Energi Total Alam Semesta Menurut Teori Inflasi Kosmik

Motivasi utama dari Teori Inflasi Kosmik (Cosmic Inflation) adalah untuk memecahkan persoalan-persoalan kosmologi yang masih belum dapat dijelaskan oleh teori Big Bang. Menurut teori ini, alam semesta mengembang dengan kecepatan yang sangat fantastis dalam waktu yang sangat singkat antara 10^-36 dan 10^-32 detik setelah terjadinya peristiwa Big Bang. Dalam periode inflasi tersebut, diperkirakan volume alam semesta mengembang menjadi paling tidak 10^78 kali lipat lebih besar. Saat proses inflasi ini dimulai, ukuran diameter alam semesta diperkirakan hanya sebesar 10^-24 cm, atau kira-kira 100 milyar kali lipat lebih kecil dari ukuran proton, partikel subatomik penyusun inti atom. Dalam periode inflasi yang sangat singkat ini, terjadi proses penyamarataan temperatur di semua bagian alam semesta. Ketika proses inflasi selesai, suhu alam semesta sudah sama di semua tempat, sehingga dengan demikian teka-teki dari horizon problem sudah terpecahkan. Teori Inflasi Kosmik ini juga dapat memecahkan persoalan-persoalan lain yang ada dalam teori Big Bang, seperti flatness problem dan magnetic-monopole problem.

Sejarah Alam Semesta [1]

Proses inflasi kosmik disebabkan oleh medan kuantum yang dinamakan inflaton. Medan kuantum tersebut tersebar merata ke seluruh ruang-waktu saat awal-awal terjadinya Big Bang. Sebagaimana medan kuantum yang lain (misalnya seperti medan elektromagnetik), inflaton tersebut membawa energi yang berupa tekanan yang luar biasa kuat dari false vacuum. Kata “false” di sini menunjukkan bagian ruang-waktu yang memiliki kerapatan energi terendah tetapi masih bersifat sementara, karena masih dimungkinkan untuk diturunkan lagi ke level energi yang lebih rendah menuju true vacuum. Tekanan ini kemudian menghasilkan gaya tolak gravitasi yang sangat kuat yang menyebabkan peristiwa inflasi kosmik. Saat peristiwa inflasi kosmik berakhir, inflaton meluruh (sebagaimana unsur radioaktif) dan bertransformasi menjadi partikel elementer materi. Proses inflasi kosmik secara umum bisa dibagi menjadi tiga fase sebagai berikut: (i) Fase pertama merupakan pengembangan vakum dengan energi potensial yang sangat tinggi; (ii) Fase kedua merupakan fase transisi dari false vacuum menuju true vacuum; (iii) Fase ketiga dan terakhir adalah ketika vakum sudah mencapai true vacuum, saat inflaton mulai meluruh.

Ketika alam semesta masih berupa titik singularitas, tidak ada satu partikel pun yang eksis. Tetapi saat ini jumlah partikel yang teramati di alam semesta diperkirakan minimal ada 10^86 partikel. Partikel-partikel tersebut adalah penyusun semua materi, dan karenanya juga penyusun eksistensi segala sesuatu yang ada di alam semesta. Lalu dari mana datangnya semua partikel tersebut? Berdasarkan teori relativitas dan mekanika kuantum, partikel materi dapat diciptakan dari energi dalam bentuk pasangan partikel dan anti-partikel. Energi tersebut dipinjam dari energi gravitasi alam semesta, terutama saat peristiwa inflasi kosmik. Energi gravitasi tersebut bersifat negatif, sedangkan bentuk energi fundamental yang lain, yakni energi nuklir lemah, kuat, dan energi elektromagnetik, bersifat positif. Semua energi positif dan negatif tersebut saling menghilangkan satu sama lain sehingga energi total alam semesta adalah nol. Alan Guth, salah satu arsitek utama teori inflasi kosmik, sering mengatakan bahwa alam semesta merupakan “the ultimate free lunch”, karena semua materi yang ada di alam semesta berasal dari energi pinjaman secara gratis dari energi gravitasi.

Pandangan bahwa energi total alam semesta adalah nol sudah diterima secara luas oleh para pakar kosmologi terkemuka saat ini seperti Andrei Linde, Alan Guth, Alexander Vilenkin, dan Stephen Hawking [Leslie and Kuhn, 2013]. Adalah Edward Tryon fisikawan pertama yang mengajukan teori bahwa energi total alam semesta adalah nol [Tryon, 1973]. Menurut Tryon, alam semesta merupakan sebuah fluktuasi kuantum dalam skala besar dari vakum. Sebagaimana yang biasanya dipahami dalam ilmu fisika, vakum merupakan ruang kosong yang tidak mengandung materi apa pun. Tetapi berdasarkan prinsip ketidakpastian Heisenberg dalam fisika kuantum, peristiwa fluktuasi kuantum dapat menyebabkan partikel-partikel virtual untuk eksis secara spontan dalam vakum (dalam bentuk pasangan partikel dan anti-partikel), dan kemudian partikel-partikel tersebut musnah lagi dalam waktu yang sangat singkat. Waktu hidup partikel virtual tersebut sangat singkat karena mereka hidup dengan energi pinjaman dari vakum, semakin besar energi yang dipinjam maka semakin cepat energi tersebut harus dikembalikan ke vakum. Dengan demikian vakum sebetulnya bukan ruang yang benar-benar kosong, karena dalam vakum masih ada medan kuantum yang membawa energi. Menurut Tryon, partikel-partikel virtual tersebut (bersama dengan vakum) sudah eksis sebelum alam semesta lahir, dan merupakan asal-usul dari semua partikel elementer penyusun alam semesta (termasuk semua eksistensi di dalamnya) yang teramati saat ini. Teori Tryon didasarkan pada teorema matematika yang menyatakan bahwa energi total dari alam semesta tertutup (closed universe) selalu sama dengan nol. Energi gravitasi adalah negatif sedangkan energi materi adalah positif, jika dijumlahkan maka total energi gravitasi dan materi di dalam alam semesta tertutup adalah nol. Sehingga jika alam semesta tertutup bisa dihasilkan dari proses fluktuasi kuantum, maka proses ini sama sekali tidak memerlukan pinjaman energi dari vakum. Dengan demikian hukum kekekalan energi sama sekali tidak terlanggar.

Teori Tryon memiliki beberapa kelemahan misalnya tidak dapat menjelaskan mengapa alam semesta yang berasal dari fluktuasi kuantum tersebut bisa berukuran luar biasa besar sebagaimana yang teramati sekarang. Tetapi sebesar apakah alam semesta yang bisa diamati manusia? Menurut data yang paling mutakhir, terdapat kira-kira lebih dari 2 trilyun galaksi di alam semesta (Conselice, 2016). Galaksi Bima Sakti, tempat tata surya kita berada, hanyalah salah satu dari 2 trilyun galaksi tersebut. Di dalam galaksi Bima Sakti terdapat sekitar 100 sampai 400 milyar bintang. Sehingga bintang matahari yang terlihat berukuran raksasa dari bumi, tepatnya 1.3 juta kali lipat lebih besar dari bumi, yang juga merupakan sumber kehidupan di bumi, hanya terlihat sebagai sebuah titik yang tidak berarti di alam semesta. Kelemahan teori Tryon ini dapat diperbaiki oleh Teori Inflasi Kosmik. Berdasarkan teori ini, alam semesta yang teramati manusia (observable universe) ukurannya ibaratnya hanya seperti setetes air di samudra.

Persoalan lain yang lebih fundamental adalah, teori Tryon belum dapat menjelaskan dengan memuaskan asal-usul alam semesta, karena masih mengasumsikan keberadaan vakum sebelum adanya alam semesta. Vilenkin memperbaiki teori ini melalui konsep quantum tunneling (Vilenkin, 2006). Proses inflasi kosmik hanya mungkin terjadi jika energi vakum bisa mengatasi energi tarik gravitasi, karena jika tidak maka alam semesta akan runtuh kembali ke singularitas. Meskipun demikian menurut fisika kuantum masih ada peluang bagi alam semesta untuk tidak runtuh, karena masih memiliki peluang untuk mengatasi rintangan energi ini untuk mengembang dengan radius yang lebih besar. Proses ini disebut dengan quantum tunneling. Proses quantum tunneling dapat menghasilkan alam semesta berukuran sangat kecil, tanpa perlu mengasumsikan adanya vakum sebelumnya, tetapi berisi false vacuum yang dapat menyebabkan proses inflasi kosmik alam semesta, yang pada akhirnya menghasilkan alam semesta yang teramati sekarang. Vilenkin juga menunjukkan bahwa peluang terjadinya proses quantum tunneling ini tidak nol, meskipun alam semesta pada awalnya beradius nol. Menurut penafsiran Vilenkin, hal ini memberi implikasi bahwa alam semesta saat ini (dan termasuk semua eksistensi di dalamnya) dapat benar-benar berasal dari sesuatu yang tidak memiliki eksistensi apa pun, karena dapat berasal dari sesuatu yang beradius nol (tanpa adanya ruang-waktu), tanpa materi atau energi apa pun di dalamnya. Jika awal mula alam semesta adalah kekosongan, maka masuk akal jika energi total alam semesta adalah nol.

Referensi:
[1]https://en.wikipedia.org/wiki/File:History_of_the_Universe.svg

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Citra Matahari Terkini

Latest image from Helioviewer.org.