagian besar kegunaan dalam kehidupan sehari-hari, akurasi mekanika Newtonian memenuhi banyak kebutuhan kita. Bahkan NASA memakai hukum Newton untuk mengkalkulasi jalur yang mesti diambil roket untuk mencapai Bulan, dan roket barangkali merupakan objek bergerak tercepat yang bisa dibayangkan kebanyakan orang. Jelas kecepatan tinggi yang saya rujuk, yang padanya hukum Newton mogok, jauh lebih tinggi daripada kecepatan yang dicapai roket sekarang. Nyatanya, hanya untuk benda yang bergerak pada hampir kecepatan cahayalah (300.000 kilometer per detik ) relativitas khusus diperlukan. Dalam pembahasan berikut saya akan sering memakai contoh objek yang bergerak pada hampir kecepatan cahaya. Ini hanya
untuk menyoroti efek relativitas secara lebih jelas dan Anda tak mesti menerima contoh-contoh ini secara harfiah. Ada beberapa cara tradisional untuk menjelaskan relativitas khusus. Cara lazim adalah dengan mendapatkan set persamaan aljabar yang disebut persamaan transformasi Lorentz. Jangan cemas, kita takkan mengikuti rute tersebut di sini. Cara kedua adalah dengan menggunakan grafik khusus yang disebut diagram ruangwaktu. Banyak penulis buku non-teknis relativitas menggunakan diagram semacam itu sebab mereka merasa itu lebih sederhana untuk ditafsirkan daripada persamaan abstrak. Sedikit-banyak, ini benar. Kebanyakan orang terbiasa melihat suatu jenis grafik. Suratkabar dan televisi memperlihatkan perubahan peruntungan partai politik dalam poling pendapat atau fluktuasi harga saham di pasar saham. Kebanyakan perusahaan menyajikan data laporan tahunan mereka memakai grafik batang, grafik pastel, dan histogram. Metode grafik demikian memang informatif dan sederhana untuk ditafsirkan. Tapi diagram ruangwaktu adalah urusan lain. Jika Anda cenderung matematis, Anda akan mendapatinya sangat berguna. Jika tidak maka diagram itu hampir sama sukarnya dengan rumus aljabar untuk dipahami. Oleh sebab itu saya akan mengadopsi rute ketiga untuk menjelaskan ide-ide Einstein: saya akan membatasi diri pada kata-kata saja. Jadi semua percekcokan ini tentang apa? Anda mungkin bertanya-tanya mengapa saya tidak terus saja menjelaskannya daripada mengatakan keriuhan membosankan ini. Tapi relativitas khusus layak dihormati. Kesimpulannya menyediakan barang jualan untuk begitu banyak sains fiksi, dan sinonim dengan nama Einstein. Sebagai contoh, saya akan mengutip dua pertanyaan yang paling sering diajukan dalam seluruh fisika modern. Keduanya merupakan hasil langsung relativitas khusus. Yaitu: Mengapa tak ada yang bisa berjalan lebih cepat daripada cahaya? Mengapa jam berdetak lebih lambat saat dibawa bergerak sangat cepat? (Ini tak ada kaitannya dengan jam alarm yang dilemparkan melintasi kamar.) Ketika mendapat pertanyaan ini, jawaban lazim saya adalah bahwa penanya betul-betul perlu mengambil mata pelajaran relativitas khusus jika ingin memahami sampai dasar. Sebab ada sejumlah langkah logis yang perlu Anda lalui sebelum Anda bisa merasa yakin. Dalam bab ini saya akan membawa Anda melewati langkah itu. Jika Anda tidak tertarik pada jawaban pertanyaan ini dan bahagia menerimanya, sebab memang benar tak ada yang •
•
bisa berjalan lebih cepat daripada cahaya dan kita betul-betul melihat jam yang bergerak cepat berdetak melambat, maka Anda boleh melewatkan beberapa halaman berikut, tapi karena Anda telah mencapai sejauh ini, saya meyakini kesinambungan ketekunan Anda. Dua wajah cahaya Ingat, saya membahas atribut aneh cahaya di awal Bab 4 sebagai pendahuluan soal black hole. Saya sekarang harus kembali ke subjek cahaya, bukan lantaran ‘berguna’ belaka melainkan karena menopang keseluruhan relativitas khusus. Pada akhir abad 19, Thomas Young (orang Inggris yang membuktikan Newton keliru mengenai cahaya tersusun dari partikel) dan James Clerk Maxwell (orang Skotlandia yang menemukan bahwa cahaya tersusun dari gelombang elektromagnetik) telah menunjukkan di luar dugaan bahwa cahaya berperilaku seperti gelombang. Hari ini banyak eksperimen yang secara jelas dan menawan mengungkap sifat gelombang cahaya. Memang benar mekanika quantum sejak saat itu telah menunjukkan bahwa cahaya dapat, di bawah kondisi tertentu, juga berperilaku seperti searus partikel, tapi untuk pembahasan berikut sifat mirip gelombang-lah yang kita perlukan. Atribut penting gelombang adalah bahwa ia perlu sesuatu untuk dilintasi; sebuah medium yang melaluinya vibrasi dapat menjalar. Saat Anda berbicara dengan seseorang di sebelah Anda, gelombang suara yang berjalan dari mulut Anda ke telinga dia perlu udara di antara keduanya untuk melintas. Demikian pula, gelombang air di permukaan laut perlu air, dan ‘jendulan’ yang berjalan sepanjang tali saat salah satu ujungnya dijentikkan perlu tali. Jelas, tanpa medium untuk mengangkut gelombang takkan ada gelombang. Inilah alasannya mengapa fisikawan abad 19 yakin bahwa cahaya, setelah dikonfirmasi sebagai gelombang, juga memerlukan medium. Dan karena tak ada seorang pun yang pernah melihat medium demikian, mereka harus memikirkan cara membuktikan eksistensinya. Ia dikenal sebagai eter luminiferous34—jangan tertukar dengan bahan kimiawi organik yang dipakai sebagai anastesi—dan perburuan yang dijalani adalah untuk menemukannya. Jika eksis, ia pasti mempunyai atribut tertentu. Sebagai permulaan, ia pasti merembesi seluruh ruang agar cahaya bintang mampu mencapai kita. Ia pasti eksis di mana-mana, bahkan di ruang hampa di dalam atom. Atribut penting eter adalah bahwa ia tak bisa berinteraksi dengan 34
Artinya mentransmisikan cahaya.
objek materil dan karenanya tidak dapat terseret bersama objek saat objek bergerak. Ini telah dikonfirmasikan pada 1729 silam berkat atribut cahaya yang dikenal sebagai aberasi. Tak ada hal lain yang diketahui soal eter. Diharapkan semakin banyak hal menjadi jelas seiring kemajuan di bidang optik. Namun, tak ada yang siap atas apa yang akan muncul selanjutnya. Pada 1907, A.A. Michelson menjadi orang Amerika pertama yang memenangkan hadiah Nobel fisika atas eksperimen yang dia jalankan pada 1880-an bersama E.W. Morley. Itu barangkali merupakan eksperimen paling terkenal dalam fisika. Michelson menemukan sebuah perangkat yang dikenal sebagai interferometer yang mengandalkan sifat gelombang cahaya untuk mengukur waktu yang diperlukan sorot cahaya untuk menempuh jarak tertentu. Dengan pemakaian interferometernya secara cerdas untuk mengukur seberapa cepat cahaya berjalan, dia mampu membuktikan di luar dugaan bahwa eter tidak mungkin eksis! Fakta penting dalam fisika adalah bahwa semua gelombang berjalan dengan kecepatan yang tidak tergantung pada kecepatan sumber gelombang tersebut. Pikirkan suara mobil yang menghampiri cepat. Gelombang suara akan mencapai telinga Anda sebelum si mobil tiba sebab gelombang berjalan lebih cepat, tapi kecepatannya berkaitan dengan seberapa cepat molekul udara yang bervibrasi bisa mentransmisikannya. Gelombang tidak mencapai Anda lebih cepat lagi hanya karena ‘terdorong’ oleh mobil yang bergerak. Yang terjadi justru gelombang teremas ke frekuensi lebih tinggi dan panjang gelombang lebih pendek di depan mobil (efek Doppler) tapi kecepatan suara sendiri tidak berubah.35 Gelombang suara melintasi udara dengan kecepatan 1.200 km/jam. Kecepatan ini tergantung pada seberapa cepat mobil bergerak. Jika mobil berjalan pada kecepatan 100 km/jam maka sopirnya akan melihat gelombang suara (asumsikan gelombang suara dapat dilihat) bergerak di depannya pada kecepatan 1.100 km/jam saja (1.200 dikurangi 100). Semakin cepat mobil bergerak, semakin lambat kecepatan relatif gelombang suara yang dilihat sopir. Tapi bagi pengamat diam yang menyaksikan mobil yang menghampiri, gelombang suara selalu berjalan pada kecepatan 1.200 km/jam tak peduli 35
Kecepatan gelombang diperoleh dengan mengalikan frekuensinya dengan panjang gelombangnya. Jika satu kuantitas meningkat sedangkan kuantitas lain menurun maka mereka akan tetap seimbang untuk menghasilkan jawaban yang sama.
seberapa cepat pun mobil bergerak. Jika sopir dan pengamat diam memiliki argumen mengenai kecepatan suara, sopir harus mengakui bahwa kecepatan gerak gelombang yang diamatinya bukanlah kecepatan sejati sebab dia juga bergerak relatif terhadap molekul udara. Michelson dan Morley menerapkan prinsip ini pada gelombang cahaya. Mereka berasumsi bahwa Bumi bergerak melintasi eter sambil mengorbit Matahari (pada kecepatan sekitar 100.000 km/jam). Eksperimen mereka agak rumit untuk digambarkan jadi saya tidak akan mempelajarinya lebih detil. Cukup katakan bahwa mereka mengukur waktu, dengan akurasi amat tinggi, yang dihabiskan cahaya di sebuah laboratorium untuk menempuh dua jalur berjarak setara, satu ke arah gerakan Bumi saat mengorbit Matahari dan satunya lagi pada sudut siku-siku terhadapnya. Duduk di laboratorum di Bumi dan mengamati kecepatan cahaya, mereka seperti sopir mobil tadi yang mengukur gelombang suara yang meninggalkan mobil dengan kecepatan berbeda-beda tergantung ke arah mana dia memandang. Bagaimanapun juga, baginya gelombang suara yang berjalan lurus ke atas akan masih bergerak pada kecepatan 1.200 km/jam. Jika eter eksis, dan Michelson dan Morley tahu bahwa Bumi sedang bergerak bebas melintasinya, maka cahaya yang bergerak di jalur berbeda akan menempuh dua jarak setara tadi dalam waktu berlainan. Ini mengindikasikan bahwa, relatif terhadap Bumi yang bergerak, cahaya bergerak dengan kecepatan berlainan ke dua arah tersebut. Walaupun kecepatan cahaya adalah 300.000 km/detik, yakni 10.000 kali lebih cepat daripada kecepatan Bumi, interferometer Michelson masih cukup akurat untuk menangkap selisih waktu antara kedua sorot itu jika memang ada. Namun tak ada yang ditemukan. Sejak saat itu semakin banyak eksperimen presisi memakai sinar laser telah mengkonfirmasi temuan Michelson dan Morley. Eksperimen mereka telah menunjukkan bahwa cahaya tidak seperti gelombang lain. Ia berjalan pada kecepatan yang sama entah Anda bergerak menuju sumbernya ataupun menjauhinya. Ia tidak memiliki latar belakang tetap yang berdasarkannya kita bisa mengukur kecepatannya. Jadi tak ada kebutuhan akan eter sama sekali. Sebagian besar fisikawan pada waktu itu menolak mempercayai ini dan mencoba memodifikasi hukum fisika untuk mengakomodasi temuan baru tersebut tapi tak ada gunanya. Mereka mencoba berargumen bahwa cahaya berperilaku sebagai searus partikel (sebab ini juga akan menjelaskan temuan
tersebut) tapi eksperimen tersebut diset secara spesifik untuk mendeteksi sifat gelombang cahaya. Itu mendeteksi pola interferensi antara gelombanggelombang dalam cara yang sungguh mirip dengan setup asli Thomas Young yang mengkonfirmasi sifat gelombang cahaya. Bagaimanapun juga, cahaya yang berperilaku sebagai partikel juga akan membuang kebutuhan akan eter sebab tak memerlukan medium untuk melintas. Eksperimen pikiran dan pengusik akal Einstein baru anak-anak saat Micelson dan Morley menjalankan eksperimennya. Pada masa mudanya dia mempertimbangkan atribut aneh cahaya dengan menemukan eksperimen pikiran ( gedanken-nya yang tersohor). Dia mencoba membayangkan dirinya terbang dengan kecepatan cahaya sambil memegang cermin di depannya. Apakah dirinya akan melihat bayangannya sendiri? Bagaimana cahaya dari wajahnya bisa mencapai cermin jika cermin itu sendiri bergerak pada kecepatan cahaya? Tahun-tahun perenungannya memuncak dalam dua pernyataan sederhana yang dikenal sebagai prinsip relativitas. Prinsip itu bisa diuraikan dengan cara berikut: 1. Tak ada eksperimen yang bisa Anda jalankan yang akan memberitahu Anda apakah Anda sedang berdiri diam atau bergerak dengan kecepatan konstan. Semua gerak adalah relatif sehingga tak ada yang bisa betul-betul dikatakan diam. 2. Cahaya berperilaku seperti gelombang dalam arti bahwa kecepatannya tidak tergantung pada kecepatan sumbernya. Pada waktu yang sama ia tidak memerlukan medium untuk melintas seperti gelombang lain. Sejauh ini bagus. Anda akan berpikir bahwa tak ada yang sulit diterima dalam pernyataan tak berbahaya di atas. Pernyataan ini terlihat terlalu ringan untuk mampu menjawab dua pertanyaan yang diajukan di awal bab bahwa tak ada yang bisa berjalan lebih cepat daripada cahaya dan waktu melambat. Pernyataan ini mungkin terlihat tak berbahaya tapi percayalah, dengan menerimanya Anda sedang menjual jiwa Anda kepada iblis. Pertama-tama izinkan saya meyakinkan Anda bahwa kedua pernyataan di atas sungguh benar dan bisa didemonstrasikan dengan mudah. Postulat pertama menyatakan bahwa jika Anda menjalankan eksperimen sederhana seperti menjatuhkan bola saat berada dalam pesawat yang berjalan pada kecepatan konstan, si bola akan, menurut Anda, jatuh vertikal sebagaimana jika Anda melakukannya di atas tanah. Oleh sebab itu Anda punya hak setara
untuk mengklaim bahwa pesawat adalah diam sedangkan Bumi bergerak di bawah Anda dengan kecepatan beberapa ratus kilometer per jam ke arah berlawanan. Contoh lebih jelas adalah dua roket yang berjalan pada kecepatan konstan menuju satu sama lain di angkasa. Jika kedua mesin roket mati dan mereka hanya ‘meluncur’, mereka tak pernah bisa memutuskan apakah sedang bergerak menuju satu sama lain ataukah yang satu diam dan yang lain menghampiri. Tak ada bagusnya mengambil bintang dekat sebagai titik acuan sebab siapa yang bilang ia betul-betul diam? Postulat kedua dikonfirmasikan oleh eksperimen Michelson dan Morley dan kelihatannya tak berbahaya. Pada saat kedua postulat digabungkanlah masalah dimulai. Saya tahu saya terdengar agak seperti dokter, tapi saya ingin Anda berani sebab ini mungkin sedikit menyakitkan. Kita telah memperlihatkan bahwa cahaya yang mencapai kita dari sebuah sumber akan berjalan dengan kecepatan yang sama tanpa menghiraukan seberapa cepat sumbernya bergerak. Tapi karena ia tak punya medium untuk melintas dan yang berdasarkannya kita bisa mengukur kecepatannya, maka kita sama-sama dapat mengatakan bahwa bukan sumber itulah yang bergerak menuju kita melainkan kita yang bergerak menuju sumber sebab semua gerak adalah relatif. Ini adalah pernyataan bahwa cahaya mematuhi prinsip relativitas pertama. Pikirkan lagi dua roket yang menghampiri satu sama lain. Seorang astronot yang berada di dalam salah satu roket menyorotkan cahaya ke roket satunya lagi dan mengukur kecepatan cahaya begitu meninggalkan roketnya. Karena dia secara sah bisa mengklaim dirinya dalam keadaan diam, sedangkan roket lain melakukan semua pergerakan, dia melihat cahaya menjauh darinya dengan kecepatan 300.000 km/detik. Pada waktu yang sama, astronot di roket lain juga bisa secara sah mengklaim dirinya dalam keadaan diam. Dia akan mengukur kecepatan cahaya yang mencapai dirinya sebesar 300.000 km/detik dan menyatakan bahwa ini sama sekali tidak mengejutkan sebab kecepatan sorot tidak tergantung pada seberapa cepat sumbernya mendekat. Keduanya mengukur cahaya memiliki kecepatan yang sama. Ini mengagumkan, dan bertentangan dengan akal sehat. Kedua astronot mengukur sorot cahaya yang sama berjalan pada kecepatan yang sama, padahal bergerak relatif terhadap satu sama lain! Sekarang kita dapat menjawab pertanyaan Einstein menyangkut cermin. Tak peduli seberapa pun dia mendekati kecepatan cahaya—dan saya akan
jelaskan nanti mengapa dia tak pernah dapat berjalan pada pada kecepatan cahaya—dia akan selalu melihat bayangan dirinya. Ini lantaran, tanpa menghiraukan kecepatan dirinya, dia masih melihat cahaya berjalan pada kecepatan yang sama dari wajahnya menuju cermin dan kembali lagi. Cara lebih baik untuk merumuskan ini adalah membayangkan menyorotkan obor, lalu Anda berjalan di samping sorot obor pada ¾ kecepatan cahaya menurut seseorang yang memegang obor. Akal sehat Anda memberitahu bahwa Anda semestinya melihat cahaya masih melampaui Anda tapi pada kecepatan yang jauh berkurang yaitu seperempat kecepatan aslinya. Benarkah? Salah! Anda masih melihatnya bergerak pada kecepatan yang sama dengan yang diukur pemegang obor. obor. Waktu melambat Kita mencapai keadaan aneh di atas dengan mengikuti sejumlah langkah logis yang dirangkai dengan temuan eksperimen kokoh. Lalu di mana salahnya? Bagaimanapun juga, sorot cahaya yang sama, gelombang elektromagnetik yang sama, atau photon yang sama, atau apapun yang menurut Anda penyusun cahaya, meninggalkan obor. Bagaimana Anda bisa, sambil berjalan di sampingya pada hampir kecepatan cahaya, masih melihatnya melampaui Anda pada kecepatan yang sama dengan yang dilihat oleh pemegang obor? Satu-satunya jalan ini bisa terjadi adalah jika adalah jika waktu Anda berjalan berjalan lebih lambat daripada pemegang obor . Jika dia bisa melihat stopwat melihat stopwatch ch yang yang Anda pegang, dia akan melihatnya berdetik-detik berdetik-detik lebih lambat daripada da ripada miliknya. Jika dia bisa secara jarak jauh mengukur denyut jantung Anda, dia akan mendapatinya lebih lambat. Bukan itu saja; jika Anda lupa tentang sorot cahaya, prinsip relativitas pertama mengimplikasikan bahwa Anda sama-sama bisa mempertimbangkan teman Anda yang berdiri di tanah sebagai seseorang yang bergerak pada ¾ kecepatan cahaya, tapi ke arah berlawanan. Anda akan melihat waktu miliknya berjalan lebih lambat daripada waktu Anda! Ini bukan suatu teori sinting yang ditemukan untuk memahami gagasan menggelikan bahwa cahaya berjalan pada kecepatan yang sama untuk setiap orang. Gagasan mengenai kecepatan cahaya amatlah jauh dari menggelikan dan dikonfirmasikan dalam eksperimen akselerator partikel sepanjang waktu. Akselerator ini merupakan laboratorium besar dengan terowongan bawah tanah sirkuler, sepanjang beberapa mil, yang menembakkan partikel-partikel
subatom berkeliling pada hampir kecepatan cahaya, semisal fasilitas CERN yang terkenal di Swiss. Pelambatan (disebut dilasi) waktu adalah konsekuensi tak terhindarkan dari perilaku partikel high speed . Pertama-tama izinkan saya menyebutkan eksperimen-eksperimen partikel ini. Diketahui bahwa partikel subatom tipe tertentu, disebut pion (dilafalkan pie-on’), ‘pie-on ’), memancarkan photon-photon cahaya. Saat sebuah pion diam, photon tentu saja akan muncul dengan kecepatan cahaya (bagaimanapun ia adalah partikel cahaya). Tapi di CERN, pion bisa dibuat bergerak memutari terowongan bawah tanah sirkuler besar pada hampir kecepatan cahaya. Namun mereka masih memancarkan photon mereka, dan photon-photon yang muncul ke arah gerakan pion bisa dideteksi dan kecepatan mereka bisa diukur. Mereka didapati masih berjalan pada kecepatan yang sama dengan saat memancar dari pion diam. Jadi, photon yang muncul dari pion yang bergerak terlihat berjalan dengan kecepatan cahaya dari sudut pandang kita yang berdiri di laboratorium dan dari sudut pandang pion itu sendiri. Adapun pelambatan waktu, kita bisa memahami bagaimana ini terjadi dengan mempertimbangkan eksperimen pikiran berikut. Gambar 6.1 memperlihatkan sebuah boks yang berisi sumber cahaya dengan detektor di bagian dasarnya dan cermin di bagian atapnya. Sumber cahaya, yang menunjuk lurus ke atas, memancarkan sekilas cahaya (disebut light pulse) pulse) yang memantul cermin di atap dan kembali turun menuju detektor yang kemudian menyalakan sinyal saat menerimanya. Menurut seseorang di dalam boks, cahaya akan memakan waktu tertentu untuk pergi dari sumber menuju cermin dan memantul menuju detektor. Nah bayangkan boks itu sendiri bergerak menyamping pada hampir kecepatan cahaya. Bagi pengamat yang menyaksikannya menukik (bagian depan boks terbuat dari kaca), light pulse menyusuri jalur yang lebih panjang daripada jalur naik-turun yang dilihat oleh orang di dalam boks. Bagi pengamat luar tersebut, pulse pulse menempuh jarak lebih panjang sebagaimana dalam gambar, tapi dia masih melihat cahaya berjalan dengan kecepatan yang sama. Namun, karena sekarang menempuh jarak lebih panjang (garis putus-putus putus-putus), ), cahaya akan melewatkan waktu lebih lama sebelum kembali ke detektor detektor..36 Oleh sebab itu lebih banyak waktu berlalu 36 Waktu
tempuh ditentukan oleh jarak tempuh light pulse pulse dibagi dengan kecepatannya. Ini, semoga saya tak harus mengingatkan Anda, berasal dari hubungan: kecepatan sama dengan jarak per waktu. Jadi semakin jauh yang harus ditempuh, ditempuh, semakin lama waktu yang yang diperlukan.
menurut jam di tanah daripada menurut jam di dalam boks. Karena kedua jam mengukur durasi proses yang sama (waktu yang diperlukan cahaya untuk naik dan turun boks), waktu di dalam boks pasti berjalan lebih lambat sehingga jamnya mencatat durasi lebih pendek! Penggemar relativitas khusus akan sadar bahwa penjelasan ini bukan keseluruhan cerita sebab perkataan bahwa seseorang ‘melihat’ sesuatu mengimplikasikan bahwa cahaya pasti menjangkau mata orang tersebut dari objek, dan perlu waktu terhingga untuk menjangkaunya. Jadi jam bergerak yang berdetak lambat dan contoh di atas menunjukkan bagaimana itu terjadi. Seringkali, ketika orang-orang menjumpai
Gambar 6.1. (a) Pengamat di dalam boks bergerak melihat light pulse menempuh pulse menempuh jarak yang kira-kira dua kali tinggi boks dalam perjalanannya ke sana-lalu-kembali. (b) Bagi pengamat di luar, cahaya menempuh jarak lebih panjang. Ketiga boks merupakan potret kerangka-kerangka waktu berurutan. Yang Yang kiri adalah posisi boks saat light pulse dipancarkan, pulse dipancarkan, yang tengah adalah saat pulse saat pulse menyentuh cermin, cermin, dan yang kanan adalah saat s aat pulse pulse menyentuh menyentuh detektor.. Jika kedua pengamat sependapat soal kecepatan cahaya detektor (sebagaimana seharusnya) maka satu-satunya cara ia dapat menempuh jarak berbeda adalah jika keduanya tidak sepakat soal waktu yang dihabiskan cahaya untuk menyelesaikan perjalanan ke sana-lalu-kembali.
efek ini untuk pertama kalinya, mereka punya kesan bahwa gerakan cepat mempengaruhi mekanika jam; bahwa jam dengan suatu cara merespon kecepatan geraknya. Ini sungguh keliru. Nyatanya, karena semua gerak adalah relatif, orang di dalam boks sepantasnya mengklaim dirinya tidak bergerak sama sekali dan bahwa pengamat luarlah yang berjalan pada hampir kecepatan cahaya. Ini dikuatkan oleh fakta bahwa dia memang akan melihat jam di tanah berjalan lebih lambat daripada jam di dalam boks! Ini sering melahirkan kontradiksi logika. Bagaimana bisa dua jam berjalan lebih lambat daripada satu sama lain? Orang-orang yang tidak memahami relativitas menduga bahwa jam-jam tersebut hanya hanya tampak berjalan berjalan lambat menurut satu sama lain sebab perlu waktu tertentu bagi cahaya untuk berjalan dari jam ke pengamat lain. Sebagaimana dinyatakan oleh James A. Smith dalam bukunya, Introduction to Special Relativity , “tak ada hal yang bisa memfitnah teori relativitas secara tak tanggung-tanggung daripada ini”. Kita akan simak dalam pembahasan paradoks kembar nanti tentang bagaimana kita dapat memperlambat waktu secara permanen dengan membuat jam mencepat dan melambat lagi. Saya yakin Anda pasti berpikir ini bagaimanapun juga cuma teori. Mungkin baik-baik saja bagi penulis sains fiksi tapi tentu tak punya tempat di ‘dunia riil’. Jika laju detak jam bisa begitu tergantung pada gerak relatifnya, mengapa kita merasa susah dengan hal-hal semacam pencatat waktu high precision seperti precision seperti jam atom? Alasannya, efek tersebut hanya terlihat saat jam bergerak pada kecepatan amat tinggi relatif terhadap satu sama lain. Semakin jam bergerak mendekati kecepatan cahaya, semakin lambat ia berdetak. Seandainya ia bergerak pada kecepatan cahaya secara relatif terhadap kita, maka kita akan melihat waktunya berhenti sama sekali. Berikut adalah contoh lain. Pikirkan seorang sprinter seorang sprinter yang yang berlari ratusan meter dalam 10 detik, menurut pencatat waktu handal dan akurat wasit. Jika dia membawa sendiri stopwatch stopwatch akurat bersamanya maka, akibat sedikit pelambatan waktu baginya selagi dia berlari, jam miliknya akan menunjukkan waktu 9,999999999999995 detik. Tentu saja ini begitu dekat dengan 10 detik sehingga kita takkan pernah mengetahui selisihnya. Namun, ilmuwan rutin mengukur waktu dengan akurasi semacam ini. Selisih antara jam pelari dan jam wasit cuma lima ‘femtodetik’. Alasan mengapa selisih waktunya sedemikian kecil adalah karena atlet bergerak jauh lebih lambat daripada cahaya. Roket tercepat pun terlampau lambat untuk memperlihatkan efek signifikan.
Oleh sebab itu bisakah kita melihat dilasi waktu yang nyata sedang beraksi? Well , ini sesuatu yang dapat saya jamin secara pribadi sebab, sebagaimana banyak mahasiswa fisika lain, saya pernah melaksanakan eksperimen laboratorium sewaktu kuliah. Eksperimen itu melibatkan partikel subatom tipe lain yang disebut muon (‘mew-on (‘mew-on’) ’) yang dihasilkan oleh sinar kosmik. Mereka adalah partikel high-energy dari dari angkasa yang terus-menerus membombardir atmosfer Bumi. Di atmosfer atas, banyak tipe partikel baru, kebanyakan muon, tercipta dengan cara ini, lalu turun ke permukaan Bumi. Fisikawan telah mempelajari atribut-atribut muon dan mengetahui bahwa mereka mempunyai masa hidup amat pendek yaitu sepersejuta detik. Masa hidup ini, tentu saja, hanya bersifat statistik, dalam arti bahwa beberapa muon mungkin hidup sedikit lebih lama, dan beberapa mungkin hidup kurang dari itu. Tapi jika seribu muon tercipta sekaligus, maka setelah sepersejuta detik akan tersisa kira-kira lima ratus. Muon-muon yang tercipta di atmosfer atas begitu energetik sampaisampai mereka berjalan menuju Bumi dengan kecepatan luar biasa, 99% kecepatan cahaya. Namun, dengan kecepatan ini pun mereka masih harus menghabiskan sebagian masa hidup mereka untuk menempuh jarak ke permukaan Bumi (dan, yang lebih penting, menuju detektor muon di laboratorium). Oleh sebab itu kita semestinya hanya mengamati segelintir muon bermasa hidup panjang yang mampu menyelesaikan perjalanan. Akan tetapi hampir semua muon sanggup menyelesaikan perjalanan itu dengan nyaman. Alasannya adalah, waktu muon (jam internal mereka yang mengukur masa hidup mereka) berjalan jauh lebih lambat daripada waktu kita. Jadi dari sudut pandang muon, hanya sebagian kecil masa hidup mereka yang berlalu. Argumen alternatif bahwa muon yang bergerak cepat, untuk alasan tertentu, pasti hidup lebih lama daripada muon yang diam tidaklah masuk akal. Dengan penyelidikan lebih cermat, kita paham bahwa ini tidak benar sebab melanggar prinsip relativitas pertama: muon yang bergerak hanya ‘bergerak’ relatif terhadap kita. Jarak menyusut menyusut Tidak puas menggulingkan gagasan lama waktu absolut, Einstein masih merahasiakan beberapa kejutan lain. Pikirkan bagaimana segala sesuatu akan terlihat bagi Anda jika Anda sedang duduk di atas sebuah muon selagi ia berjalan turun ke Bumi. Anda akan a kan sependapat dengan seseorang di permukaan
tanah yang menyaksikan Anda bahwa Anda dan dia saling mendekat pada 99% kecepatan cahaya. Bagaimana bisa dia melihat Anda menempuh jarak satu mil, katakanlah, dalam waktu 5 per sejuta detik (lima masa hidup muon) menurut jam Buminya, sedangkan Anda mengklaim menempuh jarak yang sama dalam waktu sepersepuluh saja dari durasi tersebut. Tak ada sorot cahaya yang terlibat di sini dan Anda akan berpikir bahwa satu-satunya matematika yang diperlukan adalah relasi: kecepatan sama dengan jarak bagi waktu. Bagaimana bisa kalian berdua sependapat tentang kecepatan gerak Anda tapi tak sependapat tentang waktu yang Anda habiskan untuk menempuh jarak yang itu-itu juga? Sesuatu yang lain pasti melar, dan itu adalah jarak. Guna meraih kesamaan harga kecepatan muon dalam kedua kasus (dengan membagi jarak dengan waktu), jarak yang ditempuh yang terlihat oleh muon harus pula sepersepuluh harga yang terlihat dari Bumi. Dengan kata lain, muon akan melihat jaraknya teremas menjadi kurang dari satu mil. Ini menjelaskan bagaimana ia mampu bertahan dalam perjalanan; ia tidak berpikir dirinya telah menempuh jarak begitu jauh. Sifat perjalanan high-speed ini dikenal sebagai kontraksi panjang. Ini menyatakan bahwa objek yang bergerak cepat terlihat lebih pendek daripada saat diam. Dalam contoh muon, objek yang dimaksud adalah ketebalan atmosfer. Seorang Irlandia dan seorang Belanda pertama kali mengemukakan efek ini tak lama setelah eksperimen Michelson dan Morley, dan beberapa tahun sebelum relativitas umum. George Fitzgerald dan Hendrik Lorentz menguraikan bahwa hasil eksperimen eter bisa dijelaskan jika terdapat kontraksi panjang dengan gerakan high-speed . Ini akan menyelamatkan ide eter. Lorentz bahkan beranjak begitu jauh dengan mendapatkan set persamaan yang kini menyandang namanya. Sialnya, dia tidak membuat lompatan intuisi terakhir yang kelak menjadi postulat relativitas kedua. Oleh sebab itu, dalam beberapa hal, banyak karya dasar telah dikerjakan sebelum Einstein dan seringkali dinyatakan bahwa seandainya Einstein tak menemukan relativitas khusus, orang lain akan menemukannya. Sebagaimana pelambatan waktu, pemendekan panjang semakin sering terlihat dengan semakin tipisnya sebuah objek bergerak mendekati kecepatan cahaya. Jadi efek macam apa yang akan kita amati di dunia riil? Untuk memberi Anda contoh yang kuat, bayangkan memfoto secara akurat sebuah jet yang terbang dengan kecepatan dua kali kecepatan suara (yakni 2000 km/jam).
Anda akan melihat ia sedikit lebih pendek daripada saat di tanah. Tapi untuk pesawat tipikal, pemendekan panjang ini akan kurang dari lebar sebuah atom! Ini tentu saja tak dapat diukur dari foto pesawat. Tapi Anda harus ingat bahwa walaupun dua kali kecepatan suara terasa cepat bagi kita, itu tak ada apaapanya dibandingkan dengan kecepatan cahaya. Jika jet bergerak beberapa ratus ribu kali lebih cepat, katakanlah ¾ kecepatan cahaya, maka kita akan melihat bedanya. Jet akan terlihat setengah dari panjang aslinya. Seandainya bergerak secepat muon sinar kosmik, ia akan terlihat teremas menjadi sepesepuluh saja dari panjangnya. Anda pasti berpikir, betapa tak nyaman bagi pilotnya. Kiranya ini merupakan salah satu bahaya perjalanan secepat itu. Padahal, pilot takkan merasakan sesuatu yang tak biasa. Baginya dimensi pesawat (dan dirinya) tidak berubah sama sekali. Nyatanya, berkat prinsip relativitas pertama, dia melihat dunia di sekelilingnya teremas, mirip dengan yang dilihat muon (seandainya muon dapat melihat!) Cahaya—rekor kecepatan dunia Tak ada yang lebih menggelisahkan orang-orang mengenai relativitas manakala pertama kali menjumpainya selain klaim bahwa tidak ada yang bisa berjalan lebih cepat daripada cahaya. Mereka bersedia menerima pelambatan jam, penyusutan panjang, bahkan perjalanan cahaya pada kecepatan yang sama bagi semua pengamat, tapi mengapa, ya Tuhan, kita tak bisa membayangkan sesuatu bergerak pada kecepatan lebih dari 300.000 km/ detik? Diakui, ini adalah kecepatan luar biasa tinggi yang tidak dapat dicapai oleh apapun yang kita kenal (selain partikel subatom), tapi relativitas khusus mengatakan bahwa hukum alam melarang apapun bergerak semakin cepat. Bayangkan membangun roket yang dapat terus melaju semakin cepat. Tentu saja, mesin semacam itu tidak terjangkau oleh kemampuan teknologi terkini kita, lalu bagaimana seandainya sebuah peradaban alien membangunnya? Apa yang akan terjadi begitu ia mendekati kecepatan cahaya? Apakah suatu landaian kecepatan kosmik menjadi aktif? Apakah roket meledak, jatuh ke dalam black hole atau memasuki lengkungan waktu? Tidak, tak ada yang sedramatis itu. Ada sejumlah cara untuk menjelaskan mengapa kecepatan cahaya merupakan kecepatan tertinggi di Alam Semesta kita. Salah satu metodenya adalah menggunakan aljabar. (Oh hebat, Anda pikir, itu betul-betul akan
meyakinkan saya.) Namun, saya takkan mendalami detail-detailnya. Cukup dikatakan bahwa, menurut relativitas khusus, kecepatan bertambah dengan cara yang sangat aneh. Jika Anda berada dalam kereta yang sedang berjalan pada kecepatan 100 km/jam dan Anda melemparkan sebuah bola keluar jendela pada kecepatan 10 km/jam ke arah gerak kereta maka, bagi seseorang yang berdiri di luar dan menyaksikan Anda lewat, bola itu awalnya akan bergerak pada kecepatan gabungan 110 km/jam. Ini dikenal sebagai hukum penjumlahan kecepatan. Bagaimana jika sekarang kita mengemukakan ulang contoh yang sama tapi dengan kecepatan yang jauh lebih tinggi? Pikirkan apa yang dilihat oleh pengamat luar dalam gambar 6.2. Roket bergerak pada ¾ 3/4 Kecepatan cahaya Melihat misil mendahului pada 1/2 kecepatan cahaya
STASIUN ANTARIKSA
Gambar 6.2. Menurut aturan normal penjumlahan kecepatan, pengamat di stasiun antariksa semestinya melihat misil berjalan pada ¾ + ½ = 1¼ kali kecepatan cahaya. Einstein menunjukkan bahwa tak ada yang bisa bergerak lebih cepat daripada cahaya dan cara kita menjumlahkan kecepatan harus diubah. kecepatan cahaya saat ia menembakkan misil yang meluncur pada ½ kecepatan cahaya sebagaimana dilihat oleh orang dalam roket. Apakah pengamat melihat misil bergerak pada 1 ¼ kali kecepatan cahaya? Dia akan melihat demikian jika aturan lazim mengenai penjumlahan kecepatan benar.
Tapi seperti kebanyakan fisika yang valid untuk pemakaian sehari-hari, hukum ini mogok pada kecepatan relativistik. Rumusan yang tepat akan mengatakan bahwa pengamat melihat misil bergerak pada 9/10 kecepatan cahaya. Tak peduli seberapa dekat pun roket dan misil bergerak menghampiri kecepatan cahaya, kecepatan gabungan mereka menurut pengamat diam akan selalu lebih besar daripada kecepatan masing-masing tapi di bawah kecepatan cahaya. Cara termudah untuk menjelaskan batas kecepatan cahaya tersebut juga kebetulan merupakan cara untuk menjelaskan dari mana persamaan paling terkenal milik Einstein (E = mc 2) berasal. Setelah Einstein memahami bagaimana ruang dan waktu terpengaruh oleh kecepatan cahaya, dia beranjak memikirkan apa hal lain yang harus diperbaiki. Beberapa hukum terpenting dan terdasar dalam fisika dikenal sebagai hukum kekekalan, yang menyatakan bahwa kuantitas tertentu semestinya tetap konstan sekalipun kuantitas lain berubah. Salah satu dari hukum ini adalah hukum kekekalan momentum. Ingat, momentum sebuah benda ditetapkan oleh massa kali kecepatannya, jadi sebuah bola meriam yang secara pelan menggelinding di tanah bisa dihentikan di jalurnya oleh sebuah peluru yang menghantamnya antar muka. Ini akan terjadi ketika keduanya memiliki momentum setara tapi berlawanan yang saling menghapuskan. Bola meriam punya massa besar tapi kecepatan rendah, sedangkan peluru punya massa kecil tapi kecepatan tinggi. Dalam kedua kasus, hasil kali massa dan kecepatan bisa memberikan angka yang sama (momentum). Saat dua objek bertubrukan, kita mengira momentum gabungan mereka sebelum dan setelah tubrukan ialah sama. Mereka tak harus saling menghapuskan—dengan kata lain, kasus istimewa—tapi biasanya yang satu akan mentransfer sebagian momentumnya kepada yang lain. Einstein menemukan bahwa saat benda-benda bergerak pada hampir kecepatan cahaya, momentum total tak terkekalkan, sebagaimana seharusnya menurut beberapa pengamat jika memakai aturan sederhana ‘massa kali kecepatan’. Lagi, lagi, sesuatu harus melar. Kali ini definisi massa benda yang bergerak cepat. Ternyata semakin cepat sebuah objek bergerak, semakin berat ia jadinya, dan semakin sulit untuk membuatnya bergerak lebih cepat lagi. Semakin ia mendekati kecepatan cahaya, semakin besar momentumnya, tapi ini berkat massanya yang bertambah, bukan kecepatannya. Pikirkan apa yang terjadi pada massa sebuah objek saat bergerak sangat cepat. Salah satu konsekuensi terpenting dari persamaan relativitas khusus ialah betapa massa dan energi terhubung. Einstein menunjukkan bahwa massa bisa
dikonversi menjadi energi, begitu pula sebaliknya. Keduanya terhubung lewat persamaan E = mc 2, yang memberitahu kita betapa banyak energi terkunci dalam suatu massa tertentu. C ialah kecepatan cahaya, dan karenanya kuantitas c 2 (kecepatan cahaya kali kecepatan cahaya) adalah angka yang memang sangat besar dan menjelaskan bagaimana kita dapat memperoleh begitu banyak energi dari massa berjumlah kecil. Persamaan ini mengindikasikan bahwa kita bisa membayangkan massa sebagai energi terbeku. Karena objek bergerak juga punya energi berkat gerakannya (disebut energi kinetik), energi totalnya adalah jumlah energi yang terbeku sebagai massa saat tak bergerak plus energi kinetiknya. Semakin cepat ia bergerak, semakin banyak energi yang dimilikinya. Ini berarti massa riil sebuah objek adalah berkat energi terbekunya plus energi hasil gerakannya. Kebanyakan, energi terbeku sebuah objek (massanya) jauh lebih besar daripada energi gerakannya sehingga kita bisa abaikan energi gerakannya dan menganggap massanya sama dengan ketika ia tak bergerak. Tapi begitu kecepatannya mendekati kecepatan cahaya, energi kinetik menjadi begitu besar sehingga melampaui energi terbeku. Jadi, massa sebuah objek yang bergerak cepat jauh lebih besar daripada massanya saat diam. Tentu saja, sepanjang menyangkut dirinya, si objek dapat mengklaim berada dalam kondisi diam (sebab semua gerakan adalah relatif) dan karenanya tak menyadari perubahan massanya. Anda kini bisa memahami persoalan dalam mencoba mencapai kecepatan cahaya. Bayangkan sebuah mesin kereta yang berakselerasi sedang menarik sebuah gerbong. Bagaimana jika, untuk setiap pertambahan kecepatan 10 km/jam yang ditempuhnya, gerbong lain ditambahkan. Ia pasti akan bekerja lebih keras untuk sekadar mempertahankan kecepatannya. Semakin cepat ia berjalan, semakin banyak gerbong yang harus ditariknya, dan semakin besar tenaga yang diperlukannya. Dengan cara yang sama, semakin cepat sebuah benda bergerak, relatif terhadap suatu pengamat, semakin berat terlihatnya, dan semakin sulit untuk membuatnya bergerak lebih cepat lagi. Untuk mengakselerasinya hingga kecepatan cahaya dibutuhkan energi dalam jumlah tak terhingga, yang mana adalah mustahil. Saat waktu berjalan terbalik Relativitas khusus memberitahu kita bahwa tak ada yang dapat dipercepat melebihi kecepatan cahaya, tapi itu tak menyingkirkan sesuatu yang bergerak lebih cepat daripada cahaya sepanjang ia senantiasa tetap berada di sisi lain
batas kecepatan cahaya. Anda paham, kecepatan cahaya ialah batasan 2 arah; tak ada objek yang lebih lambat dari cahaya bisa bergerak lebih cepat daripada cahaya dan tak ada objek yang sudah lebih cepat dari cahaya bisa melambat hingga kecepatan di bawah cahaya. Fisikawan bahkan memiliki nama untuk partikel ‘superluminal ’ hipotetis yang bergerak lebih cepat daripada cahaya. Mereka adalah tachyon dan, jika mereka eksis, memiliki beberapa atribut aneh. Contoh, karena waktu melambat seiring semakin dekatnya sebuah partikel dengan kecepatan cahaya, sampai waktu menjadi berhenti pada kecepatan cahaya, kita bisa memikirkan ini selangkah lebih jauh dan paham bahwa, bagi tachyon, waktu akan berjalan terbalik. Bagi kita, tachyon akan berjalan terbalik waktu! Tachyon tidak akan seperti partikel normal yang melambat begitu kehilangan energi. Malah, mereka mencepat, dan ketika sebuah tachyon kehilangan seluruh energinya ia akan bergerak pada kecepatan tak terhingga! Walaupun relativitas khusus memprediksi bahwa partikel semacam itu eksis, belum ada bukti apapun yang ditemukan dan kebanyakan fisikawan tak percaya mereka eksis. Anyway , mereka terlalu ganjil untuk direnungkan, bahkan menurut standar fisika modern. Tapi ada satu contoh pasti partikel yang bergerak lebih cepat daripada cahaya. Satu-satunya hal yang belum saya sebutkan adalah bahwa batas kecepatan maksimum yang saya bahas ini secara spesifik mengacu pada cahaya yang berjalan di ruang hampa. Ini disebut kecepatan cahaya di ruang vakum. Ketika cahaya menembus material transparan seperti gelas atau air, ia berjalan lebih lambat. Inilah yang menghasilkan refraksi/pembiasan (ini alasan mengapa sendok terlihat bengkok saat ditaruh dalam segelas air dan mengapa kolam renang terlihat lebih dangkal dari sebenarnya). Berkat hal ini, partikel dapat bergerak menembus medium semacam itu dengan kecepatan yang jauh lebih besar daripada kecepatan cahaya menembus medium tersebut. Ketika elektron bergerak menembus air lebih cepat daripada kecepatan cahaya dalam air, mereka memancarkan cahaya biru yang indah yang dikenal sebagai radiasi Cerenkov. Cahaya ini ekuivalen dengan dentuman sonik saat sebuah jet menerobos batas kecepatan suara. Terakhir, ada sejumlah contoh di mana seolah-olah batas kecepatan cahaya dilanggar, tapi pemeriksaan lebih cermat menunjukkan tidak demikian. Yang paling terkenal dari contoh ini adalah paradoks lampu sorot. Di Bab 2 kita bertemu bintang neutron yang berputar cepat, dikenal sebagai pulsar. Beberapa bintang ini dapat berputar 100 kali per detik. Seraya berputar, mereka
memancarkan sorot intens gelombang radio yang menyusuri Bumi seperti lampu sorot berfrekuensi sama dengan pulsar berotasi. Tapi karena pulsar begitu jauh (biasanya ribuan tahun-cahaya), lampu sorot yang dipancarkan sorot ini ke Bumi harus menyusur dalam [bentuk] lingkaran begitu besar sehingga ia pasti berjalan pada triliunan kali kecepatan cahaya! Namun, dengan pemeriksaan lebih cermat, kita bisa melihat bahwa ini tidak demikian. Gelombang-gelombang radio yang datang dari pulsar adalah berbentuk photon (sebab mereka cuma radiasi elektromagnetik) dan photon-photon inilah yang dipancarkan dari pulsar dan mereka selalu berjalan pada kecepatan cahaya. Kebingungan timbul lantaran kita berpikir ada sesuatu yang berputar-putar, padahal semua photon berjalan secara radial ke arah luar. Tak ada objek fisik yang betul-betul berputar-putar sebesar ini sama sekali. Bayangkan saja photon mirip dengan air yang disemprotkan dari alat penyiram taman. Makhluk hijau kecil Dilasi waktu dan kontraksi panjang menyediakan cara untuk menempuh jarak antargalaksi menyeberangi angkasa (sesuatu yang menggembirakan bagi para ufolog). Di Bab 3, saya memberi Anda suatu kesan jarak amat besar antara bintang-bintang. Bahkan tetangga-tetangga terdekat kita begitu jauh sampaisampai perlu beberapa tahun bagi cahaya mereka untuk menjangkau kita, sedangkan kebanyakan bintang ribuan tahun-cahaya jauhnya. Ini tampak menyingkirkan kemungkinan bahwa kita bisa menjangkau bintang lain, beserta sistem planeternya, sebelum akhir hidup manusia. Di sinilah relativitas datang untuk menyelamatkan. Jika kapal antariksa dapat berjalan pada hampir kecepatan cahaya, maka ia melihat jarak yang harus ditempuhnya berkontraksi. Perjalanan ke sebuah bintang yang berjarak 1000 tahun-cahaya mungkin hanya memakan waktu beberapa tahun menurut astronot dalam kapal. Menariknya, gara-gara efek dilasi waktu, perjalanan itu tetap akan memakan waktu 1000 tahun Bumi . Bagaimanapun juga, bila dilihat dari Bumi, kapal bergerak di bawah kecepatan cahaya. Di Bumi, kita akan melihat kapal harus menempuh jarak utuh yang tak berkontraksi, tapi kita juga akan melihat jam kapal melambat sehingga kita juga akan sependapat dengan mereka mengenai besaran waktu yang telah dihabiskan perjalanan tersebut menurut mereka. Apakah ini berarti perjalanan antariksa menyeberangi Alam Semesta memungkinkan? Pada prinsipnya ya, Anda bisa bepergian menyeberangi Alam
Semesta Tampak dan menempuh miliaran tahun-cahaya dalam sehari tanpa pernah menjangkau kecepatan cahaya. Ini terlepas dari fakta bahwa cahaya, yang bergerak lebih cepat daripada Anda, perlu miliaran tahun cahaya untuk melakukan perjalanan yang sama. Triknya adalah membedakan antara waktu yang dihabiskan perjalanan menurut jam di roket Anda (yang mencatat satu hari) dan waktu yang dihabiskan menurut jam di Bumi (miliaran tahuncahaya). Konsekuensi yang agak mengherankan dari ini adalah bahwa bagi cahaya itu sendiri waktu berdiam. Jika Anda bisa menyematkan jam pada sorot cahaya, jam itu takkan berdetak sama sekali. Kita katakan bahwa bagi photon, waktu tidak berlalu sama sekali (dilasi waktu maksimum) dan keseluruhan Alam Semesta memiliki ukuran nol (kontraksi panjang maksimum)!! Karena memungkinkan untuk menempuh suatu jarak menyeberangi angkasa dalam waktu singkat dengan berjalan mendekati kecepatan cahaya, sepertinya saya telah, setidaknya secara teori, membuka pintu bagi kemungkinan bahwa kita pernah dikunjungi makhluk dari dunia-dunia lain. Argumennya adalah, setidaknya mungkin saja sebuah pesawat antariksa alien memiliki sistem propulsi yang ratusan, bahkan ribuan, tahun lebih maju daripada yang dapat kita bayangkan, dan mampu menghampiri kecepatan cahaya. Oleh sebab itu mereka mungkin sanggup menempuh jarak amat besar menyeberangi angkasa dalam waktu beberapa bulan atau tahun saja. Walau saya benci memadamkan fantasi yang satu ini, amat tidak mungkin (tapi tentu bukan mustahil) UFO adalah piring terbang sungguhan lantaran sejumlah alasan. Karena pesawat antariksa alien harus mematuhi hukum fisika yang sama sebagaimana segala sesuatu di Alam Semesta, ia tak bisa berjalan lebih cepat daripada cahaya. Sekalipun perjalanan dari planet mereka mungkin hanya memakan waktu beberapa tahun menurut alien pelancong tersebut, ribuan atau bahkan jutaan tahun akan telah berlalu di planet mereka. Jadi, dengan asumsi bahwa rentang hidup mereka sebanding dengan kita, mustahil bagi mereka untuk pulang dan melaporkan temuan mereka. Rekan sebaya mereka sudah lama mati. Tentu saja saya tak berhak menilai (a) berapa masa hidup alien dan (b) apakah mereka bermaksud pulang. Mencepat ke masa depan Relativitas khusus telah meninggalkan sejumlah konsep ganjil dan menggugah keingintahuan, terutamanya di antaranya adalah ide bahwa waktu melambat bagi objek yang bergerak cepat. Satu aspek penting dari efek aneh ini, yang
belum saya sebutkan sampai sekarang, adalah bahwa ini memberi kita cara untuk ‘bergerak mencepat’ menerobos waktu: pergi menerobos waktu menuju masa depan! Jadi mari kita memikirkan ini lebih cermat. Selama bertahun-tahun, teori relativitas telah menjadi sumber perdebatan dan diskusi yang kaya, dan bukan hanya di kalangan fisikawan. Tapi yang paling membingungkan, paling diperdebatkan, dan masih paling disalahpahami di antara semua konsekuensinya, dikenal sebagai paradoks jam, atau paradoks kembar. Saya akan memberi garis besar singkatnya di sini dan menunjukkan mengapa sebetulnya tak ada paradoks sama sekali. Kita berjumpa si kembar Alice dan Bob. Alice adalah seorang petualang yang senang mengitari Galaksi dengan roket high-speed -nya, sedangkan Bob lebih suka tinggal di rumah. Suatu hari, Alice mengucapkan selamat tinggal kepada saudaranya itu dan berangkat dengan roketnya menuju sistem Alpha Centauri yang berjarak empat tahun-cahaya, berjalan pada 2/3 kecepatan cahaya. Bob memonitor perjalanannya dan mengkalkulasi bahwa Alice mestinya mencapai tempat tujuannya dalam waktu 6 tahun. Setelah tiba di sana dia akan berputar dan langsung kembali. Mempertimbangkan waktu perputaran balik, Bob menduga perjalanan pulang-pergi itu memakan waktu sedikit di atas 12 tahun. Namun dia frustasi oleh pesan-pesan yang diterimanya dari Alice. Tak hanya ada peningkatan time delay (keterlambatan waktu) akibat perluasan jarak antara mereka, tapi juga Doppler bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih panjang. Dari kecepatan roket, dia menentukan seberapa banyak pergeseran Doppler yang semestinya terjadi dan memasukkannya ke dalam hitungan. Namun, panjang gelombang itu masih terlalu panjang dan dia cepatcepat menyadari bahwa ini diakibatkan oleh efek relativistik dilasi waktu. Bagi dia, waktu di dalam roket Alice berjalan sedikit lebih lambat daripada waktu miliknya dan ini termanifestasi dalam panjang gelombang sinyal yang lebih panjang. Memasukkan pelambatan waktu roket ini ke dalam hitungan, Bob mengkalkulasi bahwa menurut Alice, perjalanan itu semestinya hanya memakan waktu 9 tahun, kurang 3 tahun dibanding durasi perjalanan menurut waktu Bumi. Ini berarti, saat pulang, Alice akan 3 tahun lebih muda daripada kembarannya! Ini karena dilasi waktu tak mempengaruhi jam yang bergerak saja, melainkan semua waktu di dalam roket, termasuk jam biologis Alice. Ini nyatanya bukanlah sumber ‘paradoks’ judul kisah tersebut. Bob sungguh tepat memakai persamaan relativitas khusus dan mengkomputasi selisih waktu antara jamnya dan jam kembarannya. Bukan, paradoksnya adalah,
atau sekilas seperti paradoks, Alice tidak mempercayai prediksi kembarannya. Dia berargumen bahwa prinsip pertama relativitas dilanggar di sini. Tentu saja, karena semua gerak adalah relatif, dia pun punya hak untuk mengklaim bahwa bukan roketnyalah yang menjauhi Bumi, melainkan Bumilah yang menjauhi roketnya. Bob-lah yang bergerak pada 2/3 kecepatan cahaya dan jam Bob-lah yang berjalan lebih lambat. Oleh sebab itu dia mengklaim bahwa, saat pulang, dia menduga kembarannya lebih muda daripada dirinya. Kesimetrian nyata ini telah menjadi sumber banyak kebingungan selama bertahun-tahun. Kedua saudara kembar tidak mungkin benar, bukan? Ada banyak cara untuk memecahkan persoalan ini dengan tepat. Saya akan menyebutkan yang paling sederhana di sini. Jawabannya adalah bahwa Bob benar dan Alice salah. Alice sungguh akan pulang dalam usia lebih muda daripada kembarannya. Banyak buku relativitas akan menyatakan bahwa ini lantaran Alice adalah orang yang mengalami percepatan dan perlambatan dalam roket dan inilah yang merusak kesimetrian antara kedua saudara kembar. Penjelasan ini memang benar, tapi mengatakan bahwa situasi mereka tak sama tidaklah menjelaskan apapun. Alasan mengapa usia Alice lebih muda bisa dijelaskan, bukan oleh dilasi waktu, melainkan oleh kontraksi panjang. Bagi Alice, jarak ke Alpha Centauri bukan 4 tahun-cahaya tapi hanya 3 tahuncahaya, dan berjalan pada 2/3 kecepatan cahaya mengandung arti bahwa dia bisa mencapai tempat itu dalam waktu 4,5 tahun saja, bukan 6 tahun seperti estimasi Bob. Perjalanan pulang 4,5 tahun mengandung arti bahwa seluruh perjalanan itu akan memakan waktu 9 tahun, persis sebagaimana Bob kalkulasikan dari dilasi waktu jam Alice. Alasan mengapa Alice mendapat jawaban yang salah dengan menarik fakta bahwa dirinya juga melihat jam Bob berjalan lebih lambat, adalah bahwa dia tidak memakai persamaan relativitas khusus secara benar. Persamaan relativitas khusus hanya berlaku pada pengamat yang tidak berubah kecepatan atau arah. Alice mengalami perubahan kecepatan dan arah, sedangkan Bob tidak. Selisih waktu tiga tahun saat kepulangan Alice mungkin tidak terdengar terlalu mengesankan, jadi mari kita asumsikan dia telah berjalan lebih cepat lagi, katakanlah pada 99% kecepatan cahaya. Dia kini akan pulang ke Bumi (jika kita mengabaikan waktu perputaran balik) setelah 8 tahun 1 bulan waktu Bumi (yakni 1 bulan lebih lama daripada yang diperlukan cahaya untuk menyelesaikan perjalanan). Tapi menurut Alice, perjalanan itu hanya memakan waktu setahun. Jika dia memutuskan untuk bepergian lebih jauh dengan
kecepatan ini dalam sebuah perjalanan yang, baginya, memakan waktu 10 tahun, maka dia akan mendapati saat pulang bahwa 80 tahun telah berlalu di Bumi dan bahwa Bob, beserta hampir semua orang yang dia kenal, telah meninggal dunia. Dia, di sisi lain, hanya akan berusia 10 tahun lebih tua daripada saat berangkat. Ini merupakan contoh jelas perjalanan waktu ke masa depan. Jika roketnya bisa didorong lebih dekat ke kecepatan cahaya, dia akan pulang ribuan, atau bahkan jutaan, tahun ke masa depan. Jadi, lupakan Oil of Ulay. Naik saja roket berkecepatan tinggi dan kitari tata surya selama beberapa saat. Teman-teman Anda akan terkagum betapa Anda tetap awet muda. Terkadang dianggap bahwa kesimetrian antara gerak Alice dan Bob diperoleh kembali jika kita mempertimbangkan situasi menurut pengamat ketiga, katakanlah pelancong antariksa yang melintas. Bukankah dia akan melihat Alice dan Bob terbang memisah lalu berkumpul lagi? Jika dia bergerak ke arah yang sama dengan Alice tapi pada setengah kecepatan Alice secara relatif terhadap Bumi, dia akan melihat kedua saudara kembar itu menjauh darinya ke arah berlawanan dengan kecepatan sama: gambaran asimetris. Tapi Alice harus pulang. Jika si pelancong antariksa tetap pada kecepatan tersebut ke arah tadi, dia akan melihat Bob terus menjauh darinya, sedangkan Alice akhirnya akan berputar balik dan datang mendekatinya. Alice akan berpapasan dengannya dalam perjalanan pulang. Jadi kesimetrian rusak. Sudah beberapa tahun ini saya menetapkan paradoks kembar sebagai tugas kuliah untuk mahasiswa-mahasiswa saya di Surrey. Mereka diminta menyelidikinya menggunakan berbagai pendekatan. Sejauh ini, cara terbaik yang saya ketahui adalah memakai pengamat ketiga sebagai hakim. Matematikanya bekerja dengan sangat baik. Saya berjumpa banyak orang yang mulanya berpikir bahwa perjalanan waktu ke masa depan seperti ini mengimplikasikan bahwa masa depan pasti sudah ada di luar sana, eksis berdampingan dengan masa kini kita. Tidak demikian. Yang terjadi adalah bahwa masa depan terhampar di Bumi selama Alice pergi. Hanya saja, karena baginya waktu yang berlalu kurang, dia bergerak di atas jalur waktu berbeda ke Bumi. Ruangwaktu—masa depan ada di luar sana Karena saya telah mengangkat subjek menjengkelkan tentang apakah masa depan sudah ada di luar sana, kita juga akan menghadapinya dan memahami apa yang relativitas khusus ajarkan kepada kita.
Dua tahun setelah Einstein mempublikasikan paper nya mengenai relativitas khusus, salah seorang dosen lamanya, Herman Minkowski, menyatakan bahwa semua urusan pelambatan waktu dan peremasan jarak hanyalah soal perbedaan perspektif pengamat yang bergerak berbeda. Tapi ini bukan perspektif yang biasa kita alami di ruang 3D, melainkan perspektif di ruang empat-dimensi. Minkowski menunjukkan bahwa waktu dan ruang tak bisa lagi diperlakukan sebagai entitas terpisah melainkan tersatukan menjadi apa yang dikenal sebagai ruangwaktu. Banyak orang, bahkan ilmuwan, bingung oleh kegunaan gambaran semacam ini, dan penting sekali untuk memahami mengapa Minkowski sampai pada kesimpulan ini. Jika Anda menatap sebuah objek padat, semisal kubus, Anda melihat bahwa dimensi kedalamannya (yakni ke arah garis pandang Anda) terlihat lebih pendek daripada dua dimensi lain (lebar dan tinggi), menjadikan sisisisi kubus terlihat teremas. Nah pikirkan seseorang yang menatap kubus dari samping. Baginya, dimensi yang Anda anggap sebagai lebar kubus adalah kedalaman, dan dia melihat sisi yang menghadap Anda teremas. Kalian berdua tidak akan berdebat tentang siapa yang memandang kubus dari sudut yang tepat sebab kalian paham bahwa itu cuma masalah perbedaan perspektif. Relativitas khusus mengajari kita bahwa pengamat yang sedang bergerak cepat pasti memandang dunia dalam ruangwaktu 4D, di mana jarak ruang dan waktu menjadi masalah perspektif saja. Pengamat yang bergerak dengan kecepatan tinggi secara relatif terhadap pengamat lain akan melihat ruangwaktu dari sudut berbeda. Menurut pengamat yang satu, dimensi waktu mungkin tampak lebih pendek atau lebih panjang daripada menurut pengamat lain, tapi tak ada pengamat yang berhak mengklaim bahwa perspektif ruangwaktunya lebih tepat daripada perspektif pengamat lain. Pikirkan dua peristiwa terpisah, misalnya saya yang menulis kalimat ini dan Anda yang membacanya. Pandangan pra-Einstein (Newtonian) akan mengatakan bahwa dua peristiwa ini terpisah di ruang dan waktu secara sendiri-sendiri. Jarak ruang di antara tempat saya menulis dan tempat Anda membaca (katakanlah 1000 km) maupun jarak waktu di antara waktu penulisan dan membaca (katakanlah dua tahun) adalah sama bagi semua pengamat. Relativitas khusus telah menunjukkan bagaimana kedua kuantitas ini akan berbeda-beda, tergantung pengamat. Yang sederhana dari ruangwaktu 4D adalah bahwa kita dapat menetapkan di dalamnya ‘jarak’ tunggal di antara dua peristiwa yakni kombinasi ruang dan waktu. ‘Interval’
ruangwaktu demikian memiliki harga tetap untuk semua pengamat. Jadi kita hanya kembali ke jarak absolut objektif saat ruang dan waktu bergabung. Ruangwaktu 4D Minkowski sering disebut sebagai block universe model (model alam semesta blok). Sekali waktu diperlakukan seperti dimensi ruang keempat, kita dapat membayangkan keseluruhan ruang dan waktu dimodelkan sebagai blok empat-dimensi. Untuk memvisualisasikan ini, saya merekomendasikan Anda membuang salah satu dimensi ruang (sebagaimana dibahas sebelumnya dalam buku ini) agar waktu dapat mengisi dimensi ketiga, dalam gambar 6.3 dilambangkan dengan sumbu yang membentang dari kiri ke kanan. Pada suatu waktu tertentu, ruang dua-dimensi akan berupa irisan di dalam blok. Alam Semesta di masa terdahulu direpresentasikan oleh kawasan sebelah kiri irisan dan masa depan direpresentasikan oleh kawasan sebelah kanan. Di sini kita memiliki pemandangan keseluruhan eksistensi di mana seluruh waktu—masa lalu, masa kini, dan masa depan—terhampar beku di hadapan kita. Banyak fisikawan, termasuk Einstein belakangan dalam hidupnya, mendorong model ini ke kesimpulan logisnya: di ruangwaktu 4D, tak ada yang pernah bergerak. Semua peristiwa yang telah terjadi atau akan terjadi eksis bersama-sama di alam semesta blok dan tak ada perbedaan antara masa lalu Di sini
Di sini dan kini
Gambar 6.3. Alam semesta blok. Satu dimensi telah dibuang dan ruang direduksi menjadi tilam 2D. Waktu berjalan pada sudut siku-siku terhadap tilam dari kiri ke kanan. Jika Anda berdiri diam, Anda akan mengikuti garis horizontal, disebut garis dunia Anda. Apa yang Anda anggap sebagai ‘sekarang’ adalah berupa sebuah irisan di dalam blok yang meliputi semua arah di ruang yang Anda anggap serentak. Tapi jika dua pengamat saling berpapasan, mereka tidak akan sependapat soal tilam ‘sekarang’ tersebut.
dan masa depan. Ini mengimplikasikan bahwa tak ada hal tak terduga yang akan terjadi. Bukan hanya masa depan telah ditakdirkan, tapi ia juga sudah ada di luar sana dan sudah tetap dan tak bisa diubah sebagaimana masa lalu. Apakah gambarannya betul-betul harus begini? Bagaimanapun juga, kita bisa sama mudahnya membayangkan ruangwaktu Newtonian dimodelkan sebagai blok 4D. Bedanya adalah bahwa dalam kasus ini ruang dan waktu terpisah dari satu sama lain, sedangkan dalam relativitas keduanya terhubung. Salah satu konsekuensi relativitas adalah bahwa dua pengamat takkan bisa sepakat tentang kapan itu ‘sekarang’. Dengan membuang waktu absolut, kita juga harus mengakui bahwa gagasan momen kini universal tidaklah eksis. Bagi satu pengamat, semua peristiwa di Alam Semesta yang tampak serempak bisa terhubung membentuk irisan representatif tertentu di dalam ruangwaktu yang disebutnya ‘sekarang’. Tapi pengamat lain, yang bergerak secara relatif terhadap pengamat pertama, akan memiliki irisan berbeda yang akan melintasi irisan tadi. Beberapa peristiwa yang terdapat di irisan ‘sekarang’ pengamat pertama akan berada di masa lalu pengamat kedua sedangkan peristiwa lainnya akan berada di masa depannya. Hasil yang mengejutkan pikiran ini dikenal sebagai relativitas keserempakan, dan merupakan alasan mengapa banyak fisikawan berargumen bahwa karena tak ada pembagian absolut antara masa lalu dan masa depan maka tak ada perlaluan waktu, sebab kita tidak sepakat tentang di mana semestinya masa kini berada. Yang lebih buruk dari itu, jika satu pengamat melihat sebuah peristiwa A terjadi sebelum peristiwa B, maka mungkin pengamat lain menyaksikan peristiwa B sebelum peristiwa A.37 Jika dua pengamat bahkan tidak bisa sepakat tentang urutan kejadian peristiwa, bagaimana bisa kita mendefinisikan perlaluan objektif waktu sebagai urutan peristiwa? Tidak semua fisikawan siap menerima pandangan demikian. Bahkan Einstein terpaksa mengakui bahwa meski ruang dan waktu bergabung menjadi satu kesatuan, kita tak boleh terjebak memperlakukan waktu seperti dimensi ruang tambahan. Bagaimanapun, kita tahu dari bab lalu bahwa sumbu waktu memiliki arah tertentu; anak panah waktu. Ketiga sumbu ruang tidak seperti ini. Mudah sekali pergi ke arah manapun di ruang, jadi waktu dan ruang tetap 37 Ini
hanya bisa terjadi jika gap waktu antara kedua peristiwa (dalam kedua kerangka) lebih pendek daripada yang diperlukan cahaya untuk berangkat dari satu peristiwa ke peristiwa lain. Kalau demikian halnya, ini menyingkirkan peluang bahwa satu peristiwa merupakan penyebab peristiwa lain, sebab ini akan mengimplikasikan bahwa seorang pengamat melihat akibat terjadi sebelum sebab, dan hukum fisika tidak memperkenankan hal demikian.
berbeda sifat. Maka saat Minkowski pertama kali menyampaikan idenya, Einstein sekalipun skeptis. Tapi perlahan dia menyetujuinya, dan itu terbukti vital untuk perkembangan relativitas umumnya kemudian, di mana ruangwaktu 4D-lah yang terpengaruh gravitasi. Nyatanya, ruangwaktu bisa melengkung, meregang, terperas, dan membelit. Kita bahkan akan simak nanti bahwa relativitas umum memperkenankan ruangwaktu membentuk beberapa bentuk amat aneh yang dikenal oleh pakar sebagai ‘topologi non-sepele’. Ke mana semua ini membawa kita? Apakah relativitas meminta terlalu banyak? Kita tahu harus membuang ide momen kini universal, tapi apa kita juga terpaksa mengakui bahwa masa depan sudah eksis? Saya akan mengajukan tiga alasan mengapa saya tidak percaya demikian. Pertama, ketidaksepakatan dua pengamat atas urutan peristiwa hanya akan melibatkan peristiwa-peristiwa yang sangat berdekatan waktunya. Bayangkan dua kilasan cahaya yang menurut saya terpisah 30 centimeter. Perlu sepermiliar detik bagi cahaya untuk menempuh jarak ini sehingga, agar cahaya kilasan yang satu memicu kilasan yang lain, saya harus melihat mereka terpisah waktu sepersemiliar detik. Dengan gap waktu sedemikian, mustahil pengamat lain melihat kilasan-kilasan cahaya tersebut terjadi secara terbalik, seberapa cepat pun mereka bergerak relatif terhadap saya. Ini akan melanggar hukum alam yang sakral yang menyatakan bahwa penyebab sesuatu harus selalu terjadi sebelum akibatnya. Sudah semestinya peristiwa tak terjadi sebelum sesuatu menyebabkannya terjadi terlebih dahulu. Dalam contoh ini, tak peduli apakah kilasan cahaya pertama menyebabkan kilasan kedua atau tidak, ada cukup waktu untuk kemungkinan terjadinya ini. Oleh karena itu, pengurutan ulang peristiwa untuk pengamat berlainan hanya diperkenankan—jika tak melanggar apa yang dikenal sebagai ‘kausalitas’ (atau ‘sebab’ terjadi sebelum ‘akibat’)—jika dua peristiwa begitu berdekatan waktunya sehingga tak ada sinyal, bahkan cahaya, yang dapat melintas di antara mereka.38 Jadi percampuran urutan peristiwa ialah sesuatu yang mengganggu perlaluan objektif waktu hanya pada skala amat kecil, yang membuat momen kini sedikit ‘kabur’, itu saja. Alasan kedua adalah, bagaimanapun status relatif gerak Anda, masih ada ‘sekarang’ definitif dan karenanya masih terdapat pemisahan peristiwa38 Tentu
saja, peristiwa-peristiwa bisa terpisah setahun penuh sepanjang mereka terpisah jarak lebih dari setahun-cahaya (sebab perlu setahun bagi cahaya, alat transmisi sinyal tercepat, untuk berangkat dari satu peristiwa ke peristiwa lain).
peristiwa ke dalam masa lalu dan masa depan yang dapat dirasakan secara sempurna, menurut Anda. Ketiga, dan soal masa depan ‘sudah ada di luar sana’, jelas bahwa sebelum itu ‘terjadi’ bagi kita dan sebelum kita mengetahui keseluruhan ruangwaktu, kita tak dapat mengiris-irisnya bagaimanapun juga. Bagi kita, masa depan belum terjadi, tak peduli kita dapat, berdasarkan informasi yang memadai mengenai status kini Alam Semesta (misalnya posisi dan status gerak semua partikel di Alam Semesta), mengkalkulasi apa yang akan terjadi di seluruh waktu masa depan. Ini tidak berbeda dengan alam semesta deterministis (mesin jam) Newton. Perbedaannya adalah bahwa jarak, durasi, dan urutan peristiwa-peristiwa tertentu akan tergantung pada pengamat. Untuk memandang seluruh ruangwaktu (Alam Semesta di seluruh waktu) sebagai satu blok 4D diperlukan titik menguntungkan yakni di luar Alam Semesta. Ini sama dengan menanyakan seperti apakah Alam Semesta bila dilihat dari luar. Tak ada di luar. Jadi, pandangan semacam itu cuma hipotesis. Argumen-argumen ini belum menghentikan banyak fisikawan, matematikawan, dan filsuf untuk tidak memeluk ide alam semesta blok, dan waktu statisnya, dengan sepenuh hati. Matematikawan Herman Weyl menggambarkan alam semesta blok sebagai: “Dunia objektif adalah demikian adanya, bukan terjadi . Hanya saja kesadaran kita...adalah proses yang berjalan maju dalam waktu.” Nyatanya, pandangan ini dipegang jauh sebelum relativitas muncul dan sangat erat dengan argumen-argumen yang diajukan oleh filsuf Jerman, Immanuel Kant, dalam Critique of Pure Reason-nya tahun 1787. Saya selalu merasa ada inkonsistensi dalam argumen ini. Weyl ingin kita percaya bahwa meski tak ada yang pernah berubah di ruangwaktu 4D, kesadaran kita masih dengan suatu cara bergerak di dalamnya, yang menjadi alasan mengapa kita merasakan momen kini yang terus berubah. Dia mengklaim bahwa perasaan ini ilusi. Tapi pergerakan, betapapun ilusif, mengimplikasikan perubahan, dan perubahan mensyaratkan perlaluan waktu. Jadi jika kesadaran kita mengalami perubahan maka ia harus eksis di luar ruangwaktu statis. Betapapun kesadaran itu misterius, saya tak mau mengatributkan status demikian padanya. Waktu gravitasi Nah setelah kita menyimak bagaimana waktu digambarkan dalam relativitas khusus, saya akan bahas singkat bagaimana ia berperilaku dalam relativitas
umum. Einstein menunjukkan bahwa gravitasi menyediakan cara alternatif pelambatan waktu hingga bepergian pada kecepatan amat tinggi. Kita sudah menyimak bagaimana relativitas umum menggambarkan bagaimana objek-objek masif menyebabkan ruangwaktu di sekitarnya melengkung (perhatikan, akhirnya saya bisa membicarakan ruangwaktu, bukan sekadar ruang). Sebagaimana ruang teregang di dalam medan gravitasi, begitu pula waktu. Seorang pengamat yang menyaksikan, dari jarak aman, seseorang yang memegang sebuah jam sambil jatuh ke dalam black hole akan melihat jam itu berdetak lebih lambat. Inilah alasannya mengapa kita melihat objekobjek yang jatuh ke dalam black hole seolah-olah terbeku di horizon. Bagi kita, waktu di horizon diam. Namun, ini sama sekali bukan ilusi optis. Kita telah menyimak bahwa dilasi waktu dalam relativitas khusus adalah relatif. Dua pengamat yang bergerak pada kecepatan tinggi secara relatif terhadap satu sama lain akan melihat jam masing-masing berdetak lebih lambat. Tapi dalam kasus dua pengamat dekat black hole, pengamat yang jatuh akan melihat jam milik pengamat jauh, berjalan lebih cepat! Anda berhak merasa kurang teryakinkan oleh pembahasan ini. Bagaimanapun, tak ada seorangpun yang pernah berhadap-hadapan dengan black hole untuk menguji efek demikian. Lantas bagaimana bisa kita yakin bahwa waktu betul-betul melambat? Jawabannya ialah, kita bisa mengujinya di sini, di Bumi. Medan gravitasi Bumi sama sekali tak sekuat medan gravitasi black hole tapi kita masih bisa mengukur efek kecilnya terhadap waktu. Dilasi waktu akibat gravitasi Bumi dikonfirmasikan dalam sebuah eksperimen terkenal yang dijalankan oleh dua orang Amerika pada 1960. Robert Pound dan Glen Rebka memanfaatkan efek Mössbauer yang baru ditemukan, yang menyatakan bahwa atom tipe tertentu akan memancarkan cahaya berpanjang gelombang spesifik manakala dipompa energi. Dan karena panjang gelombang ini kompatibel dengan atom serupa lainnya, mereka akan dengan mudah menyerap cahaya tersebut. Jika panjang gelombang berubah sedikit saja, katakanlah sebanyak satu pergeseran Doppler, maka atom-atom lain itu takkan bisa menyerapnya. Pound dan Rebka menempatkan beberapa atom besi ‘pemancar cahaya’ di dasar menara setinggi 23 meter dan atomatom identik di puncaknya. Mereka menemukan bahwa cahaya yang dipancarkan oleh atom-atom di dasar menara tidak diserap oleh atom-atom di puncak menara, dan menunjukkan bahwa penyebabnya adalah panjang gelombang cahaya ter-redshift -kan. ‘Redshift gravitasi’ ini ialah akibat langsung
dari pelambatan waktu di dasar menara. Anda tahu, puncak menara lebih jauh dari Bumi dan karenanya gravitasi di situ lebih lemah (tidak banyak, tentu saja, tapi cukup untuk mengubah panjang gelombang cahaya). Untuk memahami redshift ini sebagai pelambatan waktu, pikirkan apa sebetulnya panjang gelombang. Anda dapat menganggap atom-atom besi sebagai ‘jam’, dan masing-masing puncak gelombang cahaya sebagai ‘detakan’. Jika kita melihat panjang gelombang yang lebih panjang, itu karena lebih banyaknya waktu yang berlalu di antara detakan berurutan, dan kita katakan jam atom tersebut berjalan lebih lambat. Untuk mengukur seberapa banyak waktu melambat, Pound dan Rebka melakukan sesuatu yang saya ingat, saat pertama kali mengetahuinya, merupakan taktik jitu sekali. Mereka membuat atom-atom di puncak menara bergerak turun dengan kecepatan spesifik menuju atom-atom di dasar. Atom-atom yang bergerak kini melihat panjang gelombang cahaya yang naik menuju mereka sedikit teremas akibat pergeseran Doppler. Pemendekan panjang gelombang ini bisa disesuaikan, dengan mengendalikan kecepatan atom yang turun, untuk mengembalikan panjang gelombang cahaya ke harganya yang benar sehingga atom-atom yang jatuh bisa menyerap cahaya. Dalam situasi tertentu, dua efek dilasi waktu (akibat relativitas khusus dan umum) bisa beraksi terhadap satu sama lain. Pikirkan dua jam atom, satu di permukaan tanah dan satu di satelit di orbit. Mana yang akan berdetak lebih lambat? Bagi jam di tanah, gerakan cepat jam di orbit semestinya menjadikannya berdetak lebih lambat, sedangkan fakta bahwa jam itu sedang mengorbit Bumi dalam gravitasi nol semestinya menjadikannya berdetak lebih cepat. Efek mana yang menang? Jawabannya, tergantung pada seberapa tinggi satelit itu berada. Ilmuwan perlu tahu hal semacam ini saat menganalisa informasi yang dikirimkan oleh satelit-satelit navigasi yang memiliki jam atomnya masing-masing. Sebagai contoh, jika sebuah satelit sedang mengorbit pada ketinggian yang lebih dari diameter Bumi, itu akan cukup jauh bagi dilasi waktu gravitasi untuk menang. Jamnya akan berdetak lebih cepat daripada jam di Bumi, yang dilambatkan oleh gravitasi Bumi, sebanyak beberapa perjuta detik setiap hari (ketidakakuratan jam atom yang tak terampuni). Jadi ingat-ingat, jika arloji Anda berdetak lambat, tahan di atas kepala Anda! Ia akan mencepat sebab kini merasakan gaya gravitasi yang lebih lemah. Tentu saja Anda takkan pernah bisa mengukur efek sekecil itu seberapa lama pun Anda menahan lengan Anda di atas.
K
ITA sudah menyimak bagaimana interval waktu bergantung pada perspektif Anda terhadap relativitas. Waktu akan berlalu sedikit saja bagi seseorang yang mencepat hingga kecepatan amat tinggi atau menghabiskan beberapa waktu di medan gravitasi kuat. Saya telah membahas bagaimana ini menyediakan kita cara untuk pergi ke masa depan. Tentu saja ini tidak bisa betul-betul dianggap sebagai memanipulasi waktu. Yang kita lakukan hanya mencapai masa depan secara lebih cepat. Pikirkan itu seperti iklan-iklan cerdik di TV di mana seseorang pelan-pelan mengunyah sebatang cokelat sementara seluruh dunia mendengung lewat dengan kecepatan tinggi. Saya telah menggambarkan bagaimana perjalanan waktu semacam ini sungguh normal untuk partikel subatom, sebab mereka adalah satu-satunya objek yang mampu mendekati kecepatan cahaya. Jadi muon-muon yang dihasilkan oleh sinar kosmik sedang melancong waktu ke masa depan (sebanyak sepecahan detik) selama perjalanan pendek mereka menerobos atmosfer Bumi. Persoalan terkait perjalanan waktu semacam ini adalah bahwa itu merupakan perjalanan searah. Suatu hari nanti kita mungkin mampu pergi ke masa depan, bahkan mungkin ke masa depan jauh, tapi satu-satunya cara untuk pulang ke masa kita lagi adalah dengan kembali ke masa lalu. Ini persoalan yang lebih rumit sama sekali. Ketika ilmuwan membicarakan perjalanan waktu, mereka cenderung memaksudkannya perjalanan waktu ke masa lalu. Sepanjang bab ini, setiap disebutkan perjalanan waktu, itu merujuk pada perjalanan waktu ke masa lalu. Ada dua cara untuk kembali ke masa lalu. Yang pertama adalah dengan pergi mundur menerobos waktu, yang mana selama itu jarum arloji Anda akan berputar terbalik. Tentu saja Anda takkan menyadari ini terjadi. Ini membutuhkan kecepatan lebih daripada cahaya yang mana tidak bisa kita capai, jadi ini bukan jenis perjalanan waktu yang hendak saya bahas di sini. Cara lain adalah dengan pergi maju dalam waktu (waktu lokal Anda berjalan cepat) tapi dengan bergerak sepanjang jalur melengkung di ruangwaktu yang
membawa Anda kembali ke masa lalu Anda (seperti menyimpal/menggelung jungkir-balik pada roller coaster ). Simpal semacam itu dikenal dalam fisika sebagai ‘kurva miripwaktu tertutup’ dan menjadi subjek riset teoritis intens selama tahun 1990-an. Yang mungkin mengejutkan Anda adalah, sudah diketahui selama setengah abad bahwa persamaan relativitas umum Einstein memperkenankan kurva miripwaktu tertutup tersebut. Matematikawan Amerika kelahiran Australia, Kurt Gödel, menunjukkan pada 1949 bahwa perjalanan waktu ke masa lalu semacam itu memungkinkan secara teoritis. Jadi apa yang dipercekcokkan? Perjalanan waktu ke masa depan mudah dan perjalanan waktu ke masa lalu, meski sulit, belum disingkirkan oleh teori. Apa yang kita tunggu? Mengapa kita belum membangun mesin waktu? Alasannya adalah, menciptakan kurva miripwaktu tertutup di ruangwaktu tak hanya akan luar biasa sulit, tapi juga kita tak yakin apakah itu memungkinkan secara teori. Relativitas umum memberitahu bahwa kita tak bisa menyingkirkan perjalanan waktu, tapi banyak fisikawan berharap pemahaman lebih baik atas matematikanya akhirnya akan membawa pada kesimpulan bahwa itu sama sekali dilarang. Dan alasan mengapa fisikawan merasa demikian adalah bahwa perjalanan waktu menghasilkan sejumlah paradoks aneh. Di bab ini saya akan menengok beberapa paradoks perjalanan waktu tersebut dan melihat apakah ada suatu jalan keluar. Sebagai ilmuwan, saya merasa sulit untuk sekadar duduk dan menonton film sains fiksi yang melibatkan perjalanan waktu. Bukan menerimanya dengan skeptis dan cukup menikmati alur cerita yang (biasanya) gila, saya cenderung mencari-cari celah dalam logikanya. Saya akan bilang sesuatu seperti: Tunggu, jika dia kembali ke masa lalu dan berbuat ini itu maka pasti dia telah mencampuri urusan sejarah dan... well , Anda barangkali tahu maksud saya. Sungguh menyedihkan. Kebanyakan film-film ini agak pandir dan saya mesti cukup ‘mengikuti arus’ dan menghargai jutaan dolar yang dihabiskan untuk efek-efek khusus. Jika Anda pernah menonton Star Trek IV: The Voyage Home Anda akan paham maksud saya. Dalam film tersebut, yang merupakan karya terbaik di antara film-film Star Trek awal, Kapten Cirk dan awaknya pergi ke masa lalu menuju abad 20. Itu memuat beberapa momen lucu, misalnya saat Scotty mencoba berbicara dengan komputer, dia disuruh menggunakan mouse, jadi dia mengangkatnya dan berbicara melaluinya! Well itu adalah bagian favorit saya.
Paradoks Terminator Saya ingin menggunakan variasi pada alur cerita dalam film tertentu untuk mengilustrasikan paradoks perjalanan waktu. Film itu ialah Terminator , di mana Arnold Schwartznegger adalah android tak terhancurkan yang diutus ke masa lalu oleh robot-robot yang memerintah dunia di masa depan yang keras. John Connor adalah nama pemimpin pemberontak yang bertempur demi manusia melawan robot, dan Arnold diharuskan membunuh ibu John sebelum melahirkannya. Anda paham, jika John tak dilahirkan maka para pemberontak akan mudah dikalahkan. Jadi, dengan membunuh ibunya, mereka menyingkirkan dia juga. Tentu saja bukan hanya Arnold gagal melaksanakan misinya, melainkan juga bahwa tokoh pahlawan, yang dikirim ke masa lalu untuk melindungi ibu John, akhirnya jatuh cinta kepadanya, membuatnya hamil, lalu ibu John melahirkan...John Connor. Jadi pria ini, yang seusia dengan John di waktu (masa depan)nya, sebetulnya merupakan ayahnya. Dia dikirim ke masa lalu untuk memastikan bahwa John dilahirkan, dan akhirnya penyebabnya adalah dia. Pertanyaannya, apakah memungkinkan bagi Arnold untuk mengubah jalannya peristiwa agar masa depan berakhir berbeda? Bagaimana jika dia berhasil membunuh ibu John? Sungguhpun alur ceritanya barangkali terdengar agak pandir bagi Anda yang bukan penggemar sains fiksi, itu konsisten. Tak ada paradoks yang timbul sebab Arnold gagal. Memikirkan film tersebut tidaklah buruk sama sekali dan efek-efek khususnya sangat hebat. (Ya, saya tahu efek-efek dalam Terminator II lebih bagus lagi.) Di sini saya ingin menceritakan kisah tersebut dalam rangka menyoroti paradoks perjalanan waktu yang paling terkenal, dikenal sebagai paradoks leluhur. Dalam bentuk aslinya, paradoks ini timbul manakala Anda pergi ke masa lalu dan membunuh kakek Anda sebelum dia berjumpa nenek Anda. Sehingga ibu Anda tak pernah dilahirkan dan begitu pula Anda. Jika Anda tak pernah dilahirkan, kakek Anda tidak mungkin dibunuh oleh Anda, sehingga Anda akan terlahir, sehingga dia bisa dibunuh, dan seterusnya. Ini paradoks. Argumennya berputar-putar sekitar lingkaran yang kontradiktif sendiri. Mari kita menulis ulang naskah Terminator . Kita andaikan robot-robot dari masa depan memutuskan bahwa, bukan mengutus android berotot ke masa lalu untuk membereskan ibu John, mereka akan menangkap John Connor sendiri, dan mendesaknya dengan segala cara kotor agar pergi ke masa lalu dan membunuh ibunya sendiri.
Apa yang terjadi jika dia berhasil? Maksud saya, jika ibu John terbunuh sebelum melahirkan John maka John sendiri tak pernah eksis. Apakah dia memudar begitu ibunya merosot ke tanah? Dan jika dia tak pernah eksis, lantas siapa yang membunuh ibunya? Tak mungkin John; dia tak pernah dilahirkan! Ada beberapa jalan keluar dari hal satu ini. Semuanya sudah disiarkan dalam banyak kisah sains fiksi dalam berbagai bentuk. Saya akan mempertimbangkan tiga skenario: 1. Begitu menembak ibunya, John ‘lenyap’ . Ini takkan terjadi. Sebuah peluru tertanam dalam jantung ibunya (tidak mengganggu John) yang pasti telah ditembakkan dari sebuah pistol. Seseorang menarik pelatuknya. Anda tidak bisa bilang bahwa John eksis sebelum menembaknya sebab setelah mengubah sejarah dia tak pernah dilahirkan. Masa lalu akan berkembang berbeda (tanpa eksistensi John) dan tidak akan ada keharusan bagi robot untuk mengutus seseorang—terutama seseorang yang tak eksis—ke masa lalu untuk membunuh ibu John. Penjelasan ini mengimplikasikan bahwa sekarang ada dua versi sejarah: versi satu di mana John terlahir dan versi satunya lagi di mana dia tidak terlahir, yang mana tidak mungkin terjadi. 2. John tak bisa membunuh ibunya sebab dia berada di sana untuk mencoba membunuh. Dengan kata lain, fakta bahwa dia eksis mengandung arti bahwa setiap upayanya pasti gagal. Ini tentu saja lebih baik daripada opsi pertama sebab memastikan bahwa hanya ada satu versi sejarah. Namun ini masih menghasilkan sebuah persoalan, sebagaimana akan kita simak. 3. Saat John pergi ke masa lalu, dia meluncur ke sebuah alam semesta paralel; alam semesta di mana dia diperkenankan mengubah jalannya sejarah. Jadi, walaupun dia tidak bisa mengubah masa lalunya sendiri, dia bisa mengubah masa lalu di sebuah alam semesta tetangga tapi hampir identik. Jadi saat dia membunuh ibunya, dia takkan pernah terlahir di alam semesta tersebut tapi ibunya akan terus hidup di alam semesta kita. Penjelasan jenis ini hanya populer, belakangan ini, di kalangan penulis sains fiksi. Tapi, percaya atau tidak, ini sekarang diambil serius oleh beberapa fisikawan yang menyukai eksistensi alam semesta paralel untuk alasan berbeda. Saya akan kembali membahas ini nanti dan menunjukkan bahwa ini adalah satu-satunya jalan keluar yang dapat terus bertahan. Opsi paling sederhana, banyak orang bilang paling masuk akal, di antara ketiga skenario di atas adalah opsi kedua. Mari kita asumsikan bahwa tak ada alam semesta paralel (sebab tak ada bukti eksistensinya dan, dengan tiadanya
mesin waktu, kita tak bisa memeriksa). Juga mari asumsikan bahwa hanya ada satu versi sejarah. Kita tak bisa pergi ke masa lalu dan mengubah perjalanannya sebab kita sudah mengingat peristiwa-peristiwa dari masa lalu kita. Pada dasarnya, yang telah terjadi telah terjadi. Ini tidak sama dengan mengatakan bahwa kita tak bisa pergi ke masa lalu dan mencampuri urusan masa lalu. Ini hanya berarti bahwa jika kita melakukannya, kita pasti menyebabkan segala sesuatu berakhir sebagaimana mestinya. Jadi seorang pelancong waktu tak bisa pergi ke masa lalu dan mencegah JF Kennedy dibunuh, tapi dia sendiri boleh jadi adalah pembunuhnya. Cara penjelasan ini, tentang bagaimana kita bisa pergi ke dan berpartisipasi dalam masa lalu kita, dieksploitasi secara mengagumkan dalam film-film Back to the Future. Dalam film-film tersebut, peristiwa-peristiwa tertentu yang terjadi tidak dijelaskan seketika itu juga. Baru kemudian kita sadar bahwa peristiwa itu disebabkan oleh tokoh-tokoh yang pergi dari masa depan. Jadi kita melihat adegan-adegan tertentu dua kali: pertama dari sudut pandang tokoh yang hidup di masa mereka sendiri dan kemudian dari sudut pandang pelancong waktu (biasanya tokoh yang sama dengan usia lebih tua). Kembali ke Terminator versi saya. John mungkin mencoba menembak ibunya tapi jelas-jelas sesuatu harus terjadi untuk mencegahnya. Ini mungkin akibat salah satu dari sejumlah alasan. Mungkin John tersadar tepat pada waktunya. Mungkin pistolnya tidak bermuatan peluru, atau pelatuknya macet. Mungkin dia penembak jelek. Sebetulnya tak peduli bagaimana dia gagal, dia memang pasti gagal. Ibunya harus tetap hidup agar dia ada di sana. Saya menyebut teka-teki jenis ini sebagai paradoks ‘tiada pilihan’, sebab mengindikasikan bahwa pelancong waktu tidak punya kebebasan berkehendak untuk melakukan hal tertentu yang akan mengubah jalannya sejarah sedemikian rupa yang akan membuat mereka sendiri mustahil dapat pergi ke masa lalu. Sekali Anda mulai memikirkan ini, Anda menyadari ada persoalan nyata. Apakah ini berarti bahwa seandainya John mencoba lagi dan lagi dia akan selalu gagal? Kita mungkin membayangkan robot-robot itu mengembalikan John ke masa mereka, memberinya serum ‘bunuh ibumu’ dosis ganda, pelajaran menembak yang intensif, lalu mengirimnya lagi ke masa lalu beserta senapan yang berfungsi lancar, bermuatan peluru, dan mudah dipakai. Dia akan tetap gagal. Hukum fisika tak diperlukan untuk menjelaskan mengapa dia akan selalu gagal. Yang penting ialah bahwa paradoks-paradoks itu terhindari.
Fisikawan teoritis telah menemukan eksperimen pikiran untuk memahami apa yang akan terjadi dalam situasi nyata jika sesuatu pergi ke masa lalu dan berjumpa dirinya sendiri. Apa prediksi matematika? Untuk membuat model ini cukup sederhana, fisikawan membuat mesin waktu meja biliar. Idenya adalah bahwa sebuah bola memasuki satu kantung meja biliar dan muncul dari kantung berdekatan di masa lalu. Karenanya ia bisa bertubrukkan dengan dirinya sendiri sebelum masuk. Dalam model ini, semua paradoks bisa dengan mudah dihindari jika kita hanya memperkenankan situasi-situasi yang tidak membawa pada paradoks, disebut ‘solusi konsisten’. Dengan demikian sebuah bola dapat pergi ke masa lalu, muncul dari kantung lain, dan membelokkan versi terdahulu dirinya ke dalam lubang, memungkinkannya pergi ke masa lalu. Tapi situasi di mana bola muncul dari kantung dan bertubrukan dengan versi terdahulu dirinya sehingga membuatnya melewatkan kantung yang harus dimasukinya, ini tidak diperkenankan secara matematis sebab menimbulkan paradoks. Ini semua sangat sederhana dan mengandung arti bahwa para pendukung perjalanan waktu dapat menepuk punggung mereka sendiri untuk membuktikan secara matematis bahwa paradoks-paradoks bisa dihindari jika kita teliti. Persoalan yang mereka anggap tidak eksis terhindarkan sebab bola biliar tidak mempunyai kehendak bebas. Mereka belum mengusir paradoks ‘tiada pilihan’. Oleh karena itu, aturannya adalah bahwa masa lalu telah terjadi dan kita adalah satu-satunya versi masa lalu yang diperkenankan. Kita boleh berbuat apapun sesuka kita ketika pergi ke masa lalu asalkan kita ingat bahwa betapapun kita mencampuri urusan sejarah, kita akan selalu membuatnya berakhir sebagaimana mestinya. Bahkan dalam alur cerita asli, Arnold tak pernah berhasil sebab dia datang dari masa depan di mana John masih hidup, dan karenanya bahkan tidak perlu susah-susah mencoba begitu keras. Tapi saat itu saya menyangka film ini jauh dari mengasyikkan. Mencoba menyelamatkan dinosaurus Ingat saya pernah menyebutkan bahwa kita masih bisa ‘mencampuri’ urusan masa lalu? Izinkan saya mengatakannya dengan cara lain: kita diperkenankan pergi ke masa lalu dan menyebabkan sesuatu berakhir sebagaimana mestinya akibat turut campur kita itu. Saya akan mengilustrasikan ini dengan contoh lain. Ilmuwan sebagian besar kini sependapat bahwa meteorit besar menghantam Bumi lebih dari 60 juta tahun lampau dan bahwa debu radioaktif
dari hantaman itu menyebabkan perubahan iklim dramatis yang menewaskan dinosaurus. Namun beberapa mamalia bertahan hidup dan beberapa dari mereka berevolusi menjadi kera lalu menjadi manusia jutaan tahun kemudian. Nyatanya, kita mungkin bisa mengatakan bahwa, seandainya dinosaurus tidak tersapu bersih maka mamalia, dan karenanya manusia, tidak akan bisa berevolusi. Dengan kata lain, berkat meteorit tersebut kita berada di sini. Asumsikan seorang paleontolog mendapatkan sebuah mesin waktu dan misil termonuklir (saya tahu itu tidak mungkin, tapi sabar dan ikutilah pemikiran saya). Dia pergi ke masa 65 juta tahun lampau dengan maksud menghancurkan meteorit itu sebelum menghantam Bumi. Tapi jika dia menyelamatkan dinosaurus dari kepunahan maka tak hanya dia yang akan ‘lenyap’ melainkan juga seluruh ras manusia. Ini adalah bentuk paradoks leluhur yang sangat ekstrim. Pada poin ini saya mesti mengaku dan mengatakan bahwa jika kita membangun mesin waktu maka hukum fisika pasti tidak memperkenankan kita pergi ke masa sebelum mesin tersebut dibangun. Ini lantaran pembangunan mesin waktu melibatkan penyambungan waktu-waktu berlainan dalam ruangwaktu. Jadi waktu terawal yang tersambung dengan cara ini adalah momen pembuatan mesin waktu. Semua waktu sebelum ini akan hilang selamanya dan tak lagi ‘tersedia’. Ini menyingkirkan kemungkinan untuk kita pergi ke masa prasejarah—kecuali kalau kita menemukan mesin waktu kosmik di suatu tempat di angkasa yang sudah ada untuk waktu yang lama. Sebagai argumen, mari kita katakan bahwa paleontolog gila tersebut benar-benar berhasil pergi ke masa beberapa jam sebelum hantaman meteorit terjadi dan mengarahkan misilnya ke meteorit itu. Dia memandang ke atas dan kaget melihat bahwa itu jauh lebih besar dari sangkaannya. Nyatanya, jika meteorit tersebut bertubrukan dengan Bumi, itu akan menyapu bersih seluruh kehidupan, bukan cuma dinosaurus. “Well ,” dia berpikir sendiri, “saya juga akan berbuat sebisa saya.” Dia menembakkan misil dan langsung kena. Meteorit hancur. Tapi…rupanya sebuah fragmen kecil tersisa dan masih mengarah ke Bumi. Tak punya misil lagi, dia tak bisa berbuat apa-apa selain menyaksikan saat bola api itu menerobos atmosfer, menghantam Bumi dan, tebak apa? menyebabkan kepunahan dinosaurus! Jadi Anda paham, bukan hanya tak bisa mengubah sejarah, dia sebetulnya merupakan penyebabnya. Seandainya dia tidak pergi ke masa lalu
dan menghancurkan meteorit, dia takkan pernah eksis. Saya telah membalikkan argumen ini dan paradoksnya tampaknya telah hilang. Tapi tak seperti kisah terdahulu di mana John harus menghilang seberapa keras pun dia mencoba menembak ibunya, kini paleontolog kita ini tidak boleh menghilang, sebab jika begitu dia takkan pernah eksis. Dia tak boleh memutuskan di menitmenit akhir untuk tidak menembakkan misil, juga tak ada apapun yang bisa membelokkan misil dari jalurnya. Mudah sekali menyingkirkan gambaran paradoks “tiada pilihan” dalam kasus ini dengan mengklaim bahwa, tak seperti contoh sebelumnya di mana kita mensyaratkan sesuatu untuk menyebabkan pelakunya gagal, di sini pelancong waktu tidak menyadari besarnya tugas dia dan kurangnya pilihan dia dalam persoalan ini. Saudara Mona Lisa Tahun itu 1504, istana Florence, Italia, Leonardo da Vinci baru saja menyelesaikan mahakarya terhebatnya, Mona Lisa. Dia memutuskan untuk beristirahat dari dunia seni dan, sebagai seorang yang berketerampilan banyak, dia memutuskan untuk mencurahkan sebagian waktu untuk kecintaan besar lainnya, menciptakan penemuan baru. Setelah berminggu-minggu merenung, dan malam-malam panjang untuk membuat sketsa yang lebih detail, dia merampungkan rencana untuk alat anehnya yang paling cerdik: mesin waktu. Setelah berminggu-minggu dikunci di bengkelnya, dia akhirnya menyelesaikannya pada suatu larut malam, lalu pergi tidur malam itu dengan perasaan agak gelisah sambil memikirkan bagaimana cara mengujicobanya. Keesokan paginya kegelisahannya tetap ada saat dia terheran menemukan sebuah lukisan di mesin waktunya. Itu adalah gambar seorang wanita yang sangat mirip dengan Mona Lisa miliknya: kesamaan fitur wajah dan rambut panjang hitam, tapi tanpa senyuman misterius. Dia segera mengenali wanita itu sebagai saudara jelek Mona Lisa, Mona Lot, yang terus merundungi pikiran dia agar melukisnya dan yang dia hindari selama beberapa waktu. Lukisan ini jelas-jelas adalah karyanya (bahkan terdapat tanda tangannya) dan, karena dia tahu belum melukisnya, dia menyimpulkan bahwa itu pasti dikirim dari Leonardo di masa depan. Tentu saja dia tergetar oleh hal ini. Dia memutuskan untuk tidak memberitahu siapapun selain merahasiakan lukisan baru itu sambil memikirkan apa yang harus diperbuat. Begitu hari-hari berlalu, Leonardo menjadi semakin khawatir mengenai kemungkinan paradoks-paradoks perjalanan waktu. Dia tahu harus mengirimnya
kembali sebab dengan begitulah lukisan tersebut menjadi miliknya. Di sisi lain, jika dan ketika dia melakukannya, dia kehilangannya selamanya. Itu akan tersangkut di time loop (simpal waktu). Ada dua paradoks berbeda di sini. Pertama adalah paradoks “tiada pilihan”, sebab Leonardo tahu dirinya pada suatu waktu harus mengirim Mona Lot ke masa lalu dengan mesin waktunya. Mari kita asumsikan bahwa beserta lukisan itu terdapat catatan yang merinci waktu dan tanggal pengirimannya. Dia tahu, begitu mendekati hari tersebut, bahwa apapun yang dia coba lakukan untuk menghindari pengiriman itu akan gagal. Bagaimana jika dia mencoba memanipulasi waktu dengan menghancurkan lukisan? Ini adalah bentuk paradoks “tiada pilihan” yang sangat parah. Kita tak punya persoalan dengan ketidakmampuan kita untuk mengubah masa lalu dan menggunakan ungkapan semisal “nasi sudah menjadi bubur”, dan “yang sudah terjadi sudah terjadi”. Tapi di sini, masa depan tersambung langsung dengan masa lalu yang tetap dan karenanya masa depan itu sendiri tetap. Lantas apa yang akan mencegah Leonardo menghancurkan Mona Lot? Kekuatan tak dikenal apa yang akan melindunginya dari terbakar, tersayat, atau terbuang ke sungai Arno? Ada jenis paradoks lain yang bagi banyak orang lebih menggelisahkan lagi daripada paradoks “tiada pilihan” dan yang akan saya sebut sebagai paradoks “ada dari tiada”. Itu timbul sekalipun Leonardo mengirim lukisan ke masa tertentu, dan kemudian menghancurkan mesin waktu sebelum memberinya kesulitan lain. Kita masih punya teka-teki, yaitu siapa yang menciptakan Mona Lot ? Leonardo mungkin kini merasa bahwa dirinya telah melewati badai dan bahwa, betapapun anehnya rintangan yang ada untuk menggagalkan upayanya untuk memaksakan sebuah paradoks, seluruh episode itu sekarang berada di masa lalunya. Tapi tak bisa menghindari fakta bahwa, untuk sejenak, ada sebuah mahakarya Leonardo da Vinci yang tidak pernah dilukis oleh Leonardo da Vinci sama sekali! Dia menemukannya di mesin waktunya, menyimpannya sebentar sebelum menaruhnya kembali ke mesin waktu dan mengirimnya kembali ke dirinya. Tapi dari mana itu mulanya berasal? Rupanya tidak dari manapun. Itu terjebak di simpal waktu dan Leonardo tak pernah melukisnya! Berapa banyakpun perdebatan tentang pemastian konsistensi logisnya tak bisa meredakan paradoks “ada dari tiada”.
Tak ada jalan keluar? Anda bisa lihat mengapa begitu banyak fisikawan tidak menerima bahwa perjalanan waktu ke masa lalu memungkinkan. Masih ada paradoks lain yang belum saya sebutkan yang ada kaitannya dengan penggunaan mesin waktu untuk menciptakan banyak salinan diri Anda, sehingga melanggar hukumhukum alam yang sakral semisal hukum kekekalan massa dan energi. Contoh, Anda bisa pergi ke lima menit yang lalu dan menemui diri Anda. Apakah kemudian kalian berdua dapat memasuki mesin waktu dan pergi ke lima menit sebelumnya untuk menemui diri Anda yang ketiga dan seterusnya? Ini sebetulnya hanyalah bentuk lain paradoks “tiada pilihan”. Karena hanya ada satu versi masa lalu dan Anda tahu sebelum berangkat bahwa tak ada salinan diri Anda yang datang lima menit lalu dari masa depan, Anda tidak bisa bebas menemui diri Anda. Anda tidak bisa pergi ke masa lalu untuk menemui diri Anda sebab Anda tak punya ingatan pernah bertemu diri Anda. Sepertinya saya telah lebih dari cukup memperpendek umur ide perjalanan waktu dan Anda mungkin penasaran apakah masih ada manfaatnya terus membaca sisa buku ini di mana saya menjelaskan bagaimana mesin waktu kemungkinan dibuat. Tapi jangan putus asa dulu. Sudah jelas bahwa pasti ada aturan dasar tertentu tentang waktu-waktu mana yang boleh kita datangi dan apa saja yang boleh kita lakukan agar paradoks-paradoks tidak timbul. Banyak fans perjalanan waktu yang keras kepala tidak terlalu cemas soal paradoks “tiada pilihan”. Mereka sependapat bahwa kita harus mengorbankan kehendak bebas jika perjalanan waktu ke masa lalu memungkinkan. Bagi mereka, bagaimanapun juga kita tak punya kehendak bebas, kita cuma berpikir bahwa kita memilikinya. Karena kita hidup di alam semesta deterministis di mana segala sesuatu telah ditetapkan, kita tak perlu menarik hal baru apapun. Sepanjang segalanya konsisten logis, tak ada persoalan. Jadi, Anda bisa pergi ke masa satu jam lalu untuk menemui diri (agak) muda Anda jika Anda ingat pernah bertemu diri (agak) tua Anda sejam lalu yang melakukan perjalanan waktu. Jika Anda tidak ingat maka Anda takkan bisa pergi ke masa lalu. Paradoks “ada dari tiada” pun tidak menghalangi pendukung sebersemangat itu. “Memangnya kenapa,” kata mereka, “terjebaknya lukisan Mona Lot di simpal waktu tidak melahirkan inkonsistensi logis apapun.” Tapi bagi saya, ini adalah penyingkiran kehendak bebas yang jauh lebih serius. Setidaknya di alam semesta deterministis, kita punya ilusi bahwa kita
sedang membuat pilihan dan keputusan bebas kita sendiri. Dalam ide perjalanan waktu, kita tak diberi perasaan mewah ini. Kehendak bebas kita direnggut dari kita dengan cara yang belum jelas. Jika Anda bertekad memperkenankan kemungkinan perjalanan waktu ke masa lalu, maka ada harga lain yang harus Anda bayar. Anda harus mengambil deskripsi ruangwaktu alam semesta blok secara serius. Masa lalu, masa kini, dan masa depan harus berkoeksis semuanya. Alasannya sederhana: Jika Anda pergi ke masa lalu (yang dengan enggan kita akui eksis sebab setidaknya kita tahu itu memang eksis) maka bagi orang-orang yang Anda jumpai saat pergi ke masa lalu (bahkan diri Anda yang lebih muda) waktu tersebut adalah ‘sekarang’-nya mereka, momen kininya mereka. Anda telah datang dari masa depan mereka. Kita bahkan tidak bisa mengklaim bahwa masa kini kita adalah ‘sekarang’ yang sesungguhnya dan bahwa mereka hanya berpikir diri mereka hidup di masa kini, sebab kita sama halnya dapat membayangkan pelancong waktu dari masa depan kita yang mengunjungi kita di masa kini kita. Jika benar mereka berkunjung, maka masa depan kita, dan tentu semua masa, pasti eksis bersamaan. Alam semesta paralel Jika Anda tak siap mengelakkan paradoks perjalanan waktu, ada kemungkinan alternatif di mana paradoks “tiada pilihan” ataupun paradoks “ada dari tiada” tak perlu muncul. Tapi harga yang harus dibayar mungkin terlalu tinggi bagi Anda untuk diterima, meski Anda pasti sudah terbiasa terhadap beberapa keabsurdan yang Anda jumpai dalam buku ini. Yang hendak saya gambarkan ini akan terdengar lebih gila daripada yang Anda jumpai selama ini, tapi itu didasarkan pada interpretasi amat terhormat, jika bukan konvensional, atas temuan aneh mekanika quantum. Saya sudah secara singkat mengatakan di awal Bab 4, saat menggambarkan sifat cahaya, bahwa mekanika quantum berkedudukan lebih tinggi daripada teori relativitas dari segi signifikansinya sebagai penemuan ilmiah yang telah mempengaruhi kehidupan sehari-hari kita. Persoalannya adalah, tak ada seorangpun yang betul-betul memahami temuannya tentang dunia amat kecil yang digambarkannya dengan begitu akurat. Ini tentu saja akan terdengar agak aneh. Bagaimana sebuah teori yang tidak kita pahami bisa begitu sukses? Jawabannya adalah, ia memprediksikan perilaku blok-blok dasar penyusun materi—bukan cuma atom, tapi juga partikel yang menyusun
atom (elektron, proton, neutron) serta photon cahaya dan semua partikel subatom lain yang boleh Anda sebutkan (dan jumlahnya banyak)—dengan akurasi luar biasa. Mekanika quantum telah membawa kita pada pemahaman mutakhir amat presisi tentang bagaimana partikel-partikel ‘quantum’ ini berinteraksi dengan satu sama lain dan bersambung untuk membentuk dunia di sekeliling kita. Tapi, pada waktu bersamaan, mekanika quantum memaksakan kepada kita pandangan dunia subatom yang bertentangan sama sekali dengan akal sehat kita. Fisikawan telah menghabiskan tiga perempat abad untuk mencapai kesepakatan tentang ini dan telah menghasilkan sejumlah kemungkinan interpretasi atas apa yang sedang berlangsung di level quantum sana. Tapi masih belum ada konsensus menyeluruh tentang interpretasi mana yang benar, jika memang hanya ada satu. Interpretasi yang berpengaruh selama sebagian besar abad 20 dikenal sebagai interpretasi Kopenhagen (sebab bermula dari institut di Kopenhagen di mana salah seorang bapak pendiri mekanika quantum, Niels Bohr, bekerja). Para pendukungnya mengambil pandangan amat pragmatis atas seluruh isu dengan mengklaim bahwa kita tak boleh cemas mencoba memahami apa yang sedang terjadi pada skala atom yang begitu jauh dari dunia keseharian kita. Contoh, kita tak berhak menyangka sebuah photon cahaya berperilaku sedemikian rupa sehingga dapat dimengerti oleh kita. Jika cahaya selama satu menit muncul dengan atribut searus partikel dan selanjutnya beratribut gelombang, maka biarlah demikian. Yang penting, kata pendukung interpretasi Kopenhagen, mekanika quantum bekerja. Matematikanya cocok secara menawan dengan apa yang kita saksikan di sekitar kita di dunia riil, lantas untuk apa kita susah-susah memikirkan ini? Pandangan semacam itu telah, sampai sepuluh hingga dua puluh tahun lalu, menjadi pandangan mayoritas. Kebanyakan praktisi fisika sudah bahagia (well , mungkin bahagia bukan kata yang tepat) menggunakan alatalat mekanika quantum—simbol abstrak dan teknik matematis, ketimbang perentang dan obeng. Mereka sudah siap menyerahkan pertimbangan dan perenungan tentang maknanya kepada filsuf. Perbedaan antara interpretasi-interpretasi itu berkaitan dengan cara kita menggambarkan apa yang ‘terjadi’ pada sebuah partikel quantum, misalnya elektron, saat kita membiarkannya berbuat apapun yang suka dilakukannya manakala dibiarkan sendiri. Jika kita mengukur atribut tertentu sebuah elektron, misalnya posisi, kecepatan, atau energinya pada momen tertentu,
maka mekanika quantum akan memberitahu kita apa yang paling mungkin kita temukan. Namun ia tidak memberitahu kita tentang apa yang sedang dilakukan elektron manakala tidak sedang diamati. Ini takkan menjadi persoalan jika kita bisa percaya elektron (dan semua partikel quantum lain) berperilaku sepantasnya, tapi elektron tidak berperilaku demikian. Mereka menghilang dari tempat mereka terakhir terlihat dan spontan muncul kembali di suatu tempat lain yang semestinya, menurut aturan, tidak bisa diakses oleh mereka. Mereka eksis di dua tempat sekaligus, mereka menerowongi rintangan tak tertembus, pergi ke dua arah berbeda sekaligus, dan bahkan mempunyai beberapa atribut bertentangan secara serentak. Tapi saat Anda menatap untuk mengetahui apa yang sedang berlangsung, elektron akan mendadak mulai berperilaku sebagai dirinya lagi dan tak ada yang tampak aneh. Namun, kesimpulan tak terhindarkan yang harus kita tarik dari hasil pengamatan kita adalah bahwa elektron amat pasti melakukan sesuatu yang memang sangat aneh saat kita tidak sedang menatap. Nyatanya semua partikel quantum berperilaku sedemikian rupa yang mana sungguh mustahil jika mereka mematuhi aturan yang sama dengan objek-objek keseharian kita. Karena mekanika quantum hanya memberitahu kita apa yang harus disangkakan dari hasil pengamatan kita, kita harus memohon bantuan lain jika kita bersikeras mencoba memahami apa yang sedang berlangsung saat kita tidak sedang menatap. Inilah yang saya maksud dengan interpretasiinterpretasi berlainan. Sejauh ini saya baru menyebutkan interpretasi Kopenhagen, yang bagi banyak orang telah dianggap sebagai interpretasi standar. Inilah interpretasi yang dipakai oleh hampir semua buku teks mekanika quantum dan yang diajarkan kepada semua mahasiswa fisika. Tapi ada konsensus yang tumbuh bahwa umurnya sampai di sini saja. Para pendukungnya mungkin masih berargumen bahwa interpretasi pilihan kita adalah murni soal selera filsafat, tapi faktanya semakin banyak fisikawan (tapi tidak mayoritas) mencari sesuatu yang lebih dalam. Salah satu penjelasan alternatif untuk pandangan Kopenhagen, yang terutama menarik bagi fans perjalanan waktu, dikenal sebagai interpretasi many-worlds. Menurut pandangan ini, segera setelah sebuah partikel quantum, di manapun di Alam Semesta, dihadapkan dengan dua pilihan atau lebih, keseluruhan Alam Semesta membelah menjadi sejumlah alam semesta paralel yang sama dengan jumlah pilihan yang tersedia bagi partikel tersebut. Menurut pandangan ini ada alam semesta berjumlah tak terhingga yang sedikit-banyak
berbeda dari punya kita tergantung sudah berapa lama mereka membelah dari alam semesta kita, dan tiap-tiap alam semesta sama riilnya dengan punya kita. Di banyak alam semesta ini eksis salinan diri Anda. Di beberapa alam semesta ini Anda adalah gembong bisnis miliuner, di alam semesta lainnya Anda hidup kasar di jalanan. Di banyak alam semesta lainnya Anda hidup mirip dengan di Alam Semesta kita terlepas dari adanya perbedaan beberapa detil kecil. Selama bertahun-tahun, hal semacam ini telah menjadi barang fiksi, dan bagi banyak fisikawan akan tetap begitu. Tak ada bukti eksperimen apapun bahwa alam semesta-alam semesta paralel eksis sebab kita tak bisa mengadakan kontak dengan satupun mereka, tapi faktanya itu punya poin bagus sebagai teori ilmiah dan menjelaskan banyak perilaku aneh dunia quantum. Tapi berapa harganya? Fisikawan Paul Davies berkata bahwa interpretasi manyworlds murah dalam hal asumsi (poin yang menguntungkannya) tapi mahal dalam hal jumlah alam semesta. Jika Anda baru pertama kali mengetahui ide ini, mungkin merasa bahwa mustahil ada ruang untuk semua alam semesta lain ini. Bagaimanapun juga, mungkin saja alam semesta kita sendiri berluas tak terhingga. Lantas di mana alam semesta lainnya berada? Cara untuk memvisualisasikan ini adalah dengan membayangkan Alam Semesta kita sebagai tilam flat yang luas tak terhingga dengan membuang dua dimensinya (ingat kita harus beranjak dari ruangwaktu empat-dimensi ke tilam dua-dimensi). Nah alam semesta paralel lain dapat dibayangkan bertumpuk di atas dan di bawah alam semesta kita. Ada cukup ruang untuk semua alam semesta dengan dimensi memadai. Terlepas dari borosnya keperluan akan alam semesta berjumlah tak terhingga, beberapa fisikawan mengklaim bahwa interpretasi many-worlds juga menyingkirkan kehendak bebas. Begini cara kerjanya: Kapanpun Anda dihadapkan dengan suatu jenis pilihan, katakanlah menyentuh ujung hidung Anda atau tidak menyentuh ujung hidung Anda, dan Anda memilih (Anda pikir dengan kehendak bebas) untuk tidak menyentuhnya, yang akan terjadi adalah bahwa Alam Semesta membelah dua dan sekarang akan ada sebuah alam semesta paralel di mana Anda menyentuh hidung Anda. Anda sadar telah mengambil salah satu dari jalan-jalan yang tersedia, tapi akan ada versi lain diri Anda di sebuah alam semesta paralel yang sadar telah membuat pilihan alternatif. Interpretasi many-worlds mekanika quantum diajukan oleh seorang fisikawan Amerika bernama Hugh Everett III pada 1950-an dan, meski saat itu
tidak populer, belakangan disukai oleh semakin banyak kosmolog yang merasa ini satu-satunya interpretasi yang dapat bertahan manakala mengaplikasikan mekanika quantum untuk menggambarkan keseluruhan Alam Semesta. Pada waktu yang sama, ide alam semesta paralel dieksploitasi oleh para penulis sains fiksi yang mengakui bahwa itu menyelamatkan mereka dari paradoks-paradoks perjalanan waktu. Belakangan, fisikawan David Deutsch mengembangkan versinya sendiri dan menguraikan bahwa jika kita ingin mengambil kemungkinan perjalanan waktu ke masa lalu secara serius maka kita terpaksa mengambil interpretasi many-worlds secara serius. Saya harus menjelaskan bahwa Deutsch adalah pendukung kuat ide many-worlds, yang dia sebut sebagai interpretasi multiverse (istilah ‘multiverse’ mengimplikasikan kerumunan semua alam semesta, keseluruhan realitas). Saya tidak yakin dengan pandangan ini, tapi tak bisa mengesampingkannya. Meski tak dijamin benar, interpretasi mekanika quantum favorit saya adalah interpretasi fisikawan David Bohm yang mensyaratkan satu alam semesta saja, terima kasih banyak. Jadi bagaimana pandangan many-worlds menanggulangi paradoksparadoks perjalanan waktu? Sebagaimana saya sebutkan dalam opsi ketiga saat berupaya menjelaskan kemungkinan alternatif yang tersedia bagi John Connor dalam paradoks Terminator, seorang pelancong waktu takkan pergi ke masa lalu alam semestanya sendiri—tak mengherankan mengingat ada masa lalu berjumlah tak terhingga untuk dipilih—melainkan ke masa lalu sebuah alam semesta paralel. Menurut Deutsch, yang benar-benar menerima ide alam semesta blok dalam bukunya, The Fabric of Reality , Alam Semesta tidak bercabang menjadi banyak salinan pada saat kita dihadapkan dengan pilihan. Justru, sudah ada alam semesta paralel dalam jumlah tak terhingga di luar sana. Pada saat memilih, kita hanya mengikuti satu jalan tertentu, seperti kereta yang melewati persimpangan ruwet. Artinya masa depan itu terbuka, sebab ada banyak opsi yang tersedia, begitu pula masa lalu. Ruangwaktu kita hanyalah salah satu dari masa lalu dan masa depan yang berjumlah tak terhingga. Bepergian ke masa lalu di multiverse-nya Deutsch tidak berbeda dengan kepergian kita ke masa depan. Kita cuma mengikuti simpal waktu menuju satu masa lalu potensial. Pendekatan Deutsch hanyalah salah satu dari sejumlah versi interpretasi many-worlds. Saya akan memeriksa kembali paradoks perjalanan waktu kita dalam versi teori many-worlds yang lebih konvensional—jika Anda mau
menyebut ketakterhinggaan alam semesta paralel sebagai sesuatu yang konvensional. Paradoks “tiada pilihan” tak lagi berlaku sejak kita bebas mengubah masa lalu semau kita sebab itu bukan masa lalu kita. Peristiwaperistiwa di alam semesta paralel yang kita datangi tidak harus berjalan sebagaimana di alam semesta kita sendiri. John Connor kini bisa membunuh ibunya dan mencegah dirinya terlahir di alam semesta tersebut sedangkan ibunya di alam semesta aslinya tetap hidup. Tentu saja jika dia gagal membunuhnya maka dia akan terlahir. Kini akan ada satu alam semesta (yang segera berkembangbiak akibat semua pilihan quantum lain yang sedang berlangsung) di mana John Connor tumbuh besar, melompat ke dalam mesin waktu, dan lenyap selamanya. Juga akan ada satu alam semesta lain di mana ada satu atau dua ‘John Connor’, tergantung apakah dia berhasil membunuh ibunya atau tidak. Jika dia tidak membunuhnya, kedua John akan hidup berdampingan tetapi berbeda usia sebanyak sejauh mana dia pergi ke masa lalu. Tapi satu hal harus diingat, peluang John untuk menemukan jalan pulang ke alam semestanya sendiri, atau bahkan ke alam semesta yang amat mirip dengan punyanya, sungguh sangat kecil. Sederhananya, ada terlalu banyak alam semesta untuk dipilih. Paradoks “ada dari tiada” juga bisa disingkirkan. Lukisan Mona Lot tentu saja dikirim dari masa depan sebuah alam semesta paralel dan dilukis oleh Leonardo di alam semesta tersebut. Leonardo bahkan tidak harus mengirim lukisan itu ke masa tertentu di masa lalu. Dia bisa menyimpannya. Bagaimanapun juga, sekalipun dia mengirimnya, Leonardo ketigalah yang akan menemukannya di mesin waktunya. Dengan begitu persoalan terbentuknya banyak salinan diri kita dengan berulangkali berputar dalam waktu sudah terpecahkan. Jika akhirnya terdapat 100 salinan diri Anda di satu alam semesta, ini berarti ada 99 alam semesta lain yang darinya Anda menghilang. Kekekalan massa dan energi tak lagi berlaku pada masing-masing alam semesta secara terpisah melainkan pada semua alam semesta secara bersamaan. Salah satu keuntungan interpretasi many-worlds versi asli, di mana Alam Semesta membelah hanya ketika Anda dihadapkan dengan pilihan, adalah bahwa ia memberi kita anak panah waktu yang menunjuk ke arah peningkatan jumlah alam semesta. Selalu ada lebih banyak alam semesta di masa depan daripada di masa lalu. Tapi tentu, Anda mungkin berpikir, bukankah aturan ini dilanggar manakala kita memperkenankan perjalanan waktu ke
masa lalu? Jika hari ini saya pergi ke hari kemarin sebuah alam semesta paralel, saya menyebabkannya mulai membelah sesuai pilihan-pilihan yang bisa saya buat sewaktu berada di sana. Tapi bagaimana bisa alam semesta paralel tersebut mulai membelah kemarin sebelum saya membuat keputusan untuk pergi ke hari kemarin? Inikah bentuk lain paradoks “tiada pilihan”? Seolah-olah alam semesta paralel yang hendak saya datangi sudah tahu bahwa saya akan datang dan membuat pilihan tertentu, sehingga memaksa saya pergi ke alam semesta tersebut, dan membuat pilihan itu. Lagi-lagi, interpretasi many-worlds menyodorkan jalan keluar sederhana. Relativitas umum memperkenankan cara menghubungkan Alam Semesta kita dengan alam semesta paralel yang mungkin tidak harus melibatkan perjalanan waktu ke masa lalu, sebagaimana akan kita simak dalam bab berikutnya saat saya memperkenalkan wormhole. Mesin waktu tentu saja merupakan satu cara untuk membuat koneksi ini. Kekeliruan dalam paragraf sebelumnya adalah menganggap bahwa koneksi ini terbentuk saat kita pergi ke masa lalu. Tidak demikian. Itu terbentuk saat mesin waktu dibuat (atau dinyalakan) yang memperkenankan kemungkinan perjalanan waktu ke suatu alam semesta yang membelah dari alam semesta kita sesudah mesin waktu dinyalakan. Pada saat penyalaan, akan ada alam semesta-alam semesta yang ke situlah versi-versi diri kita mulai tiba. Sebab, sekalipun kita memutuskan tidak memakai mesin waktu melainkan justru menghancurkannya, itu sudah terlambat. Setelah dihadapkan dengan pilihan ini, Alam Semesta membelah dan ada satu alam semesta lain di mana kita tidak menghancurkan mesin waktu melainkan justru menggunakannya. Di beberapa alam semesta, kita pergi ke momen terdini (tepat setelah mesin dinyalakan). Di alam semesta-alam semesta lain, kita pergi ke waktu yang lebih terkemudian. Bahkan selagi Anda masih mengikat sabuk pengaman dalam mesin waktu, Alam Semesta membelah, akibat semua pilihan lain yang dibuatnya di setiap tempat lain di ruang, dan karenanya akan ada jumlah tak terhingga ‘diri Anda’ yang pergi ke masa lalu! Rasanya saya akan berhenti mengetik sekarang dan pergi berbaring sejenak. Di mana semua pelancong waktu tersebut? Saya harap telah memberi Anda pengertian tentang persoalan yang pasti kita hadapi jika bersikeras memegang kemungkinan perjalanan waktu ke masa lalu. Hukum fisika yang kita pahami tidak mengesampingkannya, lalu di mana
cacat dalam argumen ini? Anda mungkin merasa bahwa keharusan hidup bersama paradoks-paradoks perjalanan waktu ataupun menerima gagasan adanya alam semesta paralel berjumlah tak terhingga terlalu sulit diterima. Tapi fisikawan pun telah gagal menghasilkan argumen yang lebih meyakinkan untuk mengesampingkannya. Satu hal yang mungkin Anda temukan adalah menanyakan dari mana semua pelancong waktu dari masa depan itu berasal? Jika generasi masa depan berhasil membangun mesin waktu maka pasti akan ada banyak orang yang ingin mengunjungi abad 20 dan semestinya kita melihat para pengunjung ini di antara kita hari ini. Oleh sebab itu saya akan mendaftar 5 kemungkinan alasan mengapa kita tak melihat satupun pelancong waktu: 1. Perjalanan waktu ke masa lalu dilarang oleh suatu hukum fisika yang belum ditemukan. 2. Mesin waktu hanya bisa membawa Anda sejauh-jauhnya ke momen saat ia dinyalakan dan tidak bisa lebih dari itu. Jadi jika kita memahami cara membangun mesin waktu di abad 23, kita takkan bisa mengunjungi abad 20. Satu-satunya cara yang memungkinkan adalah jika kita menemukan mesin waktu alami yang sudah ada sejak waktu lama, semisal black hole atau wormhole. Mungkin tak ada di leher Alam Semesta kita. 3. Mesin waktu alami ditemukan dan orang-orang memakainya untuk pergi ke abad 20, tapi ternyata teori many-worlds adalah versi realitas yang benar. Hanya saja Alam Semesta kita bukan salah satu dari beberapa alam semesta beruntung yang dikunjungi para pengunjung. 4. Mengharapkan melihat pelancong waktu di antara kita mensyaratkan bahwa mereka, nyatanya, ingin mengunjungi abad ini. Mungkin bagi mereka ada periode-periode yang jauh lebih menyenangkan dan lebih aman untuk dikunjungi. 5. Pelancong waktu dari masa depan ada di antara kita tapi tetap bersikap low profile! Walaupun ingin sekali menganggap bahwa perjalanan waktu memungkinkan, rasanya saya menaruh taruhan saya pada poin pertama. Alasannya sebetulnya sungguh sederhana dan saya sudah mengatakannya sebelumnya. Agar perjalanan waktu ke masa lalu memungkinkan, masa depan—masa depan kita—harus sudah ada di luar sana. Saya merasa ini sulit diterima.
Jangan putus asa. Saran saya kepada Anda, jika Anda tak ingin menyingkirkan perjalanan waktu, terhiburlah dengan fakta bahwa masih ada celah dalam hukum fisika yang memperkenankannya. Selama perjalanan waktu tidak dilarang mentah-mentah, kita akan meneruskan perjalanan kita.
“Dengar, bung,” katanya, “saya bukan pakar Relativitas Umum. Tapi bukankah kita tidak melihat black hole? Bukankah kita tidak jatuh ke dalamnya? Bukankah kita tidak muncul darinya? Bukankah sedikit observasi senilai dengan banyak teori?” “Saya tahu, saya tahu,” kata Vagay ringan. “Pasti ada yang lain. Pemahaman fisika kita tak mungkin meleset jauh. Bukan begitu?” Dia mengalamatkan pertanyaan terakhir ini, dengan agak sayu, kepada Eda, yang hanya menyahut, “Black hole alami tidak bisa menjadi terowongan; mereka memiliki singularitas yang tak dapat dilalui di pusat mereka.” Carl Sagan, Contact
P
ERJALANAN ini telah membawa kita dari permulaan masa hingga tepi Alam Semesta. Pusaka yang diwariskan kepada kita oleh Albert Einstein menggambarkan sebuah realitas yang jauh lebih menakjubkan dan misterius dibanding apapun yang dapat kita bayangkan. Lengkungan waktu, black hole, alam semesta paralel, masa lalu dan masa depan yang berkoeksis dengan masa kini, semua ini bukan sains fiksi. Bukan pula hasil spekulasi liar minoritas gila di lingkaran pinggir penguasa sains. Semua eksotika ini merupakan hasil bertahun-tahun perkembangan lambat, yang beberapanya kini dianggap sebagai fakta. Contoh, pelambatan waktu akibat gravitasi bukanlah ‘sekadar teori yang mungkin keliru di kemudian hari manakala sesuatu yang lebih baik muncul’, melainkan terbukti benar berdasarkan landasan tetap di laboratoriumlaboratorium ilmiah. Ide-ide lain, meski memungkinkan, mungkin tidak lulus ujian waktu atau penyelidikan seksama para ilmuwan yang terus-menerus. Terkadang sebuah teori terbukti jelas-jelas keliru jika prediksinya bertentangan dengan hasil eksperimen, atau mungkin digantikan dengan teori yang lebih
baik yang menjelaskan lebih banyak fenomena dan memberi kita pemahaman lebih dalam akan alam. Kita sekarang layak yakin bahwa black hole eksis. Terlepas dari fakta bahwa kita belum pernah berhadapan muka dengan satu black hole pun. Bukti eksistensi mereka begitu meyakinkan sehingga kita tidak bisa menemukan penjelasan alternatif. Bukan hanya bahwa black hole merupakan konsekuensi tak terelakkan dari teori relativitas umum, tapi juga kita melihat tanda jelas mereka lewat teleskop-teleskop kita. Wormhole adalah persoalan yang berbeda sama sekali. Mereka juga diperkenankan oleh persamaan-persamaan relativitas umum yang memberi deskripsi mereka sebagai entitas teoritis. Tapi, tak seperti black hole, wormhole masih merupakan barang aneh teoritis tanpa sedikitpun bukti astronomis eksistensi mereka di Alam Semesta riil. Saya mohon maaf merusak semua kesenangan ini dengan menggagalkan objek-objek yang belum saya bahas sama sekali. Mungkin ini cuma mekanisme pertahanan saya terhadap tuduhan dari fisikawan lain bahwa saya berlayar mendekati perbatasan antara sains fakta dan sains fiksi. Jadi dalam rangka menjustifikasi bab ini terhadap orangorang sinis yang lebih konservatif dalam pandangannya, saya akan mengutip sebuah petikan pendek dari bagian permulaan buku Matt Visser, Lorentzian Wormholes: from Einstein to Hawking, dengan tambahan tanda kurung oleh saya: “Sungguhpun fisika wormhole spekulatif, teori-teori fisika fundamental yang mendasarinya, yakni relativitas umum dan [mekanika] quantum, teruji dengan baik dan diterima umum. [Jikapun] kita jatuh ke dalam posisi sulit yang dikelilingi malapetaka inkonsistensi dan faktor-faktor tak terukur, harapannya adalah bahwa tipe malapetaka yang dijumpai akan menarik dan informatif.” Jadi mungkin wormhole memang tidak eksis, tapi setidaknya studi tentang mereka membantu kita sedikit lebih baik dalam memahami cara Alam Semesta kita bekerja. Oh, dan jika Anda bertanya-tanya, mereka tak ada kaitan apapun dengan cacing. Jembatan ke dunia lain Ide wormhole bermula sejak relativitas umum itu sendiri. Ingat dalam Bab 4, Karl Schwarzchild adalah orang yang pertama kali menyadari bahwa persamaan
relativitas umum Einstein memprediksikan eksistensi black hole. Lebih rincinya, black hole Einstein memuat singularitas di pusatnya; titik berdensitas tak terhingga di mana waktu sendiri berakhir. Di singularitas tersebut, semua hukum fisika yang dikenal akan mogok. Ini menyusahkan Einstein. Dia tidak menyukai lubang-lubang di ruangwaktu ini dan dia tidak merasa puas bahwa mereka terperisai dari dunia luar oleh horizon peristiwa. Baginya itu bukan sekadar soal ‘tak terlihat, tak terpikirkan’. Pada 1935, Einstein mempublikasikan sebuah paper bersama rekannya, Nathen Rosen, di mana mereka berupaya membuktikan bahwa singularitas Schwarzschild tidak eksis. Dengan memakai trik matematika yang dikenal sebagai transformasi koordinat, mereka mampu menulis ulang solusi matematis Schwarzschild agar tidak mengandung sebuah titik di mana ruang dan waktu berhenti. Namun, alternatif itu sama anehnya. Mereka menunjukkan bahwa singularitas tersebut menjadi jembatan yang menghubungkan Alam Semesta kita dengan…alam semesta paralel! Ini bukan jenis alam semesta paralel yang membelah dari alam semesta kita sebagai akibat dari mekanika quantum yang saya jelaskan di bab yang lalu. Sambungan antara kedua alam semesta ini kemudian dikenal sebagai jembatan EinsteinRosen. Bagi Einstein itu merupakan aplikasi teoritis geometri belaka di mana dua ruangwaktu akan terhubung. Dia tidak percaya bahwa jembatan semacam itu betul-betul eksis, lebih daripada ketidakpercayaannya akan eksistensi singularitas. Itu adalah keganjilan matematika relativitas umum. Jembatan semacam itu di antara dunia-dunia berlainan bukanlah hal baru, pun pada waktu itu. Para matematikawan abad 19 sangat tertarik pada ruang melengkung dan dimensi tinggi. Nyatanya, tepat setengah abad sebelum Einstein mempublikasikan karyanya mengenai relativitas umum, seorang matematikawan Inggris bernama Charles Dodgson menulis sebuah buku anak-anak mengenai subjek geometri dimensi tinggi dan alam semesta paralel. Dengan nama pena Lewis Carroll, dia menulis Alice’s Adventures in Wonderland pada 1865. Kita semua familiar dengan cerita ketika Alice mengejar kelinci putih menyusuri jembatan Einstein-Rosen menuju alam semesta lain. Saya yakin dalam buku tersebut itu disebut sebagai lubang kelinci, tapi maksudnya tetap sama. Alasan mengapa hal seaneh itu bisa terjadi di Wonderland adalah karena hukum fisikanya berbeda. Tentu saja Dodgson tidak tahu mekanisme seperti apa yang bisa menyebabkan terowongan/ tembusan semacam itu menghubungkan dunia kita dengan dunia lain. Ingat,
ini terbit sebelum relativitas, mekanika quantum, dan kosmologi modern lahir. Kisah itu didasarkan semata-mata pada ide-ide geometri tentang bagaimana ruang boleh jadi melengkung dan bagaimana dua ruang boleh jadi tersambung di suatu hyperspace berdimensi lebih tinggi. Yang Einstein tunjukkan lima puluh tahun kemudian adalah bahwa lengkungan ruang semacam itu terjadi di manapun ada konsentrasi massa (atau energi, sebab ini ekuivalen dengan massa) yang cukup kuat. Teori gravitasinya (yakni relativitas umum) menyediakan landasan fisikal untuk terowongan semacam itu ke dunia-dunia lain sekalipun mereka kemungkinan besar tidak eksis dalam kenyataan. Dalam salah satu karya terakhir Dodgson, Sylvie and Bruno, yang diterbitkan pada 1890, kita menemukan bahwa dia (dan karenanya barangkali matematikawan lain pada waktu itu) juga berpikir tentang jalan pintas di satu alam semesta yang sama. Dalam kisah tersebut, Fairyland dan Outland terpisah seribu mil tapi tersambung oleh ‘Royal Road’ yang bisa membawa Anda dari Fairyland ke Outland atau sebaliknya hampir secara seketika. Dia juga menggambarkan perjalanan waktu, laju jam yang berubah, dan pembalikan waktu. Pada 1930-an silam, alasan mengapa tak ada seorangpun yang tertarik dengan jembatan Einstein-Rosen adalah bahwa, tak seperti lubang kelinci dalam Alice’s Adventures in Wonderland , itu tak pernah bisa digunakan sebagai alat praktis mencapai alam semesta lain. Satu cara untuk memikirkan bagaimana jembatan Einstein-Rosen bisa terbentuk adalah membayangkan singularitas di Alam Semesta kita melekatkan dirinya dengan singularitas di alam semesta paralel. Jadi mungkinkah ini yang akan terjadi jika kita jatuh ke dalam black hole? Anggap black hole agak seperti akhirat. Tak ada seorangpun yang betul-betul tahu apa yang menanti kita saat meninggal dan, demikian pula, kita tak yakin apa yang akan terjadi pada kita ketika jatuh ke dalam black hole sampai kita sungguh-sungguh mengalaminya. Sekalipun begitu, kita tak bisa menyampaikan kabar kepada orang-orang yang menunggu di luar horizon peristiwa. Sebagai seorang ilmuwan, saya suka berpikir bahwa kita tahu sedikit lebih banyak tentang black hole daripada tentang akhirat sebab setidaknya black hole mematuhi persamaan matematika! Lantas apa yang salah dengan jembatan Einstein-Rosen sebagai alat menyeberang ke alam semesta lain? Well , kita mulai dengan horizon peristiwa. Sekali Anda melompat ke dalam black hole, Anda tak dapat keluar lagi. Tentu saja, agar Anda keluar ke sisi lain, black hole yang Anda masuki harus
tersambung dengan white hole. Ingat, ini adalah kebalikan black hole yang darinya materi akan muncul, bukan jatuh masuk. Karenanya white hole harus dikelilingi oleh kebalikan horizon peristiwa, sesuatu yang dikenal sebagai antihorizon, yang akan memperkenankan perjalanan keluar searah dan tak pernah perjalanan masuk. Sayangnya, antihorizon sangat tak stabil dan berubah menjadi horizon normal dalam hitungan detik setelah terbentuk. Jadi, setelah melewati horizon peristiwa black hole, Anda akan mendapati bahwa ada horizon peristiwa kedua yang menghalangi jalan keluar Anda di ujung lain. Bayangkan seorang tahanan dalam sel terkunci yang menemukan terowongan di bawah ranjangnya. Itu, di bawah tanah, menggiring beberapa meter saja untuk keluar ke ujung lain di dalam sebuah sel terkunci sebelahnya. Persoalan utama jembatan Einstein-Rosen adalah bahwa itu amat tak stabil. Koneksinya hanya akan bertahan selama sepecahan detik sebelum terputus. Nyatanya, umur jembatan itu begitu singkat sampai-sampai cahaya pun tak cukup cepat untuk melewatinya. Jadi seandainya Anda lompat ke dalam black hole dengan harapan untuk menyeberang, Anda akan selalu terperangkap dalam singularitas, dan memeras tubuh hingga ukuran yang jauh lebih kecil daripada atom adalah hal yang sama sekali tak pernah dikehendaki siapapun. Semua ini dengan asumsi bahwa Anda tidak terobek oleh gaya tidal gravitasi sebelum Anda menggapai singularitas. Black hole pasti supermasif bagi Anda untuk bertahan melewati horizonnya. Setelah mempertimbangkan segalanya, jembatan Einstein-Rosen tak pernah bisa menjadi alat untuk mengunjungi alam semesta tetangga, dan karenanya terus menjadi barang aneh teoritis selama bertahun-tahun. Alice menembus cermin Ada sejumlah peristiwa menonjol dalam sejarah fisika wormhole. Setelah karya Einstein dan Rosen pada pertengahan 1930-an, tak banyak yang terjadi sampai John Wheeler, salah seorang fisikawan terhebat abad 20 (dan orang yang menciptakan nama black hole), mempublikasikan sebuah paper pada 1955. Di dalamnya dia menunjukkan untuk pertama kalinya bahwa terowongan di ruangwaktu tidak harus menghubungkan Alam Semesta kita dengan alam semesta paralel, melainkan dapat menekuk untuk menghubungkan dua kawasan berbeda di Alam Semesta kita (seperti gagang gelas kopi). Itu adalah terowongan yang timbul dari ruangwaktu normal yang menyediakan rute alternatif antara dua ‘mulutnya’ lewat dimensi lebih tinggi. Dua tahun
kemudian dia memperkenalkan kata ‘wormhole’ ke dalam jargon fisika dalam sebuah paper menonjol tentang apa yang dia sebut ‘geometrodinamika’ yang berarti studi bagaimana geometri, atau bentuk, ruang berubah dan berkembang. Tentu saja karyanya masih teoritis belaka. Sasarannya adalah untuk memahami menjadi bentuk apa ruangwaktu bisa dipilin dan tak ada kaitannya dengan penggunaan wormhole untuk dilewati manusia. Nyatanya, wormhole yang membuat Wheeler tertarik adalah wormhole amat kecil. Dia mempelajari struktur ruangwaktu pada skala terkecil di mana mekanika quantum memberitahu kita bahwa segala sesuatu menjadi tak jelas dan tak pasti. Pada level ini, ruangwaktu pun menjadi berbusa dan berbuih dan semua bentuk dan struktur aneh, termasuk wormhole mini, bisa terbentuk secara acak. Saya akan menyebutnya sebagai wormhole quantum dan kita akan membahasnya lagi sedikit nanti. Peristiwa penting berikutnya adalah pada 1963 saat matematikawan Selandia Baru, Roy Kerr, menemukan bahwa persamaan-persamaan Einstein memprediksikan eksistensi jenis black hole yang sama sekali baru: black hole yang berputar, walaupun dia mulanya tak menyadari ini. Baru kemudian disadari bahwa solusi Kerr berlaku pada semua bintang yang berputar yang kolaps menjadi black hole dan bahwa, karena semua bintang berputar pada porosnya dengan laju beragam, black hole Kerr lebih umum dan lebih realistis ketimbang black hole non-berputar milik Schwarzschild. Lebih jauh, sebuah black hole berputar jauh lebih cepat daripada saat berwujud bintang sebab jauh lebih padat. (Ingat, saya menarik analogi dengan seorang ice skater berputar saat saya menggambarkan black hole demikian di Bab 4). Yang begitu menarik dari hasil kalkulasi Kerr adalah sifat singularitas di pusat black hole semacam itu. Singularitasnya tak lagi berupa titik berukuran nol seperti di pusat black hole Schwarzschild melainkan justru berbentuk cincin. Keliling cincin adalah tempat semua materi berada, dan memiliki ketebalan hampir nol dan karenanya berdensitas hampir tak terhingga. Di tengah-tengah cincin hanyalah ruang hampa. Singularitas cincin semacam itu dapat, tergantung massa dan putarannya, memiliki diameter cukup besar bagi manusia dan bahkan pesawat antariksanya untuk dilewati.39
39 Dengan
demikian singularitas lebih umum daripada titik berukuran nol. Singularitas adalah tempat manapun yang menandai tepi ruangwaktu. Jadi, dalam model tilam karet 2D, setiap potongan di tilam merupakan singularitas.
Astrofisikawan Oxford, John Miller, menguraikan bahwa, meski solusi Kerr secara unik menunjukkan atribut ruangwaktu di luar suatu black hole diam yang berotasi, belum ada indikasi bahwa itu menggambarkan dengan tepat apa yang berlangsung di dalam horizonnya, termasuk segala sesuatu tentang singularitas cincin. Jadi itu cuma satu kemungkinan gambaran bagian dalam black hole. Miller menyatakan bahwa deskripsi semacam itu semestinya disertai peringatan kesehatan dari pemerintah. Dengan mencamkan ini, saya akan berlanjut dan menggambarkan seperti apa black hole Kerr. Untuk permulaan, singularitas cincin berbeda dari singularitas titik Schwarzschild dalam hal-hal lain. Contoh, singularitas cincin memiliki horizon dalam (atau kedua), disebut horizon Cauchy, yang mengelilingi singularitas. Tentu saja sekali Anda melewati horizon peristiwa luar, tak ada jalan kembali untuk Anda. Tapi setidaknya Anda akan mampu melihat cahaya dari Alam Semesta di luar, sekalipun itu akan tertekuk dan terfokuskan oleh gravitasi black hole. Horizon Cauchy menandai batas yang di sebelah dalamnya Anda takkan lagi melihat cahaya dari Alam Semesta luar. Nah ini mungkin sekilas terdengar cukup masuk akal, tapi jangan terkecoh. Black hole adalah tempat sedemikian mengerikan sehingga tak ada yang sederhana. Salah satu prediksi ganjil matematika black hole adalah apa yang terjadi pada cahaya yang Anda lihat dari Alam Semesta luar selagi Anda jatuh mendekati horizon Cauchy. Karena waktu Anda berjalan semakin lambat, waktu di luar mencepat sampai, di horizon Cauchy, berjalan cepat tak terhingga dan Anda akan betul-betul melihat keseluruhan masa depan Alam Semesta mengkilas di hadapan Anda saat Anda melewati horizon. Saya merasa ini sangat jitu; persis saat Anda menyangka melihat keseluruhan masa lalu mengkilas di depan mata Anda, Anda justru melihat seluruh masa depan. Untuk meyakinkan bahwa saya tidak menyerang penggemar black hole, saya mesti menambahkan bahwa, realitanya, Anda takkan betulbetul mendapat pemandangan masa depan Alam Semesta sebab semua cahaya yang akan memasuki black hole harus tiba sekaligus dalam sekejap mata. Cahaya yang mengalir masuk akan teremas ke ujung biru spektrum. Ini berkebalikan dengan apa yang dilihat oleh pengamat di luar black hole yang menyaksikan cahaya jatuh masuk. Dalam kasus tersebut, cahaya teregangkan (ter-redshift -kan). Selagi Anda mendekati horizon Cauchy, Anda melihat cahaya semakin ter-blueshift -kan ke frekuensi yang semakin tinggi. Ini juga mengimplikasikan bahwa cahaya menjadi semakin berenergi dan Anda akan
tergoreng sampai kering oleh ledakan akhir radiasi berenergi tak terhingga itu. Saya turut sedih. Tentu saja semua ini dengan asumsi bahwa Anda telah bertahan hidup terhadap gaya tidal gravitasi yang akan meregangkan Anda dan mencoba merobek Anda sebelum Anda mencapai horizon Cauchy. Untuk sejenak mari kita simpan dulu kerisauan sepele soal diubahnya tubuh kita menjadi spageti dan dimasak dalam radiasi dan mari pikirkan sedikit lebih seksama mengenai singularitas itu sendiri. Matematika relativitas umum tampak mengindikasikan bahwa singularitas Kerr adalah jendela menuju alam semesta lain. Ketimbang menyusuri jembatan Einstein-Rosen menuju Wonderland, di sini Alice bisa melangkah menembus cermin. Lihat, asalkan Anda bisa menggapai sejauh singularitas itu sendiri, Anda mungkin bisa pergi ke pusat cincin (pastikan Anda tidak terlalu dekat dengan sisi-sisi jalan sebab di situlah ‘bahan’ singularitas berada). Begitu Anda melakukan ini, Anda meninggalkan ruangwaktu kita untuk selamanya. Jadi ke mana Anda pergi seandainya Anda melompat melewati cincin api kosmik ini? Jawabannya, itu tergantung secara krusial dan tak terkendali pada jalur tepat yang Anda ambil melewati singularitas. Satu kemungkinannya, Anda akan berakhir di bagian lain alam semesta kita sendiri dan, karena waktu dan ruang bercampur, Anda hampir pasti akan berakhir di waktu lain pula. Anda mungkin muncul di masa lalu jauh atau masa depan jauh. [Bagus, pikir Anda, akhirnya inilah mesin waktu yang nyata] Tapi terlepas dari semua bahaya melompat ke dalam black hole berotasi, melewati singularitas Kerr adalah perjalanan searah. Saya bukan bermaksud bahwa Anda tak bisa pulang lewat cincin tersebut dari sisi lain begitu Anda sudah melompat, tapi Anda sendiri takkan menemukan kembali di mana dan kapan Anda memulai. Oh, dan jangan lupa masih ada horizon peristiwa searah yang mencegah keluar. Jadi izinkan saya meringkas baik buruknya black hole Kerr sebagai ‘gerbang bintang’. Di sisi positif, Anda bisa terhindar tergumal hingga ukuran nol dengan berhati-hati melayari pusat singularitas. Persoalannya adalah, dari luar horizon peristiwa, Anda tidak dapat melihat sudut yang mesti Anda masuki. Jika masuk dari sisi (sepanjang bidang cincin), Anda pasti bergerak memilin dan mengenai cincin. Perbedaan yang lebih penting antara singularitas di dalam black hole berotasi (Kerr) dan black hole non-berotasi (Schwarzschild) adalah bahwa ruang dan waktu terlengkungkan dengan cara berbeda. Dalam jargon relativitas, singularitas titik disebut singularitas miripruang sedangkan singularitas cincin disebut singularitas miripwaktu.
Singularitas miripruang menandai tepi waktu (baik permulaannya, seperti singularitas Big Bang, ataupun ujungnya sebagaimana pada black hole) sedangkan singularitas miripwaktu menandai tepi ruang, dan inilah alasannya mengapa itu bisa berfungsi sebagai jendela ke luar Alam Semesta kita. Setelah mempertimbangkan segalanya, dua horizon menyusahkan itu sebetulnya amat disayangkan. Horizon peristiwa memperkenankan perjalanan searah saja, dan itu memperisai singularitas dari penglihatan sehingga kita tak mampu memilih sudut yang tepat untuk dimasuki. Horizon Cauchy, di sisi lain, adalah tempat di mana Anda dimusnahkan oleh radiasi yang ter-bluseshift -kan tak terhingga. Oleh sebab itu yang kita inginkan adalah membuang dua horizon ini, menyisakan apa yang dikenal sebagai singularitas telanjang yang terbuka ke Alam Semesta di luar. Ada sejumlah cara (mungkin) untuk mendapatkan singularitas telanjang. Satu cara adalah lewat radiasi Hawking, di mana black hole berangsur menguap sampai horizonnya menyusut dan lenyap sama sekali, menyisakan singularitas terbuka. Tapi ini masih sangat kontroversial dan banyak fisikawan percaya bahwa ketika black hole menguap tak ada yang akan tersisa sama sekali. Bagaimanapun juga, ini hanya mungkin terjadi pada black hole amat kecil dan tak ada baiknya menanti menguapnya black hole berotasi yang supermasif. Namun black hole semacam itu bisa terlucuti dari horizonnya dengan cara lain. Anda paham, semakin cepat sebuah black hole berputar, semakin jauh horizon Cauchy-nya akan meluas dan kedua horizon akan tumpang-tindih, dan, pada saat tersebut, matematika memprediksi bahwa mereka saling menghapuskan dan keduanya akan lenyap. Singularitas telanjang mungkin juga terbentuk dari kolapsnya massa yang amat tak spheris, tapi opsi ini juga spekulatif sebab bentuk semacam itu kemungkinan besar tidak eksis di Alam Semesta riil. Prediksi bahwa tipe singularitas telanjang ini bisa terbentuk muncul dari simulasi komputer kompleks yang dipelajari para astrofisikawan. Tentu saja saya mesti mengingatkan Anda bahwa sebagian besar yang sudah saya katakan sejauh ini dalam bab ini didasarkan pada prediksi teoritis dan spekulasi, bagaimanapun juga. Fisikawan tidak percaya bahwa kita akan bisa melewati singularitas telanjang Kerr dan pergi ke alam semesta lain atau bahkan ke sisi lain alam semesta kita. Sebagian alasan skeptisme (dan kegugupan) mereka adalah bahwa jika bisa demikian kita juga akan bisa memakainya sebagai mesin waktu dan, sebagaimana kita simak di bab lalu, itu bukan opsi yang siap dipertimbangkan oleh banyak fisikawan.
Tapi ada sejumlah kesukaran praktis yang membuat seluruh ide pergi melewati singularitas-singularitas semacam itu menjadi semustahil upaya pergi lewat jembatan Einstein-Rosen. Sebagai permulaan, rasanya tak mungkin suatu black hole bisa berputar cukup cepat hingga menanggalkan horizonhorizonnya. Dan riset mutakhir mengindikasikan bahwa horizon Cauchy begitu tak stabil sehingga segera setelah Anda melewatinya (sekalipun Anda berada dalam perjalanan melewati pusat singularitas), Anda akan cukup mengganggunya hingga mengubahnya menjadi apa yang dikenal sebagai null weak singularity , tapi tetap merupakan singularitas, dan Anda akan terperangkap di dalam. Ketika sains fakta bertemu sains fiksi Pemahaman mutakhir kita akan black hole mengindikasikan bahwa mereka prakteknya tak pernah bisa digunakan sebagai jendela atau jembatan menuju alam semesta lain, atau menuju bagian-bagian lain alam semesta kita, sekalipun kita bisa menggapai salah satunya. Mereka merupakan subjek subur untuk para penulis sains fiksi yang biasanya tidak terhalangi oleh keberatan fisikawan atau bahkan bukti eksperimen. Namun, tak semua penulis sains fiksi mengabaikan temuan mutakhir dan prediksi fisikawan. Banyak pengarang sains fiksi sendiri merupakan ilmuwan profesional dan ingin kisah yang mereka kerjakan sekurangnya tidak terang-terangan mencemooh hukum fisika. Inilah yang terjadi pada 1985 saat astrofisikawan, pengarang, dan tokoh TV ternama, Carl Sagan, menulis novelnya, Contact . Dalam kisah itu, yang barubaru ini dibuat ke dalam sebuah film, manusia mengadakan kontak dengan peradaban maju alien memakai terowongan menembus hyperspace (sebuah wormhole40) yang menyambungkan dua wilayah jauh Galaksi yang lewatnya pahlawan-pahlawan cerita bepergian. Sagan menyadari kemungkinan jembatan Einstein-Rosen atau singularitas Kerr untuk kegunaan ini tapi ingin kisahnya serealistis mungkin dan harus sesuai dengan fakta-fakta miliknya. Bagaimanapun juga, meski kita bebas mengarang ide fiksi sambil lalu, sebagai seorang ilmuwan terlatih, dia bertekad untuk hanya memasukkan apa yang dianggap setidaknya mungkin oleh relativitas umum. 40 Catat,
sejauh ini saya menghindari penggunaan istilah ‘wormhole’ dalam menggambarkan sambungan antara dua black hole, baik yang berotasi ataupun tidak. Saya justru terus-menerus memakai nama jembatan Einstein-Rosen dan singularitas Kerr. Saya berbuat begini untuk alasan yang sebentar lagi akan menjadi jelas.
Oleh sebab itu Sagan mengirim draf awal naskah kepada temannya, Kip Thorne, di Theoritical Astrophysics Group di California Institute of Technology. Thorne adalah salah seorang pakar terkemuka dunia dalam relativitas umum dan Sagan berharap dia bisa setidaknya memajukan satu dua saran berdasarkan ide-ide ilmiah mutakhir yang akan menambah kepercayaan pada kisah karangannya. Tak ada seorangpun yang siap dengan apa yang harus diikuti. Permintaan Sagan menimbulkan keingintahuan Thorne dan, dengan bantuan mahasiswa PhD-nya, Michael Morris, Thorne memutuskan untuk menangani persoalan tersebut dari sudut pandang asli. Untuk memahami pendekatannya, saya mesti menjelaskan seperti apa persamaan relativitas umum Einstein secara kasar. Di satu sisi persamaan ada informasi mengenai massa dan energi, sedangkan di sisi lain persamaan menggambarkan kelengkungan ruangwaktu dengan kehadiran massa dan energi ini—cukup dikatakan bahwa persamaan ini jauh lebih kaya dan lebih kompleks daripada persamaan relativitas khusus E = mc 2. Biasanya, fisikawan akan memulai dengan mendefinisikan kandungan massa dan energi kawasan ruangwaktu tertentu, misalnya bintang, lalu memecahkan persamaan Einstein untuk menemukan bagaimana ruangwaktu sekeliling terpengaruh dan apa atribut yang mungkin dimilikinya. Thorne mulai memikirkan apakah wormhole diperkenankan dalam teori, tapi dia tidak mengikuti pendekatan tradisional. Bagaimanapun juga, dia menyadari persoalan yang mengganggu solusi-solusi biasa untuk black hole, misalnya horizon peristiwa, gaya tidal, singularitas tak stabil, terowongan yang tertutup sebelum Anda bisa menyeberang, dan sebagainya. Justru, dia memutuskan memulai dengan daftar keinginan. Dia tahu bahwa untuk tujuan kisah karangan Sagan, wormhole harus stabil, terus-menerus terbuka, tak memiliki horizon peristiwa di kedua ujung untuk memperkenankan perjalanan dua arah, tidak memiliki singularitas, dan tidak memiliki gaya tidal tak menyenangkan yang akan membunuh setiap pelancong sebelum bisa masuk. Dia lalu mulai, bersama koleganya di Caltech, merancang (secara matematis) bentuk yang harus dimiliki ruangwaktu agar memenuhi semua persyaratannya. Secara mengejutkan, dia mendapati bahwa ini memang memungkinkan. Thorne sadar dirinya bisa merancang persis jenis wormhole yang dicari Sagan. Ternyata memungkinkan secara teori untuk memiliki sambungan antara dua wilayah Alam Semesta yang, secara skematis, persis mirip wormhole quantum Wheeler tiga puluh tahun sebelumnya. Tapi kali ini terowongannya
akan cukup besar bagi manusia untuk dilewati dengan pesawat antariksa tanpa merasakan ketidaknyamanan. Contoh, pelancong dapat memasuki satu mulut wormhole dekat Bumi dan dalam waktu singkat dia akan muncul dari ujung lain di sisi lain Galaksi. Pelancong kemudian bisa pulang lewat wormhole tersebut dan melapor. Karenanya ‘koneksi’ ini dijuluki sebagai ‘traversable wormhole’ (wormhole yang bisa dilintangi/diseberangi—penj) untuk membedakannya dari wormhole non-traversable seperti jembatan Einstein-Rosen. Mulai sekarang, saat saya merujuk struktur demikian saya akan cukup menyebutnya wormhole, mengimplikasikan jenis wormhole yang dapat dilintangi. Wormhole semacam itu diperlihatkan pada gambar 8.1 di mana ruang dilukiskan sebagai tilam dua-dimensi. Dua jalan masuk menuju wormhole dikenal sebagai mulutnya, sedangkan leher (atau gagang) di antara mulutmulut itu disebut sebagai leher wormhole. Konsep yang sulit dipahami adalah bahwa, meski jarak di ruang normal di antara kedua mulut wormhole mungkin panjang (katakanlah seribu tahun-cahaya), panjang terowongan wormhole itu sendiri mungkin pendek (beberapa kilometer atau bahkan meter). Ini tidak terlihat dari gambar 8.1 di mana jalur terowongan wormhole tampak lebih panjang daripada jalur menyeberang lurus. Namun, Anda harus ingat bahwa wormhole sebetulnya adalah koneksi antara dua kawasan di ruangwaktu melengkung empat-dimensi yang mana mustahil kita visualisasikan.
Mulut
Leher
Gambar 8.1. Wormhole yang menghubungkan dua kawasan ruang 2D. Juga penting untuk memahami bahwa wormhole Thorne bukan terbentuk dari black hole, tidak pula memiliki horizon peristiwa. Jadi kiranya kita tidak bisa berharap menemukannya di Alam Semesta. Bila demikian, bagaimana kita akan mengusahakan membangun sendiri sebuah wormhole? Pertama-tama, dan sebelum Anda terlalu bergairah, membangun wormhole
yang dapat dilintangi bukanlah pekerjaan teknologi abad 20 atau bahkan 21. Barangkali memang tak pernah memungkinkan. Tapi karena bab ini menjual spekulasi, izinkan saya berspekulasi. Satu cara untuk menciptakan wormhole adalah memperbesar wormhole quantum. Pada skala panjang terkecil dan triliunan kali lebih kecil dari atom, ada yang dikenal sebagai skala Planck, di mana konsep panjang kehilangan maknanya dan ketidakpastian quantum berlaku. Pada level ini semua hukum fisika yang dikenal akan mogok dan bahkan ruang dan waktu menjadi konsep samar. Semua kemungkinan distorsi ruangwaktu akan muncul dan lenyap dalam dansa acak dan chaos yang berlangsung sepanjang waktu di setiap tempat di Alam Semesta. Istilah-istilah seperti ‘fluktuasi quantum’ dan ‘buih quantum’ yang digunakan untuk menggambarkan aktivitas chaos ini tentu saja tidak pantas. Di sinilah wormhole kecil Wheeler akan eksis secara singkat sebelum menghilang, dan ruangwaktu dikatakan ‘multiply connected ’ sebagaimana pada gambar 8.2. Triknya adalah menangkap salah satu wormhole quantum ini dan memompanya hingga berkali-kali lipat dari ukuran aslinya sebelum ia sempat menghilang lagi.
Bayi alam semesta Wormhole quantum Buih ruangwaktu
Gambar 8.2. Fluktuasi quantum. Pada skala amat kecil yang dapat dibayangkan, ruangwaktu tak lagi halus. Banyak bentuk berlainan akan mendidih dan lenyap lagi. Kita belum paham bagaimana caranya melakukan ini. Tapi mungkin ada petunjuk ke arah yang benar dari cara Alam Semesta berevolusi dalam pecahan detik pertama setelah Big Bang. Ingat dari Bab 3 bahwa sebagian besar kosmolog kini percaya Alam Semesta kita pernah mengalami periode singkat perluasan amat pesat yang dikenal sebagai ‘inflasi’. Dianggap bahwa inilah mekanisme yang menyebabkan fluktuasi quantum kecil mengembang secara dramatis menjadi ketidakteraturan skala besar, atau ‘riakan’, di ruang.
Ini pada gilirannya mengadakan perbedaan densitas materi yang dibutuhkan untuk menghasilkan galaksi-galaksi. Jika model inflasi benar maka ruang yang memuat keseluruhan Galaksi kita, beserta miliaran bintangnya termasuk Matahari, dahulu merupakan sebuah fluktuasi quantum yang jauh lebih kecil dari atom. Jika kita memahami mekanisme yang menyebabkan inflasi, kita mungkin bisa memanfaatkannya untuk menginflasikan wormhole kita dari skala Planck menuju skala astronomis. Jelas bahwa, bagaimanapun caranya inflasi bekerja setelah Big Bang, itu pasti melawan tarikan masuk gravitasi dengan menyediakan tekanan keluar (atau antigravitasi) yang menyebabkan ruang meregang dan Alam Semesta mengembang. Ide ini semestinya terdengar familiar. Ini adalah konstanta kosmologis Einstein yang dia ajukan untuk menstabilkan Alam Semesta dari kekolapsan, dan yang didukung dan ditentang di kalangan kosmologis sejak saat itu. Seandainya kita bisa menerapkan ‘tekanan negatif’ semacam itu pada sekawasan kecil ruang dan menyebabkan mini inflasi ruang secara terkendali, kita mungkin menghasilkan, di antara ‘hal’ lainnya, wormhole. Artinya tentu saja wormhole semacam itu mungkin pernah tercipta secara alami di Alam Semesta. Meski begitu, sangat tidak mungkin, walaupun tidak mustahil, beberapa wormhole masih ada hari ini sebab mereka akan telah kolaps dengan cepat. Tentu saja jika wormhole alami memang eksis maka, terlepas dari kesukaran menemukannya (atau setidaknya salah satu mulutnya), kita tak punya kendali atas tempat ke mana ia mengarah. Kita hanya harus mencoba dan melihat. Alternatif selain menemukan wormhole yang sudah jadi, entah itu wormhole kecil yang harus kita inflasikan atau wormhole yang tersisa dari Big Bang, adalah memulai dari awal dan memanipulasi sendiri ruangwaktu. Bahkan menurut standar spekulasi pembahasan ini, tampaknya amat tak mungkin hal ini bisa dilakukan. Tentu saja, para periset dalam ‘fisika wormhole’ sekarang ini tidak mengurus cara membuat wormhole sebab bidang tersebut masih dalam masa pertumbuhan dan mereka lebih tertarik pada bagaimana sebetulnya atribut wormhole. Paper ilmiah dalam subjek ini seringkali memulai dengan ucapan seperti: “Kami mempertimbangkan traversable wormhole yang menghubungkan dua kawasan ruangwaktu yang flat secara asimtot…”, yang pada dasarnya berarti “Ambil satu wormhole…”. Lalu mereka mengerjakan persamaan-persamaan kompleks relativitas umum. Gara-gara sifat fisika wormhole yang amat teoritis dan spekulatif, paper semacam itu seringkali
membicarakan ‘pemotongan dan penempelan’ (cut and paste) dua kawasan ruangwaktu sebagai cara menciptakan wormhole. Ini menghasilkan gambaran berupa penggunaan gunting dan plester pada ruangwaktu yang diperlakukan sebagai sehelai kertas 2D. Fisikawan teoritis yang menulis paper-paper ini pun seringkali mempunyai gambaran sederhana semacam ini dalam pikirannya. Adapun Kip Thorne, sekarang ini ketertarikannya pada wormhole tak lagi seperti pada akhir 1980-an saat paper-paper nya memulai seluruh bidang tersebut. Sejak saat itu, dan sepanjang tahun 1990-an, banyak paper serius dan amat teknis telah muncul dalam jurnal-jurnal ilmiah terkemuka yang mengurusi wormhole dari semua bentuk dan ukuran, dan ketertarikan pada subjek tersebut masih belum menunjukkan tanda-tanda mereda. Hari ini, boleh dikatakan bahwa pakar terbaik yang dikenal dalam subjek wormhole adalah Matt Visser di Universitas Washington di St Louis yang mencurahkan buku teks pertamanya untuk subjek tersebut. Visser telah menyusun taksonomi wormhole yang lengkap. Dia telah menunjukkan bahwa wormhole terdiri dari filum dan spesies berlainan. Filum yang penting dikenal sebagai wormhole Lorentzian (berdasarkan cara melengkungnya ruangwaktu untuk melahirkan wormhole). Wormhole Lorentzian kemudian dibagi menjadi dua spesies: permanen dan sementara— kita tentu saja tertarik pada yang permanen. Masing-masing spesies ini terdiri dari dua subspesies tergantung pada apakah wormhole-nya menghubungkan dua alam semesta berbeda (dikenal sebagai wormhole antar alam semesta) atau dua kawasan, barangkali jauh, di alam semesta yang sama (wormhole intra alam semesta). Masing-masing spesies ini kemudian dibagi menjadi varietas makroskopis dan mikroskopis. ‘Makroskopis’ cenderung memiliki arti “dapat dilintangi”, sedangkan ‘mikroskopis’ mengimplikasikan tipe wormhole quantum yang pertama kali dipelajari oleh Wheeler. Secara umum tentu saja wormhole quantum Wheeler adalah tipe sementara sebab mereka muncul dan lenyap sesuai aturan mekanika quantum. Tapi, akibat ketidakpastian mekanika quantum, mungkin wormhole varietas permanen (yang saya maksud adalah memiliki kelengkungan ruangwaktu yang tepat yang memperkenankan mereka berlangsung jauh lebih lama dari biasa) kadangkala terbentuk. Wormhole—menjaga gerbang bintang tetap terbuka
Dari semua atribut wormhole, yang paling banyak dikumandangkan adalah isu stabilitasnya. Anda mungkin merasa ini mengejutkan mengingat kita bahkan
belum yakin bagaimana cara membuatnya, dan sedikit-banyak Anda benar. Tapi fisika wormhole adalah tentang apa yang mungkin—atau tepatnya yang tidak mustahil. Sudah cukup bahwa wormhole bertipe yang pertama kali diajukan Thorne dapat eksis secara teoritis. Bagaimana mereka terbentuk, itu adalah hal penting kedua. Namun yang belum jelas adalah apakah wormhole dapat dijaga tetap terbuka cukup lama agar seseorang yang bergerak pada kecepatan lumayan (sangat kurang dari kecepatan cahaya) dapat lewat. Salah satu kondisi yang ingin diberlakukan Thorne pada traversable wormhole-nya adalah bahwa wormhole tersebut tidak akan menjepit cepatcepat seperti jembatan Einstein-Rosen atau tertutup begitu kita mencoba lewat seperti singularitas Kerr. Namun, dia menemukan bahwa ini bukan soal mudah. Leher wormhole tidak akan terus terbuka dengan sendirinya dan perlu banyak bantuan. Anda mungkin berpikir bahwa ini bukan persoalan seberapa sebab kita dapat membayangkan memasang suatu jenis perancah di dalam wormhole yang akan sedemikian kuat sehingga bisa menahan gaya gravitasi dahsyat yang mencoba menutupnya. Ini tak pelak lagi berada di luar kemampuan teknologi kita, tapi tidak mustahil . Sayangnya, ternyata tak ada materi dikenal di Alam Semesta yang dapat memenuhi persyaratan Thorne. Dia sadar bahwa satu-satunya cara agar wormhole-nya dapat terus terbuka adalah jika itu disisipi jenis material amat aneh yang memiliki massa negatif! Apa artinya ini? Bagaimana bisa sesuatu memiliki massa kurang dari nol? Secara teknis, itu dikatakan memiliki energi negatif sebab massa dan energi dapat dipertukarkan, yang mana sama-sama tak masuk akal. Dalam keterangan khas ilmiah, Thorne menjuluki material ini ‘eksotis’. Kebingungan umum yang dialami banyak orang manakala mendengar tentang ini adalah bahwa ini sama dengan antimateri. Jauh dari itu. Antimateri hanyalah sepotong kue dibandingkan materi eksotis. Antimateri memiliki massa positif yang bisa diindera dan betul-betul sama dengan materi normal dalam hal efeknya terhadap ruangwaktu. Perbedaan antara materi dan antimateri adalah bahwa mereka memiliki atribut-atribut berlawanan yang lain, misalnya muatan listrik. Jadi, sebagaimana partikel subatom semisal elektron yang bermuatan negatif, eksis tandingan antimaterinya, positron, yang identik dengan elektron dalam setiap hal kecuali muatannya yang positif. Jika segumpal materi disatukan dengan segumpal antimateri, mereka akan saling memusnahkan dalam sebuah ledakan energi murni. Tapi segumpal antimateri yang berdiri sendiri (tanpa materi—penj) akan jatuh ke Bumi, mematuhi hukum
gravitasi sebagaimana materi normal. Di sisi lain, materi eksotis akan, jika jatuh, mengalami gaya antigravitasi yang menolaknya dan menjauhkannya dari permukaan Bumi! Jadi ke mana Anda harus pergi untuk membeli material eksotis ini secukupnya guna dipakai dalam wormhole Anda? Well , kita tahu cara membuat energi negatif dalam jumlah amat kecil. Tidak banyak memang, tapi itu sebuah awal. Penelitian traversable wormhole telah menghidupkan kembali ketertarikan pada efek tak dikenal tapi mempesona, dan terbukti secara eksperimen, yang ditemukan oleh fisikawan Belanda, Hendrik Casimir, pada 1948. Penelitian itu menyangkut atribut ruang yang kita anggap hampa sama sekali. Jika semua udara dipompa keluar bilik maka kita katakan kita memperoleh kevakuman, artinya tak ada materi di dalam dan karenanya, saya harap Anda sependapat, berenergi nol. Tapi pada level quantum, kevakuman hampa pun merupakan tempat yang sibuk. Pada poin ini saya menyarankan agar Anda membaca kembali bagian di Bab 4 yang berjudul ‘Bagaimanapun tidak begitu hitam’ di mana saya membahas radiasi Hawking. Di situlah saya menggambarkan bagaimana partikel dan partner antimaterinya terus-menerus muncul dari tiada sebelum cepat-cepat menghilang tanpa jejak. Casimir menunjukkan cara memanfaatkan proses ini untuk menyuling energi dari kevakuman sekalipun itu tak punya apa-apa untuk diberikan. Sebagaimana kebanyakan kita ketahui, jika kita meminjam uang dari bank, kita harus segera melunasinya. Aturan mekanika quantum, sebagaimana yang diungkapkan dalam prinsip ketidakpastian Heisenberg, beroperasi dengan cara serupa. Tapi tak seperti pinjaman bank, di mana kita bebas memilih periode pelunasan, prinsip ketidakpastian agak lebih ketat. Ia menyatakan bahwa energi bisa dipinjam dari kevakuman asalkan dilunasi cepat-cepat. Semakin banyak energi yang dipinjam, semakin cepat utang harus dilunasi. Nah pikirkan apa yang berlangsung di kevakuman jika kita bisa men- zoom sampai level mikroskopis. Di antara banyak sekali partikel subatom yang terbentuk dari energi pinjaman ini ada photon (partikel cahaya). Lebih lanjut, photon-photon dengan energi berlainan tercipta, di mana photon-photon yang berenergi tinggi, ekuivalen dengan cahaya berpanjang gelombang pendek, bisa bertahan di tempat dalam waktu yang jauh lebih sebentar dibanding photon-photon berenergi rendah berpanjang gelombang panjang. Jadi, pada suatu momen tertentu, kevakuman memuat banyak photon ini (dan partikel
lain) dan tetap akan memiliki energi rata-rata yang setara dengan nol sebab masing-masing partikel hanya meminjam sementara energi yang diperlukan untuk terciptanya mereka. Casimir menunjukkan bagaimana kevakuman dapat dipancing agar melepaskan sejumlah kecil energinya secara permanen. Ini dicapai dengan mengambil dua pelat logam flat dan menaruh mereka berhimpitan di dalam kevakuman. Saat jarak di antara pelat tidak setara dengan semua bilangan panjang gelombang (ekuivalen dengan photon-photon berenergi tertentu), maka photon-photon itu takkan bisa terbentuk di celah sebab mereka takkan cocok. Konsep ini agak sulit dipahami, sebab kita harus mempertimbangkan sifat gelombang cahaya (panjang gelombang) dan sifat partikelnya (photon) pada waktu yang sama. Namun demikian, jumlah photon yang terbentuk di kevakuman antara kedua pelat adalah kurang dari jumlah di sisi lain kedua pelat dan karenanya akan memiliki energi rendah. Tapi karena kevakuman di luar celah telah memiliki energi nol maka kawasan di antara pelat pasti memiliki energi kurang dari nol (atau negatif). Ini menyebabkan kedua pelat saling terdorong merapat dengan gaya amat lemah yang sudah diukur secara eksperimen.41 Sayangnya, jumlah energi negatif yang bisa dihasilkan dengan cara ini amat kecil dan sama sekali tak memadai untuk menjaga wormhole tetap terbuka. Tapi itu sebuah awal. Dalam menjaga semangat bab ini, saya tidak mengemukakan bahwa proses Casimir suatu hari nanti akan menghasilkan cukup materi eksotis untuk memagari leher wormhole, melainkan bahwa material berenergi negatif semacam itu, walaupun sangat kecil dan disuling dari ruang hampa, tidak dikesampingkan oleh hukum fisika. Nyatanya, beberapa fisikawan telah mengajukan bahwa mungkin ada cara memeras kevakuman dan memompa energi keluar darinya secara lebih sistematis, tapi ini belum jelas sama sekali. Sebagai gambaran jumlah material eksotis yang dibutuhkan, Matt Viser telah mengkalkulasi bahwa kita memerlukan materi eksotis yang setara dengan massa Yupiter hanya untuk menahan wormhole selebar satu meter tetap terbuka. Cara lain mendapatkan material eksotis adalah dari sesuatu yang disebut string kosmik. Ini adalah material yang mungkin tersisa dari Big Bang tapi eksistensinya amat diperdebatkan. Ini tidak boleh tertukar dengan string dalam teori superstring yang akan saya bahas lebih lanjut di bab terakhir, tapi ini 41
Verifikasi eksperimental efek Casimir masih sedikit kontroversial.
jauh lebih mengesankan. String kosmik kemungkinan berbentuk simpal/ gelungan atau merentang di Alam Semesta (dan karenanya mungkin panjang tak terhingga jika Alam Semesta luas tak terhingga). Jika kemungkinan kedua benar, maka string ini tidak memiliki ujung! Diameternya kurang dari lebar sebuah atom tapi ia begitu padat sampai-sampai yang berukuran satu milimeter saja akan berbobot satu juta miliar ton. Harapan kita adalah bahwa jika Alam Semesta pernah mengalami periode inflasi, didorong oleh antigravitasi akibat konstanta kosmologis non-nol, maka status Alam Semesta pada periode itu mungkin terbekukan dalam kosmik string. Oleh karenanya string tersebut akan mengandung materi eskotis, atau apapun, yang menyebabkan antigravitasi mendorong inflasi selama waktu itu. Jika kita dapat menemukan string demikian di Alam Semesta, itu tepat untuk menyisipi wormhole kita. Mengunjungi alam semesta paralel Sejauh ini, saya baru membahas wormhole intra alam semesta yang menghubungkan dua titik jauh di alam semesta kita sendiri. Tapi wormhole quantum Wheeler mungkin juga menghubungkan kita dengan alam semesta paralel. Ini disebut oleh Hawking sebagai bayi alam semesta sebab mirip gelembung yang terbentuk dan tumbuh dari buih quantum di Alam Semesta kita dan terhubung dengan alam semesta kita via wormhole seperti tali pusar. Bayi alam semesta semacam itu mungkin kemudian mulai mengembang di dalam hyperspace dimensi tinggi lalu, jika koneksi wormhole terputus, terpisah selamanya dari alam semesta kita. Nyatanya, jika ini benar maka alam semesta kita sendiri mungkin muncul dari buih quantum di alam semesta sebelumnya lagi. Jadi, sebagaimana kita mau menginflasikan wormhole intra alam semesta dari level quantum, kita juga bisa berpikir untuk menginflasikan wormhole antar alam semesta semacam itu yang menghubungkan kita dengan alam semesta tetangga. Jika ternyata kita hidup di alam semesta tertutup, maka kita dapat membayangkan masa depan jauh di mana Alam Semesta kolaps menuju Big Crunch. Jika manusia masih ada pada waktu tersebut, mereka akan ingin bisa lari dari singularitas final dengan lompat lewat wormhole ke alam semesta muda yang memiliki atribut yang sama dengan punya kita.
Resep untuk membuat naga rebus: pertama, temukan naga… Matt Viser, Lorentzian Wormholes
S
ETELAH sampai sejauh ini, Anda akhirnya berada dalam posisi untuk memahami fisika yang harus ada di tempatnya jika kita hendak membangun mesin waktu. Saya telah membahas dua teori relativitas Einstein, teori khusus di mana waktu dan ruang disatukan menjadi ruangwaktu empatdimensi, dan teori umum di mana ruangwaktu melengkung dan memilin dengan kehadiran materi dan energi. Kedua teori akan diperlukan di bab ini. Saya telah membahas sifat waktu dan menengok jenis-jenis persoalan yang harus kita tangani jika kita bersikukuh memegang kemungkinan perjalanan waktu ke masa lalu. Kini saatnya menyelesaikan. Saya akan menahan semua keberatan (valid) terhadap perjalanan waktu sampai ada penetapan lain dan mengadopsi pandangan pragmatis, dan amat optimistis, bahwa sepanjang perjalanan waktu tidak dilarang oleh hukum fisika yang kita pahami hari ini maka ada harapan. Saya akan tunjukkan bagaimana kita mungkin bisa mengusahakan membangun mesin waktu paling sederhana. Ini bukan berarti saya telah memihak perjalanan waktu, tapi lebih bahwa saya condong kepada satu pihak (untuk saat ini). Simpal waktu Saya membaca sebuah artikel di suratkabar Sunday baru-baru ini dengan judul ‘Mungkinkah Einstein keliru?’. “Oh tidak,” saya pikir, “ada lagi ide gila lain yang mencoba menyanggah relativitas khusus.” Bagi saya, membaca bahwa relativitas khusus keliru sama dengan membaca bahwa Bumi diketemukan berbentuk datar. Keduanya sungguh gila mengingat kita sudah mengetahui banyak hal. Padahal relativitas umumlah yang dibahas dalam artikel tersebut dan, jauh dari terancam, tetap hidup dan sehat. Judulnya saja yang menyesatkan.
Banyak fisikawan mengakui relativitas umum sebagai teori sains terindah yang pernah ditemukan. Keindahannya terletak pada kesederhanaan, keeleganan, dan kekayaan persamaan matematikanya. Saya akui bahwa hanya segelintir dari populasi manusia bisa memahami keindahan ini sebab mereka telah mendapat bertahun-tahun pelatihan. Bagi sebagian besar orang, itu cuma sekumpulan simbol Yunani. Tapi saya belum pernah bisa memahami atau mengerti kubisme sebagai bentuk seni. Bagaimanapun juga, selain menyenangkan bagi fisikawan teoritis, relativitas umum telah dikonfirmasikan oleh bukti eksperimen berulangkali. Namun, dalam hampir semua kasus ini, itu hanya terjadi dalam apa yang disebut ‘batas medan lemah’ (yakni gravitasi lemah). Relativitas umum masih harus betul-betul membuktikan semangatnya dalam situasi-situasi di mana ia menyimpang secara radikal dari gravitasi Newtonian. Artikel suratkabar yang saya sebut di atas menggambarkan eksperimen tipe baru yang, sudah disangka, akan mengkonfirmasi prediksi lain relativitas umum yang dikenal sebagai gelombang gravitasi. Paragraf pertama dalam artikel itu nyatanya menyebutkan bahwa jika gelombang gravitasi tidak ditemukan maka relativitas umum akan berada dalam masalah. Namun, sebegitu besarnya keyakinan fisikawan terhadap teori tersebut sampai-sampai mereka yang mengerjakan eksperimen-eksperimen baru ini sungguh-sungguh berharap segera menemukan apa yang mereka cari. Sayangnya, sebuah judul yang menyatakan ‘Bukti eksperimen lain kebenaran Einstein sudah di ambang pintu’ sebetulnya tidak patut dijadikan berita. Gelombang gravitasi adalah disturbansi, atau riakan, di struktur ruang yang disebabkan oleh gerakan objek masif. Pikirkan ruang bermodel trampolin. Saat Anda berdiri di tengah-tengahnya, bobot Anda menghasilkan lekukan di kain. Ini adalah gambaran sederhana bagaimana massa mempengaruhi ruang sekelilingnya. Jika kemudian Anda melompat ke atas lalu ke bawah, Anda akan membuat kain bergetar dan, asalkan luasnya sangat besar, getaran ini akan berjalan ke arah luar dengan cara seperti menyebarnya riakan di permukaan kolam manakala sebuah batu dilemparkan. Demikian halnya, gerakan objek masif semisal kolapsnya bintang masif menjadi black hole akan memancarkan riakan-riakan ruang, bukan di ruang, yang akan mempengaruhi objek lain di jalurnya. Harapannya adalah bahwa eksperimen di Bumi akan mampu mendeteksi efek gelombang gravitasi ini terhadap peralatan sensitif yang akan sedikit teregang dan terperas saat gelombang melintas.
Tentu saja gelombang gravitasi tak ada kaitannya dengan mesin waktu. Saya mengemukakan mereka sebagai contoh prediksi jelas relativitas umum yang masih harus dikonfirmasi secara eksperimen. Namun, relativitas umum begitu kaya sampai-sampai ia juga memperkenankan (secara teoritis tentu saja) eksisnya bentuk-bentuk lain ruangwaktu yang lebih eksotis yang tidak begitu kita yakini. Salah satu darinya, yang relevan dengan bab ini, disebut kurva miripwaktu tertutup. tertutup . Ini adalah jalur, atau rute, sirkuler di ruangwaktu melengkung di mana waktu sendiri menekuk melingkar. Seandainya Anda mengikuti jalur semacam itu, Anda akan merasa sedang menempuh ruang biasa. Seandainya Anda mengecek arloji Anda kapanpun selama perjalanan pulang-pergi ini, Anda akan melihatnya berjalan maju sebagaimana biasa. Namun, Anda akan, setelah beberapa waktu berlalu bagi Anda, akhirnya tiba kembali di tempat dan dan waktu yang sama dengan saat Anda memulai berdasarkan jam yang ditinggal di situ. Jalur semacam itu mengharuskan Anda pergi ke masa lalu untuk sebagian perjalanan Anda. Tentu saja jika Anda kembali ke waktu lalu, Anda mungkin pula kembali ke tempat di mana Anda memulai sebelum Anda berangkat , kalau tidak, Anda takkan memperoleh apapun dari perjalanan tersebut. Pelengkungan lebih jauh pada ruangwaktu akan menyebabkan simpal waktu membawa Anda kembali ke masa lalu. Jadi ‘kurva miripwaktu tertutup’ adalah bahasa jargon untuk ‘mesin waktu’. Saya akan menyebutnya menyebutnya di sini sebagai ‘simpal waktu’ saja. sa ja. Sudah lama diketahui bahwa relativitas umum memperkenankan eksistensi simpal waktu, tapi setiap kali muncul dalam matematikanya, itu biasanya dikesampingkan dengan alasan bahwa asumsi awal yang dimasukkan ke dalam persamaan tak masuk akal. Betapa fisikawan adalah perusak suasana. Sayangnya, sikap ini dibenarkan dan ada banyak contoh lain untuk mengilustrasikan alasannya. Ambil contoh sederhana berikut. Jika Anda diberitahu bahwa sebuah bujur sangkar memiliki luas 9 meter2, maka Anda menyimpulkan bahwa sisi-sisinya berpanjang 3 meter, meter, sebab luas bujur sangkar adalah hasil dari 3 x 3. Namun -3 -3 x -3 -3 juga menghasilkan 9 (ingat, (ingat , negatif kali negatif sama dengan positif). Tapi, kita takkan pernah membicarakan sisi bujur sangkar yang memiliki panjang -3 meter, jadi kita abaikan opsi ini sebab tidak fisikal. Persamaan matematika yang menggambarkan dunia riil seringkali memberikan, bersamaan dengan jawaban yang tepat, jawaban yang sedemikian tak fisikal atau tak masuk akal, yang semestinya diabaikan. Bagi mayoritas fisikawan yang mengerjakan relativitas umum, simpal waktu masuk ke dalam kategori ini. Ia dianggap tak
fisikal gara-gara semua persoalan yang diasosiasikan dengan perjalanan waktu ke masa lalu. Namun pada tahun-tahun terakhir, beberapa fisikawan semakin segan mengabaikan simpal waktu dengan cepat dan ia telah menjadi bidang studi yang sesuai mode mutakhir. Sebagaimana akan kita simak, ini sebagian berkat penelitian Kip Thorne mengenai wormhole wormhole.. Namun, terlepas dari mudahnya menghasilkan simpal waktu sebagai solusi persamaan Einstein, fisikawan masih bimbang apakah ia betul-betul b etul-betul dapat eksis di Alam Semesta kita. Solusi pertama persamaan medan relativitas umum Einstein yang menggambarkan ruangwaktu yang memuat simpal waktu adalah hasil WJ van Stockum pada 1937. Namun, hubungan antara solusi matematis aneh ini dan kemungkinan penggunaannya untuk menggambarkan perjalanan waktu tidak dipahami hingga beberapa waktu kemudian. Solusi van Stockum mensyaratkan silinder panjang tak terhingga yang disesaki material dan berputar pesat di ruang hampa; bukan sesuatu yang kemungkinan besar Anda jumpai secara kebetulan, kecuali jika Anda berada dalam pesawat Starship Enterprise. Relativitas umum memprediksi bahwa kawasan ruangwaktu sekeliling silinder akan memilin dan boleh jadi memuat simpal waktu. Tapi silinder panjang tak terhingga wajar saja diabaikan sebab terlalu tak masuk akal untuk diambil serius. Lebih jauh, matematika relativitas umum memprediksi bahwa bahkan ruangwaktu yang sangat jauh dari silinder akan memiliki atribut aneh, membuktikan bahwa silinder materi semacam itu mungkin tidak eksis di Alam Semesta kita atau kalau eksis kita akan bisa melihat efeknya secara lokal sekalipun ia berada di sisi lain Alam Semesta. Simpal waktu betul-betul mendobrak headline-headline headline-headline sains dengan karya Kurt Gödel pada 1949. Dalam sebuah paper sebuah paper klasik, klasik, dia secara matematis menggambarkan alam semesta abstrak yang memuat simpal waktu. Namun, alam semesta Gödel berbeda dari alam semesta yang kita tinggali dalam caranya memelihara stabilitas terhadap tarikan masuk gravitasi materinya. Bukannya mengembang, sebagaimana alam semesta kita, alam semesta Gödel berotasi. Jika seorang pelancong antariksa di alam semesta semacam itu hendak mengikuti jalur sirkuler yang cukup besar maka dia akan kembali ke titik tolak keberangkatanny keberangkatannya. a. Perjalanan waktu! Walaupun Einstein, yang bekerja di gedung yang sama dengan Gödel di Advanced Study Institute di Princeton, mulanya mulanya terganggu oleh hasil ini, dia (dan kebanyakan fisikawan lain) segera mengesampingkannya lantaran dianggap
hanya memiliki sedikit relevansi dengan Alam Semesta riil yang kita ketahui tidak berotasi. Bahkan Gödel sendiri mengabaikan kemungkinan perjalanan waktu sebab prakteknya itu tidak bisa dicapai, bukan lantaran model alam semestanya tidak mirip dengan alam semesta riil, melainkan gara-gara kecepatan tak realistis yang disyaratkan dan jarak yang harus ditempuh oleh roket dalam rangka menyelesaikan simpal waktu di alam semesta demikian. Namun fakta mengatakan bahwa Gödel menghasilkan sebuah skenario (walaupun tak realistis) di mana tak ada pelanggaran hukum fisika dan konsisten sepenuhnya dengan relativitas umum, tapi memuat simpal waktu beserta semua paradoks perjalanan waktunya. Sebagian besar fisikawan percaya, dan masih betul-betul percaya, bahwa celah dalam fisika yang memperkenankan eksisnya solusi jenis ini akhirnya akan tertutupi lewat pemahaman yang lebih baik. Sebelum saat itu tiba, alam semesta Gödel diturunkan ke status barang aneh matematis. Mesin waktu Tipler Pada 1960-an dan 1970-an, semakin banyak model teoritis ruangwaktu yang memuat simpal waktu ditemukan oleh sejumlah fisikawan yang mempelajari atribut-atribut persamaan relativitas umum. Semua model ini memiliki satu hal umum. Mereka melibatkan objek masif yang berotasi yang memilin ruangwaktu di sekelilingnya. Penelitian paling dikenal dalam tema ini adalah oleh seorang Amerika muda bernama Frank Tipler yang mempublikasikan sebuah paper sebuah paper pada pada 1974 yang cukup menimbulkan kegemparan saat itu. Tipler menganalisa ulang penelitian van Stockum menyangkut silinder berotasi, dan membawanya selangkah lebih jauh. Pertama-tama dia membuktikan secara matematis bahwa, yakin akan simpal waktu tertutup di sekeliling silinder, silinder memang harus panjang tak terhingga, terbuat dari materi amat padat dan berputar dengan laju ribuan kali per detik. Persoalan terbesarnya adalah, tentu saja, ‘panjang tak terhingga’, yang mana lebih mudah dikatakan daripada dikerjakan. Jadi Tipler lalu mengkalkulasi apa yang dibutuhkan untuk membangun mesin waktu. Dia menyatakan bahwa kita mungkin bisa memulai dengan mendapatkan silinder sepanjang 100 kilometer dan selebar 10 kilometer saja. Persoalannya, dia tak bisa lagi mengandalkan matematikanya untuk membuktikan bahwa ini memadai untuk melengkungkan ruangwaktu secukupnya. Dan sekalipun simpal waktu tertutup bisa dicapai, silinder harus luar biasa kuat dan kaku agar panjangnya tak teremas akibat tekanan dahsyat
gravitasi yang dialaminya. Pada saat yang sama, ia harus cukup kuat untuk menjaga kesatuan dan bertahan terhadap gaya sentrifugal dahsyat yang mencoba menghempaskan materinya keluar saat berputar dengan kecepatan permukaan lebih dari setengah kecepatan cahaya. Namun, dia menguraikan bahwa semua ini adalah persoalan teknis dan, bagaimanapun juga, siapa tahu memungkinkan secara teknologi di masa depan. Untuk menggunakan mesin waktu silinder Tipler, Anda harus meninggalkan Bumi dengan pesawat antariksa dan pergi ke tempat silinder sedang berputar di angkasa. Saat Anda cukup dekat dengan permukaan silinder (di mana ruangwaktu di situ paling melengkung), Anda harus mengitarinya beberapa kali lalu pulang ke Bumi, tiba di masa lalu. Seberapa jauh Anda ke masa lalu, itu tergantung jumlah kitaran Anda. Sungguhpun Anda merasa waktu Anda berjalan maju seperti biasa saat mengitari silinder, di luar kawasan melengkung, Anda sedang berjalan terus ke masa lalu. Ini seperti menaiki tangga tangga spiral dan mendapati bahwa setelah memanjat setiap lingkaran penuh, Anda berada di sebuah lantai di bawah lantai bawah lantai sebelumnya! Sejumlah periset lain juga menyatakan bahwa kita mungkin tak memerlukan silinder panjang tak terhingga untuk memperoleh simpal waktu, dan bahwa perjalanan waktu mungkin bahkan bisa dicapai dengan mengitari bintang neutron atau black hole hole yang berputar, asalkan mereka berputar cukup cepat. Astronom telah menemukan bintang-bintang neutron (pulsar) yang berputar hampir pada kecepatan yang diperlukan. Mereka dikenal sebagai pulsar milidetik sebab laju putar mereka adalah sekali setiap beberapa milidetik (satu milidetik sama dengan seperseribu detik). Beberapa orang mengklaim bahwa kita perlu menirukan silinder panjang, di mana kita akan harus menumpuk sejumlah pulsar milidetik, lalu menemukan cara mencegah mereka teremas menuju satu sama lain dan membentuk black hole..42 Kalkulasi lain mengimplikasikan bahwa satu black hole yang hole hole yang berputar pesat yang telah menanggalkan horizonnya, menyisakan singularitas cincin yang telanjang, sudah cukup untuk menyediakan simpal waktu tertutup di sekelilingnya. Namun, matematika untuk semua pernyataan liar dan menakjubkan ini masih jauh dari meyakinkan.
42
Spekulasi teoritis jadi sedikit tak terkendali saat kita mulai membicarakan penumpukan bintang neutron, tapi itu menyenangkan.
Mesin waktu string kosmik Satu kemungkinan cara agar mesin waktu Tipler bisa direalisasikan adalah dengan menggunakan string kosmik. Kita telah simak dalam bab sebelumnya betapa berguna string kosmik dalam menjaga leher wormhole wormhole tetap tetap terbuka. Tapi sekali lagi, mungkin persis inilah jenis material yang sedang kita cari. Ia panjang tak terhingga dan tentu cukup padat. Yang kita perlu lakukan adalah membuatnya berputar cukup cepat. Ini tentu saja dengan asumsi bahwa (a) string kosmik memang eksis, (b) kita mampu menemukan dan mendatanginya, (c) kita bisa menemukan suatu cara untuk memutarnya cukup cepat, dan (d) simpal waktu tertutup betul-betul akan terbentuk di sekelilingnya. Bahkan saat string kosmik tidak sedang berputar, ruangwaktu di sekelilingnya terdistorsi dengan cara agak aneh (ya, bahkan lebih aneh daripada ruangwaktu di sekeliling black hole!). hole!). Meski string tersebut berdensitas tinggi, Anda takkan merasakan gaya tarik gravitasi seberapa dekat pun Anda dengan string, dan ruangwaktu konon flat. Namun, ruang sendiri akan berbentuk kerucut di sekeliling string. Untuk memahaminya, bayangkan ruang 2D dan jalur sirkuler ruang ini di sekeliling string. Seolah-olah seiris ruang dilepas sebagaimana pada gambar 9.1(a) lalu kedua tepi yang tertinggal direkatkan sebagaimana pada gambar 9.1(b). Ini akan menyebabkan ruang menjadi tertutup dalam bentuk kerucut di sekeliling string kosmik. Normalnya, keliling lingkaran ditentukan oleh dua kali jari-jari kali pi kali pi . Jadi, jika sepotong dari String kosmik
Gambar 9.1. Untuk meniru ruang 3D dekat string kosmik (garis 1D), buang satu dimensi dan bayangkan ruang 2D di sekeliling sebuah titik (0D). Jika seiris ruang dilepas sebagaimana pada gambar (a) lalu kedua tepi yang tertinggal direkatkan sebagaimana pada gambar (b) maka ruang akan berbentuk kerucut.
lingkaran tersebut hilang, kelilingnya akan kurang namun jari-jarinya sama. Seandainya Anda mengelilingi lingkaran berjari-jari tertentu di sekeliling string, Anda akan mendapati bahwa jarak yang Anda tempuh untuk berkeliling penuh dan kembali ke titik tolak Anda akan lebih pendek daripada jarak yang Anda tempuh mengelilingi lingkaran berjari-jari sama di ruang normal (jauh dari string). Catat, string dilukiskan sebagai titik 0D di ruang 2D. Sebetulnya ia berupa garis 1D di ruang 3D (yang mana tak sanggup saya perlihatkan sebab saya tak bisa menggambar kerucut 4D!). Sebuah variasi dalam tema string kosmik ini dikemukakan oleh Richard Gott pada 1991. Dia menyediakan jalan menghindari persyaratan bahwa string kosmik harus berputar. Malah dia menunjukkan bagaimana dua string yang saling berpapasan dengan kecepatan tinggi akan memiliki efek yang sama, dan simpal waktu akan terbentuk di sekeliling pasangan itu. Persoalannya di sini adalah, kedua string harus sejajar satu sama lain saat melintas. Jadi sekalipun string kosmik memang eksis, kita masih harus berharap kedua string kebetulan saling berjumpa pada sudut 90 derajat. Gott menguraikan bahwa kita tak perlu menunggu dua string panjang tak terhingga saling berpapasan. Efek yang sama bisa dicapai jika sebuah string kosmik tertutup, yang membentuk simpal lonjong ketimbang sirkuler (seperti yang dibentuk oleh gelang karet yang diregangkan), kolaps sedemikian rupa sehingga kedua penampang panjangnya meleset saat terbang berpapasan. Gott sendiri menguraikan bahwa simpal waktu tertutup yang mungkin terbentuk di sekeliling dua potong string kosmik yang tidak berpanjang tak terhingga akan membentuk black hole dan terperisai dari luar oleh horizon peristiwa, yang tentu saja berarti keduanya takkan pernah bisa digunakan. Sayangnya, cara Gott mencapai simpal waktu lebih gegabah lagi daripada skema lain di pasaran sebab, dengan semua jika dan tapinya yang sudah saya sebutkan, mengharuskan sebagian dari massa total string bersifat ‘imajiner’. 43 43 Ini
lebih buruk lagi daripada memiliki massa negatif, yang mana cukup menggelikan. Kata ‘imajiner’ mengimplikasikan atribut matematis tertentu yang melibatkan akar kuadrat bilangan negatif. Jika Anda belum pernah menjumpai hal semacam ini, berikut adalah penjelasan singkat. Anda tahu bahwa kuadrat bilangan positif adalah bilangan positif, dan kuadrat bilangan negatif adalah bilangan positif juga (sebab – x – = +). Tapi sebuah bilangan yang saat dikalikan dengan dirinya sendiri masih menghasilkan bilangan negatif dikenal sebagai bilangan imajiner sebab ia tidak seperti bilangan (riil) biasa dan memiliki set aturannya sendiri. Bilangan semacam itu berguna dalam banyak bidang fisika dan teknik.
Resep untuk mesin waktu wormhole Sejauh ini pembahasan saya tentang perolehan simpal waktu tertutup melibatkan pelengkungan ruangwaktu di sekeliling massa berputar. Ada cara alternatif yang tidak mengharuskan perjalanan mengelilingi objek masif padat, tapi justru mensyaratkan wormhole. Tak lama setelah Kip Thorne menunjukkan kepada temannya, Carl Sagan, bagaimana traversable wormhole mungkin bisa dibangun untuk menghubungkan dua kawasan ruang yang jauh via terowongan pendek, ditunjukkan oleh kolega-koleganya bahwa tak ada alasan wormhole tak boleh menghubungkan dua waktu berbeda. Bagaimanapun juga, di ruangwaktu 4D-lah wormhole tercipta, bukan ruang 3D sendirian. Cara lemah untuk memvisualisasikan ini adalah dengan menggunakan model alam semesta blok. Gambar 9.2 menunjukkan sebuah wormhole menembus ruangwaktu 3D ini yang menghubungkan dua waktu berbeda. Poin penting untuk dicatat di sini adalah bahwa leher wormhole tidak sungguh-sungguh tersimpan di dalam blok, melainkan eksis di suatu ruang dimensi tinggi di luar ketiga dimensi di mana ia tergambar. Sayangnya, saya kehabisan dimensi. Tapi setidaknya itu memberi Anda ide kasar tentang apa yang dilibatkan. Jika ‘sekarang’-nya Anda berada di WAKTU TERKEMUDIAN maka perjalanan melalui wormhole akan membawa Anda ke masa lalu. Tapi, sama halnya, seseorang yang ‘sekarang’-nya berada di WAKTU TERDAHULU akan menggunakan wormhole untuk pergi ke masa depan. Cara saya menggambar wormhole di alam semesta blok mengindikasikan bahwa kedua mulutnya terbuka di irisan tertentu menerobos blok. Ini mungkin mengimplikasikan bahwa seseorang yang ‘sekarang’-nya berada di irisan tengah-tengah antara kedua mulut tidak akan melihat mulut wormhole. Nyatanya, semua irisan yang terdapat setelah irisan WAKTU TERDAHULU akan juga memuat mulut wormhole-nya, sebab mereka hanyalah irisan di waktu terkemudian. Dengan demikian semua irisan setelah irisan WAKTU TERKEMUDIAN akan memuat kedua mulut wormhole. Yang satu merupakan sambungan ke masa lalu dan yang lainnya sambungan ke masa depan. Yang membuat model alam semesta blok sungguh sulit dipahami, tapi diperlukan agar perjalanan waktu memungkinkan, adalah bahwa tak satupun dari kedua waktu tersebut memiliki hak untuk memanggil dirinya waktu ‘sekarang’ yang sejati. Keduanya sama-sama valid sebab, di alam semesta blok, waktu tak berjalan. Ini tidak menghentikan perasaan subjektif kita bahwa waktu berjalan terus. Jadi, bagi kita yang hidup di dalam alam semesta blok,
kedua irisan akan bergerak ke atas dengan laju yang sama, sepanjang sumbu waktu, tapi akan ada orang-orang yang momen kininya ekuivalen dengan salah satu dari dua waktu tersebut.
u t k a w h a r A
Gambar 9.2. Wormhole di alam semesta blok yang menghubungkan dua waktu berlainan. Kip Thorne dan koleganya bahkan mampu menunjukkan bagaimana wormhole yang bukan mesin waktu—dalam arti bahwa jika Anda pergi melaluinya, Anda akan muncul di ujung lain di waktu terkemudian di mana durasi yang Anda lewatkan di dalam wormhole sama dengan yang berlalu di luar—bisa diubah menjadi mesin waktu. Yang saya maksud dengan wormhole yang bukan mesin waktu bisa dipahami dari gambar 9.2 jika irisan WAKTU TERDAHULU dan irisan WAKTU TERKEMUDIAN adalah itu-itu juga. Nah, jika Anda pergi melalui wormhole, Anda akan muncul di irisan waktu yang sama dengan jika Anda tidak pergi lewatnya. Trik dalam menciptakan mesin waktu adalah memanfaatkan efek dalam relativitas khusus yang sudah Anda simak. Itu melibatkan ide di balik paradoks kembar.
Pertama-tama izinkan saya menyusun rencana untuk apa yang dipandang sebagai cara termudah mengkonstruksi mesin waktu (tentu saja dengan asumsi bahwa itu memungkinkan):
Bagaimana membangun mesin waktu 1. Buat wormhole (dengan menginflasikan salah satu buih quantum, atau menciptakan wormhole dari awal dengan melengkungkan ruangwaktu). 2. Stabilkan wormhole (dengan menjaganya tetap terbuka memakai materi eksotis atau string kosmik ). 3. Aliri salah satu mulut wormhole dengan listrik (agar ia bisa digerak gerakkan dengan medan listrik ) lalu muat ia ke dalam roket. 4. Timbulkan perbedaan waktu antara mulut-mulut wormhole (dengan terbang pada hampir kecepatan cahaya membawa salah satu mulutnya). 5. Ubah wormhole menjadi mesin waktu (dengan mendekatkan kembali mulut-mulutnya). Langkah (1) dan (2) sudah dibahas di bab yang lalu. Tapi ringkasnya, kita betul-betul tak tahu bagaimana ini bisa dicapai. Inilah mengapa banyak pengarang yang membahas mesin waktu wormhole biasanya memulai secara fasih dengan pernyataan: “Ambil satu traversable wormhole”. Karena saya tak tahu harus menambahkan apa lagi, saya akan berbuat serupa dan berasumsi bahwa kita sudah punya wormhole stabil yang, untuk kemudahan, memiliki mulut-mulut cukup besar bagi manusia untuk dilewati. Kedua mulutnya mulanya bisa berdampingan di laboratorium wormhole kita. Langkah (3) memungkinkan salah satu mulut diangkut dari laboratorium wormhole ke dalam roket yang sedang menunggu. Untuk langkah (4) dan (5), kita bisa lupa bahwa mulut wormhole berada dalam roket. Yang perlu kita lakukan hanyalah membuat roket terbang ke sana kemari pada hampir kecepatan cahaya selama beberapa saat dan efek dilasi waktu relativitas khusus akan mengerjakan sisanya. Ingat cerita paradoks kembar? Saat Alice berangkat dari Bumi dengan roket high speed -nya dan pergi selama beberapa saat, ketika pulang ke Bumi dia akan mendapati waktu di Bumi telah berlalu lebih banyak daripada yang bisa dia terangkan. Dia akan pulang dalam usia lebih muda daripada kembarannya, Bob, sebab dia telah berhasil melaju cepat ke masa depan. Kali ini, Alice akan membawa serta salah satu mulut wormhole dan menyebabkan pergeseran waktu di antara dua mulut wormhole.
Deskripsi hal tersebut berikut mirip dengan yang dibahas oleh Kip Thorne dalam bukunya, Black Holes and Time Warps, tapi terdapat beberapa modifikasi. Gambar 9.3(a) memperlihatkan Bob di laboratorium wormhole sedang memandang lewat salah satu ujung wormhole-nya kepada Alice. Lewat wormhole tersebut, Alice hanya beberapa meter jauhnya, tapi dia nyatanya sedang duduk di dalam roketnya yang bisa dilihat berada di luar jendela di landasan luncur. Gambar 9.3(b) memperlihatkan pemandangan dari mulut wormhole Alice yang aman di dalam roket.
Gambar 9.3. (a) Bob dapat melihat Alice lewat wormhole yang menyediakan jalan pintas antara mereka tak peduli seberapa jauh pun mereka terpisah di ruang 3D. Alice, nyatanya, sedang duduk di roketnya yang bisa dilihat dari jendela Bob. Alice dan Bob sepakat bahwa Alice akan terbang dalam sebuah perjalanan mengitari Tata Surya, bepergian dengan kecepatan jelajah roketnya sebesar seratus ribu kilometer per detik (atau 1/3 kecepatan cahaya) dan pulang ke Bumi persis setelah dua minggu. Mari kita asumsikan dia berangkat pada hari Rabu. Saat dia mencepat menjauhi Bumi, jarak antara dia dan Bob lewat wormhole tetap sama (lihat gambar 9.4), sungguhpun Bob bisa melihat roket Alice lewat teleskop menjauhi Bumi pada 1/3 kecepatan cahaya. Bob bisa
mengobrol dengannya dan bahkan menyuguhkan bergelas-gelas kopi yang baru dimasak kepadanya lewat wormhole setiap pagi. Yang lebih penting, mereka akan bersama-sama menghitung mundur hari-hari. Sepanjang waktu selama perjalanan itu, arloji mereka akan bersesuaian, sebab mereka menyinkronkan kedua arloji secara pasti lewat wormhole.
Gambar 9.3. (b) Alice dapat melihat Bob lewat ujung wormholenya. Dua minggu kemudian, di mana Bob maupun Alice sepakat bahwa itu hari Rabu, Bob menyaksikan kembarannya lewat wormhole saat dia mendekati akhir perjalanannya dan mengarahkan roketnya menerobos atmosfer Bumi sebelum akhirnya mendaratkannya di landasan. Bob pergi keluar untuk melihatnya mendarat, tapi pemandangan yang menyambutnya saat melangkah keluar sungguh mengguncangkan. Landasan luncur kosong, tak ada roket. Dia menguasai diri, berlari ke observatorium dan membidikkan teleskopnya ke petak langit yang dari situ roket semestinya datang. Kemampuan resolving teleskop tersebut sedemikian hebat sehingga Bob mampu menemukan roket Alice baru saja melintasi Neptunus dalam perjalanan menuju Bumi. Dia mengkalkulasi bahwa dengan kecepatan Alice yang sekarang, Alice tidak akan mencapai Bumi sampai besok!
Gambar 9.4. Dua mulut wormhole bisa terpisah jauh di ruang normal tapi tetap berdekatan lewat wormhole. Sebagai ilmuwan—bagaimanapun juga dia bekerja di laboratorium wormhole—mulai jelas bagi Bob bahwa inilah persis yang dia sangkakan. Dia bisa menjelaskan apa yang terjadi dengan memohon bantuan relativitas khusus. Dia berlari kembali ke laboratorium wormhole untuk memberitahu kembarannya. Begitu berada di dalam, dia memandang lewat wormhole dan melihat Alice baru menyelesaikan pemeriksaan akhir kendali roketnya dan bersiap-siap membuka pintu untuk naik. Bob memanggil lewat wormhole untuk mengucapkan selamat atas pendaratan sempurna lainnya, lalu memberitahunya bahwa dia sesungguhnya belum mendarat! Alice balas melambai kepadanya. “Apa maksudmu aku belum mendarat? Kau baru saja melihat aku mendarat. Kuharap ada kopi menanti, ada sesuatu tentang materi eksotis di wormhole yang betul-betul merusak kopi.” “Tunggu sebentar,” seru Bob sedikit gelisah sekarang, “Aku bersungguhsungguh. Kurasa kau telah pindah ke kerangka waktu yang berbeda dariku. Aku tahu, lewat wormhole aku melihatmu mendaratkan roket, tapi di luar sana”—
dia melambai samar ke arah landasan luncur lewat jendela—“kau masih berada di tata surya sebelah luar. Roketmu pasti tidak berada di landasan luncur. Nyatanya, kau takkan kembali sampai besok!” Alice, tak mengherankan, sama sekali tak yakin. Dia bisa melihat Bob serius, tapi saat itu tidak ada yang tak logis sejauh dia memandang. Dia mencoba lagi: “Dengar, kita berdua sepakat bahwa sekarang hari Rabu. Nyatanya kita berdua telah dan sedang bersama-sama menghitung hari demi hari. Lebih dari itu, arloji kita masih sinkron. Karenanya kita berdua pasti berada di kerangka waktu yang sama. Dan, percayalah, aku betul-betul baru saja mendaratkan roket ini.” Tapi Bob tidak mendengarkan lagi dan khusyuk berpikir. Beberapa menit sebelumnya dia yakin paham mengapa Alice selalu mengklaim saat pulang dari perjalanannya bahwa dirinya pergi dalam waktu yang lebih pendek daripada yang dilalui oleh Bumi. Itu cuma karena bekerjanya relativitas khusus. Tapi wormhole sialan ini betul-betul terasa mengacaukan segalanya. Sejurus kemudian, kabut menyingsing dan dia mengerti. Dia mulai mengatakannya tanpa pikir, sebelum kebingungan lagi. “Alice, anggap saja kita tak punya wormhole. Aku takkan tahu bahwa kau telah mendarat. Nyatanya bagiku, dalam waktu Bumi, perjalananmu sebetulnya akan memakan lima belas hari dan aku takkan melihatmu sampai besok. Tapi bagimu, waktu roket, perjalanan hanya akan memakan empat belas hari. Bagimu waktu yang berlalu kurang, lantaran kecepatan tinggimu. Jadi kau mendarat pada hari Rabu menurut waktu roket, tapi Kamis menurut waktu Bumi. Kau telah bergerak satu hari ke masa depan.” Dia berhenti sejenak untuk memastikan bahwa Alice menyimak. “Teruskan,” kata Alice bergairah. “Well , tak peduli waktu kita disinkronkan lewat wormhole. Sepanjang perjalanan, kau terus-menerus menyeret mulut wormhole-mu ke masa depan waktu Bumi. Aku tahu bagimu sekarang Rabu. Memang, di dalam roket. Tapi setelah kau mendarat kembali di Bumi, aku khawatir kau harus mematuhi waktu Bumi.” “Kau terdengar seperti seorang pramugari,” Alice tertawa. “Terima kasih telah terbang bersama kami, dan tolong cocokkan arloji Anda dengan waktu setempat, hari ini Kamis.” “Yap. Bumi yang kau darati adalah hari esokku.” “Aku lebih suka berpikir bahwa aku berada di masa kini, bila itu tak apaapa bagimu, saudaraku.”
“Baiklah. Jika kau bersikeras bahwa dirimu berada di masa kini maka segala yang kau lihat saat memandang lewat wormhole adalah satu hari di masa lalumu. Kau sedang melihat sebuah waktu yang terjadi kemarin bagimu, saat kau masih sedang terbang pulang. Tapi aku sama-sama bisa mengklaim hidup di masa kini dan sedang memandang apa yang akan terjadi besok lewat wormhole. Setidaknya aku tahu kau akan mendaratkan roket dengan aman.” “Lantas sekarang bagaimana?” tanya Alice. “Well , wormhole sudah diubah menjadi mesin waktu. Kuakui bukan yang serbaguna tapi akan terus menghubungkan dua waktu yang terpisah sehari.” Alice dan Bob kini bisa memakai mesin waktu dua arah ini sesering mereka sukai. Bob dapat melangkah melaluinya untuk bergabung dengan kembarannya di hari Kamis, atau Alice bisa bergabung dengan Bob di hari Rabu. Mereka bisa membeli suratkabar Kamis, mencari hasil Lotere Nasional periode malam sebelumnya, pulang ke hari Rabu, dan memilih angka yang menang. Tentu saja Alice bisa bergabung dengan Bob di hari Rabu dan mereka bisa menunggu sampai Kamis, lalu keduanya pergi keluar dan menyaksikan Alice mendaratkan roket! Alice yang berada di dalam roket saat itu akan sedang mengobrol dengan Bob Rabu dan akhirnya akan memanjat lewat wormhole untuk bergabung dengan kembarannya dan menjadi Alice yang menunggu di luar. Jadi untuk sejenak akan ada dua Alice. Seandainya Alice memandang keluar roket sebelum memanjat lewat wormhole, dia akan telah melihat dirinya sendiri, dan Bob yang lain. Saya sengaja menghindari paradoks-paradoks perjalanan waktu dalam cerita ini. Tapi jika Anda sedang mencari masalah, mereka sangat mudah ditemukan. Sebagai contoh, apa yang akan terjadi jika Alice dan Bob yang sedang berdiri di luar untuk menyaksikan roket mendarat pada hari Kamis memeriksa roket itu dan naik ke dalam (dari luar roker dan bukan lewat wormhole), dan berupaya mencegah Alice dalam roket pergi lewat wormhole? Mereka bukan hanya pasti gagal sebab Alice betul-betul pergi lewat situ, tapi mereka bahkan tak bisa mengadakan kontak dengan Alice Roket sebab Alice Luar tak punya ingatan tentang perjumpaan semacam itu dengan dirinya sendiri saat menjadi Alice Roket! Inilah paradoks “tiada pilihan” yang timbul, dan kita harus meminta bantuan pada salah satu dari 2 metode penyelesaian yang saya bahas di Bab 7:
a) Jika Alice Luar tidak bisa ingat pernah bertemu dirinya sendiri saat dia berada dalam roket, maka dia jelas akan terlarang (entah bagaimana) berinteraksi dalam cara apapun dengan Alice Roket. Fisikawan menyebut skenario semacam itu sebagai solusi inkonsisten. b) Alam Semesta membelah dua saat wormhole menjadi mesin waktu. Anda mungkin juga menerima omong-kosong lezat di atas sepenuhnya. Namun, saya mesti menjelaskan bahwa cerita saya tak hanya melanggar hukum fisika, tapi juga bahwa terlalu banyak garam sangatlah buruk untuk Anda, dan merusak rasa. Jadi bagaimana kemungkinannya skenario semacam itu bisa menjadi kenyataan di masa mendatang? Sebagaimana saya jelaskan di akhir bab yang lalu, langkah (1) dan (2) dalam boks ‘Bagaimana membangun mesin waktu’ mungkin takkan pernah terealisasikan. Tapi jika itu bisa dilakukan dan kita bisa membuat traversable wormhole, adakah rintangan lain? Langkah (4), yang melibatkan penimbulan pergeseran waktu antara dua mulut wormhole dengan menjauhkan mereka dengan kecepatan tinggi, adalah satu-satunya persoalan jika Anda berpikir takkan pernah mungkin membangun roket yang mampu berjalan pada hampir kecepatan cahaya. Tentu saja itu bukan satu-satunya cara menimbulkan pergeseran waktu. Kita dapat, jika kita punya akses terhadap medan gravitasi yang cukup kuat, menggunakan efek dilasi waktu relativitas umum untuk memperlambat waktu di satu ujung wormhole. Ini bisa dicapai dengan membawa satu mulut wormhole dalam sebuah perjalanan mengelilingi black hole beberapa kali. Tentu saja orbitnya tak harus mengikuti simpal waktu tertutup sebab kita tidak membutuhkan mulut wormhole yang mengorbit tersebut untuk pergi ke masa lalu. Yang kita perlukan hanyalah melambatnya waktu secara relatif terhadap mulut lain yang jauh sekali dari black hole. Persoalan yang tak dapat diatasi? Ada sejumlah keberatan terhadap rencana mesin waktu wormhole. Semuanya didasarkan pada kalkulasi serius yang menunjukkan bahwa salah satu langkah tadi merupakan rintangan yang tak pernah bisa kita atasi. Yang paling serius adalah bahwa, sekalipun traversable wormhole bisa dibangun, dan pergeseran waktu timbul, langkah terakhir yaitu mendekatkan kedua mulut—yang mungkin Anda pikir paling mudah—nyatanya akan mengakibatkan wormhole
hancur. Diduga bahwa—meski tak ada seorangpun yang yakin—segera setelah wormhole menjadi mesin waktu, cahaya yang telah berjalan melaluinya akan mampu kembali, lewat ruang normal, ke mulut yang dimasukinya sebelum ia masuk. Ia lalu akan bisa masuk bersama dengan versi awalnya, sehingga menggandakan energinya. Tapi jika dua kali lebih banyak radiasi masuk dan bisa kembali ke pintu masuk sebelum ia masuk maka semestinya ia empat kali lebih intens, dan seterusnya. Nyatanya, kalkulasi menunjukkan bahwa saat kedua mulut (dengan kerangka waktu mereka yang berbeda) didekatkan agar sedikit cahaya yang meninggalkan mulut-keluar bisa kembali dan melewati mulut-masuk sebelum ia masuk, cahaya dalam jumlah tak terhingga akan seketika terhasilkan dengan mengalir lewat wormhole dan akan mengkolapskan leher wormhole atau menyebabkan kedua mulutnya meledak dalam sebuah ledakan energi. Cahaya (atau radiasi elektromagnetik) ini akan selalu menjadi persoalan sebab dihasilkan oleh kevakuman itu sendiri, dan karenanya disebut sebagai fluktuasi kevakuman. Seorang pakar wormhole, Tom Roman, telah menunjukkan bagaimana mesin waktu wormhole bisa dikonstruksi tanpa harus mengikuti langkah (5), mendekatkan mulut-mulut. Malah, sekali pergeseran waktu timbul antara kedua mulut dan sementara mereka terpisah jauh, dua mulut wormhole yang kedua, yang tak harus ditimbulkan pergeseran waktunya, bisa ditempatkan berdekatan dengan dua mulut wormhole yang pertama, sebagaimana dalam gambar 9.5. Sekarang Anda bisa pergi lewat wormhole pertama lalu gunakan wormhole kedua sebagai jalan pintas balik ke titik tolak Anda, pulang sebelum Anda mula-mula berangkat. Fluktuasi kevakuman yang bertumpuk dan menghancurkan sebuah wormhole saat mulut-mulutnya didekatkan kini di bawah kendali. Namun, semua kalkulasi yang sejauh ini dijalankan menunjukkan bahwa persamaan-persamaan relativitas umum masih memberi jawaban tak masuk akal segera setelah simpal waktu terbentuk dari konfigurasi wormhole ‘Romawi’ ini. Matt Viser mengemukakan bahwa kita bisa menempatkan serangkaian wormhole membentuk cincin. Masingmasing wormhole memiliki pergeseran waktu sedikit tapi tak cukup untuk menggunakan satu saja sebagai mesin waktu sebab, sekalipun kita pergi melaluinya, jarak antara kedua mulutnya di ruang normal akan terlampau jauh bagi kita untuk dicapai dari mulut-keluar menuju mulut-masuk sebelum kita masuk. Tapi kombinasi semua wormhole sebagaimana diperlihatkan dalam gambar 9.6 mungkin bisa bekerja.
u t k a W
Gambar 9.5. Mesin waktu Romawi yang menggunakan dua wormhole. Setelah menimbulkan pergeseran waktu di antara mulut A dan B wormhole (1), Anda tak perlu mengambil resiko menghancurkannya dengan mendekatkan mereka lagi. Justru, gunakan wormhole (2) untuk membawa Anda kembali ke titik tolak Anda. Langkah (i): pergi lewat A. Langkah (ii): keluar dari B lalu masuk ke C yang berada di sebelahnya. Langkah (iii): keluar dari D yang berada di sebelah titik masuk awal Anda di A , tapi di masa lalu. Stephen Hawking yakin bahwa alam melarang simpal waktu dan perjalanan waktu. Dia telah mengajukan apa yang dikenal sebagai penaksiran perlindungan kronologi yang sederhananya menyatakan bahwa perjalanan waktu ke masa lalu tidak boleh diperkenankan dalam fisika. Ini masih harus dibuktikan secara matematis tapi sejauh ini sama-sama belum disangkal. Jika penaksiran perlindungan kronologi ternyata memang merupakan hukum alam maka perjalanan waktu akan disingkirkan untuk selama-lamanya. Konfigurasi wormhole Romawi (entah dengan dua atau banyak wormhole) juga tampak memiliki persoalan, di mana matematikanya tidak memberi jawaban definitif, atau bahkan masuk akal.
‘Di sini‘ dan ‘Kini‘ Waktu
‘Di sini‘ di masa lalu
Gambar 9.6. Mesin waktu cincin Romawi yang menggunakan banyak wormhole, yang masing-masingnya memiliki pergeseran waktu sedikit di antara kedua mulutnya. Pergeseran waktu bertambah selagi wormhole-wormhole membawa Anda dalam perjalanan pulang-pergi kembali ke titik tolak Anda, di masa lalu. Temuan-temuan mutakhir mengindikasikan bahwa batu sandungan yang lebih mendasar lagi adalah materi eksotis, yang dibutuhkan untuk menjaga traversable wormhole tetap terbuka dulu. Sejumlah periset mengklaim bahwa kalkulasi mereka menyingkirkan kemungkinan memperoleh cukup materi eksotis untuk menjaga terus terbukanya wormhole yang lebih besar daripada wormhole quantum. Lantas mana yang harus kita percayai? Bisakah wormhole dibangun? Bisakah mereka membentuk mesin waktu? Bisakah simpal waktu terbentuk sama sekali di Alam Semesta? Anda telah mengumpulkan dari segala yang saya katakan dalam beberapa bab terakhir bahwa majelis hakim masih mempertimbangkan putusan atas semua pertanyaan ini. Kita betul-betul belum tahu pasti. Nyatanya, terlepas dari persoalan gamblang tentang bagaimana menjaga wormhole tetap terbuka dan bagaimana mengangkutnya, ada batu sandungan teoritis yang lebih mendasar. Mekanika quantum menggambarkan perilaku dunia amat kecil, sedangkan kebanyakan fenomena yang digambarkan dalam kerangka relativitas umum cenderung melibatkan perluasan dahsyat, massa besar, dan gaya raksasa. Bintang, black hole, galaksi, bahkan keseluruhan Alam Semesta, semuanya bersandar pada deskripsi gravitasi Einstein dan bagaimana itu mempengaruhi ruang dan waktu. Mereka jauh dari dunia quantum mikroskopis. Namun, ada sjeumlah proses, semisal radiasi Hawking dari
permukaan black hole, yang hanya bisa dipahami jika mekanika quantum dimasukkan ke dalam penjelasan. Tapi penggunaan sukses relativitas umum dan mekanika quantum untuk menjelaskan fenomena yang sama adalah hal langka. Itu hanya dicapai dengan secara artifisial mengentén aturan quantum pada relativitas umum secara taksiran. Alasannya, relativitas umum dan mekanika quantum tidak serasi. Simbiosis antara kedua deskripsi realitas yang sukses ini hanya akan tercapai jika mereka bisa digabung menjadi satu skema terpadu; teori gravitasi quantum yang meliputi segalanya. Sebelum kita menemukan teori semacam itu, kita takkan mampu menjawab secara definitif pertanyaan apakah penaksiran perlindungan kronologi Hawking betul-betul merupakan hukum alam atau bukan, sehingga melarang perjalanan waktu. Saya akan mengakhiri bab ini dengan sebuah kutipan dari Frank Tipler, fisikawan yang mempublikasikan paper serius pertama tentang bagaimana membangun mesin waktu. Tiga tahun setelah karya tersebut, pada 1977, dia mempublikaskan artikel yang lebih panjang di mana dia memeriksa secara lebih seksama kemungkinan realisasi mesin waktu silinder berotasi miliknya. Dia mengakhiri artikel itu dengan meminjam kutipan dari astronom Simon Newcomb yang telah menulis sejumlah paper di peralihan abad ini yang mempertahankan kemustahilan mesin terbang yang lebih berat daripada udara. Tipler merasa bahwa itu juga berlaku pada mesin waktu: “Demonstrasi bahwa tak ada kombinasi zat dikenal, bentuk mesin dikenal, dan bentuk gaya dikenal yang bisa disatukan dalam mesin yang dapat dijalankan yang dengannya manusia akan [pergi ke masa lalu], bagi penulis terasa sama mungkinnya dengan demonstrasi fakta fisikal.” Saya tak perlu mengingatkan Anda bagaimana Orville dan Wilbur Wright membuktikan Newcomb salah mengenai mesin terbang yang lebih berat daripada udara hanya beberapa tahun kemudian.
“Saya kini percaya bahwa seandainya saya menanyakan pertanyaan yang lebih sederhana lagi—misalnya, Apa yang Anda maksud dengan massa? atau percepatan, yang secara ilmiah ekuivalen dengan perkataan Bisakah Anda membaca?—tidak lebih dari satu di antara sepuluh orang berpendidikan tinggi akan merasa bahwa saya berbicara dengan bahasa yang sama. Begitulah bangunan besar fisika modern berdiri, dan mayoritas orang terpandai di dunia barat memiliki pemahaman tentangnya sebanyak yang dimiliki leluhur neolitik mereka.” C P Snow, The Two Cultures “Para penyair bilang sains menjauh dari keindahan bintangbintang—sekadar gumpalan atom-atom gas. Tak ada ‘sekadar’. Saya juga melihat bintang-bintang di gurun pasir malam hari., dan merasakan mereka. Tapi apakah saya melihat lebih kurang atau lebih banyak? Keluasan langit merentangkan imajinasi saya—terpaku di atas korsel ini, mata kecil saya bisa menangkap cahaya berumur satu juta tahun; pola luas yang saya merupakan bagiannya… Apa pola itu, atau maknanya, atau sebabnya? Tak merusak misteri sama sekali jika kita mengetahui sedikit lebih banyak tentangnya. Sebab kebenaran jauh lebih menakjubkan daripada yang dibayangkan seniman masa lampau manapun. Mengapa penyair masa kini tidak membicarakannya?” Richard Feynman, The Feynman Lectures on Physics, Volume 1
D
I bab terakhir ini saya ingin mencatat apa-apa yang kita yakin ketahui tentang Alam Semesta kita dan mempertimbangkan bagaimana kita kemungkinan besar membuat kemajuan.
Induk semua teori Teori gravitasi geometris (relativitas umum) Einstein dan mekanika quantum adalah dua pencapaian terhebat fisika abad 20, menjulang tinggi di atas segala yang lain yang sudah kita ketahui tentang dunia fisik kita dan selebihnya, sebelum maupun sesudah. Di antara semua teori, mereka telah memonopoli pasar sampai menggambarkan aspek-aspek realitas paling fundamental sebegitu teliti. Persoalannya adalah, sebagaimana saya sebutkan di bab yang lalu, mereka tidak serasi dengan satu sama lain. Mereka bersandar pada tipe matematika berlainan dan memiliki aturan dan prinsip pokok yang terpisah sama sekali. Relativitas umum mogok di singularitas dan simpal waktu tertutup, sedangkan mekanika quantum gagal menggambarkan gaya gravitasi dalam kerangkanya. Lantas seberapa dekat kita menuju teori gravitasi quantum; sebuah ‘theory of everything’ yang akan menampung aturan dan prinsip relativitas dan mekanika quantum dalam struktur matematikanya? Well , saat kita mengakhiri abad 20 dan memulai abad 21, kita mungkin sudah memiliki teori semacam itu dalam genggaman kita. Einstein merampungkan teori relativitas umumnya pada 1915, dan kemudian memainkan peran relatif (saya tak bermaksud bermain kata-kata) kecil dalam perkembangan teori quantum yang datang yang menyibukkan sebagian besar fisikawan terkemuka lain di dunia selama lebih dari sepuluh tahun berikutnya. Tapi setelah ide dan matematika pokoknya dipilahpilah, apa lagi yang harus dilakukan? Seseorang sejenius Einstein takkan puas menerangkan sesuatu sejelas-jelasnya. Jadi selama tiga puluh tahun terakhir hidupnya, Einstein mencari, tapi tak berhasil, apa yang disebut teori medan terpadu; sebuah teori yang akan mengkombinasikan relativitas umum dengan teori cahaya (atau lebih tepatnya elektromagnetisme) bukan dengan mekanika quantum. Einstein mencoba sejumlah pendekatan tapi tak pernah memperlihatkannya. Konon paper-paper berisi teori tak rampungnya ditemukan di mejanya setelah dia wafat. Yang paling elegan secara matematis, tapi pada saat bersamaan paling membingungkan, di antara kandidat teori terpadu yang Einstein kerjakan adalah karya dua matematikawan: Theodor Kaluza asal Polandia dan Oskar Kelin asal Swedia. Kaluza mengerjakan semua penelitian dasar dan, pada 1919, mengirim sebuah paper kepada Einstein yang di dalamnya dia mengajukan cara menjelaskan radiasi elektromagnetik dalam kerangka relativitas umum.
Kaluza memperlihatkan bahwa yang dibutuhkan untuk mencapai hal ini adalah menuliskan persamaannya bukan di ruangwaktu 4D melainkan ruangwaktu 5D dengan memasukkan sebuah dimensi ruang tambahan. Walaupun ini terdengar sembarangan dan jauh dari apa yang kita anggap sebagai realitas, ini relatif mudah dikerjakan secara matematis, di mana kita bisa menambah dimensi sebanyak yang kita sukai. Tapi apakah dimensi ruang keempat yang Kaluza ajukan ini riil? Kita tentu tak tahu apakah itu ada di luar sana. Tapi saat memasukkan dimensi tambahan ini, Kaluza menemukan bahwa cahaya, bukannya merupakan medan elektromagnet bolak-balik di ruang 3D, nyatanya adalah vibrasi dimensi kelima ini. Begitulah ceritanya. Tapi jangan cemas, saya juga tidak betul-betul mengerti apa artinya ini. Yang bisa kita katakan hanyalah bahwa itu mencoba menjelaskan asal-muasal cahaya pada level geometris dan lebih fundamental sebagaimana Einstein menggambarkan gravitasi sebagai kelengkungan ruangwaktu 4D. Tak hanya itu, dimensi kelima ini tidak membentang dalam garis lurus seperti tiga dimensi ruang lainnya melainkan ‘menggulung’ ke dirinya sendiri. Cara sederhana untuk memvisualisasikan ini adalah dengan memikirkan dunia2D. Bayangkan ruang flat 2D menggulung hingga menghasilkan silinder. Salah satu dimensinya— dimensi yang menunjuk ke sepanjang panjangnya—tetap tak berubah, sedangkan dimensi lainnya telah menggelung/mengikal menjadi lingkaran. Persoalannya tentu saja adalah bahwa, terlepas dari keeleganan matematika teori Kaluza, tak ada sepotong bukti eksperimen apapun yang mengindikasikan bahwa dimensi kelima ini betul-betul eksis. Bahkan Einstein, meski terkesan dengan cara Kaluza menyatukan cahaya dan gravitasi, tak mau mempercayai kenyataan dimensi kelima. Bagaimanapun juga, dia sudah agak enggan untuk bahkan menerima ide ruangwaktu empat-dimensi. Setidaknya keempat dimensi (satu dimensi waktu dan tiga dimensi ruang) itu riil. Alasan utama skeptisisme Einstein dan yang lainnya adalah karena kita tak pernah melihat dimensi tambahan ini. Pertanyaan ini terjawab pada 1926 ketika Oskar Klein mengemukakan bahwa penyebab itu tidak bisa dideteksi adalah lantaran menggulung menjadi lingkaran begitu kecil yang bahkan miliaran kali lebih kecil daripada atom. Bayangkan lagi salah satu dimensi dunia2D menggulung membentuk permukaan silinder. Klein mengatakan bahwa silinder tersebut akan begitu tipis sehingga terlihat seperti garis. Dengan kata lain, dunia2D akan tampak satu-dimensi dan kita akan berkata bahwa dimensi keduanya tersembunyi. Rasanya saya tidak dapat memberi Anda contoh dimensi yang
lebih tinggi daripada ini sebab, sebagaimana kita simak di Bab 1, kita memerlukan dimensi ketiga untuk melengkungkan salah satu dimensi dunia2D ke dalamnya. Anda kira telah meninggalkan semua hal memusingkan tentang dimensi itu. Itu belum seberapa! Baca terus. Setelah berdekade-dekade di hutan belantara, teori Kaluza-Klein muncul kembali pada akhir 1970-an. Saat itu teori terpadu yang dicari-cari para fisikawan teoritis ambisius harus bernyanyi dan menari. Menyatukan gravitasi dan cahaya tidaklah cukup. Pada waktu itu, sudah ditetapkan tanpa ragu bahwa semua fenomena di alam bisa, pada level paling fundamental, digambarkan oleh empat gaya. Gaya gravitasi adalah satu gaya dan gaya elektromagnetik adalah gaya lainnya. Gaya elektromagnetik adalah gaya tarik di antara muatanmuatan listrik yang menjaga kesatuan semua atom dengan mempertahankan elektron bermuatan negatif dalam cengkeraman nukleus atom yang bermuatan positif. Ia juga merupakan gaya tarik yang dikerahkan oleh magnet terhadap magnet lain dan terhadap logam tertentu. Saya mesti menguraikan bahwa, meski gaya listrik dan magnet tampak terpisah, ini sebetulnya cuma luarnya saja. Micheal Faraday telah menunjukkan di abad 19 bahwa mereka terhubung erat dan asal-muasal mereka adalah dari gaya elektromagnetik yang sama. Hampir semua fenomena yang kita saksikan di sekeliling kita adalah berkat salah satu dari dua gaya ini: gravitasi dan elektromagnetisme. Kita sekarang tahu bahwa ada, selain dua gaya ini, dua gaya lain yang hanya beraksi dalam perbatasan kecil nukleus atom, tapi sama pentingnya dengan dua gaya pertama sepanjang menyangkut hukum fundamental alam. Jadi teori tertinggi yang sedang dicari pada akhir 1970-an adalah teori yang tak hanya menyatukan gravitasi dengan elektromagnetisme, seperti yang dilakukan Kaluza-Klein, melainkan juga yang mencakup dua gaya nuklir. Teori semacam itu disebut ‘theory of everything’, sebab akan menunjukkan bagaimana keempat gaya alam merupakan satu ‘supergaya’ saja. Alasan mengapa teori Kaluza-Klein kembali populer adalah lantaran cara cerdiknya yang mampu menyatukan gaya-gaya padahal dimensi-dimensi ruang lebih tinggi dimasukkan ke dalam persamaannya. Tentu saja dengan empat gaya, bukan cuma dua, yang harus dihadapi, dibutuhkan lebih dari satu dimensi tambahan. Akhirnya, pada pertengahan 1980-an, sebuah kandidat teori ditemukan. Ia dijuluki sebagai teori superstring dan segera berkembang menjadi teori paling maju, elegan, rumit, kuat, dan samar yang pernah
ditemukan. Bagaimanapun juga, ia adalah teori sepuluh dimensi. Jika benar, ia menyatakan bahwa kita hidup di alam semesta sepuluh-dimensi. Tapi sekarang enam dimensi ruang tambahannya menggulung menjadi bola kecil dimensi tinggi yang tak pernah bisa kita deteksi, menyisakan empat dimensi ruangwaktu saja. Teori superstring dinamai demikian sebab ia menyatakan bahwa segala sesuatu pada akhirnya terbuat dari string-string kecil yang bervibrasi di sepuluh dimensi. Ini mungkin terdengar gila tapi ia betul-betul mencapai penyatuan relativitas umum dengan mekanika quantum yang, bagaimanapun juga, merupakan gelas suci fisika. Jadi jika teori superstring merupakan teori final gravitasi quantum yang dicari-cari fisikawan, apakah perburuan selesai? Dan, yang lebih penting untuk Anda pembaca terhormat, apa persamaannya mengandung jawaban terhadap pertanyaan apakah perjalanan waktu diperkenankan atau tidak? Rasanya masih terlalu dini untuk bicara. Banyak fisikawan menggambarkan superstring sebagai teori abad 21 yang ditemukan terlalu dini: sebelum kita sempat mengembangkan perangkat matematis canggih yang diperlukan. Sepertinya ia terlalu sulit bagi siapapun untuk dipahami sepenuhnya. Matematikanya di luar jangkauan kemampuan terkini sebagian besar, jika tidak semua, matematikawan. Tak hanya itu, pada awal 1900-an ada lima versi teori superstring berlainan dan tak ada seorangpun tahu mana versi yang benar, atau apakah sungguh-sungguh ada versi tunggal. Lalu pada 1995, seorang ilmuwan yang dijuluki sebagai ‘orang tercerdas di Bumi’ menemukan jawaban, mungkin MEMANG jawaban. Namanya adalah Edward Witten dan dia bekerja di Institute for Advanced Study di Princeton, New Jersey (tempat Einstein menghabiskan tahun-tahun terakhirnya). Bersama dengan seorang kolega, Paul Townsend dari Universitas Cambridge, Witten percaya dirinya telah menemukan penyebab ada begitu banyak versi teori superstring. Harga yang harus dibayar relatif murah di bawah keadaan itu. Witten meminta cukup satu tambahan dimensi! Dengan sebelas dimensi, bukannya sepuluh dimensi, banyak persoalan teori superstring lenyap. Kini string-string kecil digantikan dengan helaian yang dikenal sebagai membran dan teori baru Witten dan Townsend itu disebut teori membran, atau singkatnya teori-M. Namun, ‘M’ sering dianggap sebagai singkatan dari ‘Magic’, ‘Mystery’, atau bahkan ‘Mother’, sebab ini betul-betul akan menjadi induk semua teori.
Tapi bisakah kita terus berjalan? Bagaimana seandainya versi-versi lain teori-M ditemukan? Mungkin penambahan dimensi kedua belas akan mengobati keadaan. Nyatanya, mengapa tidak memasukkan beberapa dimensi lagi saja untuk menjaga segala kemungkinan agar aman! Ternyata ini tidak mungkin. Ada sesuatu yang secara matematis sangat istimewa pada sepuluh dimensi teori superstring dan sebelas dimensi teori-M. Fisikawan sudah membuat kemajuan dalam memahami makna teori-M, walaupun saya mengira perlu beberapa dekade sebelum semua magic dan mystery -nya terbongkar. Salah satu pertanyaan utama yang harus dijawab tentu saja adalah mengapa dan bagaimana semua dimensi tambahan itu menggulung dan terperas hingga menyisakan empat dimensi saja. Pemikiran mutakhir mengatakan bahwa ini terjadi pada momen Big Bang. Ini mengimplikasikan bahwa ada sesuatu sebelum Big Bang. Mungkin tiga dimensi ruang dan satu dimensi waktu kita adalah bagian dari alam semesta sepuluh atau sebelas-dimensi yang jauh lebih besar di mana semua gaya alam terpadu menjadi satu. Big Bang lalu menyebabkan sepuluh atau sebelas dimensi ruang tergumal hingga ukuran yang takkan pernah mampu kita akses. Akhir fisika teoritis Anda mungkin berpikir berdasarkan pembahasan di bagian sebelumnya bahwa akhir fisika teoritis sudah tampak. Mungkin teori-M akan menjawab semua pertanyaan kita, termasuk pertanyaan yang sampai sekarang dianggap berada di luar alam sains. Mungkin kita orang tak penting semestinya duduk di tempat saja selagi Witten dan kolega-koleganya memilah detil-detil teori-M beberapa tahun ke depan. Lalu semua fisika fundamental akan ketahuan. Saya di antara orang-orang yang tidak menganut pandangan tersebut. Ini sebagian disebabkan oleh fakta bahwa saya bukan pakar teori superstring atau teori-M, dan karenanya tidak bisa memiliki perasaan bergairah yang pasti dirasakan praktisi bidang-bidang ini. Tapi ada alasan lain yang lebih bisa dibenarkan atas skeptisisme saya. Sementara banyak fisikawan percaya tegas bahwa kita sudah memiliki teori gravitasi quantum dalam bentuk superstring atau teori-M multidimensi, ada orang lain yang tidak begitu yakin. Mereka menyamakan dengan kondisi fisika di akhir abad lalu ketika dianggap bahwa akhir fisika sudah tampak dan bahwa semua hukum alam sudah terbongkar dan dipahami. Saat itu muncullah penemuan sinar X dan keradioaktifan, Max Planck menyatakan bahwa energi tersusun dari paket-paket tersendiri, atau quantum,
dan Einstein menggulingkan pandangan ruang dan waktu Newtonian. Seratus tahun lalu tak ada ilmuwan dengan impian tergila sekalipun yang bisa menyangka apa yang akan terjadi seperempat abad berikutnya. Lantas mengapa kita mesti begitu yakin hari ini? Nyatanya, sejarawan sains menguraikan bahwa saat itu para ilmuwan barangkali lebih dibenarkan dalam berpikir bahwa akhir fisika sudah tampak ketimbang kita hari ini. Beberapa fisikawan terkemuka dunia, semisal Roger Penrose dan David Deutsch, tegas percaya bahwa sebelum mekanika quantum dan relativitas dapat disatukan menjadi teori gravitasi quantum, salah satu atau bahkan kedua teori ini mungkin memerlukan pembedahan besar. Beberapa ide dalam fisika bertahan terhadap ujian waktu dan berkembang perlahan seraya bukti eksperimen yang mendukungnya berakumulasi sedikit demi sedikit. Berangsur-angsur kita semakin memahaminya dan tumbuh yakin bahwa mereka adalah deskripsi yang benar tentang Alam Semesta fisik. Ide-ide lain mendadak tampil ke pentas gara-gara momen hebat tertentu atau hasil eksperimen mengejutkan. Tapi banyak teori dibuang ke tumpukan sampah ketika gagal melewati ujian penyelidikan yang lebih cermat. Beberapa teori sukses telah menimbulkan revolusi dalam cara kita memandang dunia—dikenal sebagai pergeseran paradigma dalam pandangan kita. Ini terjadi pada teori relativitas Einstein saat dia menyatakan bahwa ada kebutuhan akan eter yang melaluinya gelombang cahaya menjalar. Ini segera membawa pada kesimpulan bahwa sorot cahaya berjalan pada kecepatan yang sama, baik kita bergerak mendekati sumber cahaya ataupun menjauhinya. Pada gilirannya, ini menghasilkan fakta tak terelakkan bahwa waktu berjalan lebih lambat bagi pengamat berbeda. Tapi tentu mekanika quantum tak mungkin salah, kan? Kemampuan prediksinya tidak diragukan, ia sudah ada selama 75 tahun dan kini menopang sebagian besar sains modern. Tentu saja, siapapun yang mempelajari sesuatu tentang mekanika quantum akan mengakui betapa anehnya ia menunjukkan dunia mikroskopis, tapi argumen standar berbunyi seperti ini: formalisme matematikanya benar, makna persamaannyalah yang tidak dipahami secara benar, dan itu adalah urusan filsafat bukan fisika. Mayoritas fisikawan hari ini percaya bahwa meski ada sekumpulan interpretasi mekanika quantum yang berlainan di pasaran, yang semuanya sama-sama valid, kerangka matematis dasarnya benar dan interpretasi mana yang dianut hanyalah soal selera pribadi.
Entah Anda percaya interpretasi Kopenhagen di mana tak ada yang eksis sampai diamati, ataupun interpretasi many-worlds di mana Alam Semesta membelah menjadi salinan berjumlah tak terhingga, ataupun interpretasi Bohmian di mana sinyal berjalan lebih cepat daripada cahaya, atau bahkan, yang lebih baru, interpretasi transaksional di mana sinyal berjalan terbalik dalam waktu, itu tak masalah. Belum ditemukan eksperimen yang bisa membedakan pandangan-pandangan yang bersaing ini. Satu-satunya hal yang kita yakini adalah bahwa mekanika quantum tidak memiliki penjelasan sederhana yang masuk akal. Menurut pendapat saya, perkataan bahwa makna persamaan matematika yang menggambarkan realitas pada level paling fundamentalnya tidak penting, dan bahwa yang kita mesti perhatikan adalah bilangan yang kita peroleh dengan memecahkan persamaan-persamaan ini, merupakan pengelakan pengecut. Pada sepuluh tahun belakangan atau lebih saya, dan semakin banyak fisikawan, menjadi yakin bahwa tidak semua interpretasi mekanika quantum benar. Alam berperilaku dengan cara tertentu dan fakta bahwa kita masih harus memikirkan apa yang sebetulnya terjadi adalah sesuatu yang harus ditangani dengan benar. Contoh, apakah Alam Semesta membelah menjadi banyak salinan atau tidak. Sial kita jika tidak bisa mencaritahu apakah ini terjadi atau tidak, tapi kita tak boleh berhenti berusaha. Kita mungkin tak pernah berhasil menemukan apa yang sebetulnya sedang berlangsung, tapi sesuatu pasti sedang berlangsung. Saya percaya suatu hari nanti kita akan tahu. Saat menjadi mahasiswa riset, pahlawan saya adalah almarhum John Bell, seorang fisikawan teoritis Irlandia dan salah seorang pakar mekanika quantum terkemuka abad 20. Dia juga, bagi saya bagaimanapun juga, adalah suara akal saat tiba pada pembahasan interpretasi mekanika quantum. Selama tahun 1920-an, dua raksasa fisika, Neils Bohr dan Einstein, berdebat lama tentang makna teori tersebut yang kala itu masih baru. Einstein berargumen bahwa mekanika quantum tidak bisa menjadi perkataan terakhir dan bahwa pasti ada sesuatu yang luput, sedangkan Bohr mengklaim bahwa mekanika quantum memberitahu kita semua hal yang dapat kita ketahui tentang alam. Bohr yakin bahwa teori-teori fisika tidak menggambarkan realitas secara langsung melainkan hanya yang dapat kita ketahui tentang realitas. Versi mekanika quantum miliknya jadi dikenal sebagai pandangan Kopenhagen sebab di sanalah institutnya bermarkas. Einstein, di sisi lain, merasa bahwa
sebuah teori bagus harus bersifat ontologis, dalam arti bahwa itu menggambarkan bagaimana realitas sebetulnya. Mekanika quantum semestinya tak berbeda. Umumnya dinyatakan bahwa Bohr memenangkan perdebatan itu dan sejak saat itu bergenerasi-generasi fisikawan mengikuti pandangan Kopenhagen. Saya adalah pengunjung rutin Neils Bohr Institute di Kopenhagen di mana banyak riset masih berlangsung hari ini. Dari luar, tempat itu terlihat seperti sekumpulan bangunan kecil agak aneh yang dikerdilkan oleh rumah sakit besar di dekatnya. Namun di dalam, mudah sekali pengunjung tersesat di banyak terowongan dan lorong bawah tanah yang menghubungkan bangunanbangunan. Bagaimanapun, inspirasi sejati saya timbul dari berjalan-jalan di taman belakang Institut tersebut di mana Bohr dan raksasa fisika awal abad 20 lainnya menghabiskan begitu banyak waktu untuk mencoba memikirkan implikasi aneh mekanika quantum baru itu. John Bell adalah generasi terkemudian. Saya mendengar kuliahnya dalam sejumlah kesempatan di mana dia selalu berkata dirinya merasa bahwa orang-orang yang menganut pandangan Kopenhagen adalah seperti burung unta dengan kepala di pasir, tak berani mempertanyakan makna mekanika quantum yang lebih dalam, melainkan puas mengikuti secara buta aturanaturannya yang bekerja begitu baik. Ini mencemaskan Bell sebab dia merasa fisika semestinya merupakan usaha memahami makna lebih dalam mengenai apa yang berlangsung di alam. Namun, Bell sama sekali bukan golongan pinggiran. Dia merupakan salah satu figur paling dihormati dalam dunia fisika sejak awal 1960-an dan telah membuat beberapa penemuan terpenting dalam fisika modern. Saya berjumpa dengannya untuk terakhir kalinya dalam sebuah pertemuan American Physical Society di Baltimore pada 1989, setahun sebelum kematiannya. Saya pernah menghadiri sebuah pertemuan pinggiran mengenai fondasi mekanika quantum di mana pembicaranya mengajukan suatu interpretasi baru, dan jelas-jelas meragukan. Saya lihat John Bell juga ada di antara hadirin. Selanjutnya pagi itu, saya berdua bersama Bell dalam lift untuk menuju kafetaria di lantai teratas pusat konferensi tersebut. Dalam rangka memulai perbincangan dengan sosok besar itu, saya bertanya apa menurutnya tentang pembicaraan terakhir. “Oh, dia jelas keliru,” senyumnya, “dia jelas tak mengetahui persoalan helium.”
“Jelas tidak,” saya tertawa tak sabar, penasaran apa sebetulnya persoalan helium itu, tapi berusaha keras memastikan dia menyadari bahwa saya sependapat penuh dengannya. Saya ingat pernah bertanya kepada Bell setelah dia memberikan kuliah di Queen Mary College London. Dia baru berargumen bahwa dirinya penggemar interpretasi mekanika quantum David Bohm yang menggambarkan keseluruhan Alam Semesta saling terhubung pada level quantum sehingga sesuatu yang terjadi pada sebuah atom di Bumi ini mungkin seketika itu juga mempengaruhi atom lain di galaksi berbeda. Tipe keterhubungan di antara semua partikel di Alam Semesta ini dikenal sebagai non-lokalitas, atau “tindakan di kejauhan”, dan mensyaratkan suatu jenis sinyal yang pasti berjalan lebih cepat daripada cahaya. Tapi tentu saja, tanya saya kepada Bell, ini melanggar teori relativitas khusus Einstein. Dia menyahut bahwa dirinya lebih bersedia membuang relarivitas khusus daripada realitas itu sendiri, harga yang betul-betul harus dibayar jika mempercayai pandangan Kopenhagen. Anda paham, menurut Bohr tak ada yang eksis di dunia quantum sampai kita mengukurnya dan mengamatinya, dan karena bagaimanapun juga segala sesuatu akhirnya tersusun dari objek quantum, maka tak ada (bahkan halaman berikut buku ini) yang eksis sampai kita menatapnya. Bell bersikeras bahwa jika tidak demikian, di mana kita akan menarik garis antara dunia mikroskopis yang mematuhi aturan quantum dan dunia makroskopis kehidupan keseharian? Astronomi versus astrologi Cara banyak fisikawan dan filsuf terpecah soal makna mekanika quantum hari ini lebih seperti perbedaan keyakinan keagamaan. Beberapa mempertahankan pandangan mereka secara bernafsu dan berargumen bahwa siapapun yang memegang pandangan lain adalah bodoh dan salah. Yang lainnya bersikap agnostik dalam arti bahwa mereka tidak bisa memutuskan versi mekanika quantum mana yang harus ‘diimani’. Karena interpretasi pilihan seseorang tidak bisa dibuktikan, demikian pula pandangan lawan tak bisa disangkal, ini menjadi masalah keyakinan. Ini bukan cara sains semestinya bekerja, tidak pula secara umum. Kutipan berikut adalah dari fisikawan Michio Kaku dalam bukunya, Hyperspace: “Beberapa orang menuduh ilmuwan menciptakan teologi baru berlandaskan matematika; dengan kata lain, kita telah menolak mitologi agama, hanya demi memeluk agama yang lebih aneh
lagi berlandaskan ruangwaktu melengkung, kesimetrian partikel, dan perluasan kosmik. Sedangkan pendeta menyanyikan mantera dalam bahasa Latin yang hampir tidak dipahami siapapun, fisikawan menyanyikan persamaan rahasia yang dipahami oleh lebih sedikit lagi orang. ‘Iman’ pada Tuhan maha kuasa kini digantikan dengan ‘iman’ pada mekanika quantum dan relativitas umum.” Lantas bagaimana non-ilmuwan bisa yakin akan apapun yang dikatakan ilmuwan kepadanya? Jangan pernah berpikir bahwa fisika adalah tentang keterbukaan terhadap keraguan dan ketidakpastian atau bahwa deskripsi kita tentang realitas hanyalah soal selera pribadi. Hari ini Kamis, karenanya saya meyakini adanya alam semesta paralel, besok saya akan mengenakan kaos kaki biru keberuntungan saya dan dengan demikian saya akan teguh menganut gagasan bahwa string kosmik eksis dan seterusnya. Sains adalah tentang penemuan aturan-aturan yang alam turuti, penemuan sebuah teori lalu mengujinya lagi dan lagi untuk melihat apakah itu merupakan deskripsi realitas yang tepat. Jika gagal, dibuang. Banyak non-ilmuwan sering menganggap kami terlalu berpikiran sempit dan berkeras memegang ide dan kemungkinan baru, terutama saat sampai pada hal-hal semacam fenomena paranormal. Namun, saat diberitahu bahwa kristal tertentu mempunyai kekuatan magis menyembuhkan atau bahwa itu bisa merespon suatu jenis energi psikis, seorang ilmuwan akan ingin tahu bentuk energi apa ini, dan apakah kekuatan yang diduga dimiliknya bisa dijelaskan oleh hukum alam yang dikenal. Bisakah itu direplikasi? Bisakah itu diukur? Jika itu energi atau gaya baru, bisakah atributnya dipahami? Fakta jelas dan sederhananya adalah bahwa, sejauh ini, dan percayalah pada saya bahwa banyak orang telah mencari-cari selama lebih dari seratus tahun, belum ada bukti ilmiah apapun tentang fenomena psikis manapun. Ini bukan karena ingin mencoba atau akibat kurangnya imajinasi atau cukupnya keterbukaan berpikir pada sebagian ilmuwan melainkan lebih karena semua klaim semacam itu cepat lenyap di hadapan tuntutan keras penyelidikan ilmiah. Ingat bahwa ilmuwan harus berpikiran terbuka atau mereka takkan pernah menemukan sesuatu yang baru, tapi mereka sangat meyakinkan saat dihadapkan dengan fenomena baru atau belum terjelaskan. Seorang rekan fisikawan saya, James Christley, pernah mengutipkan saya ucapan:
“Berpikirlah terbuka tapi jangan terlalu banyak sebab otakmu bisa rontok.” Ini nasehat sehat. Kita telah melewati jalan panjang sejak zaman takhayul dan sihir. Ratusan tahun lalu, astrologi mempunyai cengkeraman kuat atas masyarakat. Hari ini kebanyakan orang tahu bahwa tak masuk akal mempercayai bahwa sebuah bintang jauh, yang cahaya darinya mungkin telah berjalan selama ribuan tahun sebelum menjangkau kita, bisa mempunyai efek nyata terhadap cara kehidupan sehari-hari kita dimainkan. Tapi di abad 16, astronom pun meyakini astrologi. Contoh lain adalah asal-usul kata ‘flu’ yang merupakan singkatan untuk kata Italia ‘influenza’ yang berarti ‘influence’ (pengaruh) planet-planet, sebab dipercaya bahwa mereka mempengaruhi kesehatan kita. Apa Anda percaya itu sekarang atau apa Anda menerima bahwa ada virus flu? Sains membuat kemajuan sepanjang waktu, dan kemajuan itu menuju kebenaran dan pencerahan. Jalurnya tidak selalu lurus dan terkadang kita menaiki jalan buntu, tapi secara keseluruhan kita telah memperoleh kemajuan yang cukup mengesankan. Karena saya bermaksud eksis selama paruh pertama abad 21, saya berharap selama periode itu kita menemukan bahwa Alam Semesta masih mempunyai banyak kejutan untuk kita. Pesona sains Ketika beberapa kolega saya pertama kali tahu bahwa saya sedang menulis sebuah buku tentang wormhole dan mesin waktu—ingat, black hole sangat terhormat—mereka mencemooh proyek tersebut, mengklaim bahwa itu bukan fisika riil , bahwa saya sedang menjual demi popularisasi vulgar. Ini adalah barang jenis X-Files dan tak punya tempat dalam sains serius. Benar, untuk menyampaikan kegairahan fisika abad 20 kita tak perlu bergulat dengan pertanyaan mendalam seperti bagaimana dan mengapa Alam Semesta menjadi eksis. Jika kita mau memandang sekitar kita, kita lihat bahwa seluruh dunia dipenuhi dengan keajaiban. Mengapa saya tidak menuliskan tentang itu? Mengapa menanyakan tentang apa yang mungkin, atau mungkin tidak, berlangsung di tengah-tengah sebuah black hole padahal saya bisa menanyakan pertanyaan sederhana seperti ‘Mengapa langit berwarna biru?’ ‘Mengapa tidak hijau atau kuning?’. Sayangnya, yang menyedihkan saya bukanlah bahwa sebagian besar orang tidak tahu jawaban pertanyaan ini, tapi lebih bahwa mereka barangkali tidak mau tahu. Bagaimanapun juga, buku ini
adalah tentang berbagi keterpesonaan seumur hidup saya terhadap konsep waktu. Ilmuwan adalah orang aneh. Bukan, saya bukan bermaksud bahwa kami adalah orang canggung secara sosial yang eksentrik, tapi lebih bahwa kami tetap kekanak-kanakan dalam hasrat tak berujung kami untuk mengetahui ‘mengapa’. Saya merasa fantastis bahwa atom yang menyusun tubuh saya dihasilkan di dalam suatu bintang jauh miliaran tahun lampau; sebuah bintang yang meledak sebagai supernova, menghujani kosmos dengan abunya. Sebagian abu ini lalu perlahan berkondensasi dan memanas lagi untuk membentung bintang baru, Matahari kita, beserta planet-planetnya. Jika Anda tidak terpesona juga oleh ini maka kita berbeda. Tapi, hey, kita tidak semuanya bisa dirangsang oleh sains; ada terlalu banyak hal lain berlangsung, dan hidup itu singkat. Saya menduga pertanyaan tentang makna waktu, apakah ia mengalir, apakah masa lalu dan masa depan berkoeksis dengan masa kini, dan apakah suatu hari nanti kita akan bisa mendatangi keduanya, adalah pertanyaan yang lebih penting daripada keingintahuan ilmiah. Sedikit-banyak, itu telah membuat buku ini mudah ditulis sebab saya belum bekerja keras meyakinkan Anda bahwa materi subjek tersebut menarik. Bicara soal waktu, barangkali sekarang waktunya saya mengakhiri buku ini dan menghabiskan waktu berkualitas yang sudah lama dinantikan bersama keluarga saya. Tapi sudahkah saya mencapai apa yang saya maksud? Jadi perjalanan waktu ke masa lalu barangkali tak pernah memungkinkan, wormhole barangkali tak eksis di Alam Semesta kita, dan barangkali tak ada apa-apa di ‘sisi lain’ sebuah black hole. Tapi saya ingin menjelaskan kepada non-ilmuwan beberapa konsep paling mendalam tentang ruang dan waktu, dan jika itu bisa dibuat lebih enak dan menarik dengan berspekulasi tentang kemungkinan membangun mesin waktu, mengapa tidak? Saya harap buku ini menghibur dan juga informatif. Saya tak pernah bermaksud menuliskan mata kuliah pengantar teori relativitas, tapi yang sudah saya sodorkan kepada Anda, saya harap, adalah pandangan sekilas tentang fisika modern dan merupakan kesempatan berbagi dengan saya kegairahan merenungkan beberapa pertanyaan mendalam tentang eksistensi. Saya harap Anda menikmatinya. SELESAI
(References marked with a * symbol denote a non-technical book or article that would serve as further reading material.) * Abbot E 1984 Flatland: A Romance of Many Dimensions (New York: New American Library) * Allen B and Simon J 1992 Time travel on a string Nature 357 19–21 * Asimov I 1972 Biographical Encyclopaedia of Science and Technology (London: Pan) * Barrow J D and Silk J 1983 The Left Hand of Creation (London: Unwin) Branch D 1998 Density and destiny Nature 391 23–24 Bucher M A, Goldhaber A S and Turok N 1995 Open universe from inflation Physical Review D 52 3314–3337. Preprint available at xxx.lanl.gov/abs/ hep-ph/9411206 on the World Wide Web * Bucher M A and Spergel D N 1999 Inflation in a low density universe Scientific American January, 43–49 Capek M (ed) 1976 The Concepts of Space and Time (Boston Studies in the Philosophy of Science) vol XXII (Dordrecht: Reidel) Clark S 1997 Redshift (Hatfield: University of Hertfordshire Press) Coles P 1998 The end of the old model universe Nature 393 741–744 * Couper H and Henbest N 1998 To the Ends of the Universe (London: Dorling Kindersley) Curry C 1992 The naturalness of the cosmological constant in the general theory of relativity Studies in the History and Philosophy of Science 23 657–660 Davies P 1974 The Physics of Time-Asymmetry (Surrey University Press– University of California Press) Davies P 1983 Inflation and time asymmetry in the Universe Nature 301 398–400 Davies P (ed) 1989 The New Physics (Cambridge: Cambridge University Press) Davies P 1995 About Time (London: Penguin)
* Deutsch D 1997 The Fabric of Reality (London: Penguin) * Deutsch D and Lockwood M 1994 The quantum physics of time travel Scientific American March, 50–56 * Dewdney A K 1984 The Planiverse (London: Picador) De Witt B S and Graham N (ed) 1973 The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics (Princeton, NJ: Princeton University Press) Droz S, Israel W and Morsink S M 1996 Black holes: the inside story Physics World January, 34–37 Flanagan ´E ´E and Wald R M 1996 Does back reaction enforce the averaged null energy condition in semiclassical gravity? Physical Review D 54 6233–6283 Ford L H and Roman T H 1996 Quantum field theory constrains traversable wormhole geometries Physical Review D 53 5496–5507 Gold T 1962 The arrow of time American Journal of Physics 30 403–410 Gott J R 1991 Closed timelike curves produced by pairs of moving cosmic strings: exact solutions Physical Review Letters 66 1126–1129 Guth A H and Steinhardt P 1984 The inflationary universe Scientific American May, 116–120 * Gribbin J 1986 In Search of the Big Bang (London: Heinemann) * Gribbin J 1992 In Search of the Edge of Time (London: Penguin; NewYork: Harmony) * Gribbin J 1995 Schr¨odinger’s Kittens (London: Weidenfeld and Nicolson) * Gribbin J 1996 Companion to the Cosmos (London: Pheonix Giant) * Halliwell J J 1991 Quantum cosmology and the creation of the universe Scientific American December, 28–35 Halliwell J J, P´erez-Mercader J and ZurekWH(ed) 1994 Physical Origins of Time Asymmetry (Cambridge: Cambridge University Press) Hartle J B and Hawking S W 1983 The wave function of the universe Physical Review D 28 2960–2975 Hawking S W 1985 Arrow of time in cosmology Physical Review D 32 2489– 2495 * Hawking S W 1988 A Brief History of Time (New York: Bantam) Hawking S W 1992 Chronology protection conjecture Physical Review D 46 603–611 * Hawking S W 1993 Black Holes and Baby Universes (New York: Bantam)
*
* * * * * * *
*
* *
Hawking S W and Ellis G F R 1973 The Large Scale Structure of Space-Time (Cambridge: Cambridge University Press) Hay A and Walters P 1997 Einstein’s Mirror (Cambridge: Cambridge University Press) Hod S and Piran T 1998 Mass inflation in dynamical gravitational collapse of a charged scalar field Physical Review Letters 81 1554–1557 Hogan C J, Kirshner R P and Suntzeff N B 1999 Surveying space-time with supernovae Scientific American January, 28–33 Kaku M 1995 Hyperspace (Oxford: Oxford University Press) Kaku M 1997 Into the eleventh dimension New Scientist 18 January, 32–36 Kaku M and Thompson J 1995 Beyond Einstein (London: Penguin) Kaufmann W J 1994 Universe (New York: Freeman) Krauss L M 1989 The Fifth Essence: The Search for Dark Matter in the Universe (New York: Basic) Krauss L M 1999 Cosmological antigravity Scientific American January, 35–41 Lachi`eze-Rey M and Luminet J-P 1995 Cosmic topology Physics Reports 254 135–214. Preprint available at xxx.lanl.gov/abs/gr-qc/9605010 on the World Wide Web Luminet J-P, Starkman G D and Weeks J R 1999 Is space finite? Scientific American April, 68–75 Marder L 1971 Time and the Space-Traveller (London: George Allen and Unwin) Morris M S and Thorne K S 1987 Wormholes in spacetime and their use for interstellar travel: a tool for teaching general relativity American Journal of Physics 56 395–412 Morris M S, Thorne K S and Yurtsever U 1988 Wormholes, time machines, and the weak energy condition Physical Review Letters 61 1446–1449 Nahin P J 1993 Time Machines (NewYork: American Institute of Physics) Novikov I 1990 Black Holes and the Universe (Cambridge: Cambridge University Press) Page D N 1983 Inflation does not explain time assymetry Nature 304 39–41 Pais A 1982 Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein (Oxford: Oxford University Press) Peebles P J E 1993 Principles of Physical Cosmology (Princeton, NJ: Princeton University Press) Peebles P J E 1999 Evolution of the cosmological constant Nature 398 25–26
* Penrose R 1989 The Emperor’s New Mind (Oxford: Oxford University Press) Price H 1989 A point on the arrow of time Nature 340 181–182 Ray C 1991 Time, Space and Philosophy (London: Routledge) * Rees M 1997 Before the Beginning: Our Universe and Others (New York: Simon and Schuster; London: Touchstone) Resnick R 1972 Basic Concepts in Relativity and Early Quantum Theory (New York: Wiley) Riess A G et al 1998 Observational evidence from supernovae for an accelerating universe and a cosmological constant Astronomical Journal 116 1009–1038. Preprint available at xxx.lanl.gov/abs/astroph/9805201 on the World Wide Web Rindler W 1996 Introduction to Special Relativity (Oxford: Oxford University Press) * Sagan C 1985 Contact (New York: Simon and Schuster) Savitt S (ed) 1994 Time’s Arrow Today (Cambridge: Cambridge University Press) Simon J Z 1994 The physics of time travel Physics World December, 27–33 Smith J H 1965 Introduction to Special Relativity (New York: Benjamin) * Smoot G and Davidson K 1994 Wrinkles in Time (New York: Morrow) Taylor E F and Wheeler J A1992 Spacetime Physics (New York: Freeman) * Thorne K S 1994 Black Holes and Time Warps (NewYork: Norton; London: Picador) Tipler F 1974 Rotating cylinders and the possibility of global causality violation Physical Review D 9 2203–2206 Tipler F 1977 Singularities and causality violation Annals of Physics (New York) 108 1–36 Visser M 1993 From wormhole to time machine: remarks on Hawking’s chronology protection conjecture Physical Review D 47 554–565 Visser M 1994 van Vleck determinants: traversable wormhole spacetimes Physical Review D 49 3963–3980 Visser M 1996 Lorentzian Wormholes (New York: American Institute of Physics) Visser M 1997 Traversable wormholes: the Roman ring Physical Review D 55 5212–5214 Vollick D N 1997 Maintaining a wormhole with a scalar field Physical Review D 56 4724–4728
* * * * *
*
*
Wald R M 1984 General Relativity (Chicago: University of Chicago Press) Weeks J R 1998 Reconstructing the global topology of the Universe from the cosmic microwave background Classical and Quantum Gravity 15 2599–2604. Preprint available at xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/9802012 on the World Wide Web Weinberg S 1983 The First Three Minutes (London: Flamingo) Weinberg S 1989 The cosmological constant problem Reviews of Modern Physics 61 1–23 Whitrow G J 1972 The Nature of Time (London: Penguin) Whitrow G J 1980 The Natural Philosophy of Time (Oxford: Clarendon) Will C 1986 Was Einstein Right? (New York: Basic Books) Wright A and Wright H 1989 At the Edge of the Universe (Chichester: Ellis Harwood) Wu K K S, Lahav O and Rees M J 1999 The large-scale smoothness of the Universe Nature 397 225–230 York D 1997 In Search of Lost Time (Bristol: Institute of Physics Publishing) Zlatev I, Wang L and Steinhardt P J 1999 Quintessence, cosmic coincidence, and the cosmological constant Physical Review Letters 82 896-899 Zwart P J 1976 About Time (Amsterdam: North-Holland)
MAAF KAMI TIDAK MEMASUKKAN INDEKS KARENA ALASAN NON-TEKNIS (MALAS UNTUK MENGINDEKS)
Pengaruh ketajaman mata adalah hak. Bila ada sesuatu yang mendahului takdir itu adalah oleh ketajaman mata. (HR. Muslim) Apakah kamu lebih sulit penciptaanya ataukah langit? Allah telah membinanya, | Dia meninggikan bangunannya lalu menyempurnakannya, | dan Dia menjadikan malamnya gelap gulita, dan menjadikan siangnya terang benderang. | Dan bumi sesudah itu dihamparkan-Nya. (QS. An-Naazi’aat [79]: 27-31) Bukankah Kami telah melapangkan untukmu dadamu? | dan Kami telah menghilangkan daripadamu bebanmu, | yang memberatkan punggungmu? | Dan Kami tinggikan bagimu sebutan (nama)mu, | Karena sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan, | sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan. | Maka apabila kamu telah selesai (dari sesuatu urusan), kerjakanlah dengan sungguhsungguh (urusan) yang lain, | dan hanya kepada Tuhanmulah hendaknya kamu berharap. (QS. Alam Nasyrah [94]) Seandainya Einstein masih hidup mungkin eksperimen gedankennya akan berguna untuk menerangkan bahwa ALLAH Yang Haq dan akan dapat melihat bagaimana Dia Maha Kuasa. ‘Tidak ingin disalahkan’ dan membela diri adalah hal yang wajar jika dia hidup dan memiliki sifat. ALLAH bersikeras bahwa Dia tidak menzalimi seorangpun hamba-hamba-Nya. Dan itu bukan termasuk eksperimen gedanken yang kami maksudkan. Kami lihat Einstein termasuk orang yang berpandangan tajam. Tentu ia paham apa itu membaca, melihat, menulis, mendengar, berkata, kalimat, bacaan, dibacakan, mengetahui, ujian, jalan, hati, peringatan, petunjuk. yakin, putus asa, menghendaki, cahaya, kegelapan. Inilah yang kami maksud. ‘Hanya’ dengan Al-Quran! Dan apabila dibacakan Al Quran, maka dengarkanlah baik-baik, dan perhatikanlah dengan tenang agar kamu mendapat rahmat. (QS. Al-A’raaf [7]: 204) Al Qur’an itu tiada lain hanyalah peringatan bagi semesta alam, | bagi siapa di antara kamu yang mau menempuh jalan yang lurus. | Dan kamu tidak dapat menghendaki (menempuh jalan itu) kecuali apabila dikehendaki Allah, Tuhan semesta alam. (QS. At-Takwir [81]: 27-29) Maka apakah orang yang
dijadikan (syaitan) menganggap baik pekerjaannya yang buruk lalu dia meyakini pekerjaan itu baik, (sama dengan orang yang tidak ditipu oleh syaitan)? Maka sesungguhnya Allah menyesatkan siapa yang dikehendaki-Nya dan menunjuki siapa yang dikehendaki-Nya;... (QS. Fathir [35]: 8) ...Atau apakah kamu hendak memberitakan kepada Allah apa yang tidak diketahui-Nya di bumi, atau kamu mengatakan (tentang hal itu) sekadar perkataan pada lahirnya saja. Sebenarnya orang-orang kafir itu dijadikan (oleh syaitan) memandang baik tipu daya mereka dan dihalanginya dari jalan (yang benar). Dan barangsiapa yang disesatkan Allah, maka baginya tak ada seorangpun yang akan memberi petunjuk. (QS. Ar-Ra’d [13]: 33) Dan mereka berkata: “Jikalau Allah Yang Maha Pemurah menghendaki tentulah kami tidak menyembah mereka (malaikat).” Mereka tidak mempunyai pengetahuan sedikitpun tentang itu, mereka tidak lain hanyalah menduga-duga belaka. | Atau adakah Kami memberikan sebuah kitab kepada mereka sebelum Al Quran, lalu mereka berpegang dengan kitab itu? (QS. Az-Zukhruf [43]: 20-21) Dan mereka berkata: “Kami sekali-kali tidak percaya kepadamu hingga kamu memancarkan mata air dari bumi untuk kami, | atau kamu mempunyai sebuah kebun korma dan anggur, lalu kamu alirkan sungai-sungai di celah kebun yang deras alirannya, | atau kamu jatuhkan langit berkeping-keping atas kami, sebagaimana kamu katakan atau kamu datangkan Allah dan malaikatmalaikat berhadapan muka dengan kami. | Atau kamu mempunyai sebuah rumah dari emas, atau kamu naik ke langit. Dan kami sekali-kali tidak akan mempercayai kenaikanmu itu hingga kamu turunkan atas kami sebuah kitab yang kami baca.”... (QS. Al-Israa’ [17]: 90-93) Dan kalau Kami turunkan kepadamu tulisan di atas kertas, lalu mereka dapat menyentuhnya dengan tangan mereka sendiri, tentulah orang-orang kafir itu berkata: “Ini tidak lain hanyalah sihir yang nyata.” (QS. Al-An’aam [6]: 7) Katakanlah: “Al Quran itu adalah petunjuk dan penawar bagi orangorang mukmin. Dan orang-orang yang tidak beriman pada telinga mereka ada sumbatan, sedang Al Quran itu suatu kegelapan bagi mereka. Mereka itu adalah (seperti) yang dipanggil dari tempat yang jauh.” (QS. Fushshilat [41]: 44) Dan apakah tidak cukup bagi mereka bahwasanya Kami telah menurunkan kepadamu Al Kitab (Al Quran) sedang dia dibacakan kepada mereka? Sesungguhnya dalam (Al Quran) itu terdapat rahmat yang besar dan pelajaran bagi orang-orang yang beriman. (QS. Al-’Ankabuut [29]: 51)
Berikut ini hal-hal yang harus diperhatikan untuk menjalankan gedanken di atas: Apakah anda beriman atau tidak? Apakah pernah 1x membaca AlQuran atau tidak? Apakah pernah mendengar peringatan agama (dalam bahasa yang dipahami) atau tidak? Apakah pernah melihat Allah atau tidak? Pernahkah membaca yang seperti Al Quran? Mari kita baca petunjuk yang terang: Katakanlah: “Siapakah yang lebih kuat persaksiannya?” Katakanlah: “Allah.” Dia menjadi saksi antara aku dan kamu. Dan Al Quran ini diwahyukan kepadaku supaya dengan dia aku memberi peringatan kepadamu dan kepada orang-orang yang sampai Al Quran (kepadanya). Apakah sesungguhnya kamu mengakui bahwa ada tuhan-tuhan lain di samping Allah?” Katakanlah: “Aku tidak mengakui.” Katakanlah: “Sesungguhnya Dia adalah Tuhan Yang Maha Esa dan sesungguhnya aku berlepas diri dari apa yang kamu persekutukan (dengan Allah).” (QS. Al-An’aam [6]: 19) ...Ia berkata: “Alangkah baiknya sekiranya kamumku mengetahui. | Apa yang menyebabkan Tuhanku memberi ampun kepadaku dan menjadikan aku termasuk orang-orang yang dimuliakan.” (QS. Yaasiin [36]: 27) Bacalah dengan (menyebut) nama Tuhanmu Yang menciptakan, | Dia telah menciptakan manusia dari segumpal darah. | Bacalah, dan Tuhanmulah Yang Maha Pemurah, | Yang mengajar (manusia) dengan perantaran kalam, | Dia mengajar kepada manusia apa yang tidak diketahuinya. (QS. Al-’Alaq [96]: 1-5) Dalam Al Quran ada tempat yang amat gelap, jika kita salah menempatkan posisi dan Al Quran bagi kita sendiri, tak ada yang lebih baik selain diam dan menyesal. Mengapa? Karena amat sulit untuk berkata meminta ampun. Jika tidak bisa diam, tidur. Atau ucapkanlah perkataan yang baik. Mengapa? Jika saya berbicara seperti ini: “Jika Allah menghendaki, tentu dia akan memudahkanku memohon ampun.” Bagaimana jika ada saksi yang mendengarnya. Tentu kalimat akan berjatuhan menimpa saya. Karena itu, jika anda menemukan penentang dan pendusta agama, langsung berikan (katakan/dibacakan/diperdengarkan) ayat-ayat AlQuran kepadanya, tanpa ditambahi dengan ucapan semisal: “Orang seperti anda bukan yang pertama kali” atau “saya sudah membaca Al Quran ribuan kali” dan sebagainya.
* Juni 2012—(Dalam mimpi) suatu kaum (di tanah Myanmar) protes pada kami, seperti ini (kira-kira), “kaummu telah menggarap dan merebut ladang kami dengan paksa. Berilah keputusan.“ Padahal mereka (telah banyak) merebut dan merusak ladang kita. For Rohingya* Nowaday WE can only remember Someday WE will be vanquisher Insya Allah ikhlas & adil adalah hal sulit
Bahkan yang didustakan mereka itu ialah Al Quran yang mulia. (QS. Al-Buruuj [85]: 21) Hai anak Adam, kamu tidak adil terhadap-Ku. Aku mengasihimu dengan kenikmatan-kenikmatan tetapi kamu membenciKu dengan berbuat maksiat-maksiat. Kebajikan kuturunkan kepadamu dan kejahatan-kejahatanmu naik kepada-Ku. Selamanya malaikat yang mulia datang melapor tentang kamu tiap siang dan malam dengan amal-amalmu yang buruk. Tetapi hai anak Adam, jika kamu mendengar perilakumu dari orang lain dan kamu tidak tahu siapa yang disifatkan pasti kamu akan cepat membencinya. (HR. Arrafii dan Arrabii’)
Mereka akan bertanya kepadamu (Muhammad) tentang Dzulkarnain. Katakanlah: “Aku akan bacakan kepadamu cerita tentangnya.” | Sesungguhnya Kami telah memberi kekuasaan kepadanya di (muka) bumi, dan Kami telah memberikan kepadanya jalan (untuk mencapai) segala sesuatu, | maka diapun menempuh suatu jalan. | Hingga apabila dia telah sampai ke tempat terbenam matahari, dia melihat matahari terbenam di dalam laut yang berlumpur hitam, dan dia mendapati di situ segolongan umat. Kami berkata: “Hai Dzulkarnain, kamu boleh menyiksa atau boleh berbuat kebaikan terhadap mereka.” | Berkata Dzulkarnain: “Adapun orang yang aniaya, maka kami kelak akan mengazabnya, kemudian dia dikembalikan kepada Tuhannya, lalu Tuhan mengazabnya dengan azab yang tiada taranya. | Adapun orang-orang yang beriman dan beramal saleh, maka baginya pahala yang terbaik sebagai balasan, dan akan kami titahkan kepadanya (perintah) yang mudah dari perintah-perintah kami.” | Kemudian dia menempuh alan (yang lain). | Hingga apabila dia telah sampai ke tempat terbit matahari (sebelah Timur) dia mendapati matahari itu menyinari segolongan umat yang Kami tidak menjadikan bagi mereka sesuatu yang melindunginya dari (cahaya) matahari itu, | demikianlah, dan sesungguhnya ilmu Kami meliputi segala apa yang ada padanya. | Kemudian dia menempuh suatu jalan (yang lain lagi). | Hingga apabila dia telah sampai di antara dua buah gunung, dia mendapati di hadapan kedua bukit itu suatu kaum yang hampir tidak mengerti pembicaraan. | Mereka berkata: “Hai Dzulkarnain, sesungguhnya Ya’juj dan Ma’juj itu orang-orang yang membuat kerusakan di muka bumi, maka dapatkah kami memberikan sesuatu pembayaran kepadamu, supaya kamu membuat dinding antara kami dan mereka?” | Dzulkarnain berkata: “Apa yang telah dikuasakan oleh Tuhanku kepadaku terhadapnya adalah lebih baik, maka tolonglah aku dengan kekuatan (manusia dan alat-alat), agar aku membuatkan dinding antara kamu dan mereka, | berilah aku potongan-potongan besi.” Hingga apabila besi itu telah sama rata dengan kedua (puncak) unung itu, berkatalah Dzulkarnain: “Tiuplah (api itu).” Hingga apabila besi itu sudah menjadi (merah seperti) api, diapun berkata: “Berilah aku tembaga (yang mendidih) agar aku tuangkan ke atas besi panas itu.” | Maka mereka tidak bisa mendakinya dan mereka tidak bisa (pula) melubanginya. | Dzulkarnain berkata: “Ini (dinding) adalah rahmat dari Tuhanku, maka apabila sudah datang janji Tuhanku, Dia akan menjadikannya hancur luluh; dan janji Tuhanku itu adalah benar.” Kadang sabar itu memanas seperti api... Kadang amarah itu mengalir seperti air...
“A t, ei k k uh , k is nu pet lni. D k bac uh kma b, k ei h by t bnnk y. D egl yn bac k ua i d ja h es d ua.” (Jos Gar d Klu Ha)
