The Early Universe 1. Kosmologi Inflasi: Apakah Alam Semesta Kita Bagian dari Multiverse? Bagian 1

Di situs kuliah gratis, MIT OpenCourseWare memposting kuliah tentang kosmologi Alan Gus, salah satu pencipta model inflasi alam semesta. Kursus itu terasa cukup menarik bagi saya untuk mulai menerjemahkannya.

Kami menawarkan kepada Anda terjemahan dari kuliah pertama: "Kosmologi Inflasi. Apakah alam semesta kita adalah bagian dari multiverse? Bagian 1 ".



Judul slide menunjukkan foto satelit Planck. Satelit ini diluncurkan beberapa tahun lalu untuk mengukur radiasi latar kosmik. Radiasi latar belakang kosmik adalah kunci terpenting untuk memahami sejarah alam semesta. Planck adalah satelit ketiga yang dirancang sepenuhnya untuk mengukur radiasi latar belakang kosmik. Satelit pertama disebut COBE, lalu WMAP, sekarang Planck.

Planck masih dalam orbit. Bahkan, dia menyelesaikan pengumpulan data, meskipun analisis data ini masih jauh dari lengkap. Kami juga akan membahas apa yang diamati satelit ini.


Saya ingin memulai dengan membahas teori Big Bang standar, yang akan menjadi tema utama kursus kami. Kita akan menghabiskan sekitar 2/3 dari kursus membahas teori standar Big Bang, dan kemudian beralih ke topik-topik seperti inflasi. Ketika kita mulai mempelajari inflasi, ternyata inflasi adalah hal yang cukup sederhana, jika Anda memahami persamaan dasar yang muncul dalam kosmologi standar. Menurut saya cukup masuk akal untuk menghabiskan dua pertiga dari kursus kosmologi standar sebelum beralih ke inflasi. Pada saat ini, kita akan berurusan dengan semua prinsip yang akan kita gunakan nanti, mempelajari topik-topik lanjutan, seperti inflasi.

Model Big Bang standar adalah teori bahwa alam semesta, seperti yang kita tahu, muncul 13-14 miliar tahun yang lalu. Hari ini kita bahkan dapat dengan lebih akurat menyebutkan usia alam semesta. Perhitungan didasarkan pada data dari satelit Planck, serta beberapa informasi lainnya. Usia adalah 13,82 ± 0,05 miliar tahun. Jadi, saat ini, usia alam semesta sejak Big Bang cukup mapan.

Namun, tidak sia-sia bahwa saya menentukan "alam semesta seperti yang kita kenal." Karena kita tidak sepenuhnya yakin bahwa alam semesta dimulai dengan apa yang kita sebut Big Bang. Kami memiliki deskripsi yang sangat baik tentang Big Bang dan kami cukup yakin bahwa itu sebenarnya, dan kami mengerti bagaimana kelihatannya. Tetapi apakah ada sesuatu di hadapannya - pertanyaan ini masih sepenuhnya terbuka.

Tampak bagi saya bahwa kita tidak boleh berasumsi bahwa alam semesta dimulai dengan Big Bang. Kemudian, pada akhir kursus, ketika kita mempelajari beberapa konsekuensi dari inflasi dan multiverse, kita akan melihat bahwa ada alasan yang baik untuk percaya bahwa Big Bang bukanlah awal dari alam semesta, tetapi hanya awal dari alam semesta lokal kita, yang sering disebut kantung semesta.

Bagaimanapun, teori Big Bang mengklaim bahwa setidaknya bagian kita dari alam semesta 13,82 miliar tahun lalu adalah zat partikel yang sangat panas, padat, seragam, yang, menurut model standar Big Bang yang diterima secara umum, benar-benar memenuhi semua ruang. Sekarang kami cukup percaya diri bahwa itu mengisi semua ruang yang tersedia untuk pengamatan secara merata. Saya ingin menekankan bahwa ini bertentangan dengan gambaran visual Big Bang yang tersebar luas tetapi tidak benar. Menurut gambar grafis ini, Big Bang tampak seperti bom kecil yang sangat padat, yang kemudian meledak dan tersebar ke ruang kosong. Ini bukan gambaran ilmiah tentang Big Bang.

Alasannya bukan karena ketidakkonsistenan gambaran seperti itu. Sulit untuk mengatakan apa yang logis di sini dan apa yang tidak logis. Itu hanya bertentangan dengan apa yang kita lihat. Jika itu adalah bom kecil yang meledak di ruang kosong, kita akan berharap hari ini bahwa alam semesta akan terlihat berbeda jika Anda melihat ke arah di mana bom itu berada dan ke arah yang berlawanan. Tapi kami tidak melihat tanda-tanda ini. Ketika kita melihat langit, alam semesta dengan ketepatan yang sangat besar terlihat persis sama di semua arah. Kami tidak melihat tanda-tanda bom meledak. Sebaliknya, sepertinya Big Bang terjadi secara merata di mana-mana.

Big Bang menggambarkan beberapa hal penting yang akan kita bicarakan lebih lanjut dalam kursus kita. Dia menjelaskan bagaimana alam semesta awal mengembang dan mendingin, dan kita akan meluangkan cukup waktu untuk memahami nuansa yang tersembunyi di balik kata-kata ini. Faktanya, Big Bang adalah model yang sangat akurat berdasarkan asumsi yang sangat sederhana. Pada umumnya, kita mengasumsikan bahwa alam semesta awal dipenuhi dengan gas panas, yang berada dalam kesetimbangan termodinamika, dan bahwa gas ini mengembang dan berkontraksi kembali karena gravitasi.

Dari ide-ide sederhana ini, kita dapat menghitung, dan kita akan belajar bagaimana menghitung seberapa cepat alam semesta mengembang, berapa temperaturnya, kepadatan materi pada setiap saat. Semua nuansa dapat dihitung dari ide-ide sederhana ini, dan untuk mengeksplorasi ini sangat menarik.

Big Bang juga menjelaskan bagaimana unsur-unsur kimia ringan terbentuk. Ini adalah tema utama buku Steve Weinberg, The First Three Minutes. Sekitar periode ini, unsur-unsur kimia terbentuk. Ternyata sebagian besar unsur kimia di alam semesta tidak terbentuk selama Big Bang, tetapi jauh di dalam bintang-bintang. Elemen-elemen ini tersebar ke ruang angkasa selama ledakan supernova dan dari mereka bintang-bintang generasi kemudian terbentuk, salah satunya adalah Matahari kita.

Jadi, substansi dari mana kita dibuat sebenarnya tidak diciptakan selama Big Bang, tetapi disintesis di dalam beberapa bintang yang jauh yang meledak sejak lama. Dan mungkin banyak bintang yang sisa-sisanya bersatu dan membentuk tata surya kita. Namun, sebagian besar materi di alam semesta, tidak seperti kebanyakan dari berbagai jenis elemen, terbentuk dalam Big Bang. Sebagian besar barang di alam semesta hanyalah hidrogen dan helium.

Sekitar lima isotop berbeda dari hidrogen, helium, dan litium terutama terbentuk dalam Big Bang, dan karena kita memiliki gambaran terperinci tentang Big Bang, yang akan kita pelajari lebih lanjut, kita dapat menghitung dan memprediksi jumlah isotop yang berbeda ini. Prediksi ini sangat konsisten dengan pengamatan. Ini, tentu saja, adalah salah satu konfirmasi utama bahwa gambaran kita tentang Big Bang benar. Orang dapat memprediksi berapa jumlah helium-3 seharusnya. Jumlah ini telah diukur dan konsisten dengan prediksi. Ini luar biasa.

Akhirnya, Big Bang menjelaskan bagaimana materi akhirnya berkumpul dalam rumpun dan bintang, galaksi, dan kelompok galaksi terbentuk. Kami akan membicarakan hal ini sedikit, tetapi kami tidak akan menyelami topik ini secara mendalam, karena itu berada di luar cakupan kursus kami. Pada prinsipnya, pekerjaan ke arah ini masih berlangsung. Orang tidak mengerti segalanya tentang galaksi. Tetapi gambaran umum bahwa semuanya dimulai dengan Semesta yang hampir homogen, dan kemudian materi berkumpul dalam rumpun yang membentuk galaksi dan struktur lainnya, dianggap benar. Dan dari gambar yang sangat sederhana ini Anda dapat memahami banyak tentang alam semesta.

Sekarang saya ingin berbicara tentang apa yang tidak dibicarakan oleh teori Big Bang, tentang munculnya ide-ide baru, seperti inflasi.


Pertama, teori Big Bang yang biasa tidak mengatakan apa pun tentang apa yang menyebabkan perluasan alam semesta. Pada kenyataannya, ini hanya sebuah teori tentang konsekuensi dari sebuah ledakan. Dalam versi ilmiah Dentuman Besar di alam semesta yang muncul, semuanya mengembang, tanpa menjelaskan bagaimana ekspansi ini dimulai. Penjelasan ini bukan bagian dari teori Big Bang. Dengan demikian, versi ilmiah dari teori Big Bang bukanlah teori ledakan. Ini sebenarnya teori konsekuensi dari ledakan.

Selain itu, dengan cara yang serupa, teori Big Bang yang biasa tidak mengatakan apa pun tentang dari mana semua materi itu berasal. Teori ini sebenarnya mengasumsikan bahwa untuk setiap partikel yang kita lihat di Semesta hari ini, pada awalnya ada, jika bukan partikel itu sendiri, maka setidaknya beberapa jenis partikel prekursor, tanpa menjelaskan dari mana semua partikel ini berasal. Singkatnya, saya ingin mengatakan bahwa teori Dentuman Besar tidak mengatakan apa-apa tentang apa yang meledak, mengapa meledak, atau apa yang terjadi sebelum meledak. Dalam teori Big Bang, benar-benar tidak ada ledakan. Ini adalah teori yang tidak terputus, terlepas dari namanya.



Inflasi, ternyata, memberikan jawaban, jawaban yang sangat masuk akal, untuk banyak pertanyaan ini. Pada dasarnya, kita akan membicarakan ini hari ini di waktu yang tersisa. Seperti yang saya katakan, dari sudut pandang kursus, kami akan mendekati topik ini sekitar sepertiga terakhir dari kursus.

Apa itu inflasi ruang? Intinya, ini adalah modifikasi kecil, dalam hal gambaran keseluruhan, dari teori standar Big Bang. Kata terbaik untuk menggambarkannya adalah kata yang saya pikir diciptakan di Hollywood. Inflasi adalah prekuel dari teori Big Bang yang biasa. Ini adalah deskripsi singkat tentang apa yang terjadi sebelumnya, tepat sebelum Big Bang. Jadi, inflasi memang merupakan penjelasan tentang ledakan Big Bang dalam arti bahwa ia memberikan teori pendorong yang memimpin alam semesta ke proses ekspansi besar ini, yang kita sebut sebagai Big Bang.

Inflasi melakukannya sedemikian rupa sehingga saya menganggapnya sebagai keajaiban. Ketika saya menggunakan kata "keajaiban", saya menggunakannya dalam pengertian ilmiah, hanya sesuatu yang sangat menakjubkan sehingga layak disebut keajaiban, meskipun itu adalah bagian dari hukum fisika. Hanya ada beberapa fitur hukum fisika yang sangat penting bagi inflasi. Saya akan berbicara tentang dua dari mereka, yang saya anggap sebagai mukjizat karena ketika saya masih mahasiswa, tidak ada yang membicarakannya sama sekali. Mereka bukan bagian dari fisika yang diperhatikan dan dibicarakan orang.

Keajaiban fisika yang saya bicarakan adalah sesuatu yang diketahui sejak teori relativitas umum Einstein bahwa gravitasi tidak selalu menarik. Gravitasi dapat bertindak sebagai tolakan. Einstein menggambarkan ini pada tahun 1916, dalam bentuk apa yang disebutnya konstanta kosmologis. Motivasi awal untuk memodifikasi persamaan teori relativitas umum adalah bahwa Einstein menganggap alam semesta sebagai statis. Dia menyadari bahwa gravitasi biasa akan membuat kontrak alam semesta statis. Alam semesta tidak bisa tetap statis. Karena itu, ia memperkenalkan elemen ini, konstanta kosmologis, untuk mengimbangi tarikan gravitasi biasa dan untuk dapat membangun model statis alam semesta.

Karena Anda akan segera mengetahuinya, model seperti itu benar-benar salah. Alam semesta terlihat sangat berbeda. Tetapi fakta bahwa teori relativitas umum dapat memasukkan gaya tolak gravitasi ini, yang kompatibel dengan semua prinsip teori relativitas umum, adalah hal penting yang ditemukan Einstein sendiri. Inflasi mengambil kesempatan ini dengan membiarkan gravitasi menjadi kekuatan yang menjijikkan yang membawa alam semesta ke fase ekspansi, yang kita sebut Big Bang.

Faktanya, jika kita menggabungkan teori relativitas umum dengan beberapa gagasan fisika partikel elementer yang diterima secara umum, ada tanda-tanda yang jelas, bukan prediksi, tetapi tanda-tanda yang lebih jelas bahwa pada kepadatan energi yang sangat tinggi terdapat keadaan materi yang secara harfiah mengubah gravitasi menjadi terbalik dan tarik berubah menjadi tolakan. Lebih khusus, seperti yang kita pelajari nanti, tolakan gravitasi diciptakan oleh tekanan negatif.

Menurut teori relativitas umum, ternyata tekanan dan kepadatan energi dapat menciptakan medan gravitasi. Berbeda dengan fisika Newton, di mana hanya kerapatan massa yang menciptakan medan gravitasi.

Tekanan positif menciptakan medan gravitasi yang menarik. Tekanan positif adalah semacam tekanan normal, dan gravitasi yang menarik adalah semacam gravitasi normal. Tekanan normal menciptakan gravitasi normal. Tetapi tekanan negatif itu mungkin, dan tekanan negatif menciptakan gravitasi yang menjijikkan. Inilah rahasia apa yang memungkinkan terjadinya inflasi.

Dengan demikian, inflasi menunjukkan bahwa setidaknya sepetak kecil materi gravitasi yang menjijikkan ada di alam semesta awal. Kita tidak tahu persis kapan inflasi terjadi dalam sejarah alam semesta, atau dengan kata lain, kita tidak tahu persis pada tingkat energi apa itu terjadi. Tetapi kemungkinan yang sangat masuk akal ketika inflasi bisa terjadi adalah ketika tingkat energi di Semesta sebanding dengan tingkat energi dalam teori Unifikasi Besar.


Teori-teori Penyatuan Besar, yang akan kita bicarakan sebentar lagi, adalah teori-teori yang menggabungkan interaksi lemah, kuat, dan elektromagnetik menjadi satu interaksi tunggal. Asosiasi ini terjadi pada energi khas sekitar 10 ¹⁶ GeV, di mana GeV adalah sekitar massa atau energi yang setara dengan massa proton. Kita berbicara tentang energi yang sekitar 10 ¹⁶ kali lebih besar dari energi massa setara proton. Dengan energi seperti itu, sangat mungkin bahwa akan ada keadaan yang menciptakan gravitasi yang menjijikkan.

Jika ini terjadi dengan perintah energi seperti itu, awalnya situs itu bisa sangat kecil - sekitar 10 ^-28 sentimeter untuk, pada akhirnya, mengarah pada penciptaan segala sesuatu yang kita lihat pada jarak yang sangat jauh. Dan alam semesta, yang kita lihat hari ini, sepenuhnya merupakan konsekuensi dari situs semacam itu.

Gaya tolak gravitasi yang diciptakan oleh bentangan kecil materi gravitasi yang menjijikkan ini telah menjadi kekuatan pendorong di belakang Dentuman Besar, yang mengakibatkan perluasan bentangan secara eksponensial. Dengan ekspansi eksponensial, ada waktu tertentu di mana ukuran plot berlipat ganda. Jika Anda menunggu jumlah yang sama, itu akan berlipat ganda lagi. Jika Anda menunggu jumlah yang sama, itu akan berlipat ganda lagi.


Karena penggandaan ini dengan cepat terakumulasi, tidak perlu banyak waktu untuk membuat seluruh Alam Semesta. Setelah sekitar 100 dua kali lipat, bentangan kecil 10 ^-28 sentimeter ini mungkin menjadi cukup besar untuk tidak menjadi semesta, tetapi menjadi ukuran bola kecil yang akhirnya akan menjadi alam semesta yang dapat diamati setelah terus berkembang setelah inflasi berakhir.

Jika semua ini terjadi pada skala teori penyatuan besar, waktu penggandaan sangat singkat, 10 ^-37 detik, yang sangat cepat. Situs berkembang secara eksponensial, setidaknya 10 ²⁸ kali, yang, seperti yang saya sebutkan, hanya membutuhkan sekitar 100 kali lipat, dan dapat berkembang lebih banyak. Tidak ada batasan. Jika ia telah berkembang lebih dari yang diperlukan untuk menciptakan alam semesta kita, itu berarti bahwa bagian alam semesta tempat kita hidup lebih besar daripada yang kita lihat. Tidak ada yang perlu dikhawatirkan. Segala sesuatu yang kita lihat terlihat seragam, tetapi seberapa jauh kita bisa mencapainya kita tidak bisa mengetahuinya. Dengan demikian, tingkat inflasi yang besar sepenuhnya konsisten dengan apa yang kita lihat.

Waktu yang dibutuhkan hanya 10 ^-35 detik, yang sama dengan 100 kali 10 ^-37 detik. Situs, yang ditakdirkan untuk menjadi Alam Semesta yang saat ini dapat kita amati, pada akhir inflasi menjadi seukuran bola dengan diameter sekitar satu sentimeter.

Inflasi berakhir karena masalah gravitasi yang menjijikkan ini tidak stabil. Itu meluruh, dalam arti yang sama seperti zat radioaktif. Ini tidak berarti bahwa itu membusuk seperti apel yang membusuk, itu berarti ia berubah menjadi jenis materi lainnya. Secara khusus, ia berubah menjadi materi, yang tidak lagi menjijikkan secara gravitasi. Dengan demikian, tolakan gravitasi berakhir, dan partikel-partikel yang diciptakan oleh energi yang dilepaskan pada akhir inflasi menjadi substansi panas dari Big Bang biasa.

Ini mengakhiri prekuel, dan tindakan utama dimulai - teori yang biasa dari Big Bang. Peran inflasi hanya untuk menciptakan kondisi awal untuk teori Big Bang yang biasa. Ada sedikit peringatan. Inflasi berakhir karena materi tidak stabil, tetapi berakhir hampir di mana-mana, dan tidak sepenuhnya di mana-mana.

Materi gravitasi yang menjijikkan ini meluruh, tetapi meluruh sebagai zat radioaktif, secara eksponensial, ia memiliki paruh. Tapi tidak peduli berapa banyak waktu paruh yang berlalu, akan selalu ada bagian kecil, akan ada sedikit lebih banyak dari masalah ini. Dan ini ternyata penting untuk gagasan bahwa dalam banyak kasus inflasi tidak pernah berakhir sepenuhnya. Kami akan kembali ke sini.


Sekarang saya ingin berbicara tentang apa yang terjadi selama fase ekspansi eksponensial.Ada fitur yang sangat spesifik dari inflasi, ekspansi eksponensial ini disebabkan oleh gravitasi tolakan, yang berarti bahwa ketika terjadi, kepadatan massa atau densitas energi dari materi gravitasi tolakan ini tidak berkurang. Tampaknya jika ada sesuatu yang berlipat ganda, maka volumenya akan naik 8 kali, dan kepadatan energi akan berkurang 8 kali.

Dan ini, tentu saja, terjadi dengan partikel biasa. Jadi, tentu saja, itu akan terjadi jika kita memiliki gas, gas biasa, yang kita izinkan membesar dua kali, kepadatannya akan berkurang delapan kali, karena volumenya sama dengan kubus ukuran. Tetapi materi gravitasi yang menjijikkan ini benar-benar mengembang dengan kepadatan konstan. Kedengarannya seperti konservasi energi dilanggar, karena itu berarti jumlah total energi di dalam volume yang meningkat ini meningkat. Energi per satuan volume tetap konstan, dan volume menjadi lebih dan lebih eksponensial.

Saya menegaskan bahwa saya tidak kehilangan akal bahwa ini sebenarnya sesuai dengan hukum fisika yang kita ketahui. Dan ini konsisten dengan konservasi energi. Konservasi energi memang prinsip suci fisika. Kita tidak tahu apa-apa di alam yang melanggar prinsip konservasi energi. Energi pada akhirnya tidak dapat dibuat atau dihancurkan, jumlah total energinya tetap. Tampaknya ada kontradiksi di sini. Bagaimana kita menyingkirkannya?

Diperlukan keajaiban fisika kedua di sini. Energi benar-benar dilestarikan. Kuncinya di sini adalah bahwa energi belum tentu positif. Ada hal-hal yang memiliki energi negatif. Secara khusus, medan gravitasi memiliki energi negatif. Omong-omong, pernyataan ini benar dalam fisika Newton dan teori relativitas umum. Kami akan membuktikannya nanti.

Jika Anda mengambil kursus dalam elektromagnetisme untuk menghitung densitas energi medan elektrostatik, maka Anda tahu bahwa kepadatan energi medan elektrostatik sebanding dengan kuadrat kekuatan medan listrik. Dapat dibuktikan bahwa energi ini persis sama dengan energi yang harus ditambahkan ke sistem untuk membuat medan listrik dari konfigurasi yang diberikan. Jika kita membandingkan hukum gravitasi Newton dengan hukum Coulomb, menjadi jelas bahwa ini sebenarnya adalah hukum yang sama, kecuali bahwa mereka menggunakan konstanta yang berbeda.

Keduanya adalah hukum kuadrat terbalik dan sebanding dengan dua tuduhan, di mana dalam kasus gravitasi ini adalah massa yang memainkan peran muatan. Tetapi mereka memiliki tanda-tanda yang berlawanan. Dua muatan positif diketahui untuk mengusir, dua massa positif tertarik satu sama lain.

Argumen yang sama yang memungkinkan Anda untuk menghitung kerapatan energi bidang Coulomb, memungkinkan Anda untuk menghitung kerapatan energi dari medan gravitasi Newton, masih dalam kerangka fisika Newton, sementara masih ada perubahan dalam tanda gaya. Perubahan ini masuk dalam semua perhitungan yang dilakukan, dan diperoleh nilai negatif, yang merupakan nilai yang tepat untuk gravitasi Newton. Densitas energi medan gravitasi Newton adalah negatif. Hal yang sama berlaku dalam relativitas umum.

Ini berarti bahwa dalam kerangka konservasi energi, adalah mungkin untuk mendapatkan semakin banyak materi, semakin banyak energi yang terakumulasi dalam bentuk materi biasa, yang terjadi selama inflasi, selama ada sejumlah kompensasi energi negatif yang diciptakan oleh medan gravitasi, yang mengisi area ruang yang semakin besar. Inilah yang terjadi selama inflasi.

Energi positif dari substansi gravitasi yang menjijikkan ini, yang tumbuh dan bertambah volumenya, dikompensasi dengan tepat oleh energi negatif medan gravitasi yang mengisi area tersebut. Dengan demikian, energi total tetap konstan, sebagaimana mestinya, dan ada kemungkinan besar bahwa energi total tepat nol. Karena semua yang kita tahu, setidaknya, konsisten dengan kemungkinan bahwa kedua energi ini persis sama satu sama lain atau sangat dekat.


Secara skematis, gambarannya adalah bahwa energi total Semesta terdiri dari energi positif yang sangat besar dalam bentuk materi dan radiasi, materi yang kita lihat, materi yang dengannya kita biasanya mengidentifikasi energi. Tetapi ada juga energi negatif yang sangat besar yang tertutup dalam medan gravitasi yang mengisi alam semesta. Dan, sejauh yang kami bisa menilai, jumlah mereka bisa sama dengan 0. Setidaknya ini tidak bertentangan dengan apa pun.

Dalam kasus apa pun, selama inflasi, bilah hitam naik dan bilah merah turun. Dan mereka naik dan turun dalam jumlah yang sama. Dengan demikian, proses yang terjadi selama inflasi menghemat energi, karena segala sesuatu yang sesuai dengan hukum fisika, yang kita ketahui, harus menghemat energi.


Saya ingin berbicara tentang beberapa bukti inflasi. Sejauh ini saya telah menggambarkan apa itu inflasi, dan untuk hari ini deskripsi ini cukup. Seperti yang saya katakan, kami akan kembali dan membicarakan semua ini dalam perjalanan kami. Sekarang mari kita lanjutkan dengan membahas beberapa alasan mengapa kita percaya bahwa Semesta kita memang telah mengalami proses yang disebut inflasi, yang baru saja saya bicarakan. Ada tiga hal yang ingin saya bicarakan.

Yang pertama adalah keseragaman alam semesta dalam skala besar. Ini karena fakta yang saya katakan di awal bahwa jika Anda melihat ke arah yang berbeda, maka Semesta terlihat sama di semua arah. Objek yang ketergantungannya pada arah dapat diukur dengan akurasi terbesar adalah radiasi latar kosmik, karena kita dapat mengukurnya ke segala arah, dan itu sangat homogen.

Ketika ini dilakukan, ditemukan bahwa radiasi latar kosmik seragam dengan akurasi luar biasa - sekitar 1/100000. Ini adalah tingkat keseragaman yang mengesankan. Ini berarti bahwa alam semesta memang sangat homogen.

Saya ingin membuat satu reservasi di sini agar sepenuhnya akurat. Jika Anda hanya mengambil dan mengukur radiasi kosmik, ternyata ada asimetri yang lebih besar dari apa yang saya katakan. Asimetri sekitar 1/1000 dapat dideteksi, di mana satu arah lebih panas daripada sebaliknya. Tetapi kami menafsirkan efek seperseribu ini sebagai gerakan kami melalui radiasi latar belakang kosmik, yang membuatnya lebih panas dalam satu arah dan lebih dingin di arah yang berlawanan. Dan efek gerakan kami ini memiliki distribusi sudut yang sangat pasti.

Kami tidak memiliki cara lain untuk mengetahui kecepatan kami sehubungan dengan radiasi latar belakang kosmik. Kami hanya menghitungnya dari asimetri ini. Tetapi kita tidak bisa menjelaskan semuanya dengan gerakan ini. Kita bisa menghitung kecepatannya. Segera setelah kita menghitungnya, ini akan menentukan salah satu asimetri yang bisa kita kurangi. Setelah ini, residu asimetri, asimetri yang tidak dapat kita jelaskan, mengatakan bahwa Bumi memiliki kecepatan tertentu sehubungan dengan radiasi latar belakang kosmik, berada pada level seratus ribu. Dan ini seperseribu, kita mengaitkan dengan alam semesta, dan bukan dengan pergerakan Bumi.

Untuk memahami konsekuensi dari homogenitas yang luar biasa ini, kita perlu mengatakan sedikit tentang sejarah radiasi latar belakang kosmik ini. Radiasi pada periode awal Semesta, ketika Semesta adalah plasma, pada dasarnya terperangkap dalam materi. Foton bergerak dengan kecepatan cahaya, tetapi plasma memiliki penampang yang sangat besar untuk menghamburkan foton oleh elektron bebas. Ini berarti bahwa foton bergerak dengan substansi, karena, mereka hanya bisa bergerak bebas untuk jarak yang sangat pendek, kemudian mereka tersebar dan bergerak ke arah lain. Jadi, sehubungan dengan materi, foton tidak terbang selama 400.000 tahun pertama sejarah alam semesta.

Tetapi kemudian, menurut perhitungan kami, setelah sekitar 400.000 tahun, alam semesta cukup dingin untuk plasma untuk dinetralkan. Dan ketika plasma dinetralkan, itu menjadi gas netral, seperti udara di ruangan ini. Udara di ruangan ini tampaknya sepenuhnya transparan bagi kita, dan ternyata hal yang sama terjadi di alam semesta.

Gas yang mengisi alam semesta setelah netralisasi benar-benar menjadi transparan. Ini berarti bahwa foton khas yang kita lihat hari ini dalam radiasi latar kosmik berjalan dalam garis lurus mulai dari sekitar 400.000 tahun setelah Big Bang. Yang, pada gilirannya, berarti bahwa ketika kita melihat radiasi latar belakang kosmik, kita, pada kenyataannya, melihat gambar tentang bagaimana alam semesta terlihat 400.000 tahun setelah Big Bang. Sama seperti cahaya yang datang dari wajah saya ke mata Anda memberi Anda gambaran tentang bagaimana saya terlihat.

Jadi, kita melihat gambar alam semesta pada usia 400.000 tahun, dan itu homogen dengan akurasi seratus ribu. Pertanyaannya adalah, dapatkah kita menjelaskan bagaimana alam semesta bisa menjadi begitu homogen? Jika Anda siap untuk berasumsi bahwa alam semesta semula sepenuhnya homogen untuk lebih dari seratus ribu, maka tidak ada yang mengganggu Anda untuk melakukannya. Tetapi jika Anda ingin mencoba menjelaskan keseragaman ini tanpa berasumsi bahwa itu dari awal, maka menggunakan teori Big Bang yang biasa sama sekali tidak mungkin.

Alasannya adalah bahwa dalam kerangka persamaan evolusi dari teori Big Bang yang biasa, kita dapat menghitung, dan kita akan menghitungnya nanti, untuk memperlancar semuanya dari waktu ke waktu, sehingga radiasi latar belakang kosmik terlihat halus, Anda harus dapat memindahkan materi dan energi sekitar 100 kali lebih cepat kecepatan cahaya. Kalau tidak, itu tidak akan berhasil. Kita dalam fisika tidak tahu apa pun yang terjadi lebih cepat daripada kecepatan cahaya. Jadi, dalam fisika yang kita kenal dan dalam teori Big Bang yang biasa, tidak ada cara untuk menjelaskan homogenitas ini, kecuali dengan mengasumsikan bahwa ia ada di sana sejak awal. Karena alasan yang kami tidak tahu.

Di sisi lain, inflasi menyelesaikan masalah ini dengan sangat baik. Inflasi menambah ekstensi eksponensial ke sejarah alam semesta. Karena kenyataan bahwa ekspansi eksponensial ini begitu besar, maka jika Anda melihat alam semesta kita sebelum inflasi terjadi, itu jauh lebih kecil daripada dalam kosmologi biasa, di mana ia tidak memiliki ekspansi eksponensial ini.

Jadi, dalam model inflasi ada cukup waktu bagi bagian yang diamati di Semesta untuk menjadi homogen sebelum dimulainya inflasi, ketika itu sangat kecil. Dan itu menjadi seragam, seperti udara, yang menyebar merata di seluruh ruangan, daripada berkumpul di satu sudut. Setelah keseragaman dicapai di wilayah kecil ini, inflasi kemudian memperluas wilayah itu, yang menjadi cukup besar untuk mencakup semua yang kita lihat sekarang, dengan demikian menjelaskan mengapa semua yang kita lihat tampak begitu seragam. Ini adalah penjelasan yang sangat sederhana, dan hanya dimungkinkan dengan penggunaan inflasi, dan tidak dalam kerangka teori Big Bang yang diterima secara umum.

Dalam model inflasi, alam semesta dimulai dengan ukuran yang sangat kecil sehingga keseragaman mudah dibentuk. Dengan cara yang sama udara di ruang kuliah itu secara merata mengisi ruang kuliah. Kemudian inflasi membentang di wilayah ini, yang menjadi cukup besar untuk mencakup semua yang sedang kita amati. Ini adalah yang pertama dari tiga bukti inflasi saya.


Yang kedua adalah apa yang disebut masalah alam semesta yang datar. Pertanyaannya adalah mengapa Semesta awal begitu datar? Pertanyaannya mungkin segera muncul - apa yang saya maksud ketika saya mengatakan bahwa alam semesta awal itu datar? Salah satu kesalahpahaman yang kadang-kadang saya temui adalah bahwa flat sering dianggap sebagai dua dimensi. Bukan itu yang saya maksud. Flat tidak berarti seperti pancake dua dimensi. Alam semesta adalah tiga dimensi. Datar dalam kasus kami berarti Euclidean, mematuhi aksioma geometri Euclidean, berbeda dengan varian-varian geometri Non-Euclidean, yang diizinkan oleh teori relativitas umum.

Teori relativitas umum memungkinkan ruang tiga dimensi menjadi melengkung. Kami menganggap hanya kelengkungan yang seragam. Pada kenyataannya, kita tidak melihat kelengkungan, tetapi kita tahu dengan akurasi yang lebih besar bahwa alam semesta itu homogen daripada kenyataan bahwa ia datar. Jadi, bayangkan tiga opsi yang memungkinkan untuk kelengkungan alam semesta, yang semuanya akan dianggap homogen. Ruang melengkung tiga dimensi tidak mudah divisualisasikan, tetapi ketiganya mirip dengan ruang melengkung dua dimensi yang lebih mudah dibayangkan.


Salah satu pilihan adalah geometri tertutup permukaan bola. Analoginya adalah bahwa alam semesta tiga dimensi mirip dengan permukaan bola dua dimensi. Jumlah dimensi berubah, tetapi hal-hal penting tetap ada. Jadi, misalnya, jika Anda menempatkan segitiga di permukaan bola, dan ini dapat dengan mudah divisualisasikan, jumlah dari tiga sudutnya akan lebih dari 180 derajat. Tidak seperti geometri Euclidean, di mana jumlahnya selalu 180 derajat.

SISWA: apakah pembengkokan ruang tiga dimensi terjadi pada dimensi keempat? Sama seperti model dua dimensi menyiratkan dimensi yang berbeda?

GURU: pertanyaan yang bagus. Pertanyaannya adalah, apakah kelengkungan tiga dimensi terjadi pada dimensi keempat dengan cara yang sama dengan kelengkungan dua dimensi terjadi pada dimensi ketiga? Saya pikir jawabannya adalah ya. Tapi, saya harus sedikit menjelaskan di sini. Dimensi ketiga dari sudut pandang matematika murni memungkinkan kita untuk dengan mudah memvisualisasikan bola. Tetapi geometri bola, dari sudut pandang orang yang mempelajari geometri diferensial, adalah ruang dua dimensi yang terdefinisi dengan baik tanpa perlu dimensi ketiga.

Dimensi ketiga hanyalah cara bagi kita untuk memvisualisasikan kelengkungan. Tetapi metode yang sama bekerja untuk ruang tiga dimensi. Faktanya, dengan mempelajari ruang melengkung tiga dimensi dari alam semesta tertutup, kita akan melakukan hal itu. Kami menggunakan metode yang sama, bayangkan dalam empat dimensi, dan itu akan sangat dekat dengan gambar dua dimensi yang Anda lihat.

Dengan demikian, salah satu kemungkinannya adalah geometri tertutup, di mana jumlah dari tiga sudut segitiga selalu lebih besar dari 180 derajat. Kemungkinan lain adalah apa yang biasa disebut bentuk pelana, atau ruang kelengkungan negatif. Dalam hal ini, jumlah dari tiga sudut, karena mereka menyempit, menjadi kurang dari 180 derajat. Dan hanya untuk kasus planar, jumlah dari tiga sudut tepat 180 derajat, yang merupakan kasus geometri Euclidean.

Geometri pada permukaan benda-benda ini bukan Euclidean, meskipun jika kita mempertimbangkan geometri tiga dimensi objek yang tertanam dalam ruang tiga dimensi, itu masih Euclidean. Tetapi geometri pada permukaan dua dimensi bukanlah Euclidean pada dua permukaan atas, dan Euclidean pada permukaan bawah.

Inilah cara kerjanya dalam teori relativitas umum. Ada alam semesta tertutup dengan kelengkungan positif dan jumlah sudut lebih dari 180 derajat. Ada alam semesta terbuka di mana jumlah dari tiga sudut selalu kurang dari 180 derajat. Dan ada kasus alam semesta datar, yang terletak di perbatasan keduanya, di mana geometri Euclidean bekerja. Di alam semesta kita, geometri Euclidean bekerja dengan sangat baik. Itu sebabnya kami semua mengajarinya di sekolah. Kami memiliki bukti yang sangat baik bahwa alam semesta awal sangat dekat dengan kasus datar geometri Euclidean ini. Inilah yang kami coba pahami dan jelaskan.

Sesuai dengan teori relativitas umum, geometri alam semesta ditentukan oleh kepadatan massa. Ada nilai tertentu dari kepadatan massa, yang disebut kepadatan kritis, yang tergantung pada laju ekspansi, omong-omong, ini sama sekali bukan konstanta universal. Tetapi untuk laju ekspansi tertentu, kerapatan kritis dapat dihitung, dan kerapatan kritis ini adalah kerapatan yang membuat alam semesta datar. Ahli kosmologi mendefinisikan angka yang disebut Ω (Omega). Ω hanyalah rasio kepadatan massa aktual dengan kepadatan massa kritis. Jadi, jika Ω sama dengan 1, maka kerapatan sebenarnya sama dengan kerapatan kritis, yang berarti alam semesta datar. Jika Ω lebih besar dari 1, maka kita mendapatkan alam semesta tertutup, dan jika Ω kurang dari 1, akan ada alam semesta terbuka.


Evolusi nilai Ω adalah spesial karena Ω sama dengan 1, selama pengembangan Semesta dalam kosmologi biasa, berperilaku sangat mirip pensil yang menyeimbangkan ujungnya. Ini adalah titik keseimbangan yang tidak stabil. Dengan kata lain, jika Ω persis sama dengan 1 di alam semesta awal, itu akan tetap sama dengan 1. Sama seperti pensil, yang diletakkan di ujungnya, ia tidak akan tahu ke mana harus jatuh dan, pada prinsipnya, akan tetap di posisi ini selamanya. Setidaknya dalam mekanika klasik. Kami tidak akan mempertimbangkan mekanika kuantum untuk pensil kami. Sebagai analogi, kami menggunakan pensil mekanika klasik.

Tetapi jika pensil sedikit miring ke segala arah, itu akan dengan cepat mulai jatuh ke arah itu. Demikian pula, jika Ω di alam semesta awal hanya lebih dari 1, ia akan dengan cepat meningkat hingga tak terbatas. Ini adalah alam semesta yang tertutup. Infinity sebenarnya berarti bahwa alam semesta mencapai ukuran maksimumnya, kemudian mulai menyusut dan runtuh. Jika Ω sedikit kurang dari 1, ia akan dengan cepat berkurang menjadi 0, dan alam semesta akan menjadi kosong, karena ia akan mengembang dengan cepat.

Oleh karena itu, satu-satunya cara agar close mendekati 1 hari ini, dan sejauh yang dapat kita katakan, Ω hari ini adalah 1, adalah menjadi sangat dekat dengan 1 sejak awal. Ini seperti pensil yang telah berdiri selama 14 miliar tahun dan belum jatuh. Secara numerik, untuk Ω, berada di suatu tempat dalam kisaran yang diperbolehkan sangat dekat dengan 1 hari ini, berarti Ω satu detik setelah Big Bang seharusnya sama dengan 1 dengan akurasi luar biasa dari 15 tempat desimal. Ini membuat kepadatan massa alam semesta, satu detik setelah Big Bang, mungkin angka paling akurat yang kita tahu dalam fisika. Kami benar-benar mengetahuinya dengan akurasi 15 desimal. Jika tidak dalam kisaran ini, maka itu tidak akan mendekati 1 hari ini karena efek amplifikasi selama evolusi alam semesta.

Pertanyaannya adalah, bagaimana ini bisa terjadi? Dalam teori Big Bang yang biasa, secara teoritis nilai awal Ω bisa berupa apa saja. Untuk menyesuaikan dengan apa yang kita amati saat ini, seharusnya berada dalam kisaran yang sangat sempit ini, tetapi secara teori tidak ada yang memaksanya untuk berada di sana. Pertanyaannya adalah, mengapa Ω awalnya sangat dekat dengan 1? Seperti dalam masalah homogenitas yang disebutkan sebelumnya, orang dapat dengan mudah berasumsi bahwa itu pada awalnya berubah menjadi apa yang seharusnya, yaitu. sama dengan 1. Anda dapat melakukan ini. Tetapi jika Anda ingin memiliki penjelasan mengapa ini terjadi, dalam kosmologi biasa tidak ada yang bisa menjelaskannya. Namun, inflasi memungkinkan kita untuk menjelaskan hal ini.


Dalam model inflasi, evolusi Ω berubah, karena gravitasi berubah menjadi kekuatan yang menjijikkan alih-alih yang menarik, dan ini membuat Ω berubah dengan cara yang berbeda. Ternyata selama inflasi, Ω tidak beranjak dari 1, seperti halnya sepanjang sisa sejarah alam semesta, tetapi, sebaliknya, dengan cepat berpindah ke 1, secara eksponensial cepat. Dengan tingkat inflasi seperti itu, yang kita bicarakan, inflasi sekitar 10 ²⁸ kali, cukup bahwa nilai Ω sebelum inflasi tidak terlalu terbatas. Ω sebelum inflasi mungkin bukan 1, tetapi bisa 2 atau 10 atau 1/10 atau 100 atau 1/100.

Semakin jauh initial awal dari 1, semakin lama inflasi diperlukan untuk membawanya lebih dekat ke 1. Tetapi untuk Ω berbeda secara signifikan dari 1, inflasi tidak akan memakan waktu lebih lama, karena inflasi membawa omega lebih dekat ke 1 secara eksponensial. Ini adalah kekuatan yang sangat kuat, membawa omega lebih dekat ke 1. Dan itu memberi kita penjelasan yang sangat sederhana tentang mengapa Ω di alam semesta awal tampaknya sangat dekat dengan 1.

Bahkan, sebuah prediksi mengikuti dari ini. Karena inflasi sangat dekat dengan membawa Ω lebih dekat ke 1, kami berharap bahwa hari ini Ω harus benar-benar 1, atau dalam kisaran akurasi terukur. Anda dapat membayangkan model inflasi, di mana Ω berada, katakanlah 0.2, ini adalah apa yang dipikirkan sebelumnya, tetapi untuk ini, inflasi harus berakhir tepat pada waktu yang tepat bahkan sebelum mendekati 1. Karena setiap kenaikan eksponensial menjadikannya urutan besarnya lebih dekat ke 1. Ini adalah efek yang sangat cepat. Oleh karena itu, tanpa penyesuaian yang sangat menyeluruh, sebagian besar model inflasi mana pun akan membawa Ω mendekati 1 sehingga hari ini kita melihatnya sebagai 1.

Sebelumnya, sepertinya tidak demikian. Sampai tahun 1998, para astronom yakin bahwa Ω hanya 0,2 atau 0,3, sementara inflasi memiliki prediksi yang cukup jelas bahwa Ω seharusnya 1. Secara pribadi, ini membuat saya sedikit tidak nyaman. Setiap kali saya makan siang dengan para astronom, mereka mengatakan bahwa inflasi adalah teori yang indah, tetapi itu tidak benar, karena Ω adalah 0,2, dan inflasi memperkirakan Ω adalah 1. Dan ini hanyalah ketidakcocokan.

Semuanya berubah pada tahun 1998. Sekarang jumlah paling akurat untuk Ω yang kita miliki, diperoleh dari satelit Planck bersama dengan beberapa pengukuran lain, adalah 1,0010, ± 0,0065. 0,0065 adalah hal yang penting. Jumlahnya sangat, sangat dekat dengan 1, dan kesalahan lebih besar dari perbedaan ini. Jadi, hari ini kita tahu bahwa dengan akurasi 0,5% atau mungkin 1%, Ω adalah 1, yang diprediksi inflasi.

Komponen baru yang memungkinkan ini terjadi, yang mengubah nilai omega terukur dari 0,2 menjadi 1, adalah komponen baru dari keseimbangan energi Semesta, penemuan apa yang kita sebut energi gelap. Kami belajar banyak tentang energi gelap selama kursus. Penemuan pada tahun 1998 terdiri dari fakta bahwa ekspansi Semesta tidak melambat di bawah pengaruh gravitasi, seperti yang diharapkan sebelum waktu itu, tetapi sebaliknya, ekspansi Semesta justru mempercepat.

Akselerasi ini pasti karena sesuatu. Apa yang menyebabkan percepatan ini disebut energi gelap. Meskipun ada kesenjangan yang signifikan dalam pengetahuan energi gelap, kita masih bisa menghitung berapa banyak yang harus dilakukan untuk menciptakan akselerasi yang kita amati. Dan ketika semua ini disatukan, kita mendapatkan angka yang jauh lebih baik selaras dengan inflasi daripada yang sebelumnya.

SISWA: Apakah Alam Semesta yang mempercepat merupakan faktor yang tidak diketahui pada saat itu, karena yang dipercayai salah bahwa Ω adalah 0,2 atau 0,3?

GURU: Ya, benar. Ini sepenuhnya karena fakta bahwa akselerasi pada waktu itu tidak diketahui. Bahkan, zat yang terlihat diukur secara akurat. Ini hanya memberi 0,2 atau 0,3. Dan komponen baru ini, energi gelap yang hanya kita ketahui karena akselerasi, membuat perbedaan yang diperlukan.

SISWA: apakah data ini yang membuat Ω sama dengan 0,2 atau 0,3, apakah benar-benar hanya komponen alam semesta yang kita lihat melalui teleskop?

GURU: benar. Termasuk dark matter. Padahal, kita tidak melihat semuanya. Tanpa merinci sekarang, kita akan membahasnya nanti dalam kursus, ada sesuatu yang disebut materi gelap yang berbeda dari energi gelap. Terlepas dari kenyataan bahwa materi dan energi pada dasarnya adalah hal yang sama, dalam kasus kami mereka berbeda. Materi gelap adalah materi, kesimpulan tentang keberadaan yang kita tarik karena pengaruhnya terhadap materi lain. Melihat, misalnya, pada kecepatan rotasi galaksi, Anda dapat menghitung berapa banyak zat yang harus berada di dalam galaksi ini sehingga orbitnya stabil. Ternyata zat dibutuhkan jauh lebih banyak daripada yang sebenarnya kita lihat. Materi tak kasat mata ini disebut dark matter, dan memberikan kontribusi 0,2 atau 0,3. Materi yang terlihat hanya sekitar 0,04.

Poin berikutnya yang ingin saya bicarakan adalah heterogenitas alam semesta dalam skala kecil. Pada skala terbesar, alam semesta ini sangat homogen - akurat hingga seperseribu ribu, tetapi dalam skala yang lebih kecil, alam semesta saat ini sangat heterogen. Bumi adalah kelompok besar dalam distribusi kepadatan massa alam semesta. Bumi sekitar 10 hingga ³⁰ derajat lebih padat dari rata-rata kepadatan materi di alam semesta. Ini adalah gumpalan yang sangat padat. Pertanyaannya adalah bagaimana gumpalan ini terbentuk? Dari mana mereka berasal?

Kami yakin bahwa rumpun ini berevolusi dari gangguan sangat kecil yang kita lihat di alam semesta awal, yang paling jelas terlihat melalui radiasi latar belakang kosmik. Kepadatan massa di alam semesta awal, menurut pendapat kami, adalah homogen dengan akurasi sekitar seratus ribu. Tetapi pada level seratus ribu, kita melihat bahwa ketidakhomogenan ada dalam radiasi latar kosmik.

Benda-benda seperti Bumi telah terbentuk karena heterogenitas kecil dalam kepadatan massa ini secara gravitasi tidak stabil. Di tempat-tempat di mana ada sedikit kelebihan dalam kepadatan materi, kelebihan kepadatan ini menciptakan medan gravitasi yang menarik lebih banyak materi ke daerah-daerah ini, yang, pada gilirannya, menghasilkan medan gravitasi yang lebih kuat yang menarik lebih banyak materi. Sistem ini tidak stabil, ia membentuk kelompok kompleks yang kita lihat, seperti galaksi, bintang, planet, dan sebagainya.

Ini adalah proses yang rumit. Tapi itu semua dimulai dengan heterogenitas yang sangat lemah ini, yang, kami percaya, ada segera setelah Big Bang. Kita melihat ketidakhomogenan ini dalam radiasi latar belakang kosmik. Pengukuran mereka memberi tahu kita banyak tentang kondisi di mana alam semesta ada saat itu dan memungkinkan kita untuk membangun teori yang menjelaskan bagaimana alam semesta seperti itu ternyata. Untuk mengukur inhomogenitas ini, satelit seperti COBE, WMAP, dan Planck dibuat dengan akurasi yang sangat tinggi.


Inflasi menjawab pertanyaan dari mana datangnya heterogenitas. Tidak ada penjelasan dalam teori Big Bang yang biasa. Secara sederhana diasumsikan bahwa ada heterogenitas dan menambahkannya secara artifisial, tetapi tidak ada teori dari mana mereka dapat berasal. Dalam model inflasi, di mana semua materi diciptakan oleh inflasi, heterogenitas juga dikendalikan oleh inflasi ini dan muncul karena efek kuantum.

Sulit dipercaya bahwa efek kuantum bisa penting bagi struktur alam semesta berskala besar. Galaksi Andromeda tidak terlihat seperti osilasi kuantum. Tetapi jika Anda mempertimbangkan teori ini secara kuantitatif, itu benar-benar berfungsi dengan baik. Teorinya adalah bahwa getaran yang kita lihat dalam radiasi latar belakang kosmik memang murni konsekuensi dari teori kuantum, terutama prinsip ketidakpastian, yang menyatakan bahwa tidak mungkin untuk memiliki sesuatu yang sepenuhnya homogen. Ini tidak konsisten dengan prinsip ketidakpastian.

Ketika kita menggunakan ide-ide dasar mekanika kuantum, kita dapat menghitung sifat-sifat getaran ini. Untuk melakukan ini, kita perlu tahu lebih banyak tentang fisika energi sangat tinggi, fisika yang relevan selama periode inflasi, agar dapat memprediksi amplitudo osilasi ini. Kami tidak dapat memprediksi amplitudo. Pada prinsipnya, inflasi akan memungkinkan kita melakukan ini jika kita cukup tahu tentang fisika partikel yang mendasarinya, tetapi kita tahu terlalu sedikit tentang itu. Oleh karena itu, dalam praktiknya, kami tidak dapat memprediksi amplitudo.

Namun, model inflasi memberikan prediksi yang sangat jelas tentang spektrum fluktuasi tersebut. Maksud saya adalah perubahan intensitas getaran tergantung pada panjang gelombang. Spektrum di sini berarti sama dengan suara, kecuali bahwa kita perlu mempertimbangkan panjang gelombang, bukan frekuensi, karena gelombang ini sebenarnya tidak berosilasi. Tetapi mereka memiliki panjang gelombang seperti gelombang suara, dan jika kita berbicara tentang intensitas panjang gelombang yang berbeda, ide spektrumnya benar-benar sama dengan suara.



Itu bisa diukur. Ini bukan pengukuran terakhir, ini adalah pengukuran terakhir yang saya punya grafik. Garis merah adalah prediksi teoretis. Titik hitam adalah ukuran nyata. Ini adalah data WMAP tujuh tahun. Sulit untuk menyampaikan betapa bahagianya saya ketika saya melihat kurva ini.



Saya juga memiliki grafik dari apa yang diprediksi oleh teori lain. Untuk beberapa waktu, misalnya, orang-orang sangat serius dengan gagasan bahwa ketidakhomogenan yang kita lihat di Semesta, fluktuasi ini, mungkin disebabkan oleh pembentukan acak dari apa yang disebut string kosmik yang terbentuk dalam transisi fase di awal Semesta. Ini, tentu saja, adalah ide yang layak pada satu waktu, tetapi begitu kurva ini diukur, ternyata prediksi string kosmik tidak terlihat sama sekali seperti itu. Sejak itu, mereka telah dikeluarkan sebagai sumber fluktuasi kepadatan di alam semesta. Berbagai model lain juga ditampilkan di sini. Saya tidak akan membuang waktu untuk mereka, karena ada hal-hal lain yang ingin saya bicarakan.


Bagaimanapun, ini adalah keberhasilan yang tidak diragukan. Dan ini adalah data terbaru. Ini adalah data dari satelit Planck, yang diluncurkan pada Maret tahun lalu. Saya tidak memilikinya pada grafik pada skala yang sama, tetapi sekali lagi Anda melihat kurva teoritis berdasarkan inflasi dan poin yang menunjukkan data dengan sedikit kesalahan kecil. Benar-benar jelas korespondensi.

SISWA: apa yang terjadi pada teori inflasi setelah mereka menemukan energi gelap? Apakah dia berubah secara signifikan?

GURU: sudahkah teorinya berubah?

SISWA: ada kurva lain di grafik sebelumnya.

GURU: Mengenai inflasi tanpa energi gelap. Saya pikir teori inflasi tidak jauh berbeda untuk dua kurva ini, tetapi kurva yang Anda lihat hari ini adalah hasil dari inflasi dan evolusi yang telah terjadi sejak itu. Dan evolusi yang telah terjadi sejak saat itu yang membuat perbedaan besar antara kurva-kurva ini.

Dengan demikian, teori inflasi seharusnya tidak banyak berubah. Dan dia benar-benar tidak berubah. Tapi, tentu saja, kurva terlihat jauh lebih baik setelah energi gelap ditemukan, karena kepadatan massa yang benar diketahui, dan secara bertahap kami mendapatkan lebih banyak data tentang fluktuasi ini, yang sangat cocok dengan apa yang diprediksi inflasi.


Sekarang saya ingin beralih ke ide multiverse. Saya akan mencoba dengan cepat membahasnya sehingga kita dapat menyelesaikannya. Kami masih tidak akan mencoba memahami semua detail sekarang, jadi saya akan berbicara tentang beberapa dari mereka dalam 10 menit sisa kuliah. Saya ingin berbicara sedikit tentang bagaimana inflasi mengarah pada ide multiverse. Kami akan kembali ke ini di akhir kursus, dan ini tentu saja merupakan aspek yang menarik dari inflasi.

Materi yang menjijikkan secara gravitasi yang menciptakan inflasi adalah metastable, seperti yang telah kami katakan. Itu putus. Ini berarti bahwa jika Anda berada di tempat di mana inflasi terjadi dan Anda bertanya-tanya berapa probabilitasnya akan terjadi sedikit kemudian, probabilitas ini menurun secara eksponensial - turun setengah untuk setiap penggandaan, setiap paruh. Tetapi pada saat yang sama, volume daerah mana pun yang meningkat juga tumbuh secara eksponensial, tumbuh karena inflasi. Bahkan, dalam model inflasi yang masuk akal, pertumbuhan jauh lebih cepat daripada pembusukan. Jika Anda melihat area yang bengkak, jika Anda menunggu paruh, setengah volume area ini tidak akan membengkak lagi, sesuai dengan definisi paruh. Tetapi separuh sisanya akan secara signifikan lebih besar dari volumedengan mana kami memulai. Itulah intinya.

Ini adalah situasi yang sangat tidak biasa, karena tampaknya tidak ada habisnya. Area yang bengkak semakin besar dan besar, bahkan ketika membelah, karena ekspansi lebih cepat daripada kerusakan. Ini mengarah pada fenomena inflasi abadi. Ukuran daerah pembengkakan meningkat seiring waktu, meskipun fakta bahwa pembengkakan meluruh. Ini mengarah pada apa yang kita sebut inflasi abadi. Kekal di sini berarti kekal di masa depan, sejauh yang kita bisa menilai, tetapi tidak kekal di masa lalu. Inflasi dimulai pada waktu yang terbatas, tetapi kemudian, segera setelah dimulai, inflasi akan berlanjut selamanya.

Kapan pun bagian dari daerah pembengkakan ini mengalami transisi fase dan menjadi normal, daerah tersebut secara lokal tampak seperti Big Bang. Big Bang kita adalah salah satu dari peristiwa lokal ini, dan alam semesta yang terbentuk oleh salah satu peristiwa lokal ini, di mana wilayah yang meluas meluruh, disebut alam semesta saku. Pocket hanya karena ada banyak alam semesta pada skala multiverse ini. Mereka dengan cara yang kecil, meskipun mereka memiliki ukuran yang sama dengan alam semesta tempat kita hidup. Dan alam semesta kita adalah salah satu alam semesta saku semacam itu.

Jadi, alih-alih satu semesta tunggal, inflasi menghasilkan jumlah yang tak terbatas dari mereka. Inilah yang kami sebut multiverse. Perlu dicatat bahwa kata multiverse juga digunakan dalam konteks lain dan teori-teori lain, tetapi inflasi, menurut saya, adalah cara yang paling masuk akal untuk membangun multiverse. Inilah yang sebagian besar kosmolog maksud ketika mereka berbicara tentang multiverse.


Apa tempat energi gelap di sini? Dia memainkan peran yang sangat penting. Pada tahun 1998, dua kelompok astronom secara independen menemukan bahwa alam semesta kini mengembang dengan percepatan. Kita sekarang tahu bahwa alam semesta telah berkembang pesat selama lima miliar tahun terakhir dari 14 miliar tahun sejarah alam semesta. Ada periode ketika ekspansi melambat menjadi lima miliar tahun yang lalu. Konsekuensi dari ini adalah bahwa inflasi sebenarnya terjadi hari ini. Percepatan perluasan alam semesta yang kita lihat ini sangat mirip dengan inflasi, dan kami benar-benar menafsirkannya sebagai jenis fisika yang serupa. Kami percaya bahwa itu disebabkan oleh semacam tekanan negatif, seperti halnya inflasi disebabkan oleh tekanan negatif.

Hal ini, yang, tampaknya, mengisi ruang dan memiliki tekanan negatif, kita sebut energi gelap. Energi gelap hanyalah, menurut definisi, sesuatu, apa pun itu, yang menyebabkan percepatan ini. Orang mungkin bertanya, apa sebenarnya energi gelap itu? Jawaban pasti untuk ini adalah tidak ada yang tahu. Namun, ada kandidat yang paling mungkin. Kandidat yang paling mungkin, dan kandidat lainnya tidak jauh berbeda darinya, hanya saja energi gelap itu adalah energi hampa udara. Energi kekosongan. Mungkin mengejutkan bahwa kekosongan dapat memiliki energi. Tetapi saya akan memberi tahu Anda tentang itu, dan ini tidak begitu mengejutkan.

Tetapi jika energi gelap hanyalah energi hampa, itu sepenuhnya konsisten dengan semua yang kita ketahui tentang sifat perluasan alam semesta yang dapat kita ukur.

SISWA: mengapa hanya dalam lima miliar tahun terakhir alam semesta mulai berkembang dengan cepat?

GURU: Sekarang saya bisa menjelaskan ini. Sekarang saya telah mengatakan bahwa mungkin ada energi vakum, saya bisa memberikan jawaban. Jawabannya adalah bahwa energi ruang hampa tidak berubah dengan waktu, karena itu hanya energi ruang hampa. Ini sama dengan yang saya katakan tentang kepadatan energi selama inflasi. Itu hanya sebuah konstanta. Pada saat yang sama, materi biasa menjadi lebih habis ketika alam semesta mengembang, mengurangi kepadatannya sebanding dengan ukuran kubus alam semesta.

Itu terjadi bahwa sebelum sekitar lima miliar tahun terakhir, materi biasa mendominasi alam semesta, yang menciptakan gravitasi yang menarik dan menyebabkan alam semesta melambat. Tetapi kemudian, sekitar lima miliar tahun yang lalu, materi di alam semesta menjadi begitu kosong sehingga materi biasa tidak lagi mendominasi energi vakum, dan energi vakum mulai menyebabkan percepatan. Energi kekosongan sepanjang waktu, menyebabkan tolakan, tetapi didominasi oleh gravitasi menarik materi biasa sampai lima miliar tahun terakhir.


Sekarang saya ingin bicara, mengapa bisa ada sesuatu yang kosong? Mengapa kekosongan memiliki energi? Jawabannya sebenarnya cukup jelas bagi fisikawan saat ini. Vakum kuantum, berbeda dengan vakum klasik, adalah keadaan yang sangat kompleks. Sama sekali tidak kosong. Ini sebenarnya adalah satu set getaran vakum yang kompleks. Kami berpikir bahwa bahkan ada bidang yang disebut bidang Higgs, yang mungkin Anda dengar, yang rata-rata memiliki nilai bukan nol dalam ruang hampa. Hal-hal seperti medan elektromagnetik terus berfluktuasi dalam ruang hampa karena prinsip ketidakpastian, yang mengarah pada adanya kepadatan energi dalam fluktuasi ini.

Jadi, sejauh yang kami tahu, tidak ada alasan untuk energi vakum menjadi nol. Tetapi ini tidak berarti bahwa kita memahami apa arti pentingnya sama dengan. Saat ini, masalah sebenarnya dari sudut pandang fisika fundamental adalah tidak mencari tahu mengapa ruang hampa dapat memiliki kepadatan energi yang tidak nol. Masalahnya adalah untuk memahami mengapa itu sangat kecil. Mengapa ini menjadi masalah? Teori medan kuantum, yang tidak akan kita pelajari secara terperinci, mengatakan bahwa, misalnya, medan elektromagnetik terus berosilasi. Ini disebabkan oleh prinsip ketidakpastian. Getaran ini dapat memiliki panjang gelombang apa pun. Dan setiap panjang gelombang berkontribusi pada kerapatan energi fluktuasi vakum.

Namun, tidak ada panjang gelombang terpendek. Dalam sebuah kotak ukuran berapa pun, ada panjang gelombang terpanjang, tetapi bukan panjang gelombang terpendek. Ternyata ketika kami mencoba menghitung kerapatan energi vakum dalam teori medan kuantum, ia menyimpang dari sisi panjang gelombang pendek. Ini menjadi benar-benar tak ada habisnya, karena perhitungan formal menunjukkan bahwa semua panjang gelombang berkontribusi, dan panjang gelombang terpendek tidak ada.

Apa artinya ini dalam fisika nyata? Kami percaya bahwa ini tidak selalu menjadi masalah dengan pemahaman kami tentang teori medan kuantum. Faktanya, kami percaya bahwa ini hanya batasan rentang di mana asumsi kami benar. Tentu saja, teori kuantum bekerja sangat baik ketika diuji di laboratorium. Kami berpikir bahwa pada panjang gelombang yang sangat pendek, sesuatu harus membatasi ketidakterbatasan ini. Kandidat yang baik untuk membatasi ketidakterbatasan pada panjang gelombang pendek adalah efek gravitasi kuantum, yang tidak kita pahami.

Dengan demikian, salah satu cara memperkirakan kepadatan energi sebenarnya yang diprediksi oleh teori medan kuantum adalah dengan membatasi panjang gelombang pada skala Planck, skala energi, dan skala panjang yang terkait dengan gravitasi kuantum, yaitu sekitar 10 ^-33.sentimeter. Jika Anda melakukan ini, maka Anda dapat menghitung kerapatan energi medan elektromagnetik dari ruang hampa dan mendapatkan angka yang terbatas. Tapi ini terlalu besar. Itu tidak berbeda dengan sejumlah kecil, tetapi sangat banyak. Ini lebih dari 120 urutan besarnya. Dengan demikian, kita tidak mengerti mengapa energi vakum itu seperti apa adanya, karena perkiraan sederhana kita mengatakan bahwa itu seharusnya 120 kali lipat lebih besar.

Saya harus mengatakan bahwa masih ada jalan keluar. Energi yang kami hitung di sini hanyalah satu dari kontribusi total energi ruang hampa. Ada juga kontribusi negatif. Jika kita menghitung fluktuasi medan elektron, maka kontribusinya terhadap energi akan negatif. Pada prinsipnya, mungkin saja kontribusi ini memberikan kompensasi satu sama lain dengan tepat atau hampir persis, tetapi kita tidak tahu mengapa mereka harus melakukan ini. Dengan demikian, ada pertanyaan besar tentang prediksi teoritis kepadatan energi vakum.


Sekarang saya ingin berbicara sedikit tentang lanskap teori string, yang dapat menjadi penjelasan yang mungkin untuk kecilnya energi ruang hampa. Ini hanya penjelasan yang mungkin, semuanya sangat spekulatif di sini. Tetapi satu penjelasan yang mungkin untuk energi vakum yang sangat kecil ini yang kami amati menggabungkan gagasan inflasi abadi dan teori string. Ini didasarkan pada gagasan bahwa teori string tidak memiliki ruang hampa yang unik. Selama bertahun-tahun, para teoris gagal mencoba menemukan kekosongan dalam teori string. Mereka tidak bisa mengerti bagaimana teori string seharusnya terlihat seperti ruang hampa.

Dan kemudian, sekitar 10 tahun yang lalu, banyak ahli teori string mulai menyatukan ide bahwa mungkin mereka tidak dapat menemukan ruang hampa, karena tidak ada ruang hampa unik untuk teori string. Sebagai gantinya, mereka sekarang mengklaim bahwa ada sejumlah besar, mereka menganggap angka seperti ^10.500 , sejumlah besar negara metastable yang berumur panjang, yang mana mungkin terlihat seperti ruang hampa untuk jangka waktu yang lama, bahkan jika pada akhirnya dapat membusuk atau pergi ke salah satu negara metastabil lainnya. Ini disebut lanskap teori string. Serangkaian keadaan vakum yang sangat besar ini, yang semuanya bisa menjadi kekosongan, yang, misalnya, mengisi semacam semesta saku.

Jika Anda menggabungkan ini dengan gagasan inflasi abadi, Anda dapat sampai pada kesimpulan bahwa selama inflasi abadi, kemungkinan besar, semua ^10.500 atau lebih jenis kekosongan ini akan muncul . Artinya, alam semesta saku yang berbeda di dalam dirinya akan memiliki berbagai jenis ruang hampa yang dibuat secara acak. Kemudian kita akan memiliki multiverse, yang terdiri dari banyak, hingga ^10.500 derajat atau lebih berbagai jenis vakuum di alam semesta saku yang berbeda.

Dengan asumsi ini, teori string adalah hukum fisika yang seharusnya mengatur segalanya. Tetapi jika Anda tinggal di salah satu alam semesta saku ini, Anda akan benar-benar melihat hukum fisika yang sangat berbeda dengan hukum alam semesta saku lainnya. Faktanya adalah bahwa fisika yang benar-benar kita lihat dan ukur adalah fisika berenergi rendah dibandingkan dengan skala energi teori string. Kita hanya melihat fluktuasi kecil dalam struktur ruang hampa tempat kita hidup.

Jadi partikel-partikel yang kita lihat - elektron dan quark, yang bergabung menjadi proton dan neutron, mungkin merupakan karakteristik dari alam semesta saku khusus kita. Di alam semesta saku lain, mungkin ada jenis partikel yang sama sekali berbeda, yang merupakan getaran dari jenis vakum lainnya. Jadi, bahkan jika hukum fisika sama di mana-mana - hukum teori string, dalam praktiknya hukum fisika yang diamati dapat sangat bervariasi dari satu jagad raya ke jagat raya. Secara khusus, karena kenyataan bahwa di alam semesta yang berbeda ada ruang hampa yang berbeda, kepadatan energi ruang hampa udara dapat berbeda di alam semesta yang berbeda. Dan ini memberikan jawaban yang memungkinkan mengapa energi vakum yang diamati sangat kecil.

Kami akan membicarakan ini lain kali.