Mengenal Alam Semesta : Rumah Kita (bag-1)

Mengenal Alam Semesta : Rumah Kita

(Oleh : Muh. Taufiq Tamam)

dipersembahkan sebagai souvenir sekaligus tastqif

di rapat kerja pengajar Fisika program Super Intensif 2008 Nurul Fikri

LPMP, Tanjung Barat, Jakarta 16 – 18 Mei 2008

1. Pengantar : Apa itu Kosmologi?

Kosmologi dewasa ini secara menyeluruh adalah suatu ilmu pengetahuan (sains). Dia memiliki teori dan juga bersandar pada pengamatan, seperti halnya pada ilmu pengetahuan lain. Di samping itu ia juga memiliki keterkaitan yang erat dengan ilmu pengetahuan lainnya dan ia mengambil hasil-hasil ilmu pengetahuan tersebut. Pada umumnya, kosmologi dewasa ini sudah memasuki problem paling dalam dari fisika dan mencoba memberikan memberikan jawaban atas pertanyaan fundamental dari fisika dan astrofisika. Kosmologi adalah unik di antara ilmu-ilmu pengetahuan, karena melingkupi keseluruhan alam fisikawi, jadi merangkul problem kesatuan alam yang konkret kodratnya serta dapat diamati. Sedangkan ilmu pengetahuan lainnya membatasi diri hanya pada bagian – bagiannya saja dari aspek realitas fisikawi.

Keunikan dari kosmologi menjadi menarik perhatian walaupun secara khusus ia adalah ilmu pengetahuan yang rumit. Seluruh masalah fundamental dan pertanyaan yang tak terjawab ilmu-ilmu lain biasanya mengantar kita masuk ke dalam problema kosmologis. Misalnya kimia mempelajari sifat-sifat unsur kimia; tetapi mengapa unsur-unsur kimiawi ini ada di bumi? Masalah ini mengantar pemikiran kita pada saat awal penciptaan alam semesta atau terjadi dan evolusi bintang, yang secara langsung masuk ke dalam bidang kosmologi atau cabang astrofisika yang erat kaitannya dengan kosmologi. Demikian pula eksistensi lapisan kerak bumi, lautan dan terutama lagi eksistensi kehidupan di bumi adalah langsung terkait pada  kondisi tatkala lahirnya bumi dan seluruh system surya. Andaikan terjadi sedikit deviasi pada kondisi awal dari sifat-sifat alam semesta maka dapat mengakibatkan alam semesta yang kita huni akan berbeda: tanpa bintang, tanpa planet, dan `tanpa kehidupan`.

Upaya menggabungkan hukum fisikawi, dan mereduksinya menjadi hukum-hukum fundamental, misalnya penyatuan gaya-gaya yang ada di alam langsung terkait dengan kosmologi. Misalnya teori relativitas umum Einstein mengoreksi teori gravitasi Newton dengan pendapat bahwa gravitasi pada hukum Newton adalah suatu sifat geometris ruang-waktu. Revolusi yang sama terjadi pula dalam bidang kimia dan biokimia, di mana semua yang terkait dengan fenomena kimiawi dan biologis telah dibuktikan kodratnya bersifat elektromagnetik. Dewasa ini upaya fisikawan ditujukan untuk dapat mempersatukan seluruh gaya-gaya fundamental yang ada di alam. Pada situasi dewasa ini pandangan epistemologis terarah pada pertanyaan fundamental, yaitu : Adakah suatu kemungkinan untuk menjelaskan mengapa hukum-hukum alam itu seperti apa yang diamati sekarang dan bukan seperti yang lain? Misalnya, dapatkah ditarik kesimpulan bahwa hukum gravitasi harus seperti yang diketahui sekarang ? Dalam hal ini timbul perbedaan pendapat, seperti Einstein dan Eddington, bahwa hukum-hukum dasar fisika dapat disimpulkan dari a-priori syllogisme (bahwa teori pada hakekatnya tidak dirumuskan dengan terlebih dahulu didasarkan pada data-data hasil observasi, tetapi diturunkan dari penalaran murni apakah itu lewat logika ataupun matematika). Di pihak lain, dan ini mayoritas ilmuwan, menerima pengalaman sebagai satu-satunya titik pangkal untuk merumuskan hukum-hukum fisika dan demikian pula aplikasinya.

Dari gambaran ini kita bisa memaklumi betapa luasnya cakupan kosmologi. Untuk memberikan gambaran tentang alam semesta (yang merupakan fokus utama dalam kosmologi)   ada beberapa pendekatan yang dapat dilakukan untuk memulainya. Kita bisa memulai dengan membahas tentang bumi dan tata surya, bintang-bintang, galaksi sampai alam semesta. Kitapun bisa memulai dengan memperkenalkan interaksi-interaksi fundamental di alam yang akhirnya menuju penyatuan interaksi-interaksi tersebut yang terkait erat dengan fisika zarrah. Atau kitapun dapat memulainya langsung dari penemuan monumental tentang ekspansi alam semesta Hubble. Tapi pada tulisan ini dipilih untuk memulainya dari skenario Big-Bang tentang pemuaian alam semesta

2. Mengenal Rumah Kita

Jika kita ingin mengenal rumah kita setidaknya ada tiga hal yang perlu kita ketahui :

a.    Berapa usia rumah kita dan peristiwa-peristiwa apa saja yang menyertai usianya

b.    Dari bahan apa ia dibuat, apakah dindingnya kokoh atau tidak dan seterusnya

c.    Di mana rumah kita berada

A. Skenario Big-Bang

Sampai pada dasawarsa kedua abad ke-20, para ilmuwan beranggapan, bahwa sesuai dengan hasil pengamatan, jagad raya ini bersifat statis dan tak berhingga (infinite). Bahkan Einstein juga pada mulanya sebelum Hubble menemukan gejala ekspansi alam semesta, masih percaya bahwa gagasan klasik ini benar.

Dengan bertolak dari asas ekuivalen (equivalence principle) yang mengungkapkan setiap benda menderita percepatan gravitasi yang tak bergantung pada massa dan jenis bahannya sendiri, maka Einstein merumuskan apa yang dewasa ini dikenal sebagai Teori Relativitas Umum. Namun karena Einstein mempercayai alam semesta statis, maka Einstein lalu mengubah persamaan teori relativitas yang telah dirumuskannya dengan menambahkan suatu suku yang dikenal sebagai suku kosmologi.

Akan tetapi Friedman setelah menelaah model kosmologi Einstein, menyimpulkan bahwa alam semesta itu tidak statis, melainkan dinamis dalam artian bergerak. Ramalan Friedman itu ternyata benar, karena pada tahun 1929 Hubble menemukan bahwa galaksi bergerak saling menjauhi dengan kelajuan sebanding dengan jaraknya dari bumi. Pengamatan Hubble ini menunjukkan bahwa alam semesta mengembang dan tidak statis. Dengan demikian jika alam semesta memuai tentu pada suatu saat di masa lalu pernah memiliki volume yang sangat kecil dengan kerapatan yang sangat tinggi.Atas dasar ini muncullah gagasan `Skenario Big-Bang` (ledakan dahsyat) yang juga kemudian dikenal dengan nama `skenario baku`.

Menurut skenario Big-Bang, alam semesta mengembang dan sejalan dengan itu secara berangsur-angsur juga mengalami pendinginan dari suhu dan rapat massa yang sangat tinggi nilainya. Berdasarkan kenyataan dari keseragaman radiasi latar belakang 2,7K, latar belakang sinar-x, dan jumlah galaksi dan sumber radio maka pada skala besar (>>100 Mpc) alam semesta ternyata dapat dianggap homogen dan isotrop; dan ini disebut asas kosmologis.

Dengan menggunakan persamaan metrik Friedman-Robertson-Walker (FRW) didapatkan bahwa pemuaian jari-jari alam semesta berbanding lurus dengan akar kuadratis waktu; dan suhu menurun berbanding terbalik dengan akar kuadratis waktu. Sejalan dengan mendinginnya alam semesta, maka unsur-unsurpun mulai terbentuk dan akhirnya kehidupan pun mulai eksis....(bersambung)

Bagaimana tahap - tahap pendinginan alam semesta  nantikan bagian ke dua dari tulisan ini