Relativitas Einstein

Teori Relativitas Einstein adalah teori yang sangat terkenal, tetapi sangat sedikit yang kita pahami. Utamanya, teori relativitas ini merujuk pada dua elemen berbeda yang bersatu ke dalam sebuah teori yang sama: relativitas umum dan relativitas khusus. Theori relativtas khusus telah diperkenalkan dulu, dan kemudian berdasar atas kasus-kasus yang lebih luas diperkenalkan teori relativitas umum.

Konsep teori relativitas

• Teori relativitas khusus Einstein-tingkah laku benda yang terlokalisasi dalam kerangka acuan inersia, umumnya hanya berlaku pada kecepatan yang mendekati kecepatan cahaya.
• Transforasi Lorentz-persamaan transformasi yang digunakan untuk menghitung perubahan koordinat benda pada kasus relativitas khusus.
• Teori relativitas umum Einstein-Teori yang lebih luas, dengan memasukkan graviti sebagai fenomena geometris dalam sistem koordinat ruang dan waktu yang melengkung, juga dimasukkan kerangka acuan non inersia (misalnya, percepatan).
• Prinsip relativitas fundamental.

Apakah relativitas itu?

Relativitas klasik (yang diperkenalkan pertama kali oleh Galileo Galilei dan didefinisikan ulang oleh Sir Isaac Newton) mencakup transformasi sederhana diantara benda yang bergerak dan seorang pengamat pada kerangka acuan lain yang diam (inersia). Jika kamu berjalan di dalam sebuah kereta yang bergerak, dan seseorang yang diam diatas tanah (di luar kereta) memperhatikanmu, kecepatanmu relatif terhadap pengamat adalah total dari kecepatanmu bergerak relatif terhadap kereta dengan kecepatan kereta relatif terhadap pengamat. Jika kamu berada dalam kerangka acuan diam, dan kereta (dan seseorang yang duduk dalam kereta) berada dalam kerangka acuan lain, maka pengamat adalah orang yang duduk dalam kereta tersebut.

Permasalahan dengan relatifitas ini terjadi ketika diaplikasikan pada cahaya, pada akhir 1800-an, untuk merambatkan gelombang melalui alam semesta terdapat substansi yang dikenal dengan eter, yang mempunyai kerangka acuan(sama seperti pada kereta pada contoh di atas). Eksperimen Michelson-Morley, bagaimanapun juga telah gagal untuk mendeteksi gerak bumi relatif terhadap eter, dan tak ada seorangpun yang bisa menjelaskan fenomena ini. Ada sesuatu yang salah dalam interpretasi klasik dari relatifitas jika diaplikasikan pada cahaya…dan kemudian muncullah pemahaman baru yang lebih matang setelah Einstein datang untuk menjelaskan fenomena ini.

Pengenalan tentang relativitas khusus

Pada tahun 1905, albert eintein mempubilkasikan (bersama dengan makalah lainnya) makalah yang berjudul, “On the Electrodynamics of Moving Bodies”atau dalam bahasa indonesianya kurang lebih demikian,”Elektrodinamika benda bergerak” dalam jurnal Annalen der physik. Makalah yang menyajikan teori relativitas khusus, berdasarkan dua postulat utama:

Postulat Einstein

Prinsip relativtas (pestulat pertama): Hukum-hukum fisika adalah sma untuk setiap kerangka acuan

Prinsip kekonstanan kecepatan cahaya (postulat kedua): Cahaya dapat merambat dalam vakum (misalnya, ruang vakum, atau “ruang bebas”), kecepatan cahaya dinotasikan dengan c, yang konstan terhadap gerak benda yang meiliki radiasi.

sebenarnya, makalah tersebut menyajikan lebih formal, formulasi matematika dari postulat tersebut. Bentuk dari postulat mungkin sedikit berbeda dari buku teks yang satu dengan yang lain karena translasi dari bentuk matematika Jerman dengan bentuk Inggris yang selama ini sering kita lihat.

Postulat kedua sering ditulis sembarangan dengan memasukkan bahwa kecepatan cahaya dalam ruang hampa adalah c untuk setiap kerangka acuan. Sebenarnya postulat ini adalah berasal dari dua postulat, bukan dari postulat kedua itu sendiri.

Postulat pertama kelihatan lebih masuk akal, tetapi bagaimanapun juga postulat kedua merupakan revolusi besar dalam ilmu fisika. Einstein sudah memperkenalkan teori foton cahaya dalam makalahnya pada efek fotolistrik (yang menghasilkan kesimpulan ketidakperluan eter). Postulat kedua, adalah sebuah konsekuensi dari foton yang tak bermassa bergerak dengan kecepatan c pada ruang hampa. Eter tidak lagi memiliki peran khusus sebagai kerangka acuan inersia “mutlak” alam semesta, jadi bukan hanya tidak perlu, tetapi juga secara kualitatif tidak berguna di dalam relativitas khusus.

Adapun makalah tersebut adalah untuk menggabungkan persamaan Maxwell untuk listrik dan magnet dengan gerak elektron dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Hasil dari makalah Einstein adalah memperkenalkan transformasi koordinat baru, dinamakan transformasi Lorentz, antara kerangka acuan inersia. Pada kecepatan lambat, transformasi ini pada dasarnya identik dengan moel klasik, untuk kecepetan yang mendekati kecepatan cahaya, menghasilkan nilai yang berbeda secara radikal.

Efek dari Relativitas Khusus

• Relativitas khusus menghasilkan beberapa konsekuensi dari penggunaan transformasi Lorentz pada kecepatan tinggi (mendekati kecepatan cahaya). Diantaranya adalah :
• Dilatasi waktu (termasuk “paradok kembar” yang terkenal)
• Konstraksi panjang
• Transformasi kecepatan
• Efek doppler relativistk
• Simultanitas dan sinkronisasi waktu
• Momentum relativistik
• Energi kinetik relativistik
• Massa relativistik
• Energi total relativistik

Selain itu, manipulasi aljabar sederhana dari konsep-konsep di atas menghasilkan dua hasil signifikan yang pantas dijelaskan sendiri.

Hubungan Massa-Energi

Enstein mampu menunjukkan bahwa terdapat hubungan antara massa dan energi, melalui rumus yang sangat terkenal E=mc². Hubungan ini telah dibuktikan dengan peristiwa yang sangat dramatis di dunia, ketika bom nuklir melepaskan energi dari massa di Hiroshima dan Nagasaki pada akhir perang dunia kedua.

Kecepatan Cahaya

Tak ada objek bermassa yang dapat bergerak dipercepat menuju kecepatan cahaya. Hanya objek tak bermassa, seperti foton, yang dapat bergerak dengan kecepatan cahaya. (foton tidak bergerak dipercepat menuju kecepatan cahaya, tetapi foton selalu bergerak dengan kecapatan cahaya).

Tetapi bagi objek fisis, kecepatan cahaya adalah terbatas. Energi kinetik pada kecepatan cahaya menjadi tak terbatas, jadi tidak pernah dapat dicapai dengan percepatan.

Beberapa telah menunjukkan bahwa sebuah objek secara teori dapat bergerak melebihi kecepatan cahaya, tetapi sejauh ini tidak ada entitas fisik yang dapat menujukkan itu.

Adopsi Relativitas Khusus

Pada 1908, Max Plank mengaplikasikan bentuk “teori relativitas” untuk menjelaskan konsep relativitas khusus, karena aturan kunci dari relativitas memainkan peran dalam konsep tersebut. Pada waktu itu, tentunya bentuk yang diaplikasikan hanya pada relativitas khusus, karena memang belum terdapat relativitas umum.

Relativitas Einstein tidak segera diterima oleh fisikawan secara keseluruhan, karena kelihatan sangat teoretis dan conterintuitif. Kemudian Einstein menerima penghargaan Nobel pada 1921, khususnya penyelesaiannya untuk efek fotolistrik dan kontribusinya pada fisika teori. Tetapi Relativitas masih menjadi kontroversi untuk menjadi referensi spesifik.

Seiring berjalannya waktu, bagaimanapun juga, presiksinya terhadap relativitas khusus akhirya menjadi kenyataan. Misalkan, jam terbang di selruh dunia telah menunjukkan adanya perlambatan dengan durasi yang diprediksi oleh teori relativitas.

Albert Einstein tidak menciptakan sendiri transformasi koordinat yang dibutuhkan untuk relativitas khusus. Dia tidak harus melakukannya, karena transformasi yang dibutukan telah ada sebelumnya. Einstein menjadi seorang yang ahli dalam pekerjaannya yang terdahulu dan menyesuaikan diri pada situasi yang baru, dan juga dengan transformasi Lorentz seperti yang telah Planck gunakan pada 1900 untuk menyelesaikan permasalahan bencana ultraviolet pada radiasi benda hitam, Einstein merancang solusi untuk efek fotolistrik, dan dengan demikian dia telah mengembangkan teori foton untuk cahaya.

Asal Mula Transformasi Lorentz

Transformasi Lorentz sebenarnya pertama kali telah diperkenalkan oleh Joseph Larmor pada 1897. Versi yang sedikit berbeda telah diperkenalkan pada beberapa dekade sebelumnya oleh Woldemar Voigt, tetapi versinya memiliki bentuk kuadrat pada persamaan dilatasi waktu. Tetapi, persamaan dilatasi waktu kedua versi tersebut dapat ditunjukkan sebagai invarian dalam persamaan Maxwell.

Seorang Matematikawan dan fisikawan Hendrik Antoon Lorentz mengusulkan gagasan “waktu lokal” untuk menjelaskan relatif simultanitas pada 1895, walaupun dia juga bekerja secara terpisah pada transformasi yang sama untuk menjelaskan hasil “nol” pada percobaan Michelson dan Morley. Dia mengenalkan transformasi koordinatnya pada 1899, dan menambahkan dilatasi waktu pada 1904.

Pada 1905, Henri Poincare memodifikasi formulasi aljabar dan menyumbangkannya kepada Lorentz dengan nama “Transformasi Lorentz,” formulasi Poincare pada transformasi tersebut pada dasarnya identik dengan apa yang digunakan Einstein.

Transformasi Lorentz tersebut menggunakan sistem koordinat empat dimensi, yaitu tiga koordinat ruang (x, y, dan z) dan satu koordinat waktu (t). Koordinat baru ditandai dengan tanda apostrof diucapkan “abstain,” seperti x’ dibaca “x-abstain.” Pada contoh dibawah ini, kecepatan adalah dalam arah x’, dengan besar u:

x’=(x-ut)/√(1-u²/c² )

y’=y

z’=z

t’={t-(u/c^2 )x}/√(1-u²/c²)

Transformasi tersebut hanya untuk demonstrasi. Aplikasi dari persamaan tersebut akan ditangani secara terpisah. Bentuk √((1-u²/c²) sering muncul dalam relativitas sehingga dilambangkan dengan simbol yunani γ (dibaca gamma) dalam beberapa penyajian.

Perlu diingat bahwa pada kasus u << c (u jauh lebih kecil dibandingkan c), maka u²/c² akan menjadi sangat kecil sehingga di dalam bentuk akar akan menghasilkan nilai satu, maka nilai γ akan menjadi satu. Oleh karena itu, dilatasi ruang dan waktu menjadi sangat tidak berpengaruh untuk benda yang bergerak jauh dibawah kecepatan cahaya.

Konsekuensi dari Transformasi Lorentz

Relativitas khusus menghasilkan beberapa konsekuensi dari penggunaan Transformasi Lorentz pada kecepatan tinggi (mendekati kecepatan cahaya). Diantaranya adalah :

• Dilatasi waktu (termasuk “paradok kembar” yang terkenal)
• Konstraksi panjang
• Transformasi kecepatan
• Efek doppler relativistk
• Simultanitas dan sinkronisasi waktu
• Momentum relativistik
• Energi kinetik relativistik
• Massa relativistik
• Energi total relativistik

Kontroversi Lorenz dan Einstein

Beberapa orang mengatakan bahwa sebenarnya sebagian besar pekerjaan dari relativitas khusus yang telah dikerjakan einstein telah ada dalam transformasi Lorentz. Konsep dilatasi dan simultanitas untuk pergerakan benda telah disebutkan dan secara matematis telah dikembangkan oleh Lorentz dan Poincare. Beberapa orang mengganggap bahwa Einstein adalah seorang plagiator.

Tentunya terdapat validitas untuk tuduhan tersebut. Tentu saja, revolusi besar Einstein dibangun berdasarkan pekerjaan-pekerjaan orang lain, dan Einstein mendapatkan banyak hasil atas apa yang telah mereka hasilkan secara kasar.

Pada waktu yang sama, tetapi harus dipertimbankan bahwa Einstein mengambi konsep-konsep dasar ini dan memebangunnya menjadi sebuah kerangka teori yang menjadikan konsep-konsep tersebut untuk bukan hanya sekedar trik matematis untuk menyelamatkan dying teori (teori sekarat) seperti teori eter, melainkan menggunakan aspek-aspek fundamental alam pada tempatnya. Terdapat ketidakjelasan bahwa Larmor, Lorentz, atau Poincare yang dimaksudkan agar berani bergerak, namun sejaraha telah memberikan penghargaan kepada Einstein atas wawasan dan keberainannya.

Pada 1905, Teori Einstein (relativitas khusus), dia menunujukkan bahwa diantara kerangka acuan inersia tidak terdapat kerangka acuan “utama.” Perkembangan dari relativitas umum terjadi, sebagian sebagai upaya untuk menunjukkan bahwa ini benar di antara non-inersia (yaitu mempercepat) kerangka acuan juga.

Evolusi Relativitas Umum

Pada 1907, Einstein mempublikasikan artikelnya yang pertama pada Efek gravitasi pada cahaya dibawah relativitas khusus. Pada makalah tesebut, Einstein menguraikan “prinsip ekuivalensi,” yang menyatakan bahwa pengamatan pada percobaan di bumi (dengan percepatan gravitasi g) akan identik dengan pengamatan pada percobaan dalam roket yang bergerak dengan kecepatan g. Prinsip ekuivalensi tersebut diformulasikan sebagai:

we [...] assume the complete physical equivalence of a gravitational field and a corresponding acceleration of the reference system.

Yang artinya kurang lebih demikian :

Kami [...] mengasumsikan kesetaraan fisis lengkap dari medan gravitasi dan hubungannya dengan percepatan dari sistem kerangka acuan.

Seperti yang dikatakan Einstein atau pada buku Fisika Modern:

There is no local experiment that can be done to distinguish between the effects of a uniform gravitational field in a nonaccelerating inertial frame and the effects of a uniformly accelerating (noninertial) reference frame.

Atau dalam bahasa indonesia kurang lebih demikian :

Tidak ada percobaaan lokal yang dapat dilakukan untuk membedakan antara efek dari medan gravitasi seragam dalam kerangka acuan yang tidak dipercepat dan efek dari percepatan seragam (tidak inersia) kerangka acuan.

Artikel kedua pada subjek muncul pada tahun 1911, dan 1912 Einstein secara aktif bekerja untuk memahami sebuah teori relativitas umum yang bisa menjelaskan relativitas khusus, tetapi juga akan menjelaskan gravitasi sebagai fenomena geometris.

Pada tahun 1915, Einstein menerbitkan serangkaian persamaan diferensial yang dikenal sebagai persamaan medan Einstein. Relativitas umum Einstein menggambarkan alam semesta sebagai suatu sistem geometris tiga ruang dan satu dimensi waktu. Kehadiran massa, energi, dan momentum (kuantutasi secara kolektif sebagai kepadatan massa-energi atau tekanan-energi) yang dihasilkan dalam tekukan sistem koordinat ruang-waktu. Gravitasi, oleh karena itu, merupakan sebuah pergerakan sepanjang “sederhana” atau paling tidak rute energetik sepanjang lengkungan ruang-waktu.

Bentuk Matematika Dari Relativitas Umum

Pada bentuk yang sederhana, dan menghilangan matematika yang kompleks, Einstein menemukan hubungan antara kelengkungan ruang-waktu dengan kerapatan massa-energi:

(Kelengkungan ruang-waktu) = (kerapatan massa-energi)*8µG/c⁴

Persamaan tersebut menunjukkan hubungan secara langsung, proporsional terhadap kontanta. Kontanta gravitasi G, berasal dari hukum Newton untuk gravitasi, sementara ketergantungan terhadap kecepatan cahaya, c, adalah berasal dari teori relativitas khusus. Dalam kasus nol (atau mendekati nol) (yaitu ruang hampa), ruang-waktu berbentuk datar. Gravitasi klasik adalah kasus khusus untuk manifestasi gravitasi pada medan gravitasi lemah, dimana bentuk c⁴ (denominator yang sangat besar) dan G (nilai yang sangat kecil) membuat koreksi kelengkungan kecil.

Sekali lagi, Einstein tidak tidak keluar dari topik. Dia bekerja keras dengan geometri Riemannian (geometri non Euclidean yang dikembangkan oleh matematikawan Bernhard Riemann beberapa tahun sebelumnya), meskipun ruang yang dihasilkan adalah 4 dimensi Lorentzian bermacam-macam daripada geometri Riemann ketat. Namun, karya Riemann sangat penting bagi persamaan medan Einstein.

Apakah sebenarnya Relativitas Umum?

Untuk analogi relativitas umum, pertimbangkan bahwa kamu membentangkan sebuah seprai atau suatu lembaran yang datar dan elastik. Sekarang kamu meletakkan sesuatu dengan berat yang bervariasi pada lembaran tersebut. Jika kita menempatkan sesuatu yang sangat ringan maka bentuk seprai akan sedikit lebih turun sesuai dengan berat benda tersebut. Tetaoi jika kamu meletakkan sesuatu yang berat, maka akan terjadi kelengkungan yang lebih besar.

Asumsikan terdapat benda yang berat berada pada lembaran tersebut, dan kamu meletakkan benda lain yang lebih ringan di dekatnya. Kelengkungan yang diciptakan oleh benda yang lebih berat akan menyebabkan benda yang lebih ringan “terpeleset” disepanjang kurva ke arah kurva tersebut, karena benda yang lebih ringan mencoba untuk mencapai keseimbangan sampai pada akhirnya benda tersebut tidak bergerak lagi (dalam kasus ini, tentu saja terdapat pertimbangan lain, misalnya bentuk dari benda tersebut, sebuah bola akan menggelinding, sedangkan kubus akan terperosot, karena pengaruh gesekan atau semacamnya).

Hal ini serupa dengan bagaimana relativitas umum menjelaskan gravitasi. Kelengkungan dari cahaya bukan karena beratnya, tetapi kelengkungan yang diciptakan oleh benda berat lain yang membuat kita tetap melayang di luar angkasa. Kelengkungan yang diciptakan oleh bumi membuat bulan tetap bergerak sesuai dengan orbitnya, tetapi pada waktu yang sama, kelengkungan yang diciptakan bulan cukup untuk mempengaruhi pasang surut air laut.

Pembuktian Relativitas Umum

Semua temuan-temuan relativitas khusus juga mendukung relativitas umum, karena teori-teori ini adalah konsisten. Relativitas umum juga menjelaskan semua fenomena-fenomena mekanika klasik, yang juga konsisten. Selain itu, beberapa temuan mendukung prediksi unik dari relaivitas umum:

• Presisi dari perihelion Merkurius
• Pembelokan gravitasi cahaya bintang
• Pelebaran alam semesta (dalam bentuk konstanta kosmologis)
• Delay dari gema radar
• Radiasi Hawking dari black hole

Prinsip-Prinsip Fundamental dari Relativitas

• Prinsip umum relativitas: Hukum-hukum fisika harus sama untuk setiap pengamat, terlepas dari mereka dipercepat atau tidak.
• Prinsip kovarian umum: hukum-hukum fisika harus memiliki bentuk yang sama dalam semua sistem koordinat.
• Gerak Inersia adalah gerak geodesik: Garis dunia dari partikel yang tidak terpengarus oleh gaya-gaya (yaitu gerak inersia) adalah bakal waktu atau null geodesik dari ruang waktu. (ini berarti tangen vektornya negatif atau nol.)
• Invarian lokal Lorentz: aturan-aturan dari relativitas khusus diaplikasikan secara lokal untuk semua pengamat inersia.
• Lengkungan ruang-waktu: seperti yang dijelaskan oleh persamaan medan Einstein, lengkungan ruang dan waktu, sebagai responnya terhadap massa, energi, dan momentum menghasilkan pengaruh gravitasional yang dilihat sebagai bentuk gerak inersia.

Prinsip ekuivalensi, di mana Albert Einstein menggunakannya sebagai titik awal untuk relativitas umum, membuktikan konsekuensinya terhadap prinsip-prinsip tersebut.

Relativitas Umum dan Konstanta Kosmologis

Pada 1922, para ilmuwan menemukan bahwa aplikasi dari persamaan medan Einstein pada bidang kosmologi menghasilkan perluasan alam semesta. Einstein percaya bahwa alam semesta itu statis (dan karena itu pemikiran persamaannya menjadi salah), penambahan konstanta kosmologis pada persamaan medan, yang memungkinkan hasil statis.

Edwin Hubble, pada 1929, menemukan bahwa terdapat pergesaranmerah dari bintang-bintang jauh, yang menyiratkan bahwa bintang-bintang itu bergerak terhadap bumi. Alam semesta tampaknya berkembang. Einstein menghilangkan kontanta kosmologis dari persamaannya dan menyebutnya sebagai kesalahan terbesar dalam karirnya.

Pada 1990, ketertarikan pada konstanta kosmologis kembali ada dalam bentuk dark energy. Solusi untuk teori medan kuantum telah menghasilkan sejumlah besar energi dalam ruang hampa kuantum yang berakibat pada percepatan perluasan alam semesta.

Relativitas Umum dan Mekanika Kuantum

Ketika para fisikawan berupaya untuk menerapkan teori medan kuantum pada medan gravitasi, hal-hal menjadi sangat kacau. Pada betuk matematis, kuantitas fisis terjadi penyimpangan, atau hasil yang tak terhingga. Medan gravitasi di bawah relativitas umum memerlukan koreksi angka tak terhingga atau “renormalisasi”, konstanta-kontanta untuk penyesaiannya ke dalam persamaan yang terpecahkan.

Upaya untuk memecahkan “masalah renormalization” terletak di jantung teori kuantum gravitasi. Teori-teori gravitasi kuantum biasanya bekerja mundur, meramalkan sebuah teori dan kemudian mengujinya dan bukan benar-benar mencoba untuk menentukan konstanta yang tak terbatas diperlukan. Ini trik lama dalam fisika, tapi sejauh ini tidak ada teori telah cukup terbukti.

Beberapa Kontrovesi Lainnya.

Masalah utama dengan relativitas umum, yang telah sebaliknya sangat sukses, adalah keseluruhan ketidaksesuaian dengan mekanika kuantum. Potongan besar teori fisika ditujukan ke arah mencoba untuk menyamakan dua konsep: pertama yang memprediksi fenomena makroskopik melintasi ruang dan kedua yang memprediksi fenomena mikroskopik, sering kali dalam ruang yang lebih kecil daripada sebuah atom.

Selain itu, ada beberapa kekawatiran Einstein yang sangat diperhatikan terhadap ruang-waktu. Apa itu ruang-waktu? Apakah hal tesebut ada secara fisik? Beberapa telah memperkirakan “busa kuantum” yang menyebar ke seluruh alam semesta. Usaha baru pada teori string (dan pada teori anakannya) menggunakan ini atau penggambaran kuantum lain dari ruang-waktu. Sebuah artikel dari majalah New Scientist meperkirakan bahwa ruang-waktu mungkin adalah sebuah superfluida kuantum dan bahwa seluruh alam semesta dapat berputas pada sumbu.

Beberapa orang telah menunjukkan bahwa jika ruang-waktu sebagai substansi fisik, itu akan bertindak sebagai kerangka acuan universal, seperti eter. Penganut Anti-relativitas sangat gembira mendengar ini, sementara yang lain melihatnya sebagai upaya non ilmiah untuk mendiskreditkan Enstein dengan membangkitkan sebuah konsep abad-mati.

Isu-isu tertentu dengan singularitas black hole, di mana lengkung ruang-waktu mendekati pada tak terhingga, juga telah menimbulkan keraguan apakah relativitas umum secara akurat dapat menggambarkan alam semesta. Sangat sulit untuk diketahui secara pasti, bagaimanapun juga, selama black hole hanya dapat dipelajari seperti saat ini.

Sampai ia berdiri sekarang, relativitas umum adalah teori yang sangat sukses tetapi sangat sulit dibayangkan dan akan merugikan banyak orang karena ketidakkonsistennya dan kontroversi sampai mucul fenomena yang sangat bertentangan dengan prediksi dari teori.

Kutipan Mengenai Relativitas

“Spacetime grips mass, telling it how to move, and mass grips spacetime, telling it how to curve” — John Archibald Wheeler.

“The theory appeared to me then, and still does, the greatest feat of human thinking about nature, the most amazing combination of philosophical penetration, physical intuition, and mathematical skill. But its connections with experience were slender. It appealed to me like a great work of art, to be enjoyed and admired from a distance.” — Max Born

Waktu Mungkin Akan Berhenti 5 Milyar Tahun Depan

Sebelumnya, teori mengatakan bahwa waktu itu tak terbatas, akan tetapi teori baru mengatakan sebaliknya. Sejauh yang bisa dikatakan para astrofisikawan, alam semesta mengembang dengan kecepatan tinggi dan cenderung akan tetap demikian untuk jangka waktu yang tak terbatas. Akan tetapi sekarang beberapa fisikawan mengatakan bahwa teori ini yang disebut "pengembangan abadi" dan implikasinya bahwa waktu tak ada akhirnya, merupakan suatu masalah bagi para ilmuwan untuk mengkalkulasi probabilitas setiap kejadian.

Dalam makalah baru, mereka mengkalkulasi bahwa waktu cenderung akan berhenti dalam 5 milyar tahun mendatang yang disebabkan oleh sejenis malapetaka yang tak ada satupun hidup pada waktu itu untuk menyaksian kejadian tersebut.

Para fisikawan yakni Raphael Bousso dari Universitas California, Berkeley, bersama rekan-rekannya mempublikasikan makalah yang berisi rincian teori mereka di arXiv.org. Dalam makalah tersebut, mereka menjelaskan bahwa pada suatu alam semesta abadi, kejadian-kejadian yang paling mustahil pun akhirnya akan terjadi, dan tak hanya terjadi tapi terjadi dalam jumlah yang tak terbatas. Oleh karena probabilitas atau peluang diartikan dalam lingkup kelimpahan relatif kejadian-kejadian, maka tak ada gunanya menentukan tiap probabilitas karena setiap kejadian akan cenderung terjadi dengan sama.

"Jika memang terjadi di alam, pengembangan abadi memiliki implikasi-implikasi yang luar biasa besar," seperti yang ditulis Bousso dan rekan-rekannya dalam makalah mereka. "Tipe kejadian atau peristiwa apa pun yang memiliki probabilitas yang tidak bernilai nol, akan terjadi banyak kali secara tak terbatas, biasanya pada wilayah-wilayah terpisah yang tetap selamanya di luar hubungan sebab. Hal ini meruntuhkan dasar prediksi-prediksi probabilistik eksperimen-eksperimen yang dilakukan dalam dunia sehari-hari. Apabila secara tak terbatas banyak orang di seluruh alam semesta memenangkan undian, pada bidang apa seseorang masih bisa mengklaim bahwa memenangkan undian itu mustahil? Pastinya ada juga banyak orang yang tidak menang undian, tapi dalam pengertian apa jumlah mereka lebih banyak? Dalam eksperimen-eksperimen sehari-hari seperti mengikuti undian, kita memiliki aturan-aturan jelas untuk membuat prediksi-prediksi dan menguji teori-teori. Akan tetapi jika alam semesta mengembang selamanya, kita tak lagi mengetahui mengapa aturan-aturan ini berfungsi.

"Untuk melihat bahwa hal ini bukanlah semata-mata merupakan maksud filosofis, hal tersebut membantu mempertimbangkan eksperimen-eksperimen kosmologis di mana aturan-aturan tersebut agak kurang jelas. Sebagai contoh, seseorang ingin memprediksi atau menjelaskan keistimewaan Latar Gelombang Mikro Kosmik, atau teori lebih dari satu vakum, seseorang mungkin ingin memprediksi sifat-sifat terduga dari vakum tersebut yang kita ketahui sendiri, seperti massa Higgs. Hal ini memerlukan komputasi jumlah relatif observasi-observasi nilai-nilai berbeda massa Higgs tersebut, atau langit Latar Gelombang Mikro Kosmik. Akan ada banyak contoh-contoh tak terbatas setiap pengamatan yang mungkin dilakukan, jadi apa itu probabilitas? Hal ini dikenal sebagai "masalah pengukuran" pengembangan abadi."

Para fisikawan menjelaskan bahwa satu solusi terhadap masalah ini ialah untuk menyimpulkan bahwa waktu pada akhirnya akan berhenti. Maka akan ada jumlah terbatas peristiwa yang terjadi di mana kejadian-kejadian mustahil terjadi lebih sedikit daripada kejadian-kejadian yang mungkin.

Pemilihan waktu "penghentian" ini akan mengartikan rangkaian kejadian-kejadian yang diperkenankan. Oleh karena itu para fisikawan mencoba mengkalkulasi kemungkinan kapan waktu akan berhenti yang menghasilkan lima pengukuran penghentian berbeda. Pada dua dari lima skenario ini, waktu memiliki 50% peluang berhenti dalam waktu 3,7 milyar tahun. Pada dua skenario lainnya, waktu memiliki 50% peluang untuk berhenti dalam 3,3 milyar tahun.

Pada skenario kelima yang merupakan skenario terakhir, skala waktu sangat singkat (dalam urutan waktu Planck). Pada skenario ini, para ilmuwan mengkalkulasi bahwa "waktu akan sangat besar cenderung berhenti pada detik berikutnya." Untungnya, kalkulasi ini memprediksikan bahwa kebanyakan orang adalah "bayi-bayi Boltzmann" yang timbul dari gejolak-gejolak kuantum pada permulaan alam semesta. Oleh karena kebanyakan dari kita bukan "bayi-bayi" tersebut, para fisikawan bisa mengeluarkan skenario ini (sudah pasti).

Bagaimana akhir waktu tersebut seperti yang dirasakan oleh orang-orang pada waktu itu? Sebagaimana yang dijelaskan oleh para fisikawan, orang-orang tersebut tak akan pernah mengetahuinya. "Orang-orang pada masa itu akan tak terelakkan berada dalam penghentian sebelum menyaksikan kematian semua sistem lainnya," seperti yang ditulis oleh para ilmuwan. Mereka membandingkan batas penghentian waktu tersebut dengan ufuk lubang hitam.

"Batas tersebut dapat diperlakukan sebagai suatu obyek dengan sifat-sifat fisik termasuk temperatur," menurut para fisikawan dalam makalah mereka. "Sistem-sistem materi yang bertemu dengan akhir waktu di termalisasi di ufuk ini. Hal ini mirip dengan gambaran orang yang berada di luar tentang suatu sistem materi yang jatuh ke dalam sebuah lubang hitam. Namun, hal yang sangat baru ialah pernyataan bahwa kita mungkin mengalami termalisasi pada waktu melewati ufuk lubang hitam." Sekalipun begitu termalisasi "sistem materi" tetap saja tak akan menemukan sesuatu yang tak biasa ketika melewati ufuk ini.

Bagi mereka yang merasa tak nyaman terhadap berhentinya waktu, para fisikawan memperhatikan bahwa ada solusi-solusi lain untuk mengukur masalah tersebut. Mereka tidak mengklaim bahwa kesimpulan mereka bahwa waktu akan berhenti itu benar, hanya hal tersebut secara logika mengikuti dari suatu rangkaian asumsi. Jadi mungkin salah satu dari ketiga asumsi yang menggarisbawahi kesimpulan itu malahan tidak benar.

Asumsi yang pertama ialah bahwa alam semesta itu sedang mengembang selamanya, yang merupakan konsekuensi relativitas umum dan sangat didukung oleh bukti eksperimental yang diamati selama ini. Asumsi kedua ialah bahwa definisi probabilitas didasarkan pada frekwensi relatif suatu kejadian, atau apa yang disebut oleh para ilmuwan sebagai asumsi tipikalitas. Asumsi ketiga ialah bahwa jika waktu ruang memang tak terbatas, maka satu-satunya cara untuk menentukan probablitas suatu kejadian ialah membatasi atensi seseorang kepada suatu bagian terbatas dari alam-alam semesta yang tak terbatas. Beberapa fisikawan lainnya memperhatikan alternatif-alternatif asumsi ketiga ini.

Apapun yang terjadi dalam 3,7 milyar tahun mendatang, makalah Bousso dan rekan-rekannya mungkin akan menimbulkan bermacam-macam reaksi dalam waktu dekat ini.

Transit Venus 2012, Terakhir di Abad ini!

Planet-planet mengitari Matahari dan itulah yang dilakukan Bumi dan Venus. Khususnya Venus, tahun ini si bintang fajar ini akan menjadi pusat perhatian astronom seluruh dunia.

Tepatnya tanggal 6 Juni 2012, Venus akan melintasi piringan Matahari dan masyarakat Bumi bisa melihat sang bintang fajar laksana noktah hitam yang melintasi “piringan Matahari”

Peristiwa tersebut dikenal sebagai Transit Venus.

Apa itu Transit Venus?
Peristiwa ketika planet venus melintasi piringan Matahari ini mirip dengan peristiwa gerhana Matahari oleh Bulan. Kalau Gerhana Matahari terjadi ketika Matahari – Bulan – Bumi, dengan Bulan berada di antara Matahari dan Bumi dalam posisi sejajar.

Nah untuk transit venus, planet venus akan berada di antara di antara Matahari dan Bumi.  Tapi, meskipun ukuran Venus hampir sama dengan Bumi (ingat! Venus dan Bumi itu sempat dibilang planet kembar juga!), jaraknya yang sangat jauh menyebabkan kita hanya melihat Venus seperti titik yang melintasi piringan Matahari. Kalau di Gerhana Matahari, Bulan yang melintas tampak menutupi seluruh permukaan Matahari karen jarak Bulan jauh lebih dekat ke Bumi dibanding Venus.

Venus, bintang kejora yang kerap menghiasi langit fajar atau senja ini bergerak mengitari Matahari setiap 224 hari dengan kemiringan orbit 3,4º terhadap Bumi. Artinya, ketika Venus melintas di antara Bumi dan Matahari, ia tidak selalu berada “sejajar” dengan Bumi dan tidak setiap saat ia melintas kita bisa melihat transit.

Ketika terjadi konjungsi inferior atau saat venus melintas di antara Matahari dan Bumi, ia seringkali berada “di atas” atau “di bawah” Matahari, sebagai akibat kemiringan orbitnya terhadap Bumi tadi. Transit baru akan terjadi, ketika Venus melintas di Matahari – Bumi di nodes atau di area titik potong orbit Bumi dan Venus. Pada posisi ini, Matahari – Venus – Bumi akan berada “sejajar” sehingga pengamat di Bumi akan dapat melihat planet Venus melintasi piringan Matahari.

Siklus Transit
Transit Venus terjadi dengan pola yang berulang setiap 243 tahun sekali. Polanya, dua transit terjadi dengan rentang waktu 8 tahun, transit berikutnya terjadi 121,5 tahun kemudian, dan ada selang 8 tahun untuk transit berikutnya dan kemudian ada rentang waktu 105,5 tahun ke transit berikutnya. Setelah itu polanya kembali berulang.

Gambaran sederhana 1 siklus Transit Venus:

Dari transit A ke B butuh 8 tahun
Dari transit B ke C butuh 121,5 tahun
Dari transit C ke D butuh 8 tahun
Dari Transit D ke E butuh 105,5 tahun

Transit berikutnya akan mengulang selang waktu atau pola di atas.

Mengapa siklusnya 243 tahun sekali? Ini dikarenakan Bumi dan Venus baru akan kembali bertemu di titik yang hampir pada orbitnya masing-masing dalam rentang waktu 243 tahun Bumi. Tapi, pola 105,5 , 8 , 121,5 dan 8 tahun bukanlah satu-satunya pola yang mungkin dalam siklus 243 tahun tersebut. Pada tahun 1518, pola transitnya justru 8, 113,5 , dan 121,5 tahun. Pola yang ada sekarang akan terus berlanjut sampai dengan tahun 2846 dan kemudian akan ada pola baru yakni 105,5 , 129,5 dan 8 tahun. Transit yang kita amati saat ini merupakan transit terakhir dari pasangan 2004/2012 dan transit berikutnya baru akan terjadi 2117/2125. Sedangkan sebelum tahun 2004, transit terjadi pada 1874/1882.

Mengapa Transit Venus Penting?
Pertanyaan ini tentunya menghiasi benak kita, apa sih pentingnya Transit Venus sampai harus diamati. Bukankah kita hanya melihat sebuah titik hitam lewat di “depan” Matahari?

Di era tahun 1700-an, masalah terbesar dalam astronomi adalah penentuan jarak rata-rata Matahari – Bumi yang digunakan untuk konstanta fundamental di sistem heliosentris yang diajukan Copernicus. Selain itu, transit Venus di tahun 1700-an memberikan petunjuk awal keberadaan atmosfer di bintang senja itu.

Kalau sekarang, penentuan jarak antara kita dan benda langit dilakukan menggunakan radar. Tapi di masa lalu, radar itu seperti apa mungkin orang tidak bisa membayangkannya. Pada masa itu, untuk menentukan jarak suatu benda langit maka dibutuhkan perhitungan trigonometri untuk mengetahui konstanta Satuan Astronomi (SA) – atau jarak Bumi – Matahari.

Di tahun 1677, astronom Inggris Edmund Halley mengajukan ide untuk pengamatan Transit Venus dan ia juga memberikan ide untuk metode penentuan paralaks menggunakan geometri dengan memanfaatkan Transit Venus yang terjadi pada tahun 1761 dan 1769.  Meskipun Halley meninggal 19 tahun sebelum Transit Venus 1761, para ilmuwan ternyata masih tetap mengikuti ide yang diberikan Halley. Berbagai upaya dilakukan untuk melakukan perjalanan pengamatan Transit Venus yang di Tahun 1761, lokasi pengamatan yang baik berada di Hindia Belanda. Pada masa itu, pengamatan Venus juga dilakukan di Hindia Belanda tepatnya di Batavia yang dibantu oleh Pdt. Johann Mohr yang kemudian hasil pengamatan itu dikontribusikan dalam laporan yang dikirim ke Belanda.

Hasil pengamatan Transit Venus 1761 memberikan hasil jarak Matahari – Bumi sekitar 95 juta mil / 152887680 km (atau cukup dekat dengan perhitungan saat ini 92,955,807.267 mil (149,597,870.691 km). Dan dalam pengamatan tahun 1761 itu juga para pengamat melihat sesuatu yang aneh di Venus. Yang mereka lihat adalah lingkaran halo yang mengelilingi titik hitam Venus yang kemudian disimpulkan merupakan atmosfer. Dan ternyata dugaan itu tidak salah karena Venus memiliki atmosfer yang disusun oleh karbondioksida dan awan asam sulfat.

Pertanyaan berikutnya, apa pentingnya Transit Venus saat ini? Bukankah jarak Matahari – Bumi sudah diketahui?

Transit Venus dan Exoplanet
Bagi para astronom masa kini, Transit Venus masih sangat penting karena transit planet merupakan salah satu metode yang digunakan untuk menemukan planet extrasolar yang berada di bintang lain.

Seperti kita ketahui, planet extrasolar itu letaknya sangat jauh dan sangat redup untuk bisa diamati secara langsung. Tapi, kalau ada obyek yang melintas di “wajah” bintang yang berhadapan dengan kita (transit) maka si obyek itu akan menghalangi sedikit cahaya bintang. Nah, peristiwa ketika bintang meredup sejenak atau mengedip inilah yang dideteksi oleh para astronom untuk mengetahui kalau bintang itu punya planet.  Selain untuk menentukan keberadaan planet, hasil analisa cahaya bintang juga dapat digunakan untuk mengetahui ukuran, temperatur dan komposisi atmosfer si planet.

Transit Venus tahun 2012 merupakan kesempatan bagi para astronom untuk “berlatih” melacak perubahan optis yang terjadi selama transit. Transit Venus tidak hanya penting bagi para astronom. Bagi publik, Transit Venus juga menjadi kesempatan untuk mengenal astronomi dan bagi para penggemar astronomi ini kesempatan langka untuk melihat Venus melintasi Matahari. Bagi para guru dan siswa, Transit Venus justru menjadi kesempatan untuk mengenal sains dari dekat tidak hanya satu bidang yakni astronomi tapi juga matematik dengan melakukan perhitungan ulang jarak Matahari – Bumi.

Transit Venus 2012
Setelah transit Venus tahun 2004, transit terakhir dari pasangan ini terjadi di tahun 2012 atau tepatnya tanggal 5 / 6 Juni 2012 (bergantung zona waktu).Transit Venus akan dapat diamati selama 6 jam dari berbagai lokasi di dunia namun tempat terbaik bagi pengamatan Transit Venus adalah di Samudera Pasifik. Tapi buat penduduk di area Pasifik, Asia Timur dan di atas Lingkaran Artik, keseluruhan transit akan dapat diamati (dari awal sampai akhir). Bagaimana dengan indonesia?

Indonesia secara umum akan dapat melihat Transit Venus sejak Matahari terbit. Tapi, wilayah Indonesia bagian Barat dan sebagian wilayah Indonesia bagian tengah tidak akan dapat menikmati transit venus dari awal karena ketika Matahari terbit, Venus sudah masuk piringan Matahari atau Matahari terbit bersamaan dengan terjadinya transit.

Lokasi terbaik untuk mengamati transit Venus 2012 di Indonesia adalah di wilayah Indonesia bagian Timur dan sebagaian wilayah Indonesia bagian tengah, karena Matahari terbit lebih dahulu barulah Venus mulai proses transit. (lihat peta untuk lebih jelasnya

Tabel Kontak Transit Venus:

Untuk waktu Indonesia Bagian Barat:
Kontak 1 : 05:09:38 wib
Kontak 2 : 05:27:34 wib
Puncak : 08:29:36 wib
Kontak 3 : 11:31:39 wib
Kontak 4 : 11:49:35 wib

Untuk waktu Indonesia Bagian Tengah:
Kontak 1 : 06:09:38 wita
Kontak 2 : 06:27:34 wita
Puncak : 09:29:36 wita
Kontak 3 : 12:31:39 wita
Kontak 4 : 12:49:35 wita

Untuk waktu Indonesia Bagian Timur:
Kontak 1 : 07:09:38 wit
Kontak 2 : 07:27:34 wit
Puncak : 10:29:36 wit
Kontak 3 : 13:31:39 wit
Kontak 4 : 13:49:35 wit

Energi Gelap (Dark Energy) Dalam Model Standar Kosmologi Baru

Kosmologi memasuki babak baru. Berbagai temuan observasi memberikan kita gambaran terkini tentang alam semesta, yang agak berbeda dengan alam semesta sebagaimana yang digambarkan oleh model standar kosmologi.

Dengan perkembangan terbaru dari berbagai hasil pengamatan ini, kita memiliki model kosmologi baru yang merupakan model standar kosmologi (hot big bang) yang diperluas.

Model standar kosmologi baru itu memiliki karakteristik:

§  Alam semesta dengan geometri datar (flat) dengan parameter densitas Ω = 1.0023 ± 0.0055 (dari data satelit Wilkinson Microwave Anisotropy Probe — WMAP), dan sedang dalam keadaan berekspansi dipercepat

§  Alam semesta mengalami proses inflasi (ekspansi yang bersifat eksponensial) dalam waktu amat singkat, pada saat usia semesta dini

§  Inhomogenitas densitas yang menjadi cikal bakal struktur dalam alam semesta, berasal dari fluktuasi kuantum yang terbawa ke skala makro selama masa inflasi

§  Komposisi alam semesta terdiri dari (WMAP Jan 2010): (72.8 ± 0.5) % energi gelap (dark energy), (22.7 ± 1.4) % materi gelap nonbaryonik (nonbaryonic dark matter), dan (4.56 ± 0.16) % baryon

Yang dimaksud dengan energi gelap adalah sesuatu yang menyebabkan alam semesta kita berekspansi dipercepat, meski jumlah total materi (baryon dan materi gelap) tidak memungkinkan hal itu terjadi. Keberadaan energi gelap yang menjadi komposisi utama alam semesta, merupakan salah satu penemuan terbesar dalam kosmologi. Energi gelap ini mendominasi alam semesta kita saat ini, dan menyebabkan alam semesta kita saat ini berada dalam fase ekspansi yang dipercepat.

Energi gelap ini juga mengubah pemahaman kita tentang nasib alam semesta ke depan.  Dalam Model Standar Kosmologi, nasib alam semesta ditentukan oleh geometrinya. Jika geometri alam semesta adalah geometri sferis (dengan parameter densitas Ω > 1), alam semesta akan terus mengembang sampai suatu saat tertentu, kemudian berhenti mengembang, dan mulai runtuh. Jika alam semesta memiliki geometri datar (dengan parameter densitas Ω = 1), alam semesta akan mengembang dan terus mengembang dengan kecepatan semakin mendekati nol. Dan jika alam semesta memiliki geometri hiperbola (dengan parameter densitas Ω < 1), maka alam semesta akan terus mengembang dengan kecepatan pengembangan semakin mendekati suatu kecepatan tertentu yang bukan nol. Ketiga kemungkinan ujung alam semesta memiliki kesamaan, bahwa alam semesta mengembang dengan kecepatan pengembangan yang semakin kecil.

Namun penemuan keberadaan energi gelap mengubah semuanya. Dalam alam semesta dengan energi gelap, hubungan antara geometri alam semesta dan nasib ke depan alam semesta itu menjadi runtuh. Meski alam semesta kita saat ini memiliki geometri datar (flat), tapi masih terbuka kemungkinan bahwa nasib alam semesta ke depan akan terus mengembang (seperti alam semesta terbuka pada model standar kosmologi), atau akan terus mengembang dengan kecepatan semakin mendekati nol (seperti alam semesta datar pada model standar kosmologi), atau bahkan akan runtuh kembali (seperti alam semesta tertutup pada model standar kosmologi). Akhir yang seperti mana yang akan dialami alam semesta kita, bergantung pada sifat dari energi gelap itu sendiri. Dan ini membuat penelitian tentang energi gelap menjadi topik yang sangat menarik dalam kosmologi.

Indikasi Keberadaan Energi Gelap
Keberadaan energi gelap dideteksi dari pengamatan supernova pada redshift (z) tinggi, dan dari pengamatan radiasi latar belakang (Cosmic Microwave Background – CMB).

Supernova jauh yang dilihat Hubble. Kredit : NASA / Hubble

Dari pengamatan supernova pada redshift tinggi diketahui bahwa alam semesta kita saat ini sedang dalam fase ekspansi yang dipercepat. Supernova-supernova yang berada pada z ≈ 0.5 diamati memiliki magnitud yang lebih rendah dari magnitud seharusnya (jika berada dalam alam semesta seperti yang digambarkan dalam alam semesta dengan geometri datar oleh model standar). Pelemahan cahaya supernova ini paling mungkin dijelaskan jika alam semesta saat ini sedang mengalami ekspansi yang dipercepat. Kesimpulan ini pertama kali didapat oleh dua grup independent, Supernova Cosmology Group dan High-z Supernova Team. Kedua tim ini menggunakan teknik analisis yang berbeda dan sampel supernova (denganredshift tinggi) yang berbeda. Namun mereka memperoleh kesimpulan yang sama.

Interpretasi bahwa pelemahan magnitud yang dialami supernova dengan z ≈ 0.5 ini disebabkan oleh energi gelap, bukanlah satu-satunya. Ada penjelasan alternatif yang mencoba menjelaskan efek pelemahan magnitude itu karena materi intergalaktik. Tapi bukti yang menguatkan teori energi gelap dan membantah penjelasan dengan materi intergalaktik didapat dengan ditemukannya supernova yang paling jauh (sampai saat ini), SN 1997ff, dengan z = 1.755. Supernova ini diamati memiliki magnitud lebih terang dari seharusnya, yang menunjukkan bahwa ia terjadi saat alam semesta masih mengalami ekspansi yang diperlambat. Jika memang benar ada materi intergalaktik yang menyebabkan pelemahan cahaya, harusnya SN 1997ff akan jauh lebih redup dari seharusnya, bukan malahan lebih terang.

Selain dari supernova, bukti lain yang mendukung keberadaan energi gelap berasal dari pengamatan CMB. Pengamatan CMB menggunakan WMAP memberikan data bahwa parameter densitas alam semesta Ω = 1.0023 ± 0.0055. Padahal dari pengamatan yang sama, diketahui bahwa seluruh materi (baryon dan materi gelap) dalam alam semesta hanya memberikan kontribusi pada Ω yang hanya sekitar sepertiga dari nilai Ω yang diamati. Karena itu, haruslah ada komponen lain dalam alam semesta yang mengisi kekurangan parameter densitas yang diberikan oleh materi (baryon dan materi gelap). Dengan kontribusi dari materi ditambah dengan energi gelap, maka alam semesta kita akan memiliki Ω sebagaimana yang didapat dari pengamatan CMB tersebut.

Keberadaan energi gelap juga bisa dideteksi lewat pengamatan lain (selain pengamatan supernova) yang sifatnya independent. Misalnya lewat pengamatan struktur alam semesta skala besar (Large Scale Structure – LSS) yang dikombinasikan dengan pengukuran fluktuasi angular size karakteristik pada CMB. Cara ini merupakan cara pengamatan bersifat tidak langsung. Ada satu lagi metode independent untuk mendeteksi energi gelap, yaitu lewat pengamatan efek integrated Sachs-Wolfe (ISW). ISW ini sendiri adalah pergeseran merah pada foton CMB yang disebabkan oleh gravitasi, yang terjadi mulai saat alam semesta mulai menjadi transparan.

Energi gelap tidak dari awal mendominasi alam semesta, dan menyebabkan ekspansi dipercepat. Karena jika dari awal alam semesta kita sudah mengalami ekspansi dipercepat, maka struktur dalam alam semesta yang kita amati saat ini, tidak akan mungkin terbentuk. Ditambah lagi, pola variasi CMB dan kelimpahan unsur hasil big bang nucleosynthesis akan berbeda dengan yang kita amati sekarang. Energi gelap baru mendominasi dan menyebabkan ekspansi dipercepat pada alam semesta, semenjak suatu epoch tertentu. Kapan terjadinya transisi ini bisa dirunut lewat pengamatan supernova.

Riess dan rekan-rekan melaporkan hasil pengolahan data sampel 16 buah supernova tipe Ia temuan baru yang diamati dengan HST (Hubble Space Telescope). Dalam sampel, termasuk 6 dari 7 supernova terjauh yang kita ketahui, seluruhnya memiliki z > 1.25. Riess juga berhasil menghitung epoch dimana era ekspansi diperlambat (sebagaimana yang digambarkan oleh model standar) berakhir, dan energi gelap mulai mengambil peran sentral. Semenjak saat transisi itu, ekspansi alam semesta yang semula melambat, berubah menjadi ekspansi yang dipercepat. Transisi itu terjadi pada epoch sekitar z = 0.46 ± 0.13, atau sekitar ketika ukuran alam semesta 68% ukuran saat ini.

Properti Energi Gelap
Sampai saat ini, amat sedikit diketahui tentang energi gelap. Tapi setidaknya kita mengetahui sedikit properti energi gelap, yaitu:

1.     Tidak memancarkan gelombang elektromagnetik

2.     Memiliki tekanan negatif yang besar. Besarnya tekanan yang berorde sama dengan densitas energinya, menunjukkan bahwa ‘energi gelap’ ini lebih bersifat energi daripada materi (pada materi tekanan jauh lebih kecil dibandingkan dengan densitasnya). Karena itu, energi gelap ini berbeda dengan materi gelap

3.     Tidak mengumpul membentuk gugus dengan materi secara signifikan, setidaknya sampai seukuran gugus galaksi.

Hasil pengamatan CMB menunjukkan bahwa dalam skala besar, alam semesta kita (hampir) homogen dan isotropis. Dan sebagaimana yang digambarkan oleh model standar kosmologi, alam semesta bisa didekati sebagai fluida sempurna. Energi gelap dapat diparametrisasi dengan persamaan keadaannya (w), yang merupakan perbandingan tekanan dengan densitasnya. Agar struktur dalam alam semesta yang teramati saat ini bisa tumbuh dari perturbasi densitas (sebagaimana yang diamati pada CMB), maka nilai w haruslah berharga lebih kecil dari -½.

Sementara itu, untuk alam semesta datar (sebagaimana yang kita amati), parameter perlambatan (q₀) saat ini adalah q₀ ~ ½ =w. Dan karena nilai w < -½, maka q₀ < 0, menunjukkan alam semesta saat ini sedang mengalamai ekspansi dipercepat. Hasil pengukuran dari WMAP (dari pengamatan CMB) memberikan harga w < -0.980 ± 0.053.

Kandidat Energi Gelap
Ada beberapa kandidat apa sebenarnya energi gelap. Kandidat utama energi gelap itu adalah:

1.     Konstanta kosmologi / Energi vakum

2.     Quintessence (medan skalar dinamis)

3.     Gravitasi yang melemah

1. Konstanta Kosmologi, Λ
Konstanta kosmologi adalah faktor yang dimasukkan dalam persamaan Einstein dalam relativitas umum. Konstanta kosmologi ini awalnya dimaksudkan untuk mengimbangi gravitasi supaya diperoleh gambaran alam semesta yang statis (yang kemudian oleh Einstein disesali karena kenyataan obervasi oleh Hubble menunjukkan alam semesta yang mengambang, sesuatu yang harusnya terlebih dulu bisa diramalkan oleh relativitas umum). Eksistensi konstanta kosmologi ini kembali mencuat akhir-akhir ini, dan mencapai puncak ketika terdeteksi keberadaan energi gelap.

Sementara itu, dari teori medan kuantum yang kita miliki saat ini, diketahui bahwa ruang vakum juga memiliki energi, yang dinamakan energi vakum. Untuk energi vakum, w = -1. Dan secara matematis, energi vakum ini sama dengan konstanta kosmologi yang berasal dari relativitas umum. Konstanta kosmologi ini menjadi salah satu kandidat terkuat dari energi gelap.

Dari observasi supernova, disimpulkan energi gelap tidak berubah sepanjang waktu, atau minimal hanya berubah sangat sedikit sejalan dengan waktu. Jadi untuk sementara, konstanta kosmologi merupakan kandidat terkuat sebagai energi gelap, karena didukung oleh observasi. Hasil observasi dari 70 supernova oleh tim SNLS (Supernova Legacy Survey) untuk sementara menunjukkan bahwa energi gelap hanya berubah sangat sedikit. SNLS ditargetkan mempelajari 700 buah supernova menggunakan teleskop-teleskop besar dunia dan diharapkan lebih banyak mengungkap tentang energi gelap.

Tapi jika konstanta kosmologi adalah energi gelap, ada setidaknya dua masalah besar. Masalah pertama adalah dari segi ordenya, dan masalah kedua adalah dari segi waktu diaman ia mulai dominan.

Jika kita mencoba menghitung besar orde energi gelap dari beberapa pendekatan berbeda, kita akan mendapatkan orde besarnya energi gelap: 10^-10 (eV)⁴ – 10¹¹² (eV)⁴. Jadi Λ membutuhkan fine-tuning dari rentang kemungkinan yang teramat besar tersebut supaya konvergen ke harga tertentu. Ini dikenal dengan masalah fine-tuning problem.

Masalah kedua terlihat jika kita meninjau bagaimana perubahan parameter densitas energi gelap terhadap waktu, jika energi gelap itu adalah konstanta kosmologi. Misalkan parameter densitas konstanta kosmologi ditulis Ω_Λ = ρ_Λ/ρ_cr. Dari pengamatan CMB, diperoleh bahwa Ω_Total = 1 dan (jika energi gelap adalah konstanta kosmologi) Ω_Λ=0.7. Harga Ω_Λ berubah sejalan dengan pengembangan alam semesta, karena p_Λkonstan. Maka evolusi Ω_Λ sejalan dengan ρ_cr ~ (1 + z)^-3, dengan z adalah redshift. Pada z > 10, harga parameter densitas Ω_Λ < 0.001. Sedangkan pada z < -0.9 nanti, harga parameter densitas Ω_Λ > 0.999.

Jika dibuat plot Ω_Λ terhadap log R untuk rentang -60 < log R <+60, akan terlihat seperti fungsi tangga (step function) yang berubah dari nol menjadi satu pada era saat ini. Bahkan jika dibuat plot dΩ_Λ/dR (yang berbentuk seperti fungsi delta dirac), dapat dilihat bahwa kita hidup tepat di tengah puncak fungsi delta dirac tersebut. Pertanyaan kenapa kita hidup di era yang spesial ini, dikenal dengan coincidence problem.

2. Quintessence
Quintessence adalah medan skalar yang bergulir-lamban (slow-rolling scalar field). Salah satu properti penting dari quintessence adalah coincidence problem bisa lebih masuk akal dijelaskan, karena persamaan keadaan bergantung waktu. Prediksi yang paling umum dari quintessence adalah nilai dari persamaan keadaan w(t) berbeda dari -1, dan berubah terhadap z.

3. Gravitasi Yang Melemah
Masih ada kemungkinan bahwa sebenarnya materi gelap itu tidak ada. Tetapi efek yang kita amati saat ini (yang menuntun kita pada kesimpulan adanya energi gelap) sebenarnya adalah efek dari runtuhnya relativitas umum Einstein pada skala yang amat besar. Menurut teori ini, pada skala yang amat besar, efek kebocoran gravitasi ke dimensi yang lebih tinggi semakin mungkin diamati.

Prospek Observasi Dark Energy Ke Depan
Untuk lebih tahu banyak tentang energi gelap, satu-satunya cara (setidaknya untuk saat ini) adalah lewat pengamatan astronomis. Dari sisi fisika partikel tidak memungkinkan memberikan batasan pada energi gelap lewat akselerator, karena sifat energi gelap yang diffuse dan merupakan fenomena energi-rendah.

Untuk memberikan batasan pada energi gelap, pengamatan dan penelitian yang bisa dilakukan adalah:

§  Pengukuran sejarah ekspansi H(t)

§  Persamaan keadaan w(t) yang bergantung waktu

§  Mencari jika ada properti penggugusan energi gelap

§  Mencari adakah dan bagaimana hubungan (couple) antara energi gelap dengan materi gelap

§  Menguji lebih detail kevalidan relativitas umum

Untuk pengukuran sejarah ekspansi digunakan pengamatan sejumlah besar supernova dengan rentang z tertentu. Karena pada awal alam semesta (z besar) energi gelap belum dominan, sedangkan pada z kecil kurang sensitif untuk pengukuran efek dari energi gelap, maka rentang z yang memadai untuk pengamatan adalah 0.2 ≤ z ≤ 2.

Persamaan keadaan bisa menggunakan supernova. Sampel kualitas tinggi dari 2000 buah supernova dengan z antara 0.2 sampai 1.7 bisa memberikan harga w dengan ketelitian σ_w = 0.05 (dengan asumsiirreducible error sebesar 0.14 magnitud). Jika Ω_M bisa didapat cara independen dengan harga lebih baik dari σ_ΩM = 0.03, σ_w akan meningkat dengan faktor 3 dan perubahan w terhadap redshift – w’ = dw/dz – dapat diukur dengan ketelitian σ_w’ = 0.16.

Selain lewat supernova, w juga berpotensi dipelajari lewat pengamatan galaxy-count dan galaxy cluster count.

Efek weak gravitational lensing (WGL) bisa juga digunakan untuk mempelajari w. WGL oleh LSS pada medan seluas 1000 derajat persegi atau lebih, setara dengan sensitivitas pengamatan w lewat supernova seperti yang disebutkan di atas. Hanya saja WGL tidak bisa digunakan untuk mempelajari variasi w terhadap waktu. Dan masalah sistematis yang dihadapi pada pengamatan WGL masih belum banyak dipelajari secara lebih teliti.

Saat ini, ada beberapa proyek yang dikembangkan yang bertujuan khusus untuk mengamati dan mempelajari energi gelap. Misalnya SNAP (Supernova/Acceleration Probe), JDEM (Joint Dark Energy Mission), dan beberapa lainnya. Untuk SNAP sayangnya NASA menunda misi ini lima tahun karena adanya prioritas mengirimkan manusia ke Mars.

Mengapa mempelajari energi gelap?
Sampai saat ini, energi gelap hanya bisa dipelajari lewat pengamatan astronomi. Dan yang paling besar prospek pengamatan untuk mempelajari energi gelap ini adalah lewat pengamatan supernova. Alat yang paling efektif untuk mempelajari supernova ini adalah teleskop yang berada di luar angkasa, teleskop Hubble. Hubble bisa difungsikan menjadi mesin pemburu supernova yang amat penting bagi mempelajari energi gelap. Ini dibuktikan (antara lain) lewat pemakaian Hubble oleh Reiss dan timnya untuk menentukan epoch transisi dimana energi gelap mulai mendominasi alam semesta. Sayangnya dengan diberhentikannya perawatan Hubble maka umur teleskop Hubble hanya sampai sekitar tahun 2007-2008. Dan dengan kehilangan alat penting mempelajari energi gelap, kemajuan pengertian kita tentang energi gelap tidak akan secepat yang seharusnya kita bisa dengan teknologi yang kita punya saat ini.

Dengan mempelajari energi gelap ini, kita bisa mengetahui bagaimana ujung dari evolusi alam semesta. Pengamatan persamaan keadaan energi gelap juga bisa berpengaruh pada fisika teori / fisika partikel, dan pada relativitas umum. Jika kita bisa menentukan nilai dari persamaan keadaan energi gelap, kita bisa menentukan apa sebenarnya energi gelap itu. Dan jika energi gelap itu memiliki persamaan keadaan w = -1, maka energi gelap adalah konstanta kosmologi, dan kita masih harus berurusan dengan fine-tuning problemdan coincidence problem. Jika w < -1 maka kita akan menemukan masalah dalam teori relativitas umum pada skala amat besar.

Ada dua sasaran yang realistik untuk satu dekade ke depan: menentukan persamaan keadaan sampai ketelitian 5%, dan mencari variasinya terhadap waktu. Setelah berhasil menentukan persamaan keadaan, maka sasaran berikutnya adalah mendeteksi sifat penggugusannya. Ini akan memberikan kita pengetahuan yang penting tentang apa dan bagaimana energi gelap.
 
Sumber : Pencerahan