Sean Carroll: Masa yang jauh dan petunjuk tentang alam semesta ganda

Alam semesta benar-benar sangat besar. Kita tinggal di sebuah galaksi, Galaksi Bimasakti. Ada sekitar 100 miliar bintang di Galaksi Bimasakti. Jika Anda mengambil kamera dan mengarahkannya ke bagian langit manapun, dan membiarkan shutternya terbuka terus, selama kamera Anda terpasang pada Teleskop Luar Angkasa Hubble, Anda akan melihat sesuatu seperti ini. Setiap gumpalan kecil ini adalah galaksi seukuran Bima Sakti -- 100 juta bintang pada setiap gumpalan itu. Ada sekitar 100 miliar galaksi di alam semesta yang terlihat. Anda hanya perlu mengetahui angka 100 miliar. Usia alam semesta, mulai dari Dentuman Besar hingga sekarang adalah 100 miliar dalam tahun anjing. (Tawa) Yang menunjukkan sesuatu tentang posisi kita di alam semesta.

Salah satu hal yang bisa Anda lakukan adalah mengagumi gambar ini. Gambar ini benar-benar indah. Saya sering penasaran, tekanan evolusi apa yang membuat nenek moyang kita di Veldt beradaptasi dan berkembang untuk menikmati gambar-gambar galaksi yang tidak mereka miliki. Namun kita juga ingin memahaminya. Sebagai seorang kosmolog, saya ingin bertanya, mengapa alam semesta seperti ini? Satu petunjuk utama yang diketahui adalah alam semesta berubah terhadap waktu. Jika Anda melihat salah satu galaksi itu dan mengukur lajunya, galaksi itu akan bergerak menjauhi Anda. Dan jika Anda melihat galaksi yang lebih jauh, lajunya menjauhi Anda semakin cepat. Jadi kita mengatakan bahwa alam semesta memuai.

Yang artinya, tentu saja, adalah di masa lalu semuanya berjarak lebih dekat. Di masa lalu, alam semesta lebih padat dan juga lebih panas. Jika Anda memampatkan benda, maka suhunya akan naik. Hal ini masuk akal bagi kita. Hal yang tidak masuk akal bagi kebanyakan dari kita adalah alam semesta muda, setelah Dentumban Besar juga sangat halus. Anda mungkin berpikir itu tidak mengherankan. Udara di ruangan ini juga sangat halus. Mungkin Anda berpikir, "Mungkin benda-benda itu menjadi halus sendiri." Namun kondisi pada masa dekat Dentuman Besar sangat berbeda daripada kondisi udara di ruangan ini. Secara khusus, semua benda jauh lebih padat. Tarikan gravitasi dari benda-benda jauh lebih kuat pada masa dekat Dentuman Besar.

Hal yang harus Anda pikirkan adalah alam semesta kita terdiri dari 100 miliar galaksi, yang masing-masing memiliki 100 miliar bintang. Di masa lampau, 100 miliar galaksi itu termampatkan pada ruangan sebesar ini -- pada masa lalu. Dan Anda harus membayangkan pemampatan itu dilakukan dengan sempurna tanpa noda kecil sekalipun di mana ada atom lebih banyak daripada di tempat lainnya. Karena jika ada, atom ini akan runtuh karena tarikan gravitasi menjadi lubang hitam besar. Mempertahankan kehalusan alam semesta muda tidaklah mudah, sebuah pengaturan yang sulit. Itu adalah petunjuk bahwa alam semesta tidak dipilih secara acak. Ada sesuatu yang membuatnya sedemikian rupa. Kita ingin tahu apa itu.

Lalu sebagian pemahaman kita tentang hal ini diberikan oleh Ludwig Boltzmann, seorang fisikawan Austria dari abad ke-19. Dan Boltzmann membantu kita memahami entropi. Anda pernah mendengar tentang entropi. Ketidakteraturan, kekacauan, kesemrawutan dari beberapa sistem. Boltzmann memberikan sebuah rumus -- yang terpahat di batu nisannya sekarang -- yang benar-benar mengukur entropi itu. Rumus itu mengatakan bahwa entropi adalah banyaknya cara kita dapat menyusun komponen sebuah sistem di mana Anda tidak sadar akan hal itu, sehingga secara garis besar tampak sama. Sebagai contoh udara dalam ruangan ini, Anda tidak tahu setiap atomnya. Susunan dengan entropi rendah hanya memiliki sedikit kemungkinan yang terlihat seperti itu. Susunan dengan entropi tinggi memiliki banyak kemungkinan yang dapat terlihat seperti itu. Ini adalah wawasan yang sangat penting, karena membantu kita menjelaskan hukum kedua termodinamika -- hukum yang mengatakan bahwa entropi meningkat di alam semesta atau di bagian alam semesta yang terisolasi.

Alasan mengapa entropi meningkat hanyalah karena ada lebih banyak cara untuk memiliki entropi tinggi daripada entropi rendah. Ini adalah wawasan yang mengagumkan, namun hal itu meninggalkan sesuatu. Wawasan tentang entropi yang meningkat inilah yang ada di belakang anak panah waktu, perbedaan antara masa lalu dan masa depan. Semua perbedaan yang ada antara masa lalu dan masa depan adalah karena entropi meningkat -- fakta bahwa Anda dapat mengingat masa lalu, namun tidak masa depan. Fakta bahwa Anda lahir, lalu hidup dan meninggal, urutannya selalu seperti itu, itu karena entropi meningkat. Boltzmann menjelaskan jika entropi awalnya rendah, sangat alami jika entropinya meningkat, karena ada lebih banyak cara untuk memiliki entropi tinggi. Apa yang tidak dia jelaskan adalah mengapa pada awalnya entropinya rendah.

Fakta bahwa entropi alam semesta rendah merupakan cerminan dari fakta bahwa alam semesta muda sangat halus. Kita ingin memahami hal itu. Itulah tugas kami sebagai kosmolog. Sayangnya, ini sebenarnya adalah masalah yang kurang kami perhatikan. Ini bukanlah salah satu hal pertama yang akan diucapkan jika Anda menanyai kosmolog modern, "Apa masalah yang sedang berusaha kita atasi?" Salah satu orang yang memahami bahwa ini adalah sebuah masalah adalah Richard Feynman. 50 tahun lalu, dia memberikan serangkaian kuliah berbeda. Dia memberikan kuliah populer yang menjadi "Karakter dari Hukum Fisika." Dia memberikan kuliah kepada mahasiswa sarjana Caltech yang menjadi "Kuliah Feynman tentang Fisika." Dia memberikan kuliah kepada mahasiswa pascasarjana Caltech yang menjadi, "Kuliah Feynman tentang Gravitasi." Dalam setiap buku ini, setiap rangkaian kuliah ini, dia menekankan teka-teki ini: Mengapa alam semesta awalnya memiliki entropi yang rendah?

Jadi dia berkata -- saya tidak akan meniru gaya bicaranya -- dia berkata, "Entah mengapa, alam semesta, pada suatu ketika memiliki entropi yang sangat rendah dibanding kandungan energinya, dan sejak itu entropi meningkat. Panah waktu tidak dapat dimengerti seluruhnya sampai misteri dari awal mula sejarah alam semesta diungkap lebih jauh dari spekulasi menuju pemahaman." Dan itulah tugas kita. Kita ingin tahu -- itu 50 tahun yang lalu, Anda pikir "Sudah pasti, kita telah menemukan jawabannya sekarang." Tidak benar kita telah menemukan jawabannya.

Alasan mengapa masalah ini menjadi lebih rumit, bukan lebih mudah, adalah karena pada tahun 1998 kita mengetahui hal penting tentang alam semesta yang tidak kita ketahui sebelumnya. Kita mengetahui bahwa alam semesta bergerak semakin cepat. Alam semesta bukan hanya memuai. Jika Anda melihat pada galaksi, galaksi itu menjauh. Jika Anda kembali 1 miliar tahun kemudian dan melihatnya lagi, alam semesta akan menjauh dengan lebih cepat. Setiap galaksi semakin cepat menjauh dari kita. Jadi kami menyimpulkan alam semesta bergerak semakin cepat. Tidak seperti entropi rendah dari alam semesta muda, walaupun kita tidak tahu jawabannya, setidaknya kita memiliki teori yang bagus untuk menjelaskannya, jika teori itu benar, dan itu adalah teori energi gelap. Ini hanyalah gagasan bahwa luar angkasa yang hampa memiliki energi.

Di setiap sentimeter kubik dari luar angkasa, baik berisi materi ataupun tidak, baik berisi partikel, materi, radiasi, atau apapun ataupun kosong sama sekali, akan ada energi, bahkan luar angkasa itu sendiri. Dan energi ini, menurut Einstein memberi dorongan pada alam semesta. Ini adalah dorongan terus-menerus yang memisahkan galaksi satu sama lain. Karena energi gelap, tidak seperti materi atau radiasi, tidak menjadi lemah saat alam semesta berkembang. Jumlah energi pada setiap sentimeter kubik tetap sama, walaupun alam semesta menjadi semakin besar. Hal ini memiliki dampak penting pada apa yang akan dilakukan alam semesta di masa depan. Salah satunya alam semesta akan terus memuai.

Saat saya seumur Anda, kita tidak tahu apa yang akan dilakukan alam semesta. Beberapa orang berpikir alam semesta akan mengerut kembali di masa depan. Einstein menyukai gagasan ini. Namun jika ada energi gelap, dan energi gelap itu terus ada, alam semesta akan terus memuai selamanya. 14 miliar tahun yang lalu, 100 miliar tahun anjing, namun selamanya ke masa depan. Sementara itu, karena beberapa maksud dan tujuan, luar angkasa tampak terbatas bagi kita. Luar angkasa mungkin terbatas, mungkin juga tidak namun karena alam semesta memuai ada bagian luar angkasa yang tidak dapat dan tidak akan pernah kita lihat. Ada daerah terbatas dari luar angkasa yang dapat kita lihat, dikelilingi oleh cakrawala. Jadi walaupun waktu terus berjalan, luar angkasa tetap terbatas bagi kita. Akhirnya, luar angkasa yang hampa memiliki suhu.

Di tahun 1970-an, Stephen Hawking mengatakan bahwa lubang hitam, walaupun Anda berpikir itu hitam, sebenarnya memancarkan radiasi, jika Anda memperhitungkan kuantum mekanik. Lengkungan dari ruang-waktu di sekitar lubang hitam memunculkan gejolak kuantum mekanik dan lubang hitam memancarkannya. Perhitungan yang sangat serupa dari Hawking dan Gary Gibbons menunjukkan, jika energi gelap ada pada luar angkasa yang hampa maka seluruh alam semesta memancarkan radiasi. Energi dari luar angkasa yang hampa itu memunculkan gejolak kuantum. Sehingga walaupun alam semesta akan ada selamanya, dan materi biasa dan radiasi akan lenyap, selalu ada semacam radiasi, semacam gejolak suhu, bahkan di luar angkasa yang hampa. Hal ini berarti bahwa alam semesta seperti kotak berisi gas yang ada selamanya. Lalu apa akibat dari hal itu?

Akibatnya dipelajari oleh Boltzmann di awal abad ke-19. Dia berkata, entropi meningkat karena ada lebih banyak cara bagi alam semesta untuk memiliki entropi tinggi, dibandingkan entropi rendah. Namun pernyataan itu berdasarkan peluang. Ada peluang akan meningkat dan peluang itu sangat besar. Anda tidak perlu mengkhawatirkan -- udara di ruangan ini akan berkumpul di salah satu sudut ruangan dan mencekik kita. Itu sangat tidak mungkin. Kecuali kalau mereka mengunci pintunya dan mengurung kita di sini selamanya, itu mungkin akan terjadi. Semua kemungkinan, semua susunan yang mungkin didapatkan oleh molekul di ruangan ini akhirnya akan diperoleh.

Jadi Boltzmann berkata, kita bisa mulai dengan alam semesta yang berada pada kesetimbangan panas. Dia tidak tahu tentang Dentuman Besar, tentang pemuaian alam semesta. Dia berpikir bahwa ruang dan waktu telah dijelaskan oleh Isaac Newton -- sesuatu yang mutlak dan ada di sana selamanya. Jadi gagasannya tentang alam semesta adalah bahwa molekul udara menyebar secara merata di mana saja -- semua molekul. Namun jika Anda Boltzmann, Anda tahu bahwa, jika Anda menunggu cukup lama gejolak acak dari molekul-molekul ini ada kalanya akan mengakibatkan susunan dengan entropi yang rendah. Kemudian, sudah pasti, secara alamiah semua akan memuai kembali. Jadi, entropi tidak selalu meningkat -- mungkin ada gejolak menuju entropi rendah -- situasi yang lebih teratur.

Jika hal itu benar Boltzmann mungkin akan menemukan dua gagasan yang terdengar sangat modern -- konsep alam semesta ganda dan prinsip antropis. Dia mengatakan, masalah pada kesetimbangan panas adalah kita tidak dapat hidup di sana. Ingat, kehidupan sendiri tergantung pada panah waktu. Kita tidak akan dapat mengolah informasi, bermetabolisme, berjalan, dan berbicara jika berada pada kesetimbangan panas. Jadi bayangkan alam semesta yang sangat besar, alam semesta yang tidak terbatas, dengan partikel yang saling bertabrakan secara acak, terkadang akan ada gejolak kecil pada tingkatan entropi rendah, kemudian mengendur kembali. Namun ada juga gejolak besar. Terkadang, akan muncul planet, atau bintang, atau galaksi, atau 100 miliar galaksi. Jadi Boltzmann mengatakan kita hanya dapat hidup pada bagian dari alam semesta ganda, pada bagian dari kelompok partikel yang bergejolak ini, di mana kehidupan dapat dimungkinkan. Ada bagian di mana entropinya rendah. Mungkin alam semesta kita hanyalah satu dari hal-hal yang terjadi dari waktu ke waktu.

Kini pekerjaan rumah Anda adalah memikirkan, merenungkan tentang arti dari hal ini. Carl Sagan pernah mengatakan bahwa, "Untuk membuat pie apel pertama Anda harus menemukan alam semesta." Namun dia tidak benar. Dalam skenario Boltzmann, jika Anda ingin membuat pie apel, Anda hanya perlu menunggu pergerakan atom-atom secara acak untuk membuat pie apel. Hal itu akan lebih sering terjadi dibandingkan pergerakan atom-atom secara acak untuk membuat kebun apel dan gula dan oven, dan lalu pie apel. Jadi skenario ini memunculkan perkiraan. Dan perkiraan itu adalah bahwa gejolak yang membuat kita sangat sedikit. Bahkan jika Anda membayangkan ruangan tempat kita berada itu nyata dan kita berada di sini, dan kita tidak hanya memiliki ingatan namun kesan bahwa di luar ada sesuatu yang bernama Caltech, Amerika Serikat, ataupun Galaksi Bimasakti, jauh lebih mudah bagi kesan-kesan itu untuk bergejolak secara acak di dalam otak Anda daripada untuk bergejolak menjadi Caltech, Amerika Serikat, dan galaksi.

Berita baiknya adalah skenario ini tidak bekerja, ini tidak benar. Skenario ini memperkirakan bahwa seharusnya kita adalah gejolak minimal. Bahkan jika kita mengabaikan galaksi kita, Anda tidak akan mendapat 100 miliar galaksi yang lain. Dan Feynman juga mengerti akan hal ini. Feynman mengatakan, "Dari hipotesis bahwa dunia ini adalah sebuah gejolak, semua perkiraannya adalah jika kita melihat bagian dunia yang belum pernah kita lihat, kita akan melihat dunia yang berantakan, bukan hal yang baru saja kita lihat -- entropi tinggi. Jika susunan kita adalah akibat dari gejolak, kita tidak akan mengharapkan keteraturan dimanapun kecuali di mana kita telah menyadarinya. Sehingga kita menyimpulkan alam semesta bukanlah gejolak." Itu bagus. Lalu pertanyaannya adalah apa jawaban yang benar? Jika alam semesta bukan sebuah gejolak, mengapa alam semesta muda memiliki entropi rendah? Saya ingin memberi tahu jawabannya, namun saya kehabisan waktu.

(Tawa)

Inilah alam semesta yang saya jelaskan dan alam semesta sebenarnya. Saya hanya menunjukkan gambar ini saja. Alam semesta telah memuai selama 10 miliar tahun terakhir. Dan menjadi dingin. Namun kita cukup mengerti tentang masa depan alam semesta untuk mengatakan lebih jauh. Jika energi gelap tetap ada, bintang-bintang di sekitar kita akan kehabisan bahan bakar dan berhenti. Bintang itu akan menjadi lubang hitam. Kita akan tinggal di alam semesta yang tidak ada apa-apa, hanya lubang hitam. Alam semesta itu akan ada 10 pangkat 100 tahun -- jauh lebih lama daripada usia alam semesta kecil kita. Masa depan jauh lebih panjang daripada masa lalu. Bahkan lubang hitam tidak akan ada selamanya. Lubang hitam akan menguap dan yang tersisa adalah kekosongan, luar angkasa yang hampa. Kehampaan itu akan ada selamanya. Namun, Anda tahu karena luar angkasa yang hampa memancarkan radiasi, akan terjadi gejolak panas yang akan mendaur kembali semua kombinasi berbeda yang mungkin dari derajat kebebasan yang ada dalam kehampaan. Jadi walaupun alam semesta ada selamanya, hanya ada beberapa hal yang mungkin dapat terjadi pada alam semesta. Hal itu akan terjadi selama waktu tertentu setara dengan 10 pangkat 10 pangkat 120 tahun.

Jadi inilah dua pertanyaan untuk Anda. Pertama: Jika alam semesta ada selama 10 pangkat 10 pangkat 120 tahun, mengapa kita lahir pada 14 miliar tahun pertama, pada kondisi hangat dan nyaman setelah Dentuman Besar? Mengapa kita tidak berada pada kehampaan? Mungkin Anda mengatakan, "Di sana tidak ada apa-apa," namun itu tidak benar. Anda mungkin saja hasil gejolak acak dari kehampaan. Mengapa tidak seperti itu? Pekerjaan rumah lainnya untuk Anda.

Jadi seperti yang saya katakan, saya tidak tahu jawabannya. Saya akan memberikan skenario favorit saya. Skenario yang hanya seperti itu, tanpa penjelasan. Ini adalah kenyataan kejam tentang alam semesta yang harus Anda terima dan berhenti menanyakannya. Atau mungkin Dentuman Besar bukanlah awal alam semesta. Sebutir telur, telur utuh, memiliki susunan entropi rendah, namun, saat kita membuka lemari es kita, kita tidak akan mengatakan, "Hah, sangat mengherankan dapat menemukan susunan entropi rendah ini di dalam lemari es kita." Itu karena telur bukanlah sistem tertutup, telur keluar dari ayam. Mungkin alam semesta muncul dari ayam universal. Mungkin ada sesuatu yang secara alami melalui perkembangan dari hukum fisika memunculkan alam semesta seperti kita, dalam susunan entropi rendah. Jika hal itu benar, itu akan terjadi lebih dari sekali; kita adalah bagian dari alam semesta ganda yang lebih besar. Itulah skenario favorit saya.

Jadi panitia meminta saya menutup dengan spekulasi berani. Spekulasi berani saya adalah akan ada teori yang membenarkan saya. Dan 50 tahun dari sekarang semua ide liar saya sekarang akan diterima sebagai kenyataan oleh masyarakat ilmiah dan awam. Kita akan percaya bahwa alam semesta kecil kita hanyalah bagian kecil dari alam semesta ganda yang lebih besar. Dan terlebih lagi, kita akan memahami apa yang terjadi pada Dentuman Besar secara teori sehingga kita bisa membandingkan dengan pengamatannya. Ini adalah perkiraan. Saya mungkin saja salah. Namun kita telah berpikir sebagai umat manusia tentang seperti apa bentuk alam semesta mengapa semua hal menjadi seperti itu untuk bertahun-tahun. Sangat menarik untuk berpikir mungkin kita akan mengetahui jawabannya suatu hari nanti.

Terima kasih.

(Tepuk tangan)