Geekly articles weekly

Tanyakan Ethan No. 63: Kelahiran Ruang dan Waktu

Jika ada sesuatu sebelum Big Bang, apa artinya ini bagi kelahiran alam semesta kita?


Anda bisa mencoba membohongi diri sendiri. Anda dapat mengatakan pada diri sendiri bahwa Anda telah menginvestasikan seluruh waktu dan upaya Anda. Tapi Anda tahu yang sebenarnya - dan saya tahu itu.
J.J. Watt


Setengah abad telah berlalu sejak prediksi terbesar teori Big Bang dikonfirmasi, dan selamanya mengubah pemahaman kita tentang Semesta. Alih-alih konsep Alam Semesta yang kekal dan tak terbatas, kita sekarang memiliki pemahaman bahwa segala yang dapat kita amati ada selama sekitar 14 miliar tahun waktu kosmik, dan Matahari dan Tata Surya hanya ada sepertiga dari periode ini. Yang membuat pertanyaan Sebastian ditanyakan di kolom kami sangat menarik:

Kapan ruangwaktu mulai? Ketika saya masih kecil, saya belajar bahwa awal dari segalanya adalah Big Bang. Sekarang, tampaknya, ide ini tidak sepenuhnya benar, karena sebelum Big Bang ada inflasi kosmik, dan ledakan itu sama sekali bukan ledakan, tetapi keadaan ketika Semesta lebih panas dan lebih padat. Jika ada inflasi sebelum Big Bang, lalu ada ruang-waktu sebelumnya?

Untuk sepenuhnya menjawab pertanyaan, kita perlu mempertimbangkan tiga hal. Yang pertama adalah apa yang kita maksud dengan ruang dan waktu.



Anda terbiasa dengan konsep biasa tentang ruang - panjang, lebar, tinggi - dan waktu, yang bisa Anda bayangkan sebagai jawaban untuk pertanyaan "kapan" dan "di mana". Dan ini bukan ide yang buruk - tetapi ada dua fitur ruang dan waktu yang perlu Anda ketahui, dan yang mungkin tidak begitu intuitif. Butuh Einstein untuk mengetahuinya, dan bahkan dia tidak akan mampu mengatasinya tanpa bantuan!

Pertama, ruang dan waktu bukanlah dua entitas yang terpisah, seperti yang diyakini Newton. Jika Anda bergerak di ruang angkasa, gerakan Anda mengubah arah waktu untuk Anda, dan jika dua orang bergerak di ruang angkasa dengan kecepatan yang berbeda, mereka melihat secara berbeda baik waktu mereka dan waktu yang berlalu untuk yang lain.



Cara yang paling mudah untuk menggambarkan apa yang terjadi bahkan tidak ditemukan oleh Einstein, tetapi oleh ahli matematika Jerman Minkowski . Adalah perlu untuk mempertimbangkan ruang-waktu bersatu, di mana alih-alih tiga dimensi spasial dan satu temporal, ada esensi empat dimensi ruang-waktu. Pada tahun 1908, Minkowski menulis yang berikut:
, , , . . , , .


Dan meskipun Einstein awalnya menentang revolusi seperti itu, adopsi konsep baru menyebabkan penemuan yang lebih besar.



Intinya bukan hanya ruang dan waktu digabung menjadi kain ruang-waktu empat dimensi, tetapi juga bahwa kelengkungan kain ini ditentukan oleh keberadaan materi dan energi. Seperti halnya pergerakan melalui ruang-waktu mempengaruhi bagaimana pengamat mengevaluasi waktu dan jarak yang lewat dengan cara yang berbeda, kehadiran materi dan energi (dan kelengkungan dalam kasus umum) mempengaruhi persepsi ruang dan waktu.

Dalam contoh paling ekstrem dari konsentrasi materi dan energi - singularitas - konsep ruang dan waktu dilanggar.



Paling umum bagi kita untuk menghadirkan singularitas sebagai pusat lubang hitamdi mana kepadatan materi dan energi yang sewenang-wenang (dan mungkin tak terbatas) dapat dicapai. Dalam hal ini, konsep ruang-waktu dilanggar, karena persamaan Einstein memberikan hasil yang tidak berarti.

Masalah kedua yang perlu dipertimbangkan adalah skema Big Bang.



Bagi kita, Semesta Masa Kini relatif dingin dan kosong, dengan pengecualian tempat-tempat di mana materi, bintang, planet, dan kehidupan terkonsentrasi, terbentuk selama miliaran tahun keberadaannya. Seluruh piramida kosmik ini, dari skala subatomik hingga kelompok galaksi besar, ada karena gravitasi, elektromagnetisme, dan gaya nuklir.

Kembali ke masa lalu, kami menemukan bahwa segala sesuatu di masa lalu lebih seragam dari sudut pandang gravitasi, dan Semesta lebih panas (panjang gelombang cahaya lebih pendek) dan lebih padat, karena fakta bahwa ruang-waktu terus berkembang.



Kita dapat kembali ke masa yang jauh secara sewenang-wenang, ke energi yang semakin tinggi, suhu tinggi, dan kepadatan yang meningkat. Misalnya, sampai saat ketika:

bintang dan galaksi belum terbentuk, dan Semesta adalah lautan atom netral yang hangat;
terlalu panas untuk pembentukan atom netral, dan Semesta adalah plasma inti dan elektron terionisasi;
terlalu panas untuk pembentukan inti, dan hanya ada proton dan neutron gratis;
begitu panas sehingga, sebagai akibat dari tabrakan partikel, pasangan materi / antimateri dihasilkan untuk semua partikel yang dikenal.

Anda mungkin ingin melangkah lebih jauh ke masa lalu, ke kepadatan yang sewenang-wenang, suhu, dan bahkan ke peristiwa yang berhubungan dengan singularitas: saat ketika seluruh Alam Semesta tertutup pada satu titik.



Dan jika demikian, maka ruang dan waktu akan dimulai dari sana - karena tidak ada "di mana" di luar ruang, dan "kapan" di luar waktu. Tetapi dengan mengambil posisi ini sebagai awal sebenarnya dari Semesta, kita akan menemukan sejumlah besar teka-teki yang tidak dapat diselesaikan. Sekarang fisika mengajarkan kepada kita bahwa Anda tidak dapat pergi jauh ke masa lalu, dan bahwa keadaan inflasi - suatu ruang-waktu yang meluas secara eksponensial, dengan energi yang melekat pada ruang itu sendiri - mendahului dan mengarah pada keadaan yang panas dan padat, yang kita sebut Big Bang.



Memang, pada saat ketika energi yang melekat pada ruang itu sendiri diubah menjadi materi dan radiasi, dan ekspansi eksponensial berhenti, yang mengarah pada kemunculan alam semesta seperti yang kita duga di masa lalu.



Dan kita sampai pada pertanyaan ketiga, dengan mengingat singularitas dan Big Bang: jika Semesta sebelum Big Bang, selama inflasi, terdiri dari ruang-waktu yang meluas secara eksponensial, dari mana datangnya ruang-waktu ini?

Cukup aneh, ada tiga jawaban intuitif:

Semesta bisa memiliki permulaan yang tidak ada;
ia bisa ada selamanya, seperti garis tak berujung yang membentang ke dua arah;
itu bisa berbentuk siklik, seperti lingkaran yang berulang-ulang.



Jika kita beralih ke konsep Dentuman Besar tanpa inflasi sebelumnya, maka semua fakta berbicara tentang pilihan pertama: Semesta lahir pada "momen", ketika ia memiliki energi tak terbatas dan pada saat yang sama "ruang-waktu mulai.

Tetapi inflasi mengubah segalanya. Alih-alih singularitas dengan t = 0, pada saat Big Bang, Semesta muncul, yang ada dalam keadaan inflasi, ketika ia secara eksponensial mengembang selama waktu yang tidak ditentukan.




Garis biru dan merah mewakili versi "tradisional" dari Big Bang, ketika semuanya dimulai pada waktu t = 0, termasuk ruang-waktu. Tetapi dalam varian dengan inflasi (kuning) kita tidak sampai ke singularitas. Sebagai gantinya, ruang bisa menjadi kecil sewenang-wenang, dan waktu dapat digulung ulang tanpa akhir.

Skenario seperti itu lebih cocok untuk opsi ke-2, yaitu Semesta abadi. Tapi ternyata, dan ada yang menangkap. Menurut satu teorema, Semesta inflasi tidak bisa ada selamanya, dan harus mulai dari singularitas.



Benar, teorema ini didasarkan pada hukum fisika yang diketahui, dan diusulkan untuk menerapkannya pada saat hukum fisika berhenti bekerja. Selain itu, meskipun Semesta sangat besar dan mengandung banyak segalanya, jumlah materi di dalamnya masih tidak terbatas. Itu memiliki sekitar 1090 partikel (termasuk foton dan neutrino) yang berasal selama keadaan Big Bang yang panas dan meluas, dan bahkan 10-30 detik sebelumnya, pada saat-saat terakhir inflasi - dan masih ada beberapa hal yang tidak dapat kita amati.



Sayangnya, di antara mereka adalah asal usul ruang-waktu inflasi.

Tidak diketahui apakah semua hal di atas berarti bahwa Alam Semesta yang inflasi tidak dapat ada selamanya, atau bahwa hukum fisika kita tidak dapat diterapkan pada masalah ini, atau bahwa ia memiliki permulaan, atau bahwa ia bersifat siklis ... Bahkan mungkin waktu itu bersifat siklis, dan siklusnya berubah setiap iterasi. Dan, terlepas dari semua kemajuan kita, kita masih memiliki tiga kemungkinan yang telah lama dibahas oleh para filsuf dan teolog:waktu tentu saja, waktu tidak terbatas, waktu adalah siklus .



Kita hanya tahu bahwa jika ada keanehan di masa lalu, itu tidak ada hubungannya dengan Ledakan Besar dan Panas kita, yang dapat dilacak oleh setiap partikel materi dan energi di Alam Semesta yang dapat diamati.

Jika kita tidak menemukan cara untuk mendapatkan informasi tentang waktu ketika Alam Semesta yang dapat diamati ada dalam pengertian yang dapat diterima, jawaban atas pertanyaan ini mungkin ternyata tidak dapat dicapai. Tidak setiap pertanyaan di kolom "Tanya Ethan" akan menerima jawaban yang jelas - kami hanya membahas apa yang diketahui berdasarkan data yang dikumpulkan.

Source: https://habr.com/ru/post/id395501/

More articles:


All Articles