Pengenalan
Terdapat
banyak gagasan-gagasan eksotis muncul dari ranah Fisika Teori yang menarik
untuk kita kaji. Teori-teori yang berkembang dari hasil pemikir-pemikir terbaik
dunia, beberapa sosok besar yang kita kenal, seperti Albert Einstein, Max
Planck, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrodinger, dan banyak lagi.
Mereka yang telah merintis berbagai topik Fisika modern sepanjang abad 20 yang
masih ramai diperbincangkan dan relevan untuk berbagai kalangan. Para penulis
fiksi yang semakin banyak mendapat inspirasi untuk karya sastranya, bahkan anak
SD sampai SMA sekalipun tertarik untuk memperbincangkan berbagai topik menarik
ini dengan teman dan guru sekolahnya. Semisal, perjalanan waktu, dunia paralel,
dimensi ekstra, lubang hitam, lubang cacing, dan lain sebagainya.
Seiring
dengan usaha para Fisikawan yang mendedikasikan seluruh hidupnya, pemerintah
maupun para investor swasta yang telah dengan sukarela mengeluarkan biaya
paling mahal untuk membangun fasilitas dan membiayai riset eksperimental untuk
para fisikawan. Demi pencapaian satu model akhir dan prestasi tertinggi dari
perjalanan panjang peradaban manusia, dimulai dari sekitar 5000 tahun lalu
sejak angka pertama ditemukan, sudah hampir 1200 tahun Al-Khwarizmi menemukan
aljabar, dan sudah sekitar 300 tahun sejak Newton merumuskan hukum gerak dan
gravitasi universalnya. Dan kita, manusia telah hampir mencapai peradaban
tertingginya. 2 pilar utama Fisika modern, Teori Relativitas dan Mekanika Kuantum,
yang coba disatukan untuk mendapatkan satu model akhir tunggal yang Fisikawan
sebut sebagai “Theory of Everything”.
Kita akan
coba bersama-sama untuk mengikuti perkembangan fisika modern terbaru. Dan dalam
kesempatan pertama ini, saya akan coba ulas secara sederhana dan sebatas
pemahan dari referensi seadanya yang saya dapat, mengenai Lubang Hitam. Dan untuk kesempatan-kesempatan selanjutnya saya mungkin
juga akan mengulas berbagai topik eksotis lainya dari ranah Fisika Teori.
***
Apa itu lubang hitam?
Walapun
terdapat istilah “Lubang” disana, jangan salah paham! Ia tidak berarti
tergambarkan sebagaimana bentuk lubang yang “bolong”. Secara sederhana, Lubang
Hitam merupakan sebuah daerah kelengkungan ruang-waktu yang sangant ekstrim, akibat
massa dan gravitasi yang sangat besar. Justru! bentuknya malah mirip seperti
bola pejal, bulat. Karena ia adalah bentuk akhir dari sebuah fase bintang.
Kenapa hitam?
Pastikan
kita disini menyebut kata “Hitam” tidak sebagai warna. Karena hitam sendiri
memang bukan berupa warna. Melainkan, ia adalah ketiadaan cahaya, tidak ada
cahaya sama sekali yang hadir dalam “Hitam”.
Kembali
lagi. Kenapa Lubang Hitam itu “Hitam” ? Kita berangkat terlebih dahulu dari
Kecepatan Lepas atau Escape Velocity. Apa itu kecepatan lepas? Itu adalah
kecepatan untuk dapat lepas dari tarikan gravitasi. Semisal bumi, untuk dapat
lepas dari tarikan gaya gravitasi bumi maka kita harus bergerak dengan
kecepatan 11,2 km/detik, secara konstan dari permukaan bumi naik ke langit.
Nah, dalam Lubang Hitam, akibat dari gaya gravitasi yang sangat ekstrim, disana
bahkan cahaya pun tidak dapat lepas dari tarikan gaya gravitasinya. Artinya,
kecepatan lepas dari lubang hitam sendiri, ini hampir melebihi kecepatan
cahaya. Itulah mengapa Lubang Hitam itu hitam atau gelap, karena cahaya tidak
bisa keluar.
Bagaimana terbentuknya lubang hitam?
Semua
bintang itu memiliki siklus hidup. Bintang bersinar karena mengalami reaksi
fusi nuklir. Fusi nuklir terjadi akibat tekanan dari gaya gravitasi. Semakin
besar tekanannya maka panas dan radiasi akan timbul. Disini terdapat 2 gaya
yang kerjanya saling bertolak-belakang, antara gravitasi yang terus berusaha
untuk memampatkan materi bintang, dan reaksi fusi nuklir bertindak
merenggangkan materi bintang. Reaksi fusi adalah penggabungan inti-inti atom
ringan untuk menciptakan inti-inti atom berat. Unsur yang berat tenggelam ke
pusat bintang, sedangkan yang ringan terdorong ke permukaan.
Kita
bayangkan proses fusi dalam matahari kita. Reaksi fusi terjadi didalam pusat
matahari, yaitu mengubah hidrogen menjadi helium. Sekarang bagaimana jika
hidrogen tersebut habis? Maka reaksi fusi berhenti dan kekuatan gaya gravitasi
akan lebih dominan untuk meremas materi dan memampatkanya. Karena reaksinya
sangat cepat dan dalam tekanan yang sangat tinggi, lapisan matahari yang
terdiri dari materi ringan ini mendadak mengembang, pengembangan ini disebut
sebagai red giant. Bagaimana dengan intinya? Untuk bintang seukuran matahari
pada intinya akan mereaksikan karbon-oksigen. Dan pada akhirnya akan menjadi
bintang katai putih. Pada bintang katai putih kekuatan gravitasinya masih dapat
diimbangi oleh tekanan degenerasi elektron dari asas larangan pauli. Dan
semakin lama suhu katai putih ini akan menurun dan kemudian menjadi dingin.
Pada keadaan ini hipotesisnya dinamakan sebagai katai hitam. Dan Inilah nasib
akhir matahari untuk beberapa milyar tahun kedepan.
Selanjutnya
kita tinjau Batas Chandrasekhar. Batas ini merupakan batas maksimum dari massa
yang dapat dimiliki sebuah bintang katai putih, yaitu sebesar 1,39 kali massa
matahari (M☉)
Lebih dari itu, adalah untuk bintang-bintang dengan massa awal diatas 8 M☉ ini
berpotensi menjadi bintang neutron. Dimana pada bintang neutron kekuatan
gravitasinya juga masih dapat diimbangi oleh tekanan degenerasi, yaitu
degenerasi neutron dari asas larangan pauli. Batas untuk menjelaskan tekanan
degenerasi sebuah bintang neutron ini disebut batas Tolman-Oppenheimer-Volkoff.
Untuk kisaran massa antara 1,4 M☉
sampai 3 M☉
ini sudah pasti adalah bintang neutron.
Nah,
bagaimana jika ada sebuah bintang yang bermassa 10 kali dari massa matahari?
Disinilah sebuah bintang dapat berpotensi menjadi lubang hitam. Asas larangan
pauli dilanggar disini, dimana tekanan degenerasi elekton dan degenerasi
neutron terkalahkan oleh kekuatan gaya gravitasi. Dengan begitu sebuah bintang
runtuh menjadi lubang hitam.
Terakhir
adalah radius Schwarzschild. Ini adalah sebuah rumus untuk menghitung radius maksimal benda, sampai
cahaya tidak dapat lolos dari tarikan gravitasinya.
Rs = 2GM/c^2
Dimana:
Rs adalah radius Schwarzschild;
G adalah konstanta
gravitasi;
M adalah massa
benda;
c adalah kecepatan
cahaya dalam ruang hampa.
Intinnya
kita harus dapat memeras ukuran benda dengan massa yang besar menjadi benda
dengan ukuran kecil tertentu dengan kepadatan materi yang sangat padat dan
massanya tetap. Semisal untuk bumi, kita harus memeras ukuranya menjadi sebesar
9 mm. Dengan ini, bumi dapat menjadi lubang hitam. Tapi secara alami itu tidak
mungkin terjadi.
Event horizon dan singularitas
Seperti
perahu yang berlayar di laut, bergerak menjauh semakin terlihat kecil dan
menghilang. Kapal tersebut berarti telah melewati horizon atau cakrawala. Sama
seperti lubang hitam, ia diselubungi oleh sebuah cakrawala, batas antara
pengamat luar dengan pengamat dalam lubang hitam. Apa yang terjadi di balik
cakrawala itu, kita tidak tahu. Disini kita bisa bayangkan, seperti seekor ikan
yang sedang berenang di pinggiran air terjun, melawan arus. Cahaya dalam lubang
hitam mungkin seperti seekor ikan, yang coba melawan arus. Ingin keluar tapi
terus tertarik gravitasi.
Lubang hitam
memiliki pusat yang disebut singularitas. Singularitas disini adalah daerah
kelengkungan ruang-waktu tak terbatas, kepadatan tak terhingga, dan gravitasi
tak terhingga. Namun, memiliki volume yang mungkin hampir nol. Disini hukum-hukum
fisika hampir sama sekali tidak berlaku. Juga ada anggapan bahwa disini 4 forsa
fundamental mungkin bersatu, mirip singularitas big bang.
Akan ada hal menarik apa dalam lubang
hitam?
Efek dilasi
waktu bekerja cukup signifikan di dalam lubang hitam. Ketika kita mencoba masuk
ke dalamnya, waktu kita akan melambat dan bahkan berhenti. Dan saat kita
memasuki event horizon, tubuh kita akan terkoyak karena gaya tidal gravitasi.
Untuk lubang
hitam ber-rotasi, di hipotesiskan bahwa singularitasnya akan berbentuk cincin.
Disuatu kesempatan, ketika kita mencoba memasuki lubang hitam dan usahakan kita
harus sampai dengan selamat menuju singularitas, terhindar dari gaya tidal
gravitasi. Kita akan bisa memasuki cincin tersebut dan keluar menuju alam
semesta lain.
Solusi
relativitas umum Einstein juga memprediksikan bahwa terdapat sebuah jembatan
penghubung antar ruang-waktu di dalam lubang hitam(Einstein-rosen bridge),
sekarang bisa kita sebut sebagai wormhole. Wormhole ini juga akan menghubungkan
lubang hitam dengan lubang putih. Lubang putih adalah kebalikan dari lubang
hitam, ia bertindak untuk memuntahkan materi yang dilahap lubang hitam.
Paradoks dan persoalan teoritis lubang
hitam
Pertama ada persoalan yang disebut sebagai Paradoks
Informasi. Awalnya Hawking mengeluarkan solusi yang disebut sebagai radiasi
hawking untuk mencegah kekekalan energi tidak di langgar dalam lubang hitam.
Intinya semua yang masuk kedalam lubang hitam tidak boleh hancur sepenuhnya dan
lenyap begitu saja, melainkan akan terpancarkan kembali, yang seolah-olah
merembesi event horizon dalam bentuk radiasi termal.
Persoalanya ada pada pelanggaran prinsip mikroreversebilitas
dan prinsip unitarity dalam mekanika kuantum. Secara sederhana prinsip
mikroreversebilitas menyatakan, bahwa kita selalu dapat merekonstruksi
konfigurasi awal partikel-partikel walaupun partikel-partikel tersebut telah
berinteraksi dengan partikel lain, juga walaupun karena prinsip ketidakpastian
Heisenberg, tetap saja kita
seharusnya masih dapat membalik konfigurasinya. Sedangkan prinsip Unitarity
menyatakan, bahwa propagasi informasi dari keadaan awal ke keadaan akhir secara
matematis mengalami evolusi yang unitary. Artinya, fluks dijamin utuh.
Namun, semuanya lenyap seketika di dalam lubang hitam,
walaupun partikel-partikel yang masuk ke dalam lubang hitam itu berhasil
keluar, melalui radiasi hawking. Tetap saja, partikel itu campur aduk dan tidak
memuat informasi awal bermakna apapun.
Prinsip holografis dan komplementaritas, adalah solusi
terbaik saat ini untuk menyelesaikan paradoks informasi tersebut. Untuk prinsip
komplementaritas ini menyatakan, bahwah fenomena yang di amati oleh pengamat
luar, terhadap pengamat yang jatuh ke dalam lubang hitam adalah ekuivalen dari
persfektif teori string. Pengamat di luar lubang hitam akan melihat peristiwa
aneh yang terjadi kepada pengamat yang jatuh ke dalam lubang hitam, tubuhnya
terlihat blur, merenggang dan berhenti. Seperti vibrasi dinamis string, mirip
gelang. Tetapi untuk pengamat yang jatuh ke dalam lubang hitam, ia sama sekali
tidak merasakan kejadian aneh apapun.
Dan prinsip holografis memberi gambaran, bahwa entropi di
permukaan lubang hitam ekuivalen dengan volume keseluruhan lubang hitam. Ini
sama seperti gambar hologram 2 dimensi yang memproyeksikan gambar 3 dimensi.
Masih
terdapat satu paradoks lagi, ini disebut Firewall Paradoks. Juga berangkat dari
radiasi hawking. Dimana pada lingkungan sekitar event horizon terdapat ruang
vakum. Konsekuensi dari prinsip ketidakpastian Heisenberg mensyaratkan bahwa
ruang vakum tidaklah benar-benar kosong, melainkan terdapat fluktuasi-fluktuasi
kuantum dari partikel-partikel virtual. Partikel virtual yang muncul ialah
partikel dan anti-partkelnya, muncul sekaligus meniadakan.
Dalam
gambaran radiasi hawking, sepasang partikel mungkin akan dapat keluar dari
lubang hitam sebelum keduanya saling mediadakan. Untuk menjaga kekekalan
energi, pasangan partikel yang mampu keluar adalah ber-energi positif,
sedangkan sepasang partikel lagi ber-energi negatif masuk kedalam. Disinilah
jika energi negatif terus-menerus masuk kedalam lubang hitam, maka massa lubang
hitam akan berangsur-angsur mengecil.
Sekarang
persoalanya adalah. Bahwa karena keadaan ruang-waktu di pada black hole tidak
karuan, maka tidak semua yang dapat keluar adalah selalu partikel yang
berpasangan. Melainkan, terdapat partikel yang lepas dari pasanganya. Nah,
karena terdapat prinsip yang dinamakan quantum entanglement, maka partikel ini
tidak bisa dipaksa untuk lepas dari pasanganya, karena akan menimbulkan
Firewall di event horizon lubang hitam. Dan hal ini dilarang oleh prinsip
kesetaraan Einstein, bahwa dalam gerak jatuh bebas Firewall tidak dimungkinkan
untuk terbentuk.
Ada beberapa
solusi yang diajukan Hawking beberapa waktu lalu, yaitu dengan mengganti
mekanisme Event Horizon menjadi Apparent Horizon dan mengganti mekanisme Lubang
HItam dengan Lubang Abu-abu. Tetapi, ini justru menimbulkan kebingungan di berbagai
kalangan fisikawan. Dan solusi yang terbaik baru-baru ini adalah dari Juan Maldacena dan Leonard Susskand adalah mekanisme ER = EPR.
Menyatakan, bahwa partikel pasangan terpisah yang saling terjerat(entanglement),
satu keluar dari lubang hitam dan yang satu masuk kedalam lubang hitam, ini
akan masih terhubung melalui wormhole, oleh suatu cara tertentu. Solusi ini masih
dalam penelitian lebih lanjut.
***
Demikian
artikel pertama saya bertema Sains Populer ini saya tulis. Tentu saja, saya
berusaha sebaik mungkin untuk mencari sumber-sumber referensi yang kredibel untuk
mendukung ulasan saya ini, dan saya sampaikan sejauh pemahaman saya. Tentu saya
juga menyadari bahwa mungkin ulasan saya ini terdapat kesalahan konsep. Untuk
itu, para pembaca disarankan untuk membca ulasan-ulasan dari persfektif lain
yang lebih kompeten.
