Stephen Hawking Muhammad Farchani Rosyid Kelompok Penelitian Kosmologi, Astrofisika, Partikel, dan Fisika Matematik (KAMP), Laboratorium Fisika Atom dan Inti, Jurusan Fisika FMIPA, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta
Fisika merupakan upaya menemukan pola-pola keteraturan alam dan membingkainya menjadi bagan berpikir yang runtut, yakni berupa kaitan-kaitan logis antara konsep-konsep tertentu. Bagan berpikir itu secara matematis disajikan sebagai kaitan-kaitan matematis yang menghubungkan strukturstruktur matematis yang mewakili konsep-konsep tertentu, semisal besaran, parameter, dll. Konsep-konsep dimunculkan sesuai kebutuhan.
Bagan berpikir tentang pola-pola keteraturan
alamiah itu disebut teori. Teori merupakan kumpulan hipotesa-hipotesa
yang saling terkait dan tersusun secara sistematis. Jadi, fisika sesungguhnya merupakan upaya
membangun teori tentang gejala-gejala alamiah.
Kaitan Antara Fisika dan Matematika Berikut berapa pandangan tentang kaitan antara fisika dan matematika: Pertama, pandangan paling lunak, mendudukkan matematika hanya sebagai peranti yang memudahkan fisika dan sebagai bahasa untuk mengungkapkan hukum-hukum fisika. (Persamaan bukan segalanya, ada esensi lain dalam suatu hukum fisika yang tidak dapat dirumuskan secara matematika) Semua fisikawan eksperimental dan sebagian fisikawan teoretis mengambil posisi ini
Kedua, pandangan yang mendudukkan matematika sebagai tujuan, fisika adalah upaya memilih atau membangun struktur matematik yang cocok untuk menggambarkan pola-pola keteraturan gejala alamiah. Jadi, fisika dipahami sebagai upaya menemukan realitas matematis sebagai model yang mewakili realitas fisis. Ketiga, pandangan radikal bahwa fisika adalah upaya menemukan matematika alam, yakni matematika yang mengatur alam semesta ini, keseluruhannya.
Untuk apa sebuah teori disusun? Secara sederhana, Holton dan Brush menggambarkan pentingnya teori sebagai berikut: “We have argued that a main task of science, as of all thought, is to penetrate beyond the immediate and visible to the unseen, and thereby to place the visible into a new, larger context. For like a distant floating iceberg whose bulk is largely hidden under the sea, only the smallest part of reality impresses itself upon us directly. To help us grasp the whole picture is the supreme function of theory.”(Holton dan Brush, 2005)
Sebuah teori diharapkan mampu (i)
menghubungkan berbagai fakta yang terpisah dalam suatu bagan berpikir yang logis dan mudah ditangkap,
(ii)
memberikan gambaran tentang kaitan-kaitan baru, yakni mampu menjelaskan kaitan antara fakta-fakta lama dan fakta-fakta baru,
(iii)
memberikan prakiraan (prediksi) gejala-gejala alamiah baru, dan memberikan penjelasan bagi gejala-gejala alamiah yang telah teramati,
(iv)
menuntun dalam penyelesaian masalah-masalah praktis,
• Karl Popper: “Kemampuan memberikan prediksi merupakan kemampuan suatu teori yang sedemikian penting”. Kemampuan ini dapat digunakan untuk membedakan sains dari yang bukan sains (pseudosains). • Tetapi, suatu teori tidak pernah dapat dibuktikan kebenarannya dengan hanya melihat kemampuannya memberi penjelasan maupun prediksi.
• Sebuah teori yang disusun secara induktif (semisal teori dalam fisika) tidak akan pernah dapat dibuktikan kebenarannya (Popper, 1934). • Tetapi, yang dapat dibuktikan dari suatu teori adalah kesalahannya, yakni ketika salah satu prediksinya tidak sesuai dengan hasil eksperimen atau pengamatan.
Oleh karena itu, dalam upaya pengembangan sains ada dua hal
yang harus dilakukan: (i) mengusulkan teori-teori yang memungkinkan dapat dibuktikan kesalahannya, (ii) lalu secara rutin dan berkesinambungan diupayakan untuk “menolak” teori-teori itu melalui eksperimen atau pengamatan. Eksperimen adalah upaya menolak atau membuktikan
kesalahan sebuah teori. Prinsip Popper: Sains berkembang atas dasar perluasan dan
penolakan (Popper, 1965)
Dari
sudut pandang fisika, Hawking tidak membawa paradigma baru. Karya-karyanya masih dalam paradigma lama (Einstein). Bandingkan
dengan yang dilakukan oleh Albert Eisntein. Einstein melakukan pergeseran/pembongkaran paradigma Newton.
Seberapa fundamental pemikiran Hawking?
14
Gravitational singularity theorems in the framework of general relativity,
The theoretical prediction that black holes emit radiation, often called Hawking radiation.
Hawking was the first to set forth a cosmology explained by a union of the general theory of relativity and quantum mechanics.
He is a vocal supporter of the many-worlds interpretation of quantum mechanics.
Karya-karya penting Hawking
Dari beberapa makalah yang ditulis oleh Einstein, dapat disimpulkan beberapa alasan (motivasi) perlunya teori relativitas umum (Uhlenbeck, 1968): 1.
Tuntutan adanya teori gravitasi yang relativistik.
2.
Upaya untuk mendapatkan pemahaman yang lebih mendalam mengenai kesamaan antara massa lembam (inersial) dan massa gravitasi.
3.
Keyakinan Einstein bahwa “Space-time is not a thing”
Sedikit tentang Teori relativitas Umum Einstein
Einstein berpandangan bahwa kerangka acuan merupakan rekayasa manusia (human construct), oleh karena itu hukumhukum fisika seharusnya tidak bergantung pada kerangka acuan. Ruang dan waktu seharusnya bukan semacam panggung tempat terjadinya peristiwa-peristiwa fisis. (Anggapan bahwa ruang-waktu merupakan panggung bagi peristiwa-peristiwa fisis bermakna bahwa keberadaan ruangwaktu bebas dari peristiwa-peristiwa fisis: ruang waktu tetap ada meskipun tidak ada peristiwa-peristiwa fisis). Menurut pandangan Mach dan Einstein, ruang-waktu tidak lain merupakan ungkapan sebagai wujud bagi kaitan-kaitan yang ada di antara proses-proses fisis
Prinsip Kesetaraan Einstein: “Pada wilayah yang cukup kecil dalam ruang-waktu, hukumhukum fisika menyusut menjadi hukum-hukum fisika yang tunduk pada relativitas khusus; Untuk mendeteksi keberadaan suatu medan gravitasional dengan eksperimen lokal adalah tidak mungkin.”
Ruang-waktu
merupakan keragaman (manifold) yang disertai dengan struktur metrik. Struktur metrik ini merupakan aktor utama yang menentukan banyak hal. Ruang-waktu
ditentukan oleh distribusi materi dan energi melalui persamaan medan Einstein: Ruas kiri mewakili geometri ruang-waktu, sedangkan ruas kanan menwakili sebaran materi dan energi. Metrik yang diperoleh bergantung pada sebaran materi dan energi. Struktur
metrik , misalnya, menentukan
- kurva lurus dalam ruang-waktu (geodesik) - kausalitas, - tensor kelengkungan, - singularitas, dll.
Jika
distribusi materi dan energi (tensor ) diberikan, maka struktur ruang waktu (tensor ) dihitung. Dari
didapatkan misalnya persamaan geodesik (garis lurus):
Benda-benda
yang tidak dipengaruhi oleh gaya apapun akan bergerak sepanjang geodesik ruang-waktu.
Pabrik ruang waktu
Kosmologi: Pencarian jawaban persamaan medan Einstein melalui penerapan simetri (homogenitas dan isotropi)
Prinsip
Kosmologis menuntun kita untuk menuliskan metrik alam semesta sebagai
Jika
rancangan metrik ini dimasukkan ke dalam persamaan medan Einstein, maka akan didapatkan
Dari
juga didapatkan tensor kelengkungan. Singularitas tampak dalam wakilan lokal tensor kelengkungan ini: singularitas maya dan singularitas nyata. Suatu singularitas adalah wilayah dalam ruang-waktu dengan kelengkungan tak berhingga atau wilayah ruang-waktu yang
“berhenti menjadi” manifold, yang dapat dicapai oleh bendabenda atau cahaya dalam waktu yang berhingga. Singularitas
dapat dipandang sebagai “akhir” atau “ujung” atau “pinggiran” ruang-waktu.
Singularitas ruang waktu
Singularitas 1.
misalnya dapat ditemukan dalam:
ruang-waktu yang dibentuk oleh lubang hitam: - metrik Schwarzschild, - metrik Reissner–Nordström, - metrik Kerr, - metrik Kerr–Newman
2.
jawaban semua model kosmologis yang tidak melibatkan energi medan skalar dan tetapan kosmologis.
Singularitas ruang waktu
Supernova:
Akhir kehidupan bintang-bintang
Teorema singularitas adalah ungkapan yang menyatakan syarat cukup bagi suatu ruang waktu untuk memiliki singularitas.
Teorema singularitas melibatkan konsep ketaklengkapan geodesik untuk mewakili keberadaan kelengkungan yang tak berhingga.
Ketaklengkapan geodesik maksudnya keberadaan geodesik (garis lurus, sebagai lintasan pengamat dalam ruang-waktu) yang hanya dapat diperpanjang untuk waktu yang berhingga diukur oleh pengamat yang bergerak sepanjang garis lurus itu.
Di ujung lintasan itu, pengamat akan jatuh ke dalam singularitas atau wilayah yang bermasalah, tempat hukum relativitas umum tidak berlaku lagi.
Gravitational singularity theorems in the framework of general relativity
Terdapat banyak versi teorema Penrose-Hawking.
Bentuk Umum Teorema Singularitas: Andaikan suatu ruang-waktu yang memenuhi :
- syarat energi - syarat kausalitas - gravitasi cukup kuat untuk menjebak cahaya. Maka ruang waktu memiliki singularitas, yakni terdapat garis lurus (geodesik) yang berukuran berhingga dan tidak dapat diperpanjang hingga infinit.
Gravitational singularity theorems in the framework of general relativity
