Ilmu Tentang Kosmologi – kosmologi merupakan , bidang studi yang menyatukan ilmu-ilmu alam, khususnya astronomi dan fisika , dalam upaya bersama untuk memahami alam semesta fisik sebagai satu kesatuan yang utuh.Jika seseorang melihat ke atas pada malam yang cerah, ia akan melihat bahwa langit penuh dengan bintang.
Ilmu Tentang Kosmologi
brainmysteries – Selama bulan-bulan musim panas di Belahan Bumi Utara, pita cahaya redup membentang dari cakrawala ke cakrawala, petak putih pucat memotong latar belakang hitam pekat. Bagi orang Mesir awal, ini adalah Nil surgawi , yang mengalir melalui tanah orang mati yang diperintah oleh Osiris . Orang Yunani kuno menyamakannya dengan sungai susu.
Baca Juga : Apa itu ilmu sains dan agama, dan bagaimana keduanya saling terkait?
Para astronom sekarang tahu bahwa pita itu sebenarnya terdiri dari bintang-bintang yang tak terhitung jumlahnya dalam piringan pipih yang terlihat di tepinya. Bintang-bintang begitu dekat satu sama lain di sepanjang garis pandang sehingga mata telanjang mengalami kesulitan membedakan anggota individu. Melalui teleskop besar , para astronom menemukan banyak sekalidari sistem serupa yang tersebar di seluruh kedalaman ruang. Mereka menyebut koleksi bintang yang begitu banyakgalaksi , setelah kata Yunani untuk susu, dan menyebut galaksi lokal tempat Matahari beradaGalaksi Bima Sakti atau hanya Galaksi.
Matahari adalah bintang yang mengelilingi Bumi dan planet- planet lainnya , dan dengan perluasan setiap bintang yang terlihat di langit adalah matahari dengan sendirinya. Beberapa bintang secara intrinsik lebih terang dari Matahari; lain, lebih redup. Jauh lebih sedikit cahaya yang diterima dari bintang-bintang daripada dari Matahari karena bintang-bintang semuanya jauh lebih jauh. Memang, mereka tampak padat di Bima Sakti hanya karena jumlahnya begitu banyak.
Pemisahan sebenarnya dari bintang-bintang sangat besar, begitu besar sehingga konvensional untuk mengukur jarak mereka dalam satuan seberapa jauh cahaya dapat melakukan perjalanan dalam jumlah waktu tertentu. Itukecepatan cahaya (dalam ruang hampa) sama dengan 3 × 10 10 cm/detik (sentimeter per detik); pada kecepatan seperti itu, adalah mungkin untuk mengelilingi Bumi tujuh kali dalam satu detik. Jadi dalam istilah terestrial, Matahari, yang terletak 500 detik cahaya dari Bumi, sangat jauh; namun, bahkan bintang terdekat berikutnya, Proxima Centauri , pada jarak 4,3 tahun cahaya (4,1 × 10 18 cm), masih 270.000 kali lebih jauh. Bintang-bintang yang terletak di sisi berlawanan dari Bima Sakti dari Matahari memiliki jarak yang berada di urutan 100.000 tahun cahaya, yang merupakan diameter khas galaksi spiral besar .
Jika kerajaan bintang tampak luas, alam galaksi masih lebih besar. Galaksi terdekat dengan sistem Bima Sakti adalah Galaksi Besar dan Galaksi KecilAwan Magellan , dua satelit tidak beraturan dari Galaksi yang terlihat dengan mata telanjang di Belahan Bumi Selatan. Awan Magellan relatif kecil (mengandung sekitar 109 bintang ) dibandingkan dengan Galaxy (dengan sekitar 10 11 bintang), dan mereka terletak pada jarak sekitar 200.000 tahun cahaya.
Galaksi besar terdekat yang sebanding dengan Galaksi adalahGalaksi Andromeda (juga disebut M31 karena merupakan entri ke-31 dalam katalog objek astronomi yang disusun oleh astronom Prancis Charles Messier pada tahun 1781), dan terletak pada jarak sekitar 2.000.000 tahun cahaya. Awan Magellan, Galaksi Andromeda, dan sistem Bima Sakti semuanya merupakan bagian dari kumpulan dua lusin atau lebih galaksi tetangga yang dikenal sebagaiGrup Lokal . Galaxy dan M31 adalah anggota terbesar dari grup ini.
Galaxy dan M31 keduanya adalah galaksi spiral, dan mereka termasuk yang lebih terang dan lebih masif dari semua galaksi spiral. Galaksi yang paling terang dan paling terang, bagaimanapun, bukanlah spiral melainkan elips super raksasa (juga disebut galaksi cD oleh para astronom karena alasan historis yang tidak terlalu mencerahkan).Galaksi elips memiliki bentuk bulat daripada distribusi pipih yang menjadi ciri galaksi spiral, dan mereka cenderung terjadi dalam kelompok yang kaya (yang mengandung ribuan anggota) daripada dalam kelompok longgar yang disukai oleh spiral.
Galaksi anggota paling terang dari gugusan kaya telah terdeteksi pada jarak yang melebihi beberapa ribu juta tahun cahaya dari Bumi. Cabang pembelajaran yang berhubungan dengan fenomena pada skala jutaan tahun cahaya disebut kosmologi—istilah yang berasal dari penggabungan dua kata Yunani, kosmos , yang berarti “ketertiban”, “harmoni”, dan “dunia”, dan logos . , yang berarti “kata” atau “wacana”. Kosmologi pada dasarnya adalah studi tentangalam semesta secara luas.
Ekspansi kosmologis
Ketika alam semesta dilihat dalam skala besar, sebuah fitur baru yang dramatis, tidak hadir dalam skala kecil, muncul—yaitu, ekspansi kosmologis. Pada skala kosmologis, galaksi (atau, paling tidak, gugusan galaksi ) tampak berpacu menjauh satu sama lain dengan kecepatan resesi yang tampak berbanding lurus dengan jarak objek. Hubungan ini dikenal sebagaiHukum Hubble (setelah penemunya, astronom AmerikaEdwin Powell Hubble ).
Ditafsirkan dengan cara yang paling sederhana, hukum Hubble menyiratkan bahwa 13,8 miliar tahun yang lalu semua materi di alam semesta dikemas rapat bersama-sama dalam keadaan yang sangat padat dan bahwa segala sesuatu kemudian meledak dalam “big bang ,” tanda tangan ledakan itu akhirnya tertulis di galaksi bintang yang terbentuk dari puing-puing materi yang mengembang .
Dukungan ilmiah yang kuat untuk interpretasi asal mula ledakan besar alam semesta ini berasal dari pendeteksian oleh teleskop radio tentang latar belakang radiasi gelombang mikro yang stabil dan seragam . Itulatar belakang gelombang mikro kosmik diyakini sebagai sisa-sisa cahaya ganas bola api purba yang direduksi oleh ekspansi kosmik menjadi bayangan kemegahan sebelumnya tetapi masih meliputi setiap sudut alam semesta yang diketahui.
Penafsiran sederhana (dan paling umum) dari hukum Hubble sebagai resesi galaksi dari waktu ke waktu melalui ruang, bagaimanapun, mengandung gagasan yang menyesatkan. Dalam arti tertentu, seperti yang akan dibuat lebih tepat nanti dalam artikel ini, perluasan alam semesta tidak mewakili begitu banyak gerakan fundamental galaksi dalam kerangka waktu absolut dan ruang absolut, tetapi perluasan ruang dan waktu itu sendiri.
Pada skala kosmologis, penggunaan waktu perjalanan cahaya untuk mengukur jarak memiliki arti khusus karena panjangnya menjadi sangat luas sehingga bahkan cahaya, yang bergerak dengan kecepatan tercepat yang dapat dicapai oleh entitas fisik mana pun, membutuhkan sebagian besar usia alam semesta ( 13,8 miliar tahun) untuk melakukan perjalanan dari suatu objek ke pengamat.
Jadi, ketika para astronom mengukur objek pada jarak kosmologis dariGrup Lokal , mereka melihat benda-benda itu sebagaimana adanya pada masa ketika alam semesta jauh lebih muda daripada sekarang. Dalam keadaan ini,Albert Einstein mengajar dalam teorinya tentangrelativitas umum bahwa medan gravitasi segala sesuatu di alam semesta begitu membelokkan ruang dan waktu sehingga membutuhkan evaluasi ulang yang sangat hati-hati terhadap besaran-besaran yang sifatnya tampaknya elementer biasanya diterima begitu saja.
Untuk memahami mengapa gravitasi dapat melengkungkan ruang (atau lebih umum, ruang-waktu) dengan cara yang begitu mengejutkan, perhatikan eksperimen pemikiran berikut yang awalnya dirancang oleh Einstein. Bayangkan sebuah lift di ruang bebaspercepatan ke atas, dari sudut pandang seorang wanita di ruang inersia, pada tingkat numerik sama dengan g , medan gravitasi di permukaan bumi.
Biarkan lift ini memiliki jendela paralel di kedua sisinya, dan biarkan wanita itu memancarkan gelombang cahaya singkat ke jendela. Dia akan melihat foton masuk dekat bagian atas jendela dekat dan keluar dekat bagian bawah jendela jauh karena lift telah dipercepat ke atas dalam selang waktu yang dibutuhkan cahaya untuk melintasi lift. Baginya, foton bergerak dalam garis lurus, dan hanya percepatan lift yang menyebabkan jendela dan lantai lift melengkung ke jalur terbang foton.
Biarkan sekarang ada seorang pria yang berdiri di dalam lift. Karena lantai lift mempercepatnya ke atas dengan laju g , dia mungkin—jika dia memilih untuk menganggap dirinya tidak bergerak—berpikir bahwa dia berdiri diam di permukaan bumi dan sedang ditarik ke tanah oleh medan gravitasinya g . Memang, sesuai dengan prinsip kesetaraan, tanpa melihat ke luar jendela (luar bukan bagian dari lingkungan lokalnya), dia tidak dapat melakukan eksperimen lokal apa pun yang akan memberi tahu dia sebaliknya.
Biarkan wanita itu menyinari denyut nadinya. Pria itu melihat, seperti wanita itu, bahwa foton masuk di dekat tepi atas satu jendela dan keluar di dekat bagian bawah jendela lainnya. Dan sama seperti wanita itu, dia tahu bahwa foton menyebardalam garis lurus di ruang bebas. (Dengan prinsip relativitas, mereka harus setuju pada hukum fisika jika keduanya adalah pengamat inersia.) Namun, karena dia benar-benar melihat foton mengikuti jalur melengkung relatif terhadap dirinya sendiri, dia menyimpulkan bahwa mereka harus dibengkokkan oleh gayagravitasi .
Wanita itu mencoba mengatakan kepadanya bahwa tidak ada kekuatan seperti itu di tempat kerja; dia bukan pengamat inersia. Meskipun demikian, ia memiliki soliditas Bumi di bawahnya, jadi dia bersikeras untuk menghubungkan percepatannya dengan gaya gravitasi. Menurut Einstein, keduanya benar. Tidak perlu membedakan secara lokal antara percepatan dan gravitasi—keduanya dalam beberapa hal setara. Tetapi jika itu masalahnya, maka memang benar bahwa gravitasi—gravitasi “nyata”—benar-benar dapat membelokkan cahaya. Dan memang bisa, seperti yang ditunjukkan banyak eksperimen sejak diskusi pertama Einstein tentang fenomena tersebut.
Adalah kejeniusan Einstein untuk melangkah lebih jauh. Daripada berbicara tentang gaya gravitasi yang membengkokkan foton ke jalur melengkung, mungkin tidak lebih bermanfaat untuk menganggap foton selalu terbang dalam garis lurus—dalam arti bahwa garis lurus adalah jarak terpendek antara dua titik—dan bahwa apa yang sebenarnya terjadi adalah bahwa gravitasi menekukruang-waktu ? Dengan kata lain, mungkin gravitasi adalah ruang-waktu yang melengkung, dan foton terbang sepanjang jalur terpendek yang mungkin dalam ruang-waktu yang melengkung ini, sehingga memberikan kesan dibengkokkan oleh sebuah “kekuatan” ketika seseorang bersikeras untuk berpikir bahwa ruang-waktu itu datar. .
Kegunaan dari mengambil pendekatan ini adalah menjadi otomatis bahwa semua benda uji jatuh pada tingkat yang sama di bawah “gaya” gravitasi, karena mereka hanya menghasilkan lintasan alami mereka di latar belakang ruang-waktu yang melengkung dengan cara tertentu secara independen. dari benda uji. Apa yang merupakan keajaiban kecil bagi Galileo dan Newton menjadi hal yang paling alami di dunia bagi Einstein.
Untuk menyelesaikan program dan menyesuaikan dengan teori gravitasi Newton dalam batas kelengkungan lemah (medan lemah), sumber kelengkungan ruang-waktu harus dianggap berasal dari massa (dan energi). Ekspresi matematis dari ide-ide ini merupakan teori relativitas umum Einstein, salah satu artefak paling indah dari pemikiran murni yang pernah dihasilkan. Fisikawan AmerikaJohn Archibald Wheeler dan rekan-rekannya merangkum pandangan Einstein tentang alam semesta sebagai berikut:
Oleh karena itu, perhatikan bahwa pandangan dunia Einstein bukan hanya modifikasi kuantitatif dari gambaran Newton (yang juga dimungkinkan melalui rute yang setara dengan menggunakan metode teori medan kuantum ) tetapi mewakili perubahan perspektif kualitatif. Dan eksperimen modern telah banyak membenarkan keberhasilan interpretasi alternatif Einstein tentang gravitasi sebagai geometri daripada sebagai gaya. Teorinya pasti akan menyenangkan orang-orang Yunani.
Kosmologi relativistik model Einstein
Untuk mendapatkan 1917-nyamodel kosmologis,Einstein membuat tiga asumsi yang berada di luar cakupan persamaannya. Yang pertama adalah menganggap bahwa alam semesta adalahhomogen danisotropis dalam skala besar (yaitu, rata-rata sama di mana-mana setiap saat), asumsi bahwa astrofisikawan Inggris Edward A. Milne kemudian mengangkatnya menjadi pandangan filosofis menyeluruh dengan menamakannyaprinsip kosmologis . Mengingat keberhasilanRevolusi Copernicus , pandangan ini wajar. Newton sendiri secara implisit memikirkannya ketika dia menganggap keadaan awal alam semesta di mana-mana sama sebelum ia mengembangkan “kamu Matahari dan bintang Tetap.”
Asumsi kedua adalah menganggap bahwa alam semesta yang homogen dan isotropik ini memilikigeometri ruang tertutup . Seperti dijelaskan di atas, volume total ruang tiga dimensi dengan kelengkungan positif seragam akan terbatas tetapi tidak memiliki tepi atau batas (agar konsisten dengan asumsi pertama).
Asumsi ketiga yang dibuat oleh Einstein adalah bahwa alam semesta secara keseluruhan adalah statis—yaitu, sifat-sifatnya yang berskala besar tidak berubah terhadap waktu. Asumsi ini, yang dibuat sebelum penemuan observasional Hubble tentang perluasan alam semesta, juga wajar; itu adalah daya tarik filosofis dari gagasan bahwa alam semesta rata-rata tidak hanya homogen dan isotropik dalam ruang tetapi juga konstan dalam waktu sangat menarik sehingga sekolah kosmolog Inggris—Herman Bondi ,Fred Hoyle , danThomas Gold — akan menyebutnya sebagai prinsip kosmologis yang sempurna dan membawa implikasinya pada tahun 1950-an ke penyempurnaan tertinggi dalam apa yang disebutteori keadaan tunak .
Yang membuatnya sangat kecewa , Einstein menemukan pada tahun 1917 bahwa dengan tiga asumsi yang diadopsinya, persamaanrelativitas umum — seperti yang ditulis sebelumnya — tidak memiliki solusi yang berarti. Untuk mendapatkan solusi, Einstein menyadari bahwa dia harus menambahkan suku ekstra ke persamaannya, yang kemudian disebutkonstanta kosmologis .
Jika seseorang berbicara dalam istilah Newton, konstanta kosmologis dapat diartikan sebagai gaya tolak yang tidak diketahui asalnya yang dapat secara tepat menyeimbangkan daya tarik gravitasi semua materi di alam semesta tertutup Einstein dan mencegahnya bergerak. Dimasukkannya istilah tersebut dalam konteks yang lebih umum , bagaimanapun, berarti bahwa alam semesta tanpa adanya massa-energi (yaitu, terdiri dari ruang hampa) tidak akan memilikistruktur ruang-waktu yang datar (yaitu, tidak akan memenuhi ketentuan relativitas khusus secara tepat).