Hadiah Nobel Fisika untuk teori yang memecahkan misteri lubang hitam

Suara.com – Roger penrose dianugerahi Penghargaan Nobel Fisika 2020 karena teorinya menjelaskan bahwa “lubang hitam“bukan tidak mungkin, tapi a keniscayaan. Bagaimana teori ini mengubah cara kita memandang Alam Semesta?

Suatu hari yang cerah di bulan September 1964, Roger Penrose menerima kunjungan dari seorang teman lama. Kosmolog Inggris Ivor Robinson kembali ke Inggris dari Dallas, Texas, di mana dia tinggal dan bekerja. Setiap kali keduanya bertemu, mereka tidak pernah kekurangan bahan pembicaraan, dan percakapan mereka pada kesempatan ini pun bervariasi dan tidak ada habisnya.

Saat kedua sahabat itu berjalan-jalan di kantor Penrose di Birkbeck College, London, mereka berhenti sebentar di pinggir jalan, menunggu lalu lintas berhenti. Pemberhentian singkat dalam perjalanan ini bertepatan dengan jeda percakapan mereka dan keduanya terdiam saat mereka menyeberang jalan.

Pada saat itu, pikiran Penrose runtuh. Pikirannya melakukan perjalanan 2,5 miliar tahun cahaya melalui ruang kosong ke massa quasar yang berputar-putar. Dia membayangkan keruntuhan gravitasi mengambil alih, menarik seluruh galaksi lebih dalam dan lebih dekat ke pusatnya. Saat sosok pesenam cantik yang berputar-putar mendekatkan lengan mereka ke tubuh, massa akan berputar semakin cepat saat berkontraksi.

Baca juga:
Daftar penerima Hadiah Nobel 2020

Kedipan mental singkat ini menjadi inspirasi, di mana 56 tahun kemudian dia dianugerahi Hadiah Nobel dalam Fisika.

Relativis adalah fisikawan teoretis yang menguji, mengeksplorasi, dan memperluas teori relativitas umum Albert Einstein. Seperti banyak relativis, Penrose menghabiskan awal 1960-an mempelajari kontradiksi yang aneh tapi sangat kompleks yang dikenal sebagai “masalah singularitas”.

Einstein menerbitkan Teori Umum Relativitas pada 1915, merevolusi pemahaman ilmuwan tentang ruang, waktu, gravitasi, materi, dan energi. Pada tahun 1950-an, teori Einstein sangat sukses, tetapi banyak ramalannya yang masih dianggap mustahil dan belum teruji. Persamaan-persamaan tersebut menunjukkan, misalnya, bahwa dalam teori keruntuhan gravitasi dapat menjejalkan cukup banyak materi ke dalam area yang cukup kecil untuk menjadi sangat padat, membentuk “singularitas” yang bahkan cahaya pun tidak dapat melarikan diri. Itu dikenal sebagai lubang hitam.

Tetapi dalam singularitas seperti itu, hukum fisika yang diketahui (termasuk teori relativitas Einstein sendiri yang memprediksinya) tidak berlaku lagi.

Singularitas sangat menarik bagi matematikawan relativistik karena alasan ini. Namun, sebagian besar fisikawan setuju bahwa Alam Semesta kita terlalu teratur untuk mengakomodasi area seperti itu. Dan bahkan jika ada singularitas, tidak akan ada cara untuk mengamatinya.

Baca juga:
Peraih Nobel mengklaim alam semesta lain ada sebelum Big Bang

“Ada keraguan besar untuk waktu yang lama,” kata Penrose. “Orang mengira akan ada gelombang: bahwa sebuah benda akan runtuh dan berputar dengan cara yang rumit, lalu muncul kembali.”

Pada akhir 1950-an, pengamatan dari bidang baru astronomi radio muncul, menantang gagasan ini. Astronom radio mendeteksi objek kosmik baru yang tampak sangat terang, sangat jauh, dan sangat kecil. Pertama disebut “objek quasi-stellar” dan kemudian disingkat “quasar”, objek-objek ini tampak menunjukkan banyak energi di ruang sekecil itu.

Meskipun tampaknya tidak mungkin, setiap pengamatan baru mengarah pada gagasan bahwa quasar adalah galaksi kuno yang sedang runtuh menjadi singularitas.

Ilmuwan terpaksa bertanya-tanya apakah singularitas tidak selangka yang dipikirkan semua orang? Apakah prediksi relativitas ini lebih dari sekadar permainan matematika yang rumit?

Di Austin, Princeton dan Moskow, Cambridge dan Oxford, Afrika Selatan, Selandia Baru, India, dan tempat lain, para kosmolog, astronom, dan ahli matematika berusaha keras untuk menemukan teori-teori definitif yang menjelaskan sifat-sifat quasar.

Kebanyakan ilmuwan melihat tantangan ini ketika mencoba untuk mengidentifikasi keadaan yang sangat terspesialisasi di mana singularitas dapat terbentuk.

Penrose, yang saat itu menjadi dosen di Birkbeck College London, mengambil pendekatan berbeda. Naluri alaminya selalu mencari solusi umum, prinsip fundamental, dan struktur matematika esensial. Dia menghabiskan waktu berjam-jam di Birkbeck mengerjakan papan tulis besar berisi diagram rancangannya sendiri.

Pada tahun 1963, tim ahli teori Rusia yang dipimpin oleh Isaac Khalatnikov menerbitkan sebuah artikel terkenal yang menegaskan kepercayaan sebagian besar ilmuwan – bahwa singularitas bukanlah bagian dari alam semesta fisik kita. Di alam semesta, kata mereka, awan debu atau bintang yang runtuh mengembang jauh sebelum mencapai singularitasnya. Harus ada penjelasan lain untuk quasar.

Penrose merasa skeptis.

“Saya memiliki perasaan kuat bahwa dengan metode yang mereka gunakan, mereka tidak mungkin sampai pada kesimpulan yang kuat tentang ini,” katanya. “Saya pikir masalah ini perlu dilihat secara lebih umum daripada yang sebenarnya, yang merupakan tujuan yang agak terbatas.”

Namun, meski menolak argumen mereka, dia tetap tidak bisa mengembangkan solusi umum untuk masalah singularitas. Sampai kunjungan Robinson. Meskipun Robinson juga meneliti pertanyaan tentang singularitas, kedua sahabat itu tidak membahasnya selama percakapan mereka pada musim gugur 1964 di London.

Namun, dalam keheningan singkat di persimpangan jalan yang menentukan ini, Penrose menyadari bahwa ilmuwan Rusia itu salah.

Semua energi, gerakan, dan massa yang menyusut bersama-sama akan menciptakan panas yang sangat kuat sehingga radiasi akan meledak di semua panjang gelombang ke segala arah. Semakin kecil dan cepat, semakin terang cahayanya.

Dalam pikirannya, dia memetakan gambar papan tulis dan sketsa jurnal ke objek yang jauh, menelusuri pikirannya ke titik yang diramalkan oleh para ilmuwan Rusia, ketika awan itu akan meledak lagi.

Tidak ada gunanya. Dalam pikirannya, Penrose akhirnya melihat bagaimana keruntuhan akan terus berlanjut tanpa hambatan. Di luar pusat yang semakin padat, objek akan bersinar lebih terang dari semua bintang di galaksi kita. Dan jauh di dalam, cahaya membelok pada sudut yang dramatis, melengkung dalam ruang-waktu sampai setiap arah bertemu.

Akan ada saat dimana tidak ada yang bisa kembali. Cahaya, ruang dan waktu akan berhenti sama sekali. Menjadi lubang hitam.

Pada titik ini, Penrose tahu bahwa singularitas tidak memerlukan keadaan khusus. Di alam semesta kita, singularitas bukanlah hal yang mustahil. ini keniscayaan.

Di seberang jalan, dia melanjutkan percakapannya dengan Robinson dan langsung melupakan apa yang selama ini dia pikirkan. Mereka mengucapkan selamat tinggal, dan Penrose kembali ke awan kapur dan tumpukan kertas di kantornya.

Sisa sore itu berlangsung seperti biasa, tetapi Penrose mendapati dirinya dalam suasana hati yang sangat baik. Dia tidak tahu kenapa. Dia mulai meninjau hari itu, menyelidiki apa yang bisa menyebabkan euforia.

Pikirannya kembali ke keheningan yang dia rasakan saat dia menyeberang jalan. Dan semuanya kembali. Dia memecahkan masalah singularitas.

Dia mulai menulis persamaan, menguji, mengedit, mengatur ulang. Argumennya masih kuat, tapi semuanya cocok. Keruntuhan gravitasi hanya membutuhkan beberapa kondisi energi yang sangat umum dan mudah dipenuhi untuk runtuh menjadi kepadatan tak terbatas. Penrose tahu pada saat itu bahwa pasti ada milyaran keanehan yang tersebar di seluruh kosmos.

Itu adalah ide yang akan mengubah pemahaman kita tentang Semesta dan membentuk apa yang kita kenal sekarang.

Dalam waktu kurang dari dua bulan, Penrose mulai memberi kuliah tentang teorema ini. Pada pertengahan Desember ia menyerahkan sebuah artikel ke jurnal akademis Physical Review Letters, yang diterbitkan pada 18 Januari 1965. Hanya empat bulan setelah bertemu dengan Ivor Robinson.

Tanggapannya tidak seperti yang diharapkannya. Teorema singularitas Penrose tidak relevan. Terbantahkan. Bertentangan.

Perdebatan tersebut mencapai puncaknya pada Kongres Internasional Relativitas Umum dan Gravitasi di London pada akhir tahun itu.

“Perdebatan itu tidak bersahabat. Ilmuwan Rusia sangat kecewa dan orang enggan mengakui bahwa mereka salah,” kata Penrose. Konferensi tersebut diakhiri dengan debat yang belum terselesaikan.

Namun tak lama kemudian, terungkap bahwa sebuah artikel terbitan ilmuwan Rusia tersebut ternyata mengandung kesalahan dalam perhitungannya. Perhitungannya fatal, tesis mereka tidak bisa didukung lagi.

“Ada kesalahan dalam cara mereka melakukannya,” kata Penrose.

Pada akhir tahun 1965, teorema singularitas Penrose telah mendapatkan popularitas di seluruh dunia. Inspirasinya yang mempesona telah menjadi motor kosmologi. Dia melakukan lebih dari sekedar menjelaskan apa itu quasar. Dia mengungkapkan kebenaran tertinggi tentang realitas yang mendasari Semesta kita.

Apa pun model Alam Semesta yang telah diproduksi orang sejak saat itu, ia harus menyertakan singularitas, yaitu, mencakup ilmu yang melampaui relativitas.

Singularitas juga mulai menyusup ke dalam kesadaran publik, sebagian berkat denominasi “lubang hitam”, istilah yang digunakan untuk pertama kalinya di depan umum oleh jurnalis sains Amerika Ann Ewing.

Stephen Hawking menjadikan teorema Penrose sebagai dasar untuk membalikkan teorinya tentang asal mula alam semesta setelah pasangan itu berkolaborasi dalam pencarian singularitas. Singularitas berada di pusat teori apa pun tentang sifat, sejarah, dan masa depan Alam Semesta.

Para peneliti mengidentifikasi singularitas lain, termasuk yang ada di jantung lubang hitam hipermasif di pusat galaksi kita sendiri yang ditemukan oleh Reinhard Genzel dan Andrea Ghez, yang berbagi Hadiah Nobel Fisika tahun ini dengan Penrose.

Penrose sendiri kemudian mengembangkan sebuah alternatif dari teori Big Bang yang dia beri nama Kosmologi siklik yang patuh, bukti dapat diperoleh dari sinyal sisa dari lubang hitam lama.

Pada 2013, insinyur dan ilmuwan komputer Katie Bouman memimpin tim peneliti yang mengembangkan algoritme yang diharapkannya dapat memotret lubang hitam. Pada April 2019, Event Horizons Telescope menggunakan algoritme tersebut untuk menangkap gambar pertama lubang hitam, memberikan konfirmasi visual dari teori Einstein dan Penrose yang sebelumnya kontroversial.

Meskipun Penrose, sekarang 89, sangat senang menerima hadiah fisika pertama, Hadiah Nobel, ada hal lain yang melintas di benaknya.

“Aneh. Saya hanya mencoba menyesuaikan diri. Saya sangat tersanjung dan ini adalah kehormatan besar dan saya sangat menghargainya,” katanya kepada saya beberapa jam setelah mendengar berita itu.

“Tapi di sisi lain, saya mencoba menulis tiga makalah (ilmiah) yang berbeda pada saat yang sama, dan penghargaan ini membuatnya lebih sulit dari biasanya.”

Telepon pribadinya, katanya, terus berdering dengan ucapan selamat dan wartawan meminta wawancara. Dan semua keributan ini mengalihkan perhatiannya dari fokus pada teori-teori terbarunya.

Penrose tahu lebih dari siapa pun kekuatan keheningan dan udara inspiratif yang bisa dia berikan.

–

Patchen Barss adalah jurnalis sains dan penulis biografi yang berbasis di Toronto, Roger Penrose. Anda dapat membaca versi bahasa Inggris dari artikel ini, Bagaimana keheningan memecahkan matematika aneh di dalam lubang hitam, dari BBC Future.