A Brief Story of Time: Alam Semesta Berkembang (2)

Pada 1920 an, ketika para ahli astronomi mulai mengamati spektrum bintang bintang di galaksi lain, mereka menemukan sesuatu yang sangat aneh: ada cat warna hilang yang khas seperti pada bintang bintang di galaksi kita, tapi semuanya bergeser sejumlah tertentu ke arah ujung merah dalam spektrum.

Untuk mengerti maknanya, Kita harus mengerti dahulu Efek Doppler. Seperti telah kita lihat, cahaya tampak terdiri atas fluktuasi, atau gelombang, di medan elektromagnetik. Panjang gelombang ( atau jarak dari satu puncak gelombang ke puncak gelombang berikutnya) cahaya sangat kecil. Berkisar dari empat sampai 7 per 10 juta meter. Berbagai panjang gelombang cahaya dilihat mata manusia sebagai beraneka warna; panjang gelombang terbesar ada di ujung merah spektrum sedangkan panjang gelombang terkecil di ujung biru. Sekarang bayangkan sumber cahaya pada jarak yang konstan dari kita, misalnya bintang, ya memancarkan gelombang cahaya dengan panjang gelombang tetap. Tentu saja panjang gelombang yang kita terima akan sama dengan panjang gelombang yang dipancarkan ( medan gravitasi galaksi tak cukup kuat untuk berpengaruh banyak.)

Sekarang, angkat sumber cahaya itu mulai bergerak mengganti kita, ketika memancarkan puncak gelombang berikutnya, sumber menjadi lebih dekat ke kita, sehingga jarak antara puncak gelombang jadi lebih dekat ke kita, sehingga jarak antar puncak gelombang jadi lebih pendek sayang padaku ketika bintang tak bergerak. Sebaliknya, jika sumber cahaya menjauh dari kita, panjang gelombang yang kita terima akan lebih besar. Oleh karena itu, dalam kasus cahaya, artinya bintang-bintang yang menjauh dari kita spektrum yg akan bergeser menuju ujung merah spectrum ( ingsutan merah, red shift) dan yang mendekat ke kita spektrum nya beringsut biru (blue shift). Hubungan antara panjang gelombang dan kecepatan, yang disebut efek doppler, adalah pengalaman yang didapat sehari-hari. Dengarkan mobil yang berjalan: selagi mobil mendekat, bunyi mesinnya lebih tinggi karena panjang gelombang bunyi nya lebih pendek dan frekuensinya lebih tinggi, dan ketika mobil menjauh, bunyinya lebih rendah. Perilaku gelombang cahaya atau radio sama. Polisi menggunakan efek Doppler untuk mengukur kecepatan mobil dengan mengukur panjang gelombang radio yang terkandung di mobil.

Pada tahun-tahun Sebelum menemukan bukti keberadaan galaksi-galaksi lain, Hubble menghabiskan waktu menyusun katalog jarak galaksi dan mengamati spektrum cahaya galaksi.
Waktu itu Sebagian besar orang menganggap galaksi-galaksi bergerak secara acak, sehingga diperkirakan bahwa mengamati ingsutan biru sama banyak dengan mengamati in ingsutan merah.

 Oleh karena itu, sungguh mengejutkan ketika sebagian besar galaksi ditemukan mengalami ingsutan merah. Oleh karena itu, sungguh mengejutkan ketika sebagian besar galaksi ditemukan mengalami ingsutan merah: hampir semuanya menjauh dari kita! Yang lebih mengejutkan adalah temuan Hubble umumkan pada 1929: ukuran ingsutan merah tidak acak, tapi sebanding dengan jarak galaksi dari kita. Atau, dengan kata lain, makin jauh suatu galaksi, makin cepat pergerakannya menjauh! Dan itu berarti alam semesta bisa statis, seperti dulu diduga semua orang, dan sebenarnya sedang mengembang: jarak antar berbagai galaksi selalu berubah.

Penemuan bahwa alam semesta mengembang adalah salah satu Revolution intelektual terbesar pada abad 20. Dengan kilas balik, mudah melihat Mengapa tak seorangpun terpikirkan gagasan itu sebelumnya. Newton dan yang lain seharusnya sadar bahwa alam semesta yang statis akan menyusut karena pengaruh gravitasi. Tapi Anggaplah alam semesta mengembang. Jika mengembangnya lambat, kekuatan gravitasi bakal menyebabkan pengembangan berhenti lalu pengerutan dimulai. Namun jika pengembangan yang melebihi batas laju tertentu, gravitasi tak bakal pernah cukup kuat untuk menghentikannya, dan alam semesta bakal terus mengembang selamanya. Ini seperti apa yang terjadi kalau kita meluncurkan roket ke atas dari permukaan bumi. Jika kecepatan rendah, gravitasi akan menghentikan roket itu dan menjatuhkannya. Di pihak lain, jika kecepatan roket melebihi batas kritis tertentu sekitar 7 mil per detik, gravitasi tak akan pernah cukup kuat untuk menghentikannya, sehingga roket akan terus menjauhi bumi.

Perilaku alam semesta seperti itu dapat saja diprediksi dari teori gravitasi Newton kapan saja pada abad ke-19, abad ke-18, bahkan akhir abad ke-17. Namun kepercayaan terhadap alam semesta statis sangat kuat, sehingga bertahan terus sampai awal abad ke-20. Einstein, ketika merumuskan teori relativitas umum pada 1915, bahkan sangat yakin bahwa alam semesta harus statis sehingga dia memodifikasi teorinya untuk memungkinkan itu, dan menambahkan Apa yang disebut konstanta kosmologis kebersamaannya. Einstein mengajukan gaya " anti gravitasi" baru, yang bukan berasal dari sumber tertentu melainkan teranyam dalam ruang waktu, tak seperti gaya lain. Einstein mengklaim bahwa ruang waktu punya kecenderungan bawaan untuk mengembang, dan kecenderungan itu bisa mengimbangi semua gaya tarik dari zat di alam semesta, sehingga hasilnya adalah alam semesta statis. Tampaknya hanya satu orang yang mau menerima umum sebagai mana adanya, dan sementara Einstein dan ahli fisika lain mencari-cari cara menghindari prediksi Real umum mengenai alam semesta tidak statis, ahli fisika dan matematika Rusia Alexander friedmann adalah mencoba menjelaskannya.

Print membuat dua asumsi sangat sederhana terhadap alam semesta: bahwa alam semesta terlihat identik kemanapun Kita memandang, dan itu bakal berlaku juga jika kita mengamati alam semesta dari semua tempat lain. Dari 2 gagasan itu saja, Friedman menunjukkan bahwa kita seharusnya tak menganggap alam semesta itu statis. Malah, pada 1922, beberapa tahun sebelum penemuan Edwin Hubble, Friedman memprediksi dengan tepat apa yang ditemukan Hubble!

Asumsi bahwa alam semesta terlihat sama di semua arah jelas tak benar dalam kenyataannya. Contohnya, seperti Sudah kita lihat, bintang-bintang lain di galaksi kita membentuk sabuk cahaya yang khas di langit mengalami, bernama Bimasakti. Tapi jika kita melihat galaksi galaksi jauh, tampaknya jumlahnya sama di semua arah. Jadi alam semesta memang tampak sama di semua arah, di semua arah jelas tak benar dalam kenyataannya.

 Contohnya, seperti sudah kita lihat, bintang bintang lain di galaksu kita membentuk sabuk cahaya yang khas di langit malam, bernama Bima Sakti. Tapi jika kita melihat galaksi galaksi jauh, tampaknya jumlahnya sama di semua arah. Jadi alam semesta memang tampak sama di semua arah, asalkan dipandang pada skala besar daripada jarak antara galaksi, dan mengabaikan perbedaan skala kecil. Itu lama dianggap pembenaran yang cukup untuk asumsi Friedman, sebagai perkiraan kasar alam semesta yang sebenarnya. Tapi baru-baru ini suatu kebetulan yang muncul mengungkapkan kenyataan bahwa asumsi Friedman sebenarnya deskripsi sangat akurat atas alam semesta.

Pada 1965, dua ahli fisika Amerika dibel telepon lab oratories di New Jersey, Arno Penzias dan Robert Wilson, menguji detektor gelombang mikro yang sangat peka. Gelombang mikro sama seperti gelombang cahaya, tapi panjang gelombangnya sekitar 1 cm. Banjir dan Wilson khawatir ketika mendapatkan detektor mereka menangkap lebih banyak desau atau noise daripada seharusnya. Desau tak tampak berasal dari arah manapun. Pertama-tama mereka menemukan tahi burung di detektor dan memeriksa kemungkinan kerusakan lain, tapi mereka segera mengetahui bahwa semua itu bukan penyebabnya.

Mereka tahu bahwa desau apapun dari dalam atmosfer bakal lebih kuat apabila detektor tidak menunjuk ke atas, karena cahaya melewati lebih banyak atmosfer ketiga diterima dari dekat cakrawala dibanting kalau diterima langsung dari atas tanah. Desau tambahan itu sama saja, kemanapun detector mengarah, jadi pasti datangnya dari luar atmosfer. Desau itu juga sama pada siang dan malam dan sepanjang tahun, walau bumi berotasi di sumbunya dan mengelilingi matahari. Itu menunjukkan bahwa radiasi tersebut pasti datang dari luar tata surya, bahkan dari luar galaksi, karena kalau tidak, desau akan beragam selagi gerak bumi menghadap kan detector ke berbagai arah.

Kita tahu bahwa radiasi itu pasti datang ke kita menyeberang alam semesta yang bisa diamati, dan karena radiasi itu tampak sama di semua arah, maka semesta pasti sama juga ke semua arah. Kita sekarang tahu bahwa kemanapun kita menghadapi, desau itu tak pernah beragam, kecuali sedikit: jadi Penzias dan Wilson tanpa sengaja menemukan konfirmasi sangat akurat atas asumsi pertama Friedman. Tapi karena alam semesta tidak seperti sama di semua arah, hanya secara rata-rata dalam skala besar, maka gelombang mikro tak bisa persis sama di semua arah juga. Harus ada variasi kecil di berbagai arah. Variasi itu di deteksi untuk pertama kali oleh satelit cosmic background explorer atau COBE pada tingkat satu bagian per 100.000. Meski kecil, variasi itu sangat penting.

Pada waktu yang berdekatan dengan penelitian desau i detector Penzias dan Wilson, dua ahli fisika Amerika di Princeton university, Bob Dickle dan Jim Peebles, juga mulai tertarik dengan gelombang mikro. Mereka menggarap satu usul dari George Gawow yang tak pernah menjadi mahasiswa Alexander Friedman, bahwa alam semesta seharusnya sangat panas dan rapat, berkendara putih karena panas.

Dicke dan Peebles menganggap bahwa kita seharusnya masih bisa melihat pendar kalem semesta awal, karena cahaya dari bagian-bagian terjauh alam semesta bakal baru mencapai kita sekarang. Namun mengembang nya alam semesta menyebabkan cahaya itu mengalami ingsutan merah sangat besar sehingga kita sekarang melihatnya sebagai radiasi gelombang mikro. Dicke dan Peebes sedang bersiap mencari radiasi itu ketika Penzias dan Wilson mendengar mengenai penelitian mereka dan menyadari bahwa yang dicari sudah ditemukan. Atas penemuan itu, Penzias dan Wilson dianugerahi hadiah Nobel ada 1978.

Sepintas semua bukti yang menunjukkan bahwa alam semesta tampak sama dimanapun kita memandang boleh jadi menunjukkan bahwa ada sesuatu yang istimewa mengenai tempat kita yang di dalamnya. Khususnya, barangkali terkesan bahwa jika kita mengamati bahwa semua galaksi lain menjauh dari kita, maka kita pasti ada di pusat alam semesta.  Tapi ada kemungkinan penjelasan lain, alam semesta mungkin tampak sama di segala arah kalau dilihat dari galaksi lain juga. Seperti telah kita lihat, itu merupakan asumsi kedua Friedmann. Kita tak punya bukti sains mendukung atau malam menentang asumsi itu.

Kita hanya mempercayai ini karena rendah hati: luar biasa sekali jika alam semesta tampak sama this murah dari tempat kita, tapi tidak dari tempat lain! Dalam model Friedmann, semua galaksi bergerak menjauh dari galaksi lain. Keadaannya yang mirip balon dengan sejumlah titik di kulitnya, yang sedikit demi sedikit ditiup pengembang. Selain balon mengembang, jarang antara sembarang dua titik pembesar, tapi tidak ada titik yang bisa disebut pusat pengembangan. Begitu pula, di model Friedmann, kecepatan pergerakan menjauh antara dua galaksi sebanding dengan jarak antara kedua galaksi. Jika model itu memprediksi bahwa ingsutan merah pada cahaya dari suatu galaksi seharusnya sebanding dengan jaraknya dari kita, cepat seperti ditemukan Humbble. Meski modelnya sukses dan prediksi terhadap pengamatan Hubble tepat, karya Friedmann tetap dikenal di barat sampai model-model serupa ditemukan pada 1935 oleh ahli fisika Amerika Howars Robetson dan ahli matematika Brirania Artgur Walker, menanggapi penemuan hubble atau pengembangan alam semesta yang seragam.