Kenapa cahaya tertua di langit punya suhu yang sama di segala arah?
Cahaya dari dua sisi langit yang berlawanan datang dari wilayah yang, tanpa inflasi, nggak pernah punya waktu untuk bertukar panas. Tapi suhu keduanya sama sampai sekitar 1 banding 100.000.
Inflasi mengusulkan bahwa sebuah wilayah kecil mengembang begitu cepat sampai menjadi semua yang bisa kita lihat. Di banyak versi teori ini, ekspansi itu terus berlangsung di tempat lain dan membentuk semesta baru.
Big Bang
Sekitar 13,8 miliar tahun yang lalu, semua yang ada di alam semesta teramati (observable universe) terkumpul dalam keadaan yang sangat panas dan sangat padat. Sejak itu, ruang mengembang dan semua isinya mendingin. Seiring mendingin, inti atom pertama terbentuk, lalu atom, lalu bintang dan galaksi. Cerita itu adalah teori Big Bang, dan teori ini didukung banyak bukti, termasuk radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB) itu sendiri. Teorinya menjelaskan gimana alam semesta mengembang dan mendingin dari keadaan itu, tapi nggak bilang apa yang memulainya.
Teka-teki pertama: masalah horizon
Perbandingan: secangkir kopi panas mendingin mendekati suhu ruangan karena bertukar panas dengan udara. Pertukaran panas bisa menjelaskan kenapa dua benda akhirnya punya suhu yang sama.
Penjelasan itu butuh waktu. Panas dan informasi nggak bisa merambat lebih cepat dari cahaya, jadi wilayah yang nggak pernah bertukar sinyal nggak bisa menyamakan suhu lewat cara ini.
Tanpa inflasi, model Big Bang yang mengembang menyisakan terlalu sedikit waktu. CMB dilepaskan saat alam semesta berumur sekitar 380.000 tahun. Wilayah yang terpisah lebih dari sekitar 2 derajat di langit kita belum sempat bertukar sinyal, tapi suhu keduanya hampir sama.
Masalah horizon adalah menjelaskan suhu yang seragam itu. Modelnya bisa dimulai dengan kondisi tersebut, tapi nggak memberi alasan kenapa kondisi awalnya begitu.
Teka-teki kedua: masalah kedataran
Ruang mendekati datar sejauh yang bisa kita ukur. Selama ekspansi yang didominasi materi atau radiasi, penyimpangan kecil dari kedataran makin berpengaruh. Supaya ruang tetap sedekat ini dengan datar, keadaan awalnya harus jauh lebih dekat lagi. Fisikawan menyebutnya masalah kedataran.
Inflasi
Di bulan Desember 1979, seorang fisikawan muda bernama Alan Guth merumuskan sebuah ide yang menyelesaikan dua teka-teki itu sekaligus. Pada pagi hari 7 Desember, dia menulis "SPECTACULAR REALIZATION" di bagian atas sebuah halaman di buku catatannya. Paper-nya terbit di bulan Januari 1981 di Physical Review D, dengan judul Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems.
Inflasi adalah ide bahwa, dalam sepersekian detik pertamanya yang sangat singkat, alam semesta mengalami ledakan ekspansi yang cepat banget. Ringkasan WMAP dari NASA menggambarkannya sebagai ekspansi sebesar "more than a trillion trillion fold in less than a trillionth of a trillionth of a second". Guth menaruh batas minimumnya di sekitar 60 langkah pertumbuhan dengan faktor e, yang hasilnya sekitar 1026.
Faktor 1026 adalah yang kamu dapat kalau kamu menggandakan sebuah panjang sekitar 86 kali berturut-turut. Sebuah proton lebarnya sekitar 1,7 × 10−15 meter. Kalau diregangkan sebesar 1026, lebarnya bakal jadi sekitar 1,7 × 1011 meter, sedikit lebih jauh dari jarak Bumi ke Matahari. Sebutir pasir selebar satu milimeter bakal jadi selebar sekitar 10 juta tahun cahaya, empat kali jarak ke galaksi Andromeda.
Apa yang menggerakkannya
Inflasi butuh sesuatu yang bisa mendorong ruang merenggang secepat itu. Dalam teorinya, dorongan itu datang dari sebuah medan: sebuah besaran yang punya nilai di setiap titik di ruang, kayak suhu yang punya nilai di setiap titik di sebuah ruangan. Medan yang menggerakkan inflasi disebut inflaton.
Dalam model inflasi, energi inflaton per satuan volume tetap hampir konstan saat ruang mengembang. Tekanannya negatif, yang menurut relativitas umum bisa mempercepat ekspansi. Saat medan melepaskan energi itu menjadi partikel, wilayah tersebut memanas dan memasuki fase Big Bang yang panas.
Gimana inflasi menyelesaikan dua teka-teki itu
Masalah horizon berubah kalau alam semesta teramati kita berasal dari satu wilayah kecil. Sebelum inflasi meregangkannya, wilayah itu bisa cukup kecil untuk memungkinkan pertukaran panas antar bagiannya. Dua sisi langit kita yang berlawanan bisa pernah bertetangga.
Perbandingan: semut di balon sebesar Bumi bakal melihat permukaan yang hampir datar. Lengkungan balonnya membentang jauh melebihi wilayah yang bisa dijelajahi si semut. Inflasi meregangkan kelengkungan ruang dengan cara serupa, sehingga sebuah wilayah kelihatan datar meskipun ruang yang lebih besar melengkung.
Apa yang didukung pengukuran
Pengukuran Planck, digabung dengan data galaksi, konsisten dengan ruang datar. Inflasi juga memprediksi perbedaan kecil pada kepadatan materi awal. Fluktuasi kuantum teregang sampai jarak kosmik, lalu bisa menjadi benih galaksi.
Indeks spektral menjelaskan gimana kekuatan fluktuasi awal itu berubah menurut skala. Nilai 1 berarti kekuatannya sama di berbagai skala. Planck mengukur 0,9649, dengan ketidakpastian 0,0042, sekitar delapan standar deviasi di bawah 1. Penyimpangan kecil itu sesuai dengan banyak model inflasi. Analisis inflasi dari tim Planck juga menemukan bahwa datanya cocok dengan model yang inflatonnya menggelinding pelan menuruni lereng landai.
Gelombang gravitasi primordial, riak ruang dari alam semesta awal, juga diprediksi oleh model inflasi. Kekuatannya bergantung pada modelnya. Gelombang ini bisa memengaruhi polarisasi CMB, yaitu arah getaran medan listrik cahaya. Pola berpilin dari arah getaran itu di langit disebut B mode.
Pada 17 Maret 2014, sebuah tim yang memakai teleskop BICEP2 di Kutub Selatan mengumumkan bahwa mereka udah menemukan sinyal itu. Di bulan Februari 2015, sebuah analisis gabungan dengan tim Planck menemukan "strong evidence for dust and no statistically significant evidence" untuk gelombang gravitasi itu. Debu di galaksi kita sendiri bisa menjelaskan polanya, jadi klaim itu dibatalkan.
Eksperimen itu akhirnya menetapkan batas atas. Angka r membandingkan kekuatan gelombang gravitasi primordial dengan kekuatan fluktuasi kepadatan awal. Tahun 2021, BICEP dan Keck menaruh r di bawah 0,036 pada tingkat kepercayaan 95 persen. Analisis yang menggabungkan beberapa kumpulan data memperketat batasnya menjadi sekitar 0,032.
Cerita BICEP2 terjadi di tahun 2014, tahun yang sama waktu ketertarikanku pada semesta paralel dimulai.
Gimana inflasi bisa terus berlangsung
Fluktuasi kuantum di inflaton
Perbandingan: bayangkan energi medannya sebagai sebuah bukit, dan nilai medannya sebagai bola di bukit itu. Selama bolanya ada di posisi tinggi, energi yang tersimpan besar, dan ruang berinflasi. Waktu bola menggelinding turun ke lembah di bawah, energinya dilepaskan, dan inflasi berakhir di wilayah itu.
Tapi inflaton itu medan kuantum, jadi nilainya bergetar secara acak di mana-mana. Biasanya bolanya tetap menggelinding turun, tapi di beberapa wilayah getaran itu mendorongnya balik naik ke atas bukit untuk sementara.
Wilayah yang bertahan di atas bukit terus mengembang. Meski inflasi berakhir di sebagian tempat, wilayah yang masih berinflasi bisa tumbuh cukup cepat sehingga total volumenya bertambah. Dalam perhitungan sederhana Guth, satu wilayah mengembang menjadi sekitar 20 wilayah selama satu rentang waktu khas ekspansi. Kalau lebih dari sekitar 1 dari 20 wilayah bertahan di atas bukit, volume yang berinflasi bisa terus bertambah.
Ide ini disebut inflasi abadi. Alexander Vilenkin menjelaskannya di tahun 1983, dan Andrei Linde mengembangkannya di tahun 1986.
Semesta gelembung
Perbandingan: bayangkan sebuah danau yang membeku. Biasanya, petak-petak es terbentuk, membesar, menyatu, dan nggak lama kemudian seluruh danau membeku. Sekarang bayangkan air cair di antara petak-petak itu terus mengembang, lebih cepat dari kecepatan es menyebar. Petak es baru terus terbentuk selamanya, tapi air di antaranya tumbuh begitu cepat sampai petak-petak itu nggak pernah menyatu.
Dalam inflasi abadi, petak-petak itu adalah wilayah tempat inflasi udah berakhir. Di dalam masing-masing petak, inflaton melepaskan energinya, wilayah itu terisi partikel-partikel panas, dan sejarah Big Bang yang biasa pun dimulai. Fisikawan menyebut wilayah-wilayah ini semesta gelembung atau semesta saku. Seluruh alam semesta teramati kita ada di dalam salah satunya.
Dalam gambaran ini, ruang di antara semesta saku terus berinflasi. Semesta saku baru terbentuk, sementara jarak di antara sebagian besar yang sudah ada tumbuh terlalu cepat untuk diseberangi sinyal.
Itulah semesta paralel Level II, di peta Max Tegmark: gelembung lain, lahir dari ruang berinflasi yang sama, terputus dari gelembung kita.
Di dalam gelembung
Dalam beberapa model gelembung, ruang di dalamnya bisa tak terhingga pada waktu kosmik tertentu. Hasil ini berasal dari geometri gelembung, yang berakar pada perhitungan Sidney Coleman dan Frank De Luccia tahun 1980. Gelembung seperti itu bisa berisi salinan Level I kalau materinya juga memenuhi asumsi statistik dalam argumen tersebut.
Hukum yang berbeda di gelembung yang berbeda
Teori dengan satu keadaan akhir memberi setiap semesta saku fisika yang sama. Teori dengan beberapa kemungkinan keadaan akhir memungkinkan lebih banyak variasi. Semesta saku yang berbeda bisa berakhir dengan partikel, kekuatan gaya, atau jumlah dimensi ruang besar yang berbeda.
Kalau begitu, gelembung tetangga bisa beda total dari gelembung kita, tanpa atom atau tanpa bintang yang stabil sama sekali. Hukum-hukum yang bakal kamu ukur di sana bakal kelihatan beda, walaupun teori yang lebih mendasarnya sama.
Teori string adalah salah satu usulan tentang asal berbagai keadaan itu.
Bisakah kita suatu saat melihat gelembung lain?
Kalau gelembung lain terbentuk cukup dekat dengan gelembung kita, keduanya bisa bertabrakan. Beberapa model memprediksi bekas berbentuk cakram di CMB akibat tabrakan itu, dengan pola suhu yang bisa dicari para astronom.
Tahun 2011, Stephen Feeney dan rekan rekannya mencari jejak itu di data WMAP dan nggak menemukan kebutuhan untuk menambahkan tabrakan gelembung ke model standar. Mereka membatasi rata rata jumlah tabrakan yang bisa dideteksi di seluruh langit di bawah 1,6 pada tingkat kepercayaan 68 persen. Perkiraan tahun 2015 menemukan sedikit peningkatan dari peta suhu yang lebih baik, tapi memperkirakan penambahan polarisasi bisa meningkatkan kemampuan deteksi sekitar 30 persen.
Tabrakan bisa terlalu samar atau terjadi di luar wilayah teramati kita. Pencarian ini membatasi tabrakan dengan sinyal yang bisa dideteksi; hasilnya nggak menyingkirkan semua kemungkinan gelembung lain.
Perdebatan soal inflasi abadi
Paul Steinhardt ikut mengembangkan inflasi di awal tahun 1980-an. Di bulan Februari 2017, dia dan dua koleganya, Anna Ijjas dan Abraham Loeb, menulis artikel di Scientific American berjudul Pop Goes the Universe. Mereka berargumen bahwa kalau inflasi abadi menghasilkan gelembung yang jumlahnya tak terhingga, setiap hasil yang mungkin bakal terjadi di suatu tempat, jadi teori itu bisa menjelaskan pengamatan apa pun. Teori yang bisa menjelaskan apa aja nggak memprediksi apa-apa, dan bagi mereka itu berarti teorinya bukan sains.
Di bulan Mei 2017, 33 fisikawan, termasuk Alan Guth, Andrei Linde, Stephen Hawking, dan Steven Weinberg, membalas dengan surat berjudul A Cosmic Controversy yang membela inflasi sebagai teori ilmiah yang udah teruji. Mereka menunjukkan bahwa prediksi-prediksi inflasi udah terkonfirmasi, dan bahwa model-model yang spesifik masih bisa diuji dan dicoret.
Measure problem menyangkut probabilitas ketika hasil terjadi tak terhingga kali. Menghitung hasil mana yang umum butuh aturan untuk membandingkan himpunan yang tak terhingga. Aturan berbeda bisa memberi prediksi berbeda tentang gelembung yang tipikal.
Pendapatku
Pengukuran CMB memberiku alasan untuk menganggap serius inflasi. Inflasi abadi butuh lebih dari itu: model yang fluktuasi kuantumnya menjaga cukup banyak ruang tetap berinflasi, serta cara menghitung probabilitas di antara semesta sakunya.
Menurutku semesta paralel itu ada. Banyaknya model inflasi yang terus menghasilkan semesta saku baru adalah salah satu alasanku.
Memuat komentar...