Black Holes: A Historical Perspective

Saat ketenaran Hawking mulai tersebar, ia mulai membentuk tim riset untuk menyelidiki lubang hitam. Hingga, pada 1971, ia tiba pada gagasan bahwa setelah peristiwa big bang, sejumlah “lubang hitam mini” mulai terbentuk. Lubang hitam ini sedemikian padat dengan massa semiliyar ton namun dengan ukuran yang tidak lebih besar dari photon (partikel cahaya). Kenapa gagasan ini luar biasa? alasannya, lubang hitam memiliki massa dan gaya berat yang sangat besar sehingga ia tunduk pada hukum relativitas, namum karena ukurannya “mini”, maka ia juga tunduk pada hukum mekanika kuantum. Ini menunjukkan bahwa kedua hukum yang sering konflik ini “pada awalnya” adalah satu. Dengan kata lain, di masa mendatang, kita akan bisa membuat sebuah teori terpadu untuk menyatukan keduanya*). Namun, gagasan tersebut pada masa itu (walaupun sensasional) masih sulit untuk diterima. *) untuk mengetahui lebih jelas mengenai usaha fisikawan dalam menyatukan kedua hukum tersebut, lihat note FB teman saya, Arip Nurahman: When Relativity and Quantum Mechanics Get Married Dan memang yang terjadi adalah sebaliknya. Sebuah singularitas yang diciptakan oleh runtuhan gravitasional memiliki arti bahwa semua hukum fisika tidak berlaku. Menakutkan ! Namun karena peristiwa ini terjadi dalam lubang hitam, maka kita tidak bisa mengamati: kita tidak diizinkan mengamati perisiwa tersebut oleh semacam "badan sensor kosmik". Ini mengisyaratkan bahwa semesta mungkin tidak bisa dijelaskan secara ilmiah — dan mungkin memang tidak ilmiah sama sekali. Implikasi dari hal ini adalah kenyataan bahwa ilmu pengetahuan dihadapkan pada dua pilihan, menjadi sempurna atau hancur. Namun, Hawking tetap membawa optimisme bahwa: mungkin kita memang tidak bisa melihat apa yang ada dalam lubang hitam, di mana hukum-hukum fisika tidak lagi berlaku, namun kita masih bisa memperkirakan apa yangterjadi di "wilayah terlarang" ini. Asal-usulnya telah dijelaskan — sekarang tinggal masalah menjelaskan kelanjutan eksistensinya. Pada 1974, Hawking bersama timnya berhasil membuktikan “teorema tanpa rambut” yang digagas oleh Wheler. Menurut teorema ini, sebuah lubang hitam dengan cepat memasuki keadaan stasioner di mana hanya tiga parameter yang berlaku, yaitu: massa, pergerakan siku-siku, dan muatan listrik. Apa pun yang masuk ke dalam lubang hitam, hanya ketiga parameter tersebut yang masih tetap bertahan. (Rambut maksudnya di sini adalah koordinat-koordinat dimensi yang menonjol keluar, yang "dicukur habis" saat memasuki lubang hitam — sehingga hanya bagian-bagian yang "gundul", massa bermuatan listrik dan selalu bergerak, yang ada di dalamnya.). Hawking sampai pada kesimpulan, Hukum fisika mungkin tidak berlaku dalam lubang hitam, namun yang terjadi di dalamnya juga bukan keadaan yang kacau sama sekali. Di rentang 1974-1975, ia mendapatkan undangan untuk mengunjungi Caltech. Ini adalah sebuah "pemukiman" ilmiah paling prestisius di West Coast — tempat para pakar, termasuk ahli kimia Linus Pauling, dan juga sekelompok pemenang hadiah Nobel. (Di antaranya adalah fisikawan yang juga pemain bongo Richard Feynman, dan Murray Gell-Mann yang bisa jadi mampu menciptakan penemuan baru cukup dengan membaca kutipan James Joyce atau teks agama Buddha.). Hawking menyenangi California, karena berkesempatan menggunakan teleskop paling canggih di Mount Wilson. Dan juga pada tahun itulah, atau tepat saat umurnya 32 tahun, ia dipilih sebagai anggota dari Royal Society, sebagai anggota termuda dalam sejarah. Dan, disekitar saat-saat itulah hawking mengalami apa yang dikenal oleh Archimides sebagai “Eureka”. Ia membayangkan apa yang terjadi pada cahaya yang berada di horizon peristiwa sebuah lubang hitam. Dia tahu bahwa cahaya yang membentuk horizon peristiwa (permukaan lubang hitam) tidak pernah saling mendekat — karena tertahan, tidak bisa terlepas dan tidak bisa terserap ke dalam lubang hitam. Tiba-tiba dia menyadari arti dari hal ini. Permukaan lubang hitam tidak pernah berkurang atau menyusut. Dengan kata lain, sekalipun ada dua lubang hitam yang berdekatan, keduanya tidak akan saling menelan satu sama lain. Sebaliknya, luas seluruh permukaan keduanya tetap sama atau bertambah, tapi tidak mungkin berkurang. Ini mungkin sulit dipahami — juga tidak terlalu menarik ataupun penting. Namun implikasi-implikasinya mampu mengubah pandangan kita tentang apa yang disebut sebagai lubang hitam. Dia menyadari bahwa sifat permukaan lubang hitam memiliki kemiripan yang cukup aneh dengan hukum termodinamika kedua. Hukum ini menyatakan bahwa entropi (atau ketidakberaturan) dalam sistem terisolasi akan selalu sama atau bertambah; dan jika ada dua sistem semacam ini yang tergabung, maka jumlah entropi total lebih besar dibandingkan jumlah entropi sebelumnya. Pendeknya, ini berarti bahwa jika segala sesuatu dibiarkan begitu saja, maka ketidakberaturan yang terjadi akan tetap sama atau meningkat, tidak mungkin berkurang. Sebagai contoh sebuah kost-an. Jika Anda tidak rajin merawatnya, maka ketidakberaturan atau kekacauan dalam kost-an Anda bertambah. Untuk menciptakan keberaturan, atau mengatasi ketidakberaturan, diperlukan tambahan energi lain.**) **) Setidaknya, ini pemahaman yang saya dapat dari dosen matakuliah Termodinamika, mohon koreksi apabila keliru. Hukum ini menjelaskan mengapa ada proses-proses tertentu yang tidak bisa dibalik. Jika anda menjatuhkan sebuah gelas dan pecah, maka gelas itu tidak bisa menempel dan utuh kembali dengan sendirinya — karena itu berarti mengurangi entropi, jika kita melihat gelas tersebut sebagai satu sistem terpisah. Entropi menentukan arah dari proses yang tidak bisa dibalik. Dalam suatu cara, ia menunjukkan arah berjalannya waktu. Jadi, mengapa sifat lubang hitam mirip dengan hukum termodinamika kedua? Apakah itu berarti bahwa hukum ini berlaku di lubang hitam — yang sebelumnya dianggap sebagai suatu tempat di mana hukum-hukum semacam itu tidak berlaku? Dalam perkembangannya, perhitungan matematika terhadap blackhole selalu didasarkan pada relativitas, karena memang hukum ini mengatur objek-objek berukuran makro. Sedangkan mekanika kuantum (yang mengkaji objek-objek mikro) tidak diperhitungkan. Hawking selanjutnya menunjukkan salahnya asumsi ini. Mekanika kuantum memberikan petunjuk penting terhadap sifat lubang hitam yang sesungguhnya. Kenapa salah? Di awal, kita harus paham sedikit tentang mekanika kuantum (sejarah lengkap tentang kelahiran konsep ini adalah tema tulisan saya selanjutnya). Salah satu gagasan paling mendasar dan paling menarik dalam fisika kuantum dikemukakan tahun 1927 oleh fisika wan Jerman, Werner Heisenberg, saat dia masih berusia 26 tahun namun sudah menjadi pakar teori kuantum. Penemuan terbesar Heisenberg adalah prinsip ketidakpastian, yang menyatakan bahwa kita tidak pernah bisa menentukan secara simultan posisi dan momentum yang tepat dari sebuah partikel. Gambaran yang saya peroleh dari bekal kuliah S-1 dulu (lagi-lagi, mohon koreksi apabila keliru) adalah seperti ini. Jika kita berusaha menentukan posisi yang tepat dari sebuah elektron. Partikel ini sedemikian kecil sehingga hanya bisa dideteksi dengan sesuatu yang memiliki panjang gelombang yang cukup kecil, seperti sinar gamma. Namun saat sinar gamma ini menabrak elektron, ia juga mempengaruhi momentum dalam suatu cara yang tidak bisa diperkirakan. Jadi tidak mungkin kita bisa menentukan posisi sebuah elektron tanpa mengubah momentumnya. Dan apabila kita berusaha menentukannya dengan lebih tepat (dengan menggunakan gelombang-gelombang yang lebih pendek) , maka semakin besar pula pengaruhnya pada momentum elektron tersebut . Demikian juga, bila momentum tersebut tidak banyak terpengaruh, maka penilaian kita atas posisi elektron itu juga kurang tepat . Seperti halnya pada partikel, hal itu juga berlaku untuk bidang — yang bisa dianggap terdiri dari berbagai partikel. Berikut ini adalah runtutan Tanya jawab mengenai kaitan antara entropi dengan lubang hitam (saya kutip dari bukunya Paul Strathern): — Ruang juga merupakan bidang. Tapi bagaimana? Karena menurut definisinya ruang adalah kosong, hampa. — Menurut prinsip ketidakpastian Heisenberg, ini tidak mungkin. Mengapa tidak? — Kita tahu bahwa tidak mungkin mengukur secara simultan nilai sebuah bidang, beserta tingkat perubahannya, dengan ketepatan yang mutlak. Ini berlaku untuk bidang, seperti halnya untuk partikel. Jadi? — Ini berarti bahwa tidak ada bidang yang nilainya persis nol. Karena nilai tersebut adalah ukuran pasti dari nilai bidang tersebut serta tingkat perubahannya. Tidak mungkin, menurut prinsip ketidakpastian. Namun jika kita benar-benar memiliki ruang kosong, maka bidang ini nilai persisnya adalah nol. Jadi tidak ada yang namanya ruang kosong? — Benar. (Atau mungkin hampir tepat!) Jadi bagaimana? — Menurut prinsip Heisenberg, bahkan di ruang (angkasa) akan selalu ada ketidakpastian, meskipun sangat-sangat kecil. Tapi apa artinya? — Ketidakpastian ini bisa dibayangkan seperti pergerakan kecil, sedikit di atas dan di bawah nol —tapi tidak pernah benar-benar nol. Dan bagaimana ini terjadi? — Kita perlu memikirkannya dengan cara berikut. Tidak mungkin tidak ada apa-apa, jadi anggap saja kita memiliki sepasang partikel virtual, yang bergerak di sekitar nilai nol. Tapi apa partikel itu, dan mengapa bisa bergerak? — Pasangan partikel ini terdiri dari partikel dan anti-partikel. Satu positif, satu negatif. Saat tergabung keduanya saling meniadakan, dan pasangan partikel virtual ini terus-menerus bergerak masuk dan keluar realita, saling membentuk dan meniadakan satu sama lain. Inilah yang mengakibatkan munculnya pergerakan sedikit di atas dan di bawah nol. Lalu apa kaitannya dengan lubang hitam? — Lubang hitam terdapat di ruang (angkasa), yang berarti bahwa proses ini terjadi di sekitarnya. Hawking berspekulasi tentang apa yang terjadi di permukaan lubang hitam, di horizon peristiwa. Ruang di permukaan lubang hitam juga memiliki partikel-partikel virtual ini, yang muncul ke dalam realita. Namun sebelum saling meniadakan, keduanya terkena pengaruh lubang hitam. Partikel yang negatif ditarik dan yang positif ditolak lalu berubah menjadi radiasi. Jadi lubang hitam memancarkan radiasi thermal (yakni, panas). Karenanya memiliki suhu yang bisa diukur. Implikasi dari hal ini mengubah sepenuhnya konsepsi kita tentang lubang hitam. Lubang hitam bukanlah sebuah lubang di angkasa, di mana materi, ruang-waktu, dan hukum-hukum fisika tidak ada dan tidak berlaku. Lubang hitam bisa dilihat sebagai objek yang ada dalam semesta. la tunduk pada hukum termodinamika kedua. la memiliki entropi . Ini berarti ia bahkan memiliki waktu. Ia tidak lagi tidak dapat dilihat — karena ia bisa "dilihat" oleh hukum-hukum fisika. Tapi ini belum semua. Dalam menggabungkan gaya berat lubang hitam dengan perilaku atau sifat partikel virtual, Hawking berarti menggabungkan mekanika kuantum dan relativitas untuk yang pertama kalinya. Pada tahun 1979, saat berusia tiga puluh tujuh tahun, Hawking terpilih sebagai Lucasian Professor of Mathematics di Cambridge. Ini adalah jabatan paling prestisius — yang sebelumnya dipegang oleh Isaac Newton. Pada pidato sambutan pelantikannya, ia membawakan tema “Is the End in Sight for Theoretical Physics?" Di sini Hawking menyampaikan sebuah topik yang selanjutnya menjadi pembicaraan hangat. Yaitu sebuah "teori tentang segala sesuatu". Teori ini akan memberikan sebuah deskripsi yang terpadu, konsisten, dan lengkap atas segala sesuatu. (Tentu saja segala sesuatu yang dimaksud di sini adalah semua partikel elementer dan semua interaksi fisik di semesta raya — yang semuanya dimasukkan dalam satu rangkaian persamaan.) Teori ini menandai "akhir" dari fisika teoretis. Hawking mengakui bahwa setelah ini memang masih "banyak yang harus dilakukan," tapi itu akan seperti "mendaki gunung setelah Everest." Hawking memperkirakan bahwa kemungkinan besar teori tentang segala sesuatu ini akan telah ditemukan pada akhir abad (abad ke-20). Dia bahkan memperkenalkan calon unggulannya yaitu N = 8 (supergravitasi). Telah beberapa lama diperkirakan bahwa kuncinya adalah sebuah gravitasi dalam bentuk tertentu, karena konstanta gravitasi (G) terlihat sebagai penentu struktur semesta, dan mungkin proporsional terhadap usianya. Namun pada akhirnya teor i ini terbukt i lebih kompleks dibandingkan komprehensif. Hawking sendiri merevisi gagasannya dan mengajukan teori superstring, yang menyatakan bahwa objek-objek dasar yang membentuk semesta adalah objek-objek satu-dimensi berbentuk string, bukan partikel-partikel kecil. Objek yang sangat tipis ini diperkirakan memiliki panjang 10 pangkat - 35 meter, namun mampu menggabungkan semua partikel dan gay a yang diketahui. Dan Hawking memperkirakan bahwa teori superstring memerlukan waktu setidaknya dua puluh tahun untuk bisa dijelaskan. Dan setelah itu kita berarti telah berhasil menyelesaikan masalah terakhir — kita bisa mengetahui segala sesuatu. *** Diakhir tulisan ini, ijinkan saya mencoba menanggapi apa yang dikatakan Hawking sebagai "mendaki gunung setelah Everest." Dalam hal ini, (seperti yang saya baca dari buku mendiang Hans. J Wospakrik: Dari Atomos Hingga Quark), kita melihat bagaimana Filsuf Yunani kuno pertama, Thales dari Miletus, yang hidup di abad ke-6 S.M., merasa yakin telah menemukannya (air) sebagai unsur paling sederhana pembentuk semuanya. Dan selama berabad-abad sesudahnya, para filsuf dan ilmuwan terus merasa yakin bahwa mereka telah menemukannya, atau hampir menemukannya. Apa yang mereka anggap sebagai penjelasan terakhir termasuk: api, nafas, atom, aksioma geometri, monad, gravitasi, atom lagi, bahasa logis, dan masih banyak lagi. Ternyata sungguh di luar dugaan, teori Dalton menyatakan bahwa “atom”lah penyusun zat yang tak terbelahkan itu. Namun, pada masa-masa setelahnnya, diyakini bahwa electron, proton, dan neutron sebagai zat yang tak terbelahkan itu. Bahkan, ternyata terdapat partikel terkecil yang menyusun proton dan neutron itu. apakah ini berakhir? Jawabannya: TIDAK. Dekade ini, kita mengetahui bahwa setidaknya ada 16 family partikel elementer, dan…pemburuan terkahir pada partikel yang sangat ditunggu-tunggu kehadirannya, Higs. Dan apakah, (andai) Higs ditemukan, maka hukum fisika terjelaskan semuanya?????? Atau, barangkali kita masih ingat, bagaimana sikap ilmuan saat hukum gravitasi ditemukan Newton. Sepertinya, hukum alam sudah terjelaskan semua, tidak ada lagi yang perlu kita teliti. Dan, faktanya tidak demikian, Einstein datang kedalam panggung fisika “baru” yang popular dengan sebutan fisika modern dengan teori gravitasinya. Agaknya, kita harus kembali mengingat apa yang dikatakan oleh filsafat Wittgenstein saat dia beranggapan telah mencapai "solusi" terakhir atas persoalan-persoalan filsafat. Dan selanjutnya dia menyadari "betapa sedikit yang dicapainya saat dia berhasil menyelesaikan masalah-masalah tersebut." Tidak seperti ilmu pengetahuan, filsafat mencapai masa kedewasaannya di abad ke-20 dengan membawa sebuah kesadaran, yaitu tidak ada yang bisa disebut sebagai kebenaran terakhir. Tidak ada dalam filsaf at, dan juga tidak ada dalam ilmu pengetahuan. Ilmu pengetahuan dan filsafat hanyalah sistem yang kita temukan, dan pandangan kita atas sistem-sistem tersebut terus berkembang. Namun kedua sistem ini didasarkan pada pemikiran kita tentang kebenaran. Keduanya didasarkan pada apa yang berguna bagi kita, dan sesuai dengan bagaimana cara kita melihat dunia. Sebagai sebuah kebenaran, teori superstring kemungkinan juga tidak lebih dari api atau atom. (Atau, di lain pihak, teori ini akan terlihat benar hanya pada masanya.) Terimakasih kepada Arip Nurahman, atas diskusi yang sangat konstruktif terkait dengan bagaimana kita memahami pemahaman mereka. Juga untuk pemberian buku: Dari Atomos Hingga Quark dan A Brief History of Time. Serta Cakrawala UPI yang membuat saya mulai “mencintai” kosmlogi. n_n Bacaan Selanjutnya: * Hawking, Stephen. A Brief History of Time (Bantam, 1990) — Buku best-seller di dunia di mana sang pakar sendiri yang menjelaskan semesta pada dunia. * Hawking, Stephen (ed.) A Brief History of Time: A Reader's Companion (Bantam, 1992) — Cerita tentang Hawking dari pernyataan teman-teman keluarga, dan dirinya sendiri. * White, Michael, dan John Gribben, Stephen Hawking: A Life in Science (Plume, 1993) — Bisa dikatakan sebagai biografi berskala penuh. * Kraus, Gerard. Has Hawking Erred? An Appraisal of "A Brief History of Time" (Janus, 1994) — Pandangan yang menentang Hawking. * Hawking, Stephen, Black Holes and Baby Universes and Other Essays (Bantam, 1994) —Berita-berita terkini tentang waktu, semesta, dan yang semacam itu.