Mengapa Pemuaian Alam Semesta Melebihi Kecepatan Cahaya?

Kenapa kecepatan pengembangan alam semesta pada fase inflasi melebihi kecepatan cahaya? Bukankah ini melanggar relativitas khusus Einstein?

Edriandi – Kota Kinabalu

Sebelum menjawab pertanyaan tersebut, mari kita tinjau dahulu apa itu inflasi.

Mengapa ada inflasi?
Inflasi yang sedang dibicarakan di sini bukanlah kenaikan harga secara terus menerus seperti yang kita kenal dalam konteks ekonomi. Meskipun pemahamannya mirip, inflasi dalm astronomi diartikan sebagai pemuaian drastis dalam waktu sangat singkat dimana alam semesta yang tadinya kecil kemudian memuai secara eksponensial dalam waktu kurang dari 1 detik.  Waktu yang dibutuhkan untuk terjadinya inflasi alam semesta ini bahkan lebih cepat dari satu kedipan mata, karena ia terjadi pada saat alam semesta baru berusia 10^-36 dan berakhir pada usia 10^-32  setelah terjadinya Big Bang. Artinya pemuaian terjadi dalam waktu yang super singkat dan alam semesta yang tadinya kecil menjadi besar.

Sebelum membahas tentang pemuaian yang super cepat ini, yang perlu dilihat adalah mengapa ada inflasi alam semesta?

Menurut prinsip kosmologi yang dibangun Friedman tahun 1920, dalam skala besar alam semesta itu homogen dan isotropi dan pengamat tidak berada pada posisi yang istimewa di alam semesta. Homogen artinya dimanapun posisi pengamat di alam semesta maka ia akan mengamati hal yang sama. Jadi tidak ada lokasi istimewa di alam semesta. Model ini menyatakan bahwa alam semesta seharusnya mengembang dalam jangka waktu tertentu, dimulai dari keadaan yang sangat panas dan padat.  Dalam alam semesta skala besar, galaksi merupakan unit terkecil dan memiliki distribusi yang merata sehingga alam semesta bisa dianggap sebagai sebuah sistem fluida sempurna.v

Alam semesta yang kita kenal adalah yang kita lihat saat ini. Ada keseragaman dalam skala besar. Bagaimana ini bisa terjadi? Bagaimana obyek – obyek tersebut bisa membangun keseragaman jika mereka tidak berkomunikasi satu sama lainnya? Astronom pun menelusuri kembali jejak alam semesta dan membangun solusi untuk permasalahan kosmologi standar yang meliputi masalah horison dan kurvatur alam semesta.

Semakin dini alam semesta, kerapatannya akan mendekati kerapatan kritis. Parameter kerapatan merupakan perbandingan dari kerapatan rata-rata materi dan energi di alam semesta terhadap kerapatan kritis, yang merupakan nilai kerapatan agar alam semesta berhenti memuai setelah waktu tak terbatas. Nilai perbandingan ini yang menentukan geometri alam semesta dan evolusinya apakah akan memiliki model tertutup dan kemudian runtuh (kerapatan > 1), model terbuka dan memuai selamanya (lerapatan <1) ataukah datar (kerapatan = 1). Untuk pemodelan dibutuhkan alam semesta yang memiliki kerapatan mendekati kerapatan kritis untuk model alam semesta datar. Karena itu berapapun kerapatan alam semesta sekarang, pada alam semesta dini perbedaan kerapatannya haruslah sangat kecil. Kalau tidak, maka kita tidak akan bisa menjumpai alam semesta pada keadaan sekarang. Jika perbedaannya besar, maka untuk model alam semesta tertutup, alam semesta sudah mengalami kehancuran besar dan untuk model alam semesta memuai, temperatur 3 Kelvin telah dicapai sebelum saat ini.

Permasalahan lainnya adalah masalah horison yang terkait dengan batas sesuatu yang bisa diamati dengan yang belum teramati. Sederhananya horison merupakan batas kemampuan pengamat untuk bisa melihat obyek yang diamatinya. Horison disini mengacu pada epoch terakhir foton yang bisa diterima pengamat setelah foton dipancarkan dari sumber sejak big bang. Jarak maksimum foton yang bisa dicapai sejak big bang sampai pada epoch tertentu disebut horison partikel.

Dalam menelusuri kembali alam semesta, informasi yang kita terima itu terbatas berasal dari masa 380000 tahun setelah Big Bang.  Dari pengamatan CMB atau radiasi latar belakang, ditemukan adanya keseragaman temperatur. Temperatur yang diperlihatkan lewat CMB memiliki keseragaman yang tinggi dengan perbedaan 10^-5 K. Seperti yang disebutkan sebelumnya, kalau ada keseragaman tentu karena ada komunikasi antara partikel-partikel dalam alam semesta. Tapi bagaimana mungkin daerah-daerah yang tidak terhubung satu sama lain bisa menginformasikan temperaturnya? Pertanyaan inilah yang kemudian dicari jawabannya.

Penelusuran ke masa lalu menunjukkan, ada kalanya ketika partikel-partikel di alam semesta bisa berkomunikasi saat horison masih kecil. Setelah alam semesta memuai, partikel yang tadinya bisa saling berkomunikasi tidak lagi bisa berkomunikasi karena sudah berada di luar horison tersebut. Solusinya tidak semudah menyatakan dulu alam semesta kecil dan setelah memuai ia bisa seperti sekarang. Karena kalau pemuaian itu tidak tepat maka alam semesta tidak akan bisa mencapai keadaannya sekarang.

Inflasi atau pemuaian drastis alam semesta merupakan solusi dari kedua masalah tersebut. Dengan pemuaian secara eksponensial, horison alam semesta bisa diperbesar sampai keadaan dimana partikel-partikel yang berada dalam lingkup horison dan bisa saling berkomunikasi.

Pemuaian alam semesta drastis memang terjadi sangat cepat sesaat setelah Big Bang dan alam semesta yang tadinya kecil tiba-tiba memuai jadi lebih besar. Setelah inflasi, alam semesta kemudian memuai mengikuti model standar kosmologi dan pada akhirnya bisa mencapai keadaan saat ini. Tanpa inflasi evolusi alam semesta mungkin sudah mencapai masa akhirnya (kehancuran besar untuk alam semesta tertutup) atau kondisi dimana temperatur alam semesta mencapai suhu 3 K terjadi jauh sebelum sekarang. Model inflasi ini kemudian dibuktikan dengan ditemukannya gelombang gravitasi yang menyisakan riak di alam semesta.

Bisakah memuai lebih cepat dari kecepatan cahaya?
Ketika terjadi inflasi, alam semesta memuai dengan cepat dan drastis. Dan sering disebutkan kalau laju pemuaian saat inflasi itu jauh lebih cepat dari kecepatan cahaya.

Kecepatan cahaya merupakan kecepatan atau kemampuan gerak cahaya dalam ruang hampa dengan laju 299,792,458 meter/detik. Berdasarkan teori relativitas khusus yang dipublikasikan tahun 1905, kecepatan cahaya atau c merupakan kecepatan maksimum bagi energi, materi dan informasi untuk bergerak di alam semesta.

Setelah Big Bang, alam semesta memuai dalam sekejap dan kurang dari satu detik, alam semesta yang tadinya kecil sudah memiliki ukuran yang lebih besar.  Pemuaian alam semesta yang sedemikian cepat sepertinya kontradiktif dengan apa yang disebutkan Einstein dalam relativitas khusus. Apakah inflasi melanggar relativitas khusus tersebut?

Jawabannya inflasi tidak melanggar teori relativitas khusus Einstein tersebut.  Kok bisa?

Ketika astronom berbicara tentang laju pemuaian alam semesta, maka yang dimaksudkan bukanlah kecepatan gerak alam semesta untuk membesar. Ada perbedaan dalam pemahaman memuai dan bergerak. Pemuaian yang dimaksudkan bukan seperti dalam pandangan umum ada sebuah benda yang mengembang dan membesar dalam sebuah ruang. Pemuaian alam semesta merupakan pemuaian dari ruang itu sendiri. Yang dibicarakan adalah dimensi ruang waktu dimana kita berada. Untuk memahaminya coba bayangkan alam semesta sebagai jaring kawat yang menghubungkan setiap bagian di dalamnya. Saat alam semesta memuai dan disebutkan bahwa obyek-obyek yang ada di dalamnya bergerak maka yang dimaksudkan adalah perubahan posisi relatif terhadap jaring ruang-waktu.

Kecepatan cahaya hanyalah batasan untuk gerak benda di dalam ruang waktu bukan untuk ruang waktu itu sendiri. Dalam konteks pemuaian alam semesta maka ruang itu sendiri yang memuai dan saat inflasi terjadi maka ruang memuai dengan drastis.  Ilustrasi yang sering diberikan untuk pemuaian alam semesta adalah kisah sepotong roti kismis yang dibakar di oven. Roti adalah alam semesta kita dan kismis adalah galaksi-galaksi yang merupakan titik terkecil di alam semesta.

Roti kismis yang kita kenal pada awalnya merupakan segumpal adonan plus kismis di dalamnya. Saat dibakar adonan itu akan mengembang dan kismis – kismis di dalamnya akan menjauh satu sama lainnya. Tapi, kismis-kismis tersebut tidak “bergerak dan berjalan-jalan untuk saling menjauhi mencari posisi baru”. Yang mengembang adalah adonan, dan saat adonan mengembang kismis-kismis tadi posisinya pun ikut berubah dari yang berada dekat satu sama lainnya jadi saling menjauhi. Itulah yang terjadi di alam semesta. Adonan roti tersebut melambangkan ruang waktu seperti halnya alam semesta.

Seandainya ada kumbang di roti tersebut yang bergerak menuju salah satu kismis di roti, ia akan bergerak relatif terhadap adonan dan kismis lainnya di dalam adonan roti itu. Di alam semesta, si kumbang merupakan partikel, wahana antariksa atau apapun benda yang bergerak di dalamnya. Kecepatan cahaya membatasi gerak kumbang dalam adonan atau pengamat dan benda lainnya di alam semesta tapi, tidak membatasi seberapa cepat laju pemuaian roti atau alam semesta.

Jadi meskipun kecepatan cahaya bisa menjadi batas maksimal gerak sebuah benda di alam semesta, ia bukan batasan bagi pemuaian ruang itu sendiri.

Efek dari kecepatan cahaya pada pengamat di dalam alam semesta yang memuai adalah ia membatasi seberapa banyak informasi yang bisa dilihat dan seberapa cepat kita bergerak.

Punya pertanyaan tentang astronomi? Silahkan Tanya LS!