Big Bang dalam Teori Kuantum Ruang-Waktu

Teori big bang adalah model ilmiah yang paling diterima secara luas pada saat ini sebagai model ilmiah terbaik untuk menjelaskan awal mula terbentuknya alam semesta. Menurut teori ini, alam semesta kita mengembang dari satu titik yang disebut singularitas yang menampung semua materi dan energi alam semesta. Dalam teori big bang alam semesta diperkirakan terbentuk (lahir) sekitar 13,8 miliar tahun yang lalu dan terus diperluas (mengembang) dipercepat sampai sekarang - semakin hari alam semesta mengembang semakin cepat. 

Teori big bang dikembangkan berdasarkan pada teori relativitas umum Einstein. Pada satu sisi, teori relativitas umum Einstein memprediksi bahwa alam semesta kita mengembang, dan di sisi yang lain teori ini juga memprediksi bahwa alam semesta bisa runtuh. Karena bertentangan dengan intuisi, maka pada awalnya - sebelum akhirnya ditangguhkannya kembali - Einstein pernah memodifikasi persamaan medannya dalam relativitas umum dengan menambahkan konstanta kosmologi. Ini dilakukan Einstein untuk membatasi persamaan medannya agar tidak memunculkan kemungkinan alam semesta mengembang atau alam semesta runtuh.

Jika kita menggambarkan evolusi alam semesta dengan bantuan model big bang dan mengikuti evolusi tersebut ke masa lalu, maka kita melihat alam semesta yang semakin padat. Alam semesta (segala sesuatu) yang ada di sekitar kita pada saat ini menyusut ke satu titik dengan kepadatan massa-energi dan gravitasi yang tak terhingga. Tidak ada tempat untuk ketidakterbatasan seperti itu dalam deskripsi matematika, sehingga pada kondisi itulah persamaan medan Einstein sebagai dasar untuk memprediksi evolusi alam semesta dikatakan runtuh atau rusak - ini yang kemudian disebut sebagai singularitas. Singularitas ini bukan saja terjadi atau eksis pada awal alam semesta tapi juga pada lubang hitam.

Di luar masalah singularitas big bang dan lubang hitam, sampai sekarang belum ada pengamatan yang menghasilkan teori atau bukti eksperimen terbaru yang hasilnya membuat para ilmuwan mempertanyakan validitas dari teori relativitas umum Einstein. Teori relativitas umum Einstein sangat valid dan akurat saat menjelaskan fenomena-fenomena dalam skala makroskopik (skala yang sangat besar, skala yang sama atau lebih besar dari skala tata surya). Fakta bahwa persamaan medan Einstein menjadi runtuh saat dibawa pada kerapatan massa-energi yang sangat tinggi sama sekali bukan menunjukkan keinvalidan dari teori tersebut. Tapi ini semata-mata hanya menunjukkan bahwa teori relativitas umum Einstein memiliki batasan.

Jika membahas 'dunia' dengan kerapatan massa dan energi yang sangat tinggi, maka itu menjadi domain dari mekanika kuantum yang cara kerja 'dunianya' berbeda dari 'dunia' klasik - bersifat diskrit dan serba kemungkinan. Hal ini menjadi faktor yang menyebabkan teori relativtas Einstein yang bersifat klasik dan kontinu menjadi rusak. Ini tidak jauh beda dengan kegagalan mekanika klasik Newtonian dan elektrodinamika klasik Maxwellian yang gagal menjelaskan masalah radiasi benda hitam dan fenomena fotolistrik di masa awal lahirnya mekanika kuantum.

Berdasarkan penjelasan di atas maka untuk bisa memahami apa yang terjadi pada kondisi dengan kerapatan massa-energi yang sangat tinggi, diperlukan analisa menggunakan teori kuantum. Karena dalam kasus ini masalah utamanya adalah gravitasi (kelengkungan ruang-waktu), maka gravitasi harus dianalisa atau dikaji menggunakan teori kuantum sehingga memunculkan apa yang disebut gravitasi kuantum.

Upaya untuk menjelaskan fenomena fisis apa yang terjadi pada singularitas dalam teori big bang datang dari Loop Quantum Gravity (LQG). Dalam LQG, ruang-waktu dalam skala kuantum merupakan ruang-waktu yang terkuantisasi menjadi ruang-waktu kuantum diskrit yang dikenal sebagai Spin Foam (busa spin). Spin foam adalah jaringan spin atau spin network yang berevolusi, sedangkan spin network itu sendiri adalah kumpulan garis-garis medan tertutup (loop) yang saling berpotongan satu sama lain. Selebihnya tentang Loop Quantum Gravity dapat dibaca pada artikel saya sebelumnya di Teori Kuantum Ruang-Waktu. Dengan definisi tersebut, maka dalam LQG, apa yang disebut singularitas (kerapatan massa-energi tak berhingga) dalam teori relativitas umum sebenarnya merupakan wilayah yang terdiri dari banyak sekali ruang-waktu diskrit yang sangat kecil (dalam skala Planck). Definisi ini berlaku pada singularitas ruang-waktu dalam ilmu fisika dan kosmologi, baik itu dalam kasus teori big bang maupun lubang hitam.

Pada tahun 2006 yang lalu, Abhay Ashtekar, dkk dalam jurnal yang berjudul 'Quantum Nature of the Big Bang' memprediksikan atau menunjukkan bahwa kondisi yang disebut sebagai singularitas adalah suatu peristiwa fisis yang bersifat kontinum atau berkesinambungan. Hal ini berarti bahwa alam semesta yang mengembang sekarang adalah hasil evolusi dari alam semesta sebelumnya yang telah runtuh.

Dalam pemahaman selama ini, titik singularitas di awal alam semesta pada teori big bang adalah titik nol (titik awal) dari alam semesta yang kemudian mengembang. Namun, dalam teori LQG, singularitas dalam big bang bukanlah titik awal dari alam semesta melainkan sebuah titik transisi dimana sebuah alam semesta yang runtuh menjadi sebuah titik singularitas bertransisi menjadi alam semesta generasi baru.

Kita pasti pernah mendengar teori big crunch; kebalikan dari teori big bang yang menyatakan bahwa di akhir usianya alam semesta akan berhenti mengembang dan mulai runtuh menjadi sebuah singularitas - mirip seperti runtuhnya bintang menjadi sebuah lubang hitam. Maka dalam penjelasan LQG, singularitas merupakan sebuah titik transisi dari alam semesta yang mengalami proses big crunch ke proses big bang. Rangkaian peristiwa dari big crunch ke big bang dan seterusnya ini didefiniskan sebagi teori big bounce (pantulan besar).

Perlu diketahui bahwa walaupun LQG memprediksi teori big bounce, namun LQG bukanlah latar belakang utama lahirnya teori big bounce. LQG hanya merupakan salah satu teori pendukung yang menopang teori big bounce. 

Dengan menjelaskan bahwa alam semesta bisa runtuh menjadi singularitas (big crunch) dan kemudian berkembang lagi dari singularitas menjadi alam semesta yang luas (big bang), maka ini akan menciptakan siklus yang berulang (looping). Hal ini berarti LQG memprediksi alam semesta yang abadi. Jadi alam semesta yang sekarang bisa jadi merupakan hasil ekspansi dari alam semesta sebelumnya yang runtuh, atau mungkin alam semesta yang sekarang adalah alam semesta 'pertama' yang nantinya akan runtuh ke dalam singularitas lalu mengalami big bang dan melahirkan alam semesta yang baru.

Prediksi dan penjelasan ini tentunya masih meninggalkan teka-teki mendasar yang masih belum bisa dipecahkan. Biar bagaimanapun, LQG hanya berusaha menjelaskan fenomena fisis apa yang terjadi pada singularitas big bang, bukan sebagai teori alternatif untuk menjelaskan bagaimana alam semesta bermula. Karena jika LQG memprediksi siklus terbentuk dan runtuhnya alam semesta yang terus berulang (abadi), maka ini akan menciptakan sebuah paradoks tanpa awal dan akhir - tanpa kejelasan sebab-akibat. Hal ini kurang lebih seperti paradoks mana yang lebih dulu ayam atau telur?.

Kalau memang benar alam semesta generasi pertama juga lahir dari sebuah singularitas maka dari mana asal singularitas itu eksis masih menjadi misteri. Jadi LQG dan big bounce mungkin hanya memiliki makna fisis jika itu diterapkan pada alam semesta generasi kedua dan seterusnya.

Sumber:

Ashtekar, Abhay. Pawloski, Tomas and Singh, Parampreet. 2006. Quantum Nature of the Big Bang. Physical Review 96 (14): 141301. doi:10.1103/PhysRevLett.96.141301.

Bojowald, Martin. 2010. Avoiding the Big Bang in Einstein Online Band 04 (2010), 01-1023.

Gambini, R and Pullin, J. 2011. A First Course in Loop Quantum Gravity. UK: Oxford University Press.

Smolin, Lee. 2003. Loop Quantum Gravity di https://www.edge.org/conversation/lee_smolin-loop-quantum-gravity-lee-smolin.