Seabad yang lalu, Alexander Friedmann membayangkan ekspansi alam semesta

Selama ribuan tahun, alam semesta melakukan pekerjaan yang cukup baik untuk menjaga rahasianya dari sains.

Orang Yunani kuno mengira alam semesta adalah bola bintang tetap yang mengelilingi bola yang lebih kecil yang membawa planet di sekitar pusat Bumi. Bahkan Copernicus, yang pada abad ke-16 dengan tepat menggantikan Bumi dengan matahari, memandang alam semesta sebagai satu sistem tata surya yang terbungkus oleh bola luar bertabur bintang.

Tetapi pada abad-abad berikutnya, alam semesta mengungkapkan sebagian dari luasnya. Itu berisi bintang yang tak terhitung jumlahnya yang diaglomerasi dalam kelompok besar, yang sekarang disebut galaksi.

Kemudian, pada akhir tahun 1920-an, kosmos mengungkapkan rahasianya yang paling rapat: semakin besar. Alih-alih statis dan stabil, entitas yang abadi dan selalu sama yang mencakup semua realitas, alam semesta terus berkembang. Pengamatan galaksi jauh menunjukkan mereka terbang terpisah satu sama lain, menunjukkan bahwa kosmos saat ini hanyalah fase dewasa dari alam semesta yang lahir sejak lama dalam ledakan energi yang sangat kecil.

Itu adalah kejutan yang mengguncang sains pada fondasinya, melemahkan prakonsepsi filosofis tentang keberadaan dan meluncurkan era baru dalam kosmologi, studi tentang alam semesta. Tetapi yang lebih mengejutkan, jika dipikir-pikir, adalah bahwa rahasia yang begitu dalam telah diduga oleh seorang ahli matematika yang keahliannya memprediksi cuaca.

Seabad yang lalu bulan ini (Mei 1922), matematikawan-meteorolog Rusia Alexander Friedmann menyusun makalah, berdasarkan teori relativitas umum Einstein, yang menguraikan berbagai kemungkinan sejarah alam semesta. Salah satu kemungkinan tersebut menggambarkan ekspansi kosmik, mulai dari titik tunggal. Intinya, bahkan tanpa mempertimbangkan bukti astronomi apa pun, Friedmann telah mengantisipasi teori Big Bang modern tentang kelahiran dan evolusi alam semesta.

“Visi baru tentang alam semesta yang dibuka oleh Friedmann,” tulis fisikawan Rusia Vladimir Soloviev dalam makalah baru-baru ini, “telah menjadi fondasi kosmologi modern.”

Friedmann tidak terkenal pada saat itu. Dia telah lulus pada tahun 1910 dari Universitas St. Petersburg di Rusia, setelah belajar matematika bersama dengan beberapa fisika. Di sekolah pascasarjana ia menyelidiki penggunaan matematika dalam meteorologi dan dinamika atmosfer. Dia menerapkan keahlian itu dalam membantu angkatan udara Rusia selama Perang Dunia I, menggunakan matematika untuk memprediksi titik pelepasan optimal untuk menjatuhkan bom ke target musuh.

Setelah perang, Friedmann mempelajari teori relativitas umum Einstein, yang menggambarkan gravitasi sebagai manifestasi dari geometri ruang (atau lebih tepatnya, ruang-waktu). Dalam teori Einstein, massa mendistorsi ruang-waktu, menghasilkan “kelengkungan” ruang-waktu, yang membuat massa tampak saling tarik-menarik.

Friedmann sangat tertarik dengan makalah Einstein tahun 1917 (dan makalah serupa oleh Willem de Sitter) yang menerapkan relativitas umum pada alam semesta secara keseluruhan. Einstein menemukan bahwa persamaan aslinya memungkinkan alam semesta tumbuh atau menyusut. Tapi dia menganggap itu tidak terpikirkan, jadi dia menambahkan istilah yang mewakili gaya tolak yang (dia pikir) akan menjaga ukuran kosmos tetap konstan. Einstein menyimpulkan bahwa ruang memiliki kelengkungan spasial positif (seperti permukaan bola), menyiratkan alam semesta “tertutup”, atau terbatas.

Friedmann menerima istilah baru, yang disebut konstanta kosmologis, tetapi menunjukkan bahwa untuk berbagai nilai konstanta itu, bersama dengan asumsi lain, alam semesta mungkin menunjukkan perilaku yang sangat berbeda. Alam semesta statis Einstein adalah kasus khusus; alam semesta mungkin juga mengembang selamanya, atau mengembang untuk sementara, kemudian menyusut ke suatu titik dan kemudian mulai mengembang lagi.

Makalah Friedmann yang menjelaskan alam semesta dinamis, berjudul “Di Lengkungan Ruang”, diterima untuk diterbitkan di prestisius Zeitschrift für Physik pada 29 Juni 1922.

Einstein keberatan. Dia menulis catatan ke jurnal yang menyatakan bahwa Friedmann telah melakukan kesalahan matematika. Tapi kesalahannya adalah Einstein. Dia kemudian mengakui bahwa matematika Friedmann benar, sementara masih menyangkal bahwa itu memiliki validitas fisik.

Friedmann bersikeras sebaliknya.

Dia bukan hanya seorang ahli matematika murni, tidak menyadari arti fisik dari simbol-simbolnya di atas kertas. Apresiasi mendalam tentang hubungan antara persamaan dan atmosfer meyakinkannya bahwa matematika berarti sesuatu yang bersifat fisik. Dia bahkan menulis buku (Dunia sebagai Ruang dan Waktu) menggali secara mendalam hubungan antara matematika geometri spasial dan gerakan tubuh fisik. Tubuh fisik “menafsirkan” “dunia geometris,” katanya, memungkinkan para ilmuwan untuk menguji yang mana dari berbagai kemungkinan dunia geometris yang benar-benar didiami manusia. Karena hubungan fisika-matematika, dia menegaskan, “menjadi mungkin untuk menentukan geometri dunia geometris melalui studi eksperimental dunia fisik.”

Jadi, ketika Friedmann menurunkan solusi untuk persamaan Einstein, dia menerjemahkannya ke dalam kemungkinan makna fisik untuk alam semesta. Bergantung pada berbagai faktor, alam semesta dapat berkembang dari suatu titik, atau dari keadaan awal yang terbatas tetapi lebih kecil, misalnya. Dalam satu kasus yang dia bayangkan, alam semesta mulai mengembang dengan laju yang melambat, tetapi kemudian mencapai titik belok, di mana ia mulai mengembang dengan laju yang semakin cepat. Pada akhir abad ke-20, para astronom yang mengukur kecerahan supernova jauh menyimpulkan bahwa alam semesta telah mengambil jalur seperti itu, kejutan yang hampir sama mengejutkannya dengan perluasan alam semesta itu sendiri. Tapi matematika Friedmann sudah memperkirakan kemungkinan seperti itu.

foto hitam putih Edwin Hubble melihat melalui teleskop
Pada tahun 1929, Edwin Hubble (ditampilkan) melaporkan bahwa galaksi-galaksi jauh tampak terbang menjauh dari kita lebih cepat daripada galaksi-galaksi terdekat, bukti kunci bahwa alam semesta mengembang.PICTORIAL PRESS LTD / FOTO SAHAM ALAMY

Tidak diragukan lagi, apresiasi mendalam Friedmann atas sinergi matematika abstrak dan fisika konkret mempersiapkan pikirannya untuk mempertimbangkan gagasan bahwa alam semesta dapat mengembang. Tapi mungkin dia punya bantuan tambahan. Meskipun dia adalah ilmuwan pertama yang secara serius mengusulkan alam semesta yang mengembang, dia bukan orang pertama. Hampir 75 tahun sebelum makalah Friedmann, penyair Edgar Allan Poe telah menerbitkan sebuah esai (atau “puisi prosa”) berjudul Eureka. Dalam esai itu, Poe menggambarkan sejarah alam semesta sebagai perluasan dari ledakan “partikel primordial”. Poe bahkan menggambarkan alam semesta tumbuh dan kemudian menyusut kembali ke satu titik lagi, seperti yang dibayangkan dalam salah satu skenario Friedmann.

Meskipun Poe telah belajar matematika selama waktu singkatnya sebagai mahasiswa di West Point, dia tidak menggunakan persamaan dalam Eureka, dan esainya tidak diakui sebagai kontribusi untuk sains. Setidaknya tidak secara langsung. Ternyata, Friedmann adalah seorang pembaca setia, dan di antara penulis favoritnya adalah Dostoevsky dan Poe. Jadi mungkin itu sebabnya Friedmann lebih mudah menerima alam semesta yang mengembang daripada ilmuwan lain pada zamannya.

Hari ini matematika Friedmann tetap menjadi inti dari teori kosmologi modern. “Persamaan fundamental yang dia peroleh masih memberikan dasar bagi teori kosmologis saat ini tentang Big Bang dan alam semesta yang semakin cepat,” kata ahli matematika dan sejarawan Israel Ari Belenkiy dalam makalah tahun 2013. “Dia memperkenalkan ide dasar kosmologi modern — bahwa alam semesta itu dinamis dan dapat berevolusi dengan cara yang berbeda.”

Friedmann menekankan bahwa pengetahuan astronomi pada zamannya tidak cukup untuk mengungkapkan sejarah matematika mana yang mungkin dipilih alam semesta. Sekarang para ilmuwan memiliki lebih banyak data, dan telah mempersempit kemungkinan dengan cara yang menegaskan kebenaran matematika Friedmann.

Friedmann tidak hidup untuk melihat kemenangan wawasannya, atau bahkan bukti awal bahwa alam semesta benar-benar mengembang. Dia meninggal pada tahun 1925 karena demam tifoid, pada usia 37 tahun. Tetapi dia meninggal karena mengetahui bahwa dia telah memecahkan rahasia tentang alam semesta lebih dalam daripada yang diduga oleh ilmuwan mana pun sebelumnya. Seperti yang diingat istrinya, dia suka mengutip sebuah kutipan dari Dante: “Perairan yang saya masuki, belum ada yang menyeberang.”

BACA JUGA :  Data Gaia baru melukiskan gambaran paling detail tentang Bima Sakti

Leave a Reply

Your email address will not be published.