35. Fungsi Gelombang dari Alam Semesta

[Alam] tidak hanya lebih aneh dari yang kita duga, ia lebih aneh dari yang bisa kita duga. J.B.S. Haldane

Ahli kosmologi tenar asal Inggris, Stephen Hakwing, sudah melakukan pencarian terbesar sepanjang abad ke-20: penyatuan terakhir dari teori gravitasi Einstein dan teori kuantum. Seperti fisikawan lainnya, dia juga terpesona dengan keswa-ajegan yang anggun dari teori dasa-matra (ten-dimensional). Rasa pesonanya dia ungkapkan dalam suatu pembahasan di akhir bukunya yang paling laris, A Brief History of Time (1988). (Buku ini sudah diterjemahkan ke dalam bahasa Indonesia dengan judul Riwayat sang Kala.)

Sebelumnya, Hawking, seorang profesor ilmu fisika dan kosmologi pada Universitas Cambridge di Inggris, terkenal ke seluruh dunia dengan pemikirannya tentang lubang-lubang hitam. Kemudian, dia terlibat dalam pemikiran tentang teori medan terpadu. Teori dawai, seperti yang kita ingat, mulai dengan teori kuantum kemudian menyerap teori gravitasi Einstein. Hawking bukan seorang ahli teori kuantum; dia sebenarnya seorang ahli teori relativitas klasikal. Meskipun demikian, dia mendekati teori medan terpadu dari sudut-pandang yang lain. Bersama koleganya, James Hartle, Hawking mulai dengan alam semesta klasikal Einstein kemudian mengkuantisasi seluruh alam semesta!

Fungsi Gelombang

Fungsi gelombang mengacu pada sifat mirip gelombang dari zarah subatomik. Perilaku mirip gelombang dari zarah ini berarti zarah subatomik tidak terlokalisasi pada satu titik dalam ruang seperti bola biliard mikroskopik. Alih-alih berada pada satu tempat, zarah-zarah subatomik memiliki sifat suatu gelombang air yang menyebar. Sebelum diamati, sebuah zarah punya suatu probabilitas untuk ditemukan pada satu lokasi, probabilitas lain untuk ditemukan pada lokasi lain, dan seterusnya.

Untuk memerikan sifat mirip gelombang dari zarah-zarah fundamental, para fisikawan menciptakan sesuatu yang mereka namakan “fungsi gelombang”. Istilah ini mencakup apa pun yang bisa diketahui tentang sebuah zarah. Fungsi gelombang menyebar bersama waktu agak mirip suatu gelombang air yang beriak-riak melintasi permukaan suatu empang atau kolam. Cara fungsi gelombang menyebar dikendalikan oleh suatu persamaan matematik yang ditemukan seorang fisikawan asal Austria Erwin Schrodinger pada tahun 1920-an; sejak itu, persamaan ini dikenal dengan istilah persamaan Schrodinger. Untuk menemukan tempat sebuah partikel paling mungkin berada pada masa depan apa pun, para fisikawan hanya memakai persamaan Schrodinger untuk meramalkan bagaimana fungsi gelombang zarah akan berkembang, mengeluarkan dari fungsi gelombang itu pada waktu kemudian lokasi paling mungkin dari zarah itu, lalu mengabaikan fungsi gelombangnya.

Jadi, fungsi gelombang itu tidak lebih dari suatu alat yang cocok untuk menghitung bermacam-macam hal. Fungsi gelombang tidak bisa diamati secara langsung seperti suatu gelombang air. Sesungguhnya, fungsi gelombang itu bukanlah suatu “benda”. Ia suatu gelombang probabilitas matematik. Ini, sekurang-kurangnya, adalah kearifan yang dipegang sampai sekarang.

Kosmologi Kuantum dan Fungsi Gelombang

Stephen Hawking pun melibatkan fungsi gelombang dalam pemikirannya. Fungsi gelombang ini mendasari teori kuantum.

Hawking salah seorang pendiri dari suatu disiplin ilmiah yang baru bernama kosmologi kuantum. Sepintas lalu, istilah ini kedengaran saling bertabrakan artinya. Kata kuantum mengacu pada dunia sangat kecil dari kuark-kuark dan neutrino-neutrino sementara kosmologi berarti bentangan yang hampir tak terbatas dari luar angkasa. Akan tetapi, Hawking dan ilmuwan lain kemudian percaya pertanyaan-pertanyaan paling akhir kosmologi bisa dijawab hanya oleh teori kuantum. Hawking membahas kosmologi kuantum dengan sangat mendalam sampai tiba pada kesimpulan kuantum paling mendasar, kesimpulan yang mengizinkan adanya sejumlah tak terbatas dari alam semesta paralel.

Titik tolak dari teori kuantum adalah suatu fungsi gelombang. Suatu fungsi gelombang memerikan semua keadaan yang mungkin ada dari suatu zarah. Misalnya, bayangkanlah suatu awan petir yang besar dan tidak teratur yang mengisi langit. Semakin gelap awan petir itu, semakin besar timbulnya konsentrasi uap air dan debu pada titik itu. Jadi, dengan hanya melihat suatu awan petir, kita bisa secara cepat memperkirakan probabilitas menemukan konsentrasi yang besar dari air dan debu dalam bagian-bagian tertentu dari langit.

Awan petir tadi bisa dibandingkan dengan fungsi gelombang sebuah elektron tunggal. Seperti suatu awan petir, fungsi gelombang elektron ini mengisi seluruh ruang. Mirip dengan awan petir tadi, semakin besar nilai elektron itu pada suatu titik, semakin besar probabilitas untuk menemukan elektron itu di sana. Serupa dengan itu, fungsi-fungsi gelombang bisa dihubungkan dengan benda-benda besar, seperti orang. Sementara saya duduk di kursiku dan mengetik tulisan ini, saya tahu saya punya suatu fungsi gelombang dari probabilitas Schrodinger. Kalau dengan suatu cara saya bisa melihat fungsi gelombangku sendiri, fungsi ini bisa saja mirip sekepul awan yang mirip sekali dengan bentuk tubuhku. Akan tetapi, beberapa kepulan awan akan menyebar ke seluruh ruang angkasa, ke Mars dan ke luar tata surya kita meskipun kepulan itu akan menjadi sangat kecil di sana. Ini berarti ada kemungkinan yang sangat besar bahwa saya sebenarnya tengah duduk di kursiku dan tidak duduk di planet Mars. Meskipun sebagian dari fungsi gelombangku sudah menyebar ke luar galaksi Bima Sakti, ada hanya satu peluang tak terbatas bahwa saya tengah duduk di galaksi yang lain.

Gagasan baru Hawking adalah menangani seluruh alam semesta seakan-akan ia suatu zarah kuantum. Dengan mengulangi beberapa langkah sederhana, kita dituntun ke arah beberapa kesimpulan yang membuka mata kita.

Mula-mula, ada suatu fungsi gelombang yang memerikan perangkat semua alam semesta yang mungkin ada. Ini berarti titik tolak teori Hawking mesti adalah suatu perangkat ananta dari alam semesta paralel, fungsi gelombang dari alam semesta. Analisis yang agak sederhana dari Hawking yang menggantikan kata zarah dengan alam semesta ini sudah mengarah pada suatu revolusi konseptual dalam pemikiran kita tentang kosmologi.

Menurut gambaran ini, fungsi gelombang alam semesta kita menyebar ke seluruh alam semesta lain yang mungkin ada. Fungsi gelombang itu dianggap sangat besar dekat alam semesta kita, jadi ada peluang yang baik bahwa alam semesta kitalah yang betul, seperti yang kita harapkan. Akan tetapi, fungsi gelombang tadi menyebar ke semua alam semesta yang lain, bahkan ke alam semesta yang tidak mendukung kehidupan dan tidak cocok dengan hukum-hukum ilmu fisika yang kita kenal. Fungsi gelombang bagi alam semesta yang lain itu diperkirakan kecil; karena itu, kita tidak berharap alam semesta kita akan membuat suatu lompatan kuantum ke alam semesta lain di masa depan yang bisa kita ramalkan.

Apa tujuan yang dihadapi para ahli kosmologi kuantum? Tujuan mereka adalah untuk memverifikasi dugaan ini secara matematik, untuk menunjukkan bahwa fungsi gelombang besar untuk alam semesta kita masa kini dan sangat kecil untuk alam semesta yang lain. Dengan demikian, ini akan membuktikan bahwa alam semesta kita dalam artian tertentu unik dan stabil. (Sampai dengan akhir abad ke-20, para ahli kosmologi kuantum belum mampu memecahkan masalah yang penting ini.)

“Apa pun yang Bisa Ada”

Kalau kita menanggapi Hawking secara serius, itu berarti kita harus mulai analisis kita dengan sejumlah ananta dari semua alam semesta yang mungkin ada, yang ada bersama-sama. Secara gamblang, definisi kata alam semesta bukan lagi “apa pun yang ada”. Sekarang kata ini berarti “apa pun yang bisa ada”. Misalnya, dalam gambar berikut kita melihat bagaimana fungsi gelombang alam semesta kita bisa menyebar melewati beberapa alam semesta yang mungkin ada, dengan alam semesta kita yang paling mungkin ada tapi pasti bukanlah satu-satunya yang mungkin ada.

Dalam fungsi gelombang alam semesta menurut Hawking, fungsi gelombang paling mungkin terpusat pada alam semesta kita. Kita tinggal di dalam alam semesta kita karena ialah yang paling mungkin ada, paling besar probabilitasnya. Akan tetapi, ada probabilitas yang kecil tapi ananta bahwa fungsi gelombang tadi lebih menyukai alam semesta paralel yang berdekatan. Jadi, peralihan antara alam semesta – alam semesta ini boleh jadi ada (meskipun memiliki probabilitas yang rendah). Sumber: Hyperspace oleh Michio Kaku (1994) halaman 255

Alam Semesta yang Berbenturan

Kosmologi kuantum Hawking juga menganggap bahwa fungsi gelombang dari alam semesta kita mengizinkan alam semesta- alam semesta ini untuk berbenturan. Sebagai akibatnya, lubang-lubang cacing bisa timbul dan berkembang dan menghubungkan berbagai alam semesta ini. Akan tetapi, lubang-lubang cacing ini tidak sama dengan yang sudah kita tahu, yaitu, yang menghubungkan berbagai bagian dari ruang angkasa tri-matra dengan dirinya sendiri. Sesungguhnya, lubang-lubang cacing menurut Hawking menghubungkan satu alam semesta dengan alam semesta lainnya.

Pikirkanlah, misalnya, suatu koleksi yang besar dari gelembung-gelembung sabun yang “menggantung” di udara. Biasanya, setiap gelembung sabun itu mirip suatu alam semesta tersendiri, kecuali bahwa alam semesta ini secara berkala berbenturan dengan alam semesta yang lain, membentuk suatu alam semesta yang lebih besar, atau terpecah menjadi dua gelembung yang lebih kecil. Perbedaannya ialah bahwa setiap gelembung sabun itu sekarang adalah suatu alam semesta yang melulu dasa-matra. Ruang dan waktu ada hanya pada setiap gelembung itu; karena itu, tidak ada apa yang disebut ruang dan waktu di antara gelembung-gelembung itu. Tidak ada artinya ketika kita mengatakan waktu berlalu pada tingkat yang sama dalam semua alam semesta ini. (Akan tetapi, kita harus menekankan bahwa perjalanan di antara alam semesta-alam semesta ini tidak terbuka bagi kita karena tingkat teknologi kita primitif. Selanjutnya, kita harus menekankan juga bahwa transisi kuantum yang besar pada skala ini sangat jarang, barangkali jauh lebih besar dari usia alam semesta kita.) Kebanyakan alam semesta ini mati, tanpa hidup dan kehidupan. Pada alam semesta-alam semesta ini, hukum-hukum ilmu fisika berbeda, dan karena itu kondisi fisikal yang memungkinkan hidup dan kehidupan berkembang tidak ada. Barangkali, di antara miliaran alam semesta paralel, hanya satu (alam semesta kita) saja yang memiliki perangkat yang tepat dari hukum-hukum ilmu fisika yang memungkinkan adanya hidup dan kehidupan.

Gambar alam semesta paralel mirip gelembung-gelembung sabun. Ada gelembung induk yang berisi gelembung-gelembung lebih kecil, alam semesta “bayi”, dan ada alam semesta yang tidak saling terhubungkan melalui lubang cacing.

(Anda yang ingin memahami lebih jauh tentang alam semesta paralel dan lubang cacing bisa menonton penjelasan audiovisual melalui http://www.youtube.com. Sesudah mengakses situs ini, ketiklah pada kotak Search: From Universe to Multiverse Are you Ready? (Dr. Michio Kaku) dan 1 of5 – The Universe – Parallel Universe. Ada info baru tentang topik ini yang disampaikan Dr. Kaku dalam kedua video ini.)

Teori “alam semesta bayi” Hawking bukanlah suatu metode transportasi yang praktis. Meskipun demikian, teori ini tentu menimbulkan pertanyaan-pertanyaan filsafati dan barangkali religius. Teori ini sudah merangsang dua perdebatan yang panjang dan membara di antara para ahli kosmologi.

Perdebatan apakah itu? Tulisan berikut akan menjawab pertanyaan ini dan membahas hal-hal terkait lainnya.