Berapa Umur / Usia Alam Semesta ?

Oleh: P. Silaban (Departemen Fisika, Institut Teknologi Bandung) 
Ikhtisar. Eksposisi ini menggunakan bahasa nonteknis untuk menjelaskan secara singkat landasan pemikiran yang mengawali pengembangan teori kuantum, teori relativitas khusus, dan teori relativitas umum yang pada akhirnya dikaitkan kepada penentuan umur alam semesta.

Teori kuantum yang dikembangkan oleh Erwin Schrodinger dan Werner Heisenberg, dan teori relativitas khusus yang dibangun oleh Albert Einstein pada permulaan abad ke-20 dapat dipandang sebagai dua teori fisika yang sangat revolusioner.
Kedua teori itu telah memperkenalkan perubahan yang sangat drastic ke dalam konsepsi kita mengenai alam semesta beserta semua fenomena atau peristiwa yang terjadi di dalamnya. Pemakaian kedua teori ini telah terbukti sangat ampuh untuk menjelaskan berbagai masalah fisika fundamental yang belum terpecahkan sampai akhir abad ke-19.

Teori kuantum dikembangkan setelah mengamati bahwa benda mikroskopik seperti atom dan molekul, mempunyai perilaku yang sangat berbeda dari perilaku benda makroskopik yang kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari. Dalam kenyataannya, perilaku sebuah benda mikroskopik selalu didasarkan pada prinsip ketidakpastian (Heisenberg uncertainty principle) dan pada tafsiran kemungkinan (probability interpretation) yang sama sekali tidak berlaku untuk sebuah benda makroskopik.

Teori relativitas khusus dibangun berdasarkan pemikiran bahwa ruang dan waktu memainkan peranan yang sama pentingnya untuk menjelaskan tiap-tiap peristiwa yang terjadi dalam alam semesta ini. Teori ini sangat sesuai digunakan untuk sebuah benda yang bergerak dengan kecepatan yang sangat besar.

Teori medan kuantum (quantum field theory) yang merupakan gabungan dari teori teori kuantum dengan teori relativitas khusus telah berhasil menjelaskan banyak sekali proses yang melibatkan partikel elementer. Teori ini, yang dirumuskan sebagai sebuah teori medan gauge (gauge field theory) memungkinkan para ilmuwan fisika untuk memahami ketiga interaksi fundamental yang menentukan perilaku partikel-partikel elementer, yakni interaksi elektromagnetik (electromagnetic interaction), interaksi lemah (weak interaction), dan interaksi kuat (strong interaction).

Hasil-hasil yang sangat mengagumkan yang dicapai oleh teori medan gauge ini adalah sebagai berikut:

1. Penemuan arus netral lemah (weak neutral current).
2. Penjelasan mengenai terbentuknya massa partikel elementer melalui perusakan simetri secara spontan (spontaneously broken symmetry).
3. Pembangunan sebuah model unifikasi dari interaksi elektromagnetik dengan interaksi lemah oleh Glashow, Weinberg dan Salam (GWS mode). Model unifikasi ini dikenal sebagai model electroweak (electroweak model).
4. Pembangunan berbagai model teori unifikasi agung (grand unified theory / GUT) yang menggabungkan ketiga interaksi fundamental tersebut.
5. Membuka kemungkinan untuk membangun sebuah teori medan kuantum yang menggabungkan fermion dan boson yang dikenal sebagai teori supersimetri.
6. Pembangunan model supersimetri unifikasi agung sebagai sebuah teori medan gauge local yang memasukkan gravitasi. Model ini dikenal sebagai model supergravitasi.

Dalam teori medan kuantum, semua partikel elementer diperlakukan sebagai sebuah benda titik. Benda titik ini menghasilkan divergensi yang sepenuhnya tidak dapat dilenyapkan. Untuk menghindari divergensi ini maka teori ini dikembangkan ke dalam sebuah teori dimana partikel elementer itu dipandang bukan sebagai sebuah benda titik, tetapi sebagai sebuah dawai yang panjangnya 10-33 cm. Teori ini dinamakan teori superdawai (superstring theory). Ternyata teori superdawai ini memungkinkan penggabungan medan gravitasi dengan interaksi elektromagnetik, interaksi lemah dan interaksi kuat. Karena itu, teori ini sering juga dinamakan sebagai teori dari segala sesuatu (theory of everything). Namun, sampai sekarang ini belum ada satu pun teori yang betul-betul dapat diandalkan untuk menggabungkan keempat jenis interaksi itu, yakni belum ada satu teori yang secara meyakinkan mampu menjelaskan adanya gravitasi kuantum (quantum gravity).

Teori kuantum dan teori relativitas khusus tersebut tidak memperhitungkan pengaruh medan gravitasi dalam semua proses fisika. Untuk menjelaskan pengaruh medan gravitasi itu maka pada tahun 1911, Einstein membangun sebuah teori gravitasi baru yang dinamakan teori relativitas umum (general theory of relativity).

Dalam teori relativitas khusus dan dalam teori relativitas umum, arti dari jarak diantara dua benda dalam sebuah ruang berdimensi tiga seperti yang biasa kita pahami harus digeneralisasi ke dalam sebuah interval dalam sebuah ruang-waktu berdimensi empat. Interval ini dinamakan juga metrik dari ruang-waktu itu karena bentuk dari interval ini ditentukan oleh komponen-komponen dari sebuah tensor metrik yang nilainya bergantung pada materi yang terdapat dalam ruang-waktu tersebut.

Dalam teori relativitas umum, interval ruang-waktu itu adalah sebuah pemecahan dari persamaan medan gravitasi Einstein di luar sebuah distribusi materi. Interval dari sebuah ruang-waktu dalam teori relativitas umum selalu mempunyai sebuah singularitas. Singularitas ini mengindikasikan keberadaan sebuah benda yang sangat massif yang dinamakan lubang hitam (black hole). Benda yang berperilaku menyerupai sebuah lubang hitam tetapi dengan arah waktu yang dibalikkan (time reversed black hole) dinamakan sebuah lubang putih (white hole). Persamaan medan gravitasi Einstein mengandung sebuah konstanta kosmologi yang sampai sekarang masih menimbulkan berbagai macam kontroversi. Teori relativitas umum inilah yang mendasari semua model kosmologi relativistik yang menjelaskan struktur dari sebuah alam semesta berskala besar.

Berdasarkan sejumlah besar hasil observasi yang didapatkan sampai sekarang, maka disimpulkan bahwa alam semesta ini bersifat homogen dan isotropik. Walaupun banyak sekali model kosmologi relativistik yang telah dikembangkan para ilmuwan fisika sampai sekarang, menurut catatan sejarah perkembangannya, semua model tersebut diilhami oleh model-model kosmologi homogen yang mula-mula dibangun oleh Eistein, de Sitter dan Friedmann.

Model kosmologi Einstein yang dikembangkan pada 1916 adalah sebuah model kosmologi untuk sebuah struktur ruang-waktu yang statis dan yang mempunyai kelengkungan positip yang konstan. Model ini kemudian dimodifikasi setelah Hubble menemukan bahwa alam semesta ini bukan statis tatapi terus mengembang.

Model kosmologi de Sitter yang dikembangkan pada 1917 adalah sebuah model kosmologi untuk sebuah struktur ruang-waktu tanpa materi dan mempunyai kelengkungan negatip yang konstan. Perlu dicatat bahwa de Sitter adalah ilmuwan pertama yang membuktikan bahwa materi tidak diperlukan untuk menghasilkan kelengkungan dari ruang-waktu.

Model kosmologi Friedmann yang dibangun pada 1922 dapat dipandang sebagai sebuah model yang berada di antara model kosmologi Einstein dan model kosmologi de Sitter.

Alam semesta yang bersifat homogen dan isotropik yang paling sering dianalisis mempunyai struktur geometri yang dinyatakan oleh metrik Robertson-Walker. Metrik ini adalah sebuah pemecahan dari persamaan medan Einstein vakum dengan memilih konstanta kosmologi yang besarnya sama dengan nol. Kelahiran alam semesta seperti ini selalu diawali oleh sebuah dentuman besar (big-bang) yang terjadi pada waktu Planck, t = 10-43 detik. Metrik ini mengandung sebuah faktor skala yang dapat digunakan untuk menghitung kecepatan ekspansi dari alam semesta yang biasanya dikenal sebagai konstanta Hubble. Metrik ini juga mengandung sebuah indeks kelengkungan yang akan menentukan apakah alam semesta itu merupakan sebuah alam semesta terbuka, alam semesta datar, atau alam semesta tertutup. Hasil-hasil perhitungan menunjukkan bahwa masing-masing alam semesta ini mempunyai umur yang ordenya 10 miliar tahun. Einstein sendiri yakin bahwa alam semesta ini adalah sebuah alam semesta yang tertutup.

GUT adalah satu-satunya teori yang memungkinkan kita untuk menelusuri kembali sejarah alam semesta semenjak kelahirannya pada waktu Planck.

Pada waktu kelahiran alam semesta, besarnya temperatur adalah 1032 derajat Kelvin dan segala sesuatu terdapat dalam bentuk radiasi. Pada waktu-waktu yang selanjutnya, terjadi perusakan simetri yang menghasilkan massa. Tabel berikut ini memperlihatkan kronologi dari peristiwa-peristiwa yang terjadi sejak kelahiran alam semesta, dan juga menunjukkan energi, temperatur dan besarnya ukuran dari alam semesta pada waktu-waktu yang bersangkutan. Hasil-hasil dalam tabel ini dihasilkan dari model kosmologi yang digabungkan dengan teori unifikasi agung.

Waktu (s)	Energi (E = kT GeV)	Temperatur (T K)	Diameter dari alam semesta (cm)	Apa yang terjadi
10-43	1019	1032	103	Kekacauan kuantum (quantum chaos)
10-36	1015	1028	101	Perusakan SU(5) GUT
10-10	102	1015	1014	Perusakan SU(2) x U(1)
2 x 10-6	100	1013	1016	Anihilasi nukleon
2 x 10-4	10-4	1012	1017	Anihilasi muon
2 x 100	10-3	1010	1019	Anihilasi pasangan elektron-positron
2 x 102	10-4	109	1030	Sintesis nukleon helium
1014	10-40	103	1026	Atom hydrogen terbentuk
1018	10-42	3 x 100	1028	Sekarang

Berapa Umur / Usia Alam Semesta (jagat raya), Mengetahui berapa Umur / Usia Alam Semesta (jagat raya), Usia alam semesta (jagat raya), Umur alam semesta (jagat raya), Berapakah Umur / Usia Alam Semesta ?

Posted in: Teori

Bagikan :

Tweet