Misteri lubang hitam atau lubang hitam memang terpecahkan. Tetapi butuh waktu yang sangat lama untuk diakui sebagai kebenaran dan akhirnya menerima penghormatan terbesar.
Ilmuwan Roger Penrose dianugerahi Penghargaan Nobel Fisika 2020 karena berhasil menciptakan teori bahwa lubang hitam bukan tidak mungkin, tetapi suatu kebutuhan.
Bagaimana teori ini mengubah cara kita memandang alam semesta? Suatu hari yang cerah di tahun 1964, Roger Penrose menerima kunjungan dari seorang teman lama. Kosmolog Ivor Robinson kembali ke Inggris dari Dallas, Texas, AS, tempat dia tinggal dan bekerja.
Bunga bakung: Ilmuwan menggunakan cermin raksasa untuk mengungkap sosok misterius Planet Sembilan
Setiap kali keduanya bertemu, mereka tidak pernah kekurangan sesuatu untuk didiskusikan, dan percakapan mereka di sana bervariasi dan tidak ada habisnya.
Saat kedua sahabat itu berjalan di dekat kantor Penrose di Birkbeck College, London, Inggris, mereka berhenti sebentar di pinggir jalan, menunggu lalu lintas berhenti.
Perjalanan singkat 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 siluet para pesenam cantik yang berputar-putar mendekatkan lengan mereka ke tubuh mereka, massa itu berputar lebih cepat dan lebih cepat saat berkontraksi.
Kedipan mental singkat ini menjadi inspirasi, 56 tahun kemudian ia menerima Hadiah Nobel 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 namun 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 ini menunjukkan, misalnya, bahwa teori keruntuhan gravitasi dapat menjejalkan cukup banyak materi ke dalam area yang cukup kecil untuk menjadi sangat padat, membentuk “singularitas” yang bahkan cahaya tidak dapat melarikan diri. Ini dikenal sebagai lubang hitam.
Namun, 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 menampung area seperti itu. Dan bahkan jika ada singularitas, tidak akan ada cara untuk mengamatinya.
“Ada keraguan besar untuk waktu yang lama,” kata Penrose. “Orang mengira akan ada gelombang: bahwa sebuah benda akan runtuh dan berputar dengan cara yang kompleks, 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 penampakan baru mengarah pada gagasan bahwa quasar adalah galaksi kuno yang runtuh menjadi singularitas.
Para ilmuwan dipaksa untuk 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, kosmolog, astronom, dan matematikawan berusaha keras untuk menemukan teori definitif yang menjelaskan sifat-sifat quasar.
Sebagian besar ilmuwan melihat tantangan ini saat mencoba mengidentifikasi keadaan yang sangat terspesialisasi di mana singularitas mungkin 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 yang dipenuhi 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.
Merasa skeptis
“Saya memiliki perasaan kuat bahwa dengan metode yang mereka gunakan, mereka tidak mungkin menarik kesimpulan yang solid,” 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 mempelajari 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 ini akan menciptakan panas yang begitu kuat sehingga radiasi akan meledak di setiap panjang gelombang ke segala arah. Semakin kecil dan cepat cahayanya, semakin terang cahayanya.
Dalam pikirannya, dia memetakan gambar papan tulis dan sketsa koran ke objek yang jauh, menelusuri kembali pikirannya ke titik yang diramalkan oleh para ilmuwan Rusia, titik di mana awan itu akan meledak lagi.
Tidak ada minat. 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 dalam 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.
Saat itu, Penrose mengetahui bahwa singularitas tidak memerlukan keadaan khusus. Di alam semesta kita, singularitas bukanlah hal yang mustahil. Itu adalah suatu kebutuhan.
Di seberang jalan, dia melanjutkan percakapannya dengan Robinson, dan segera melupakan apa yang telah 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. Ini memecahkan masalah singularitas.
Dia mulai menulis persamaan, menguji, mengedit, mengatur ulang. Argumennya selalu sulit, tetapi semuanya cocok. Keruntuhan gravitasi hanya membutuhkan beberapa kondisi energi yang sangat umum dan mudah dipenuhi untuk runtuh hingga 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 ceramah tentang teorema. 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.
Jawabannya tidak seperti yang dia harapkan. Teorema singularitas Penrose masih diperdebatkan. Tak terbantahkan. Kontradiksi.
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-orang enggan mengakui bahwa mereka salah,” kata Penrose Konferensi diakhiri dengan debat yang belum terselesaikan.
Namun tak lama kemudian, terungkap bahwa artikel yang diterbitkan oleh ilmuwan Rusia tersebut mengandung kesalahan dalam perhitungannya. Matematika itu fatal, tesis mereka tidak bisa dipertahankan.
“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.
Model alam semesta apa pun yang diproduksi manusia sejak saat itu 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 adalah inti dari teori apa pun tentang alam, sejarah, dan masa depan alam semesta.
Para peneliti mengidentifikasi singularitas lain, termasuk yang ada di jantung lubang hitam supermasif 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 alternatif teori Big Bang yang disebut Cyclic Conformal Cosmology, pembuktiannya dapat diperoleh dari sinyal sisa dari lubang hitam tua.
Pada 2013, insinyur dan ilmuwan komputer Katie Bouman memimpin tim peneliti yang mengembangkan algoritme yang diharapkan dapat memotret lubang hitam.
Pada April 2019, Event Horizons Telescope menggunakan algoritme untuk menangkap gambar pertama lubang hitam, memberikan konfirmasi visual teori kontroversial Einstein dan Penrose.
Meskipun Penrose, sekarang 89, sangat senang menerima hadiah fisika pertama, Hadiah Nobel, ada hal lain yang melintas di benaknya.
“Itu aneh. Saya hanya mencoba menyesuaikan diri. Saya sangat tersanjung dan ini adalah kehormatan besar dan saya sangat menghargainya, ”katanya kepada saya beberapa jam setelah menerima berita.
“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.
Roger Penrose tahu lebih baik dari siapa pun tentang kekuatan keheningan dan secercah inspirasi yang dapat diberikannya.
–
Patchen Barss adalah jurnalis sains Toronto dan penulis biografi Roger Penrose. Anda dapat membaca versi bahasa Inggris dari artikel ini, Bagaimana keheningan memecahkan matematika aneh di dalam lubang hitam, dari BBC Future.
“Sarjana musik ekstrem. Penggemar kopi yang ramah. Penginjil makanan. Pembaca hardcore. Introvert freelance. Pengacara Twitter.”
