Paradoks Informasi Lubang Hitam

JULI 2004 lalu menjadi bulan bersejarah dunia astrofisika karena Stephen Hawking yang pertama kali mengemukakan teka-teki paradoks lubang hitam menyampaikan perubahan pandangannya. Paradoks informasi yang berumur 30 tahun ini menyatakan bahwa informasi yang masuk lubang hitam akan lenyap bersama lenyapnya lubang hitam.

Tahun 1975, penulis buku terkenal A Brief History of Time ini menyatakan bahwa lubang hitam bisa kehilangan massa dengan radiasi. Saat itu Hawking percaya bahwa benda apa pun yang terjebak dalam gravitasi lubang hitam tidak bisa lagi ditelusuri. Namun, dalam konferensi internasional tentang Relativitas Umum dan Gravitasi ke-17, Juli 2004, Hawking mengumumkan apa yang ia percayai keliru. Menurut dia, informasi yang ditelan lubang hitam mungkin bisa ditelusuri kembali dalam bentuk yang membingungkan. Ini memungkinkan penyatuan teori gravitasi dan mekanika kuantum.

Keunikan lubang hitam

Untuk mengerti dan mengapresiasi pentingnya paradoks informasi ini dalam ilmu fisika harus perlu dipahami apa dan sifat-sifat lubang hitam.

Lubang hitam adalah benda angkasa yang terbentuk sedemikian rupa sehingga memiliki gaya tarik besar sekali. Tidak sesuatu pun dalam jangkauan medan gravitasinya akan terbebas dari gaya tariknya.

Lubang hitam bisa terbentuk dari sebuah bintang tua. Pada bintang-kumpulan gas-gas partikel-terjadi reaksi fusi nuklir pada pusatnya yang memampukan partikel-partikel gas tadi untuk tidak tertarik ke pusat bintang oleh gravitasinya sendiri. Jika bahan bakar reaksi fusi habis, gaya dorong ke luar tidak lagi dihasilkan. Akibatnya, partikel-partikel gas akan tersedot ke pusat gravitasi dan menekan seluruh massa bintang jadi lubang hitam.

Medan gravitasi lubang hitam memiliki lapisan pembatas yang jelas membedakan kedua sisi dari batas tersebut. Membran yang menandai batas point of no return ini dikenal sebagai cakrawala peristiwa.

Misalkan dua pemuda, Agus dan Kocu, mengendarai pesawat antariksa bisa mencapai membran ini. Secara tak sengaja Agus melampaui batas. Dengan kepastian 100 persen Agus akan bergerak makin cepat jatuh ke lubang hitam. Ia memiliki kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Ia tak mungkin memberi syarat dengan kilatan cahaya karena cahaya pun ditarik lubang hitam.

Akibat efek perlambatan waktu pada relativitas khusus, Kocu tidak melihat Agus jatuh semakin cepat, melainkan semakin lambat dan akhirnya berhenti. Lebih aneh lagi Kocu akan melihat tubuh Agus menjadi pipih gepeng akibat efek kontraksi panjang. Dari luar cakrawala peristiwa, Kocu akan melihat lubang hitam seperti tempat sampah penuh barang.

Keunikan lubang hitam lain adalah tidak hitam, melainkan berwarna. Pada paper-nya tahun 1976, Hawking menunjukkan bahwa permukaan cakrawala peristiwa memiliki suhu sekitar 10 biliun derajat. Kondisi ini memungkinkan lubang hitam memancarkan radiasi-disebut radiasi Hawking. Jadi, lubang hitam dapat meluruh sampai massanya hilang.

Radiasi terjadi akibat proses produksi pasangan di cakrawala peristiwa. Dalam teori Dirac, ruang vakum adalah lautan partikel dan anti-partikel yang dari dalam secara virtual mungkin tercipta pasangan partikel dan anti-partikel yang kemudian lenyap jika keduanya menyatu. Jika proses ini terjadi pada daerah cakrawala peristiwa dan salah satu partikel yang tercipta ada dalam cakrawala peristiwa dan yang lain di luar, maka partikel yang di luar akan mungkin lepas sebagai radiasi Hawking.

Letak paradoksnya

Jika informasi benar-benar hilang dalam lubang hitam, maka ada beberapa prinsip mekanika kuantum yang dilanggar. Yang pertama adalah prinsip mikroreversibilitas.

Menurut mekanika kuantum, setiap proses fisis dapat dibalik kejadiannya. Maka informasi akhir bisa digunakan menelusuri informasi awal proses. Lubang hitam adalah sumber irreversibilitas di semesta karena salah satu pasangan partikel yang tercipta pada produksi pasangan berada di luar cakrawala peristiwa tidak mengandung bit informasi tentang apa yang terjadi di sisi dalam cakrawala peristiwa.

Prinsip selanjutnya yang dilanggar adalah unitarity. Propagasi informasi dari keadaan awal ke keadaan akhir secara matematis mengalami evolusi yang unitary. Artinya, fluks dijamin utuh. Menurut Preskill, profesor informasi kuantum di California Institute of Technology (Caltech), yang terjadi pada lubang hitam adalah keadaan awal informasi yang murni berevolusi menjadi keadaan yang bercampur. Keadaan ini melanggar prinsip unitarity.

Lebih parah lagi, prinsip kekekalan energi juga harus dilanggar. Dalam kekekalan energi hilangnya informasi dalam bentuk materi harus diiringi terciptanya energi sangat besar. Jika paradoks ini benar, alam semesta akan bersuhu sekitar 1031 derajat hanya dalam beberapa detik, yang dalam kenyataan tidak terjadi.

Solusi yang menjanjikan

Apa benar informasi yang masuk ke cakrawala peristiwa akan lenyap ditelan lubang hitam? Benarkah pengamatan Agus dari dalam cakrawala peristiwa berbeda dengan pengamatan Kocu di luarnya? Ataukah keduanya saling melengkapi sehingga obyek yang jatuh ke dalam lubang hitam akan terurai secara termal dan energinya disebarkan merata ke permukaan cakrawala peristiwa dan ke luar dalam bentuk radiasi Hawking?

Kemungkinan pemecahan teka-teki ini datang dari teori fisika yang kini berkembang pesat: teori string (dawai). Dua fisikawan besar yang bekerja pada bidang ini: Leonard Susskind dari Amerika dan Gerald t'Hooft dari Belanda membuat postulat baru yang digabungkan dengan postulat pada teori relativitas. Postulat ini dikenal dengan prinsip complementarity pada lubang hitam.

Dengan prinsip complementarity, teori dawai punya cara untuk menjelaskan bahwa informasi yang masuk lubang hitam tidak hilang melainkan diduplikasikan ke permukaan cakrawala peristiwa. Misalkan sebuah atom jatuh ke lubang hitam. Karena atom ini mengalami percepatan yang tinggi sekali, maka yang tampak pertama kali adalah inti atom yang dikelilingi oleh awan elektron kabur. Semakin mendekati lubang hitam, gerak elektron akan semakin lambat dan akibatnya elektron akan semakin terlihat jelas. Beberapa saat berikutnya munculah partikel penyusun inti, proton dan neutron, diikuti quark.

Pada bagian ini teori dawai melengkapi penjelasan yang hilang sebelumnya. Teori dawai percaya bahwa bahan penyusun materi yang fundamental bukanlah quark melainkan dawai yang berukuran 1/1.020 kali ukuran proton.

Dawai digambarkan seperti sehelai karet yang bisa bergetar. Frekuensi getarannya bisa bersuperposisi dengan sesamanya dan mode getaran yang berbeda menghasilkan partikel-partikel elementer berbeda pula. Jika frekuensi tinggi yang dimiliki kawat berhenti, kawat semakin melar.

Dalam gambaran atom, setelah quark muncullah kumpulan dawai penyusun atom sesungguhnya dan dalam waktu singkat kumpulan dawai akan melar lalu memenuhi permukaan cakrawala peristiwa. Ini berlaku untuk semua materi yang masuk lubang hitam.

Jadi bagi Agus yang jatuh ke dalam lubang hitam, ia tidak melihat perubahan selain kemusnahan dirinya dan obyek-obyek lain dalam lubang hitam. Sementara bagi Kocu, ia sama sekali tidak melihat bahwa informasi yang masuk hilang melainkan tersebar pada permukaan cakrawala peristiwa. Inilah keunggulan prinsip complementarity.

Meskipun sulit dibuktikan secara eksperimen, banyak kelompok teori dari universitas ternama seperti Harvard, Princeton, dan MIT di AS telah mengonfirmasikan hasil perhitungan mereka dengan menggunakan prinsip baru ini.

Sumber : Agung Waluyo (The Center for Nuclear Studies GWU Washington DC)

@ Kompas (12 Oktober 2004) dengan beberapa perubahan.

  

Lubang Hitam Edisi revisi 

London - Setelah hampir selama 30 tahun berkeyakinan bahwa lubanghitam (black hole) menelan dan menghancurkan segala sesuatu yangterperangkap di dalamnya, fisikawan antariksa Stephen Hawking berubah pikiran. Penulis buku Brief History of Time itu mengaku telah salah meletakkan argumen kunci tentang perilaku lubang hitam itu.

Informasi-informasi yang ada dalam lubang hitam itu ternyata memungkinkan untuk melepaskan diri. Temuan barunya itu bahkan dapat membantu memecahkan paradoks informasi di lubang hitam yang selama ini menjadi teka-teki besar dalam fisika modern.

"Saya telah memikirkan permasalahan ini selama 30 tahun terakhir, dan saya kira kini saya telah memiliki jawabannya," kata matematikawan cacat amyothropic lateral sclerosis dari Universitas Cambridge itu.

"Sebuah lubang hitam hanya muncul untuk membentuk diri tetapi belakangan membuka diri, dan melepaskan informasi tentang apa yang telah terjatuh ke dalamnya. Jadi, kita dapat memastikan tentang masa lalu dan mempediksikan yang akan datang".

Profesor Hawking belum mau mengungkap perhitungan detil matematika di balik pemikiran terbarunya itu. Tetapi beberapa poin telah dibocorkannya dalam sebuah seminar di Universitas Cambridge. Temuan-temuan revisi itu rencananya baru akan dibeberkan Hawking dalam Konferensi Internasional ke-17 tentang Gravitasi dan Relativitas Umum di Dublin, Irlandia, 21 Juli mendatang.

Curt Cutler, dari Albert Einstein Institute di Golm, Jerman, yang akan memimpin konferensi di Dublin, membenarkan bahwa Hawking telah meminta waktu khusus kepada dirinya menjelang akhir persiapan konferensi, "Dia mengirimkan catatan yang mengatakan,'Saya telah memecahkan paradoks informasi lubang hitam dan saya ingin mendiskusikannya'", ungkap Cutler.

Apa yang tepatnya terjadi di dalam sebuah lubang hitam-sebuah zona di ruang angkasa tempat bahan-bahan terpadatkan hingga ke sebuah ukuran event horizon yang bahkan cahaya pun tidak dapat meloloskan diri dari gaya tarik gravitasinya-belum dapat dijawab oleh para ilmuwan.

Hawking, 62 tahun, telah menghabiskan sebagian besar masa hidupnya untuk mempelajari pertanyaan-pertanyaan seputar itu semua.

Pada awalnya, para ahli kosmologi meyakini lubang-lubang perangkap galaktik itu mirip dengan sebuah vacuum cleaner kosmik yang menghisap segala kotoran ke dalamnya.

Pada 1976, Hawking melakukan studi revolusioner. Dia mendemonstrasikan bahwa di dalam ketentuan-ketentuan yang unik dari fisika kuantum, begitu lubang-lubang hitam itu membentuk diri, akan dimulai suatu proses "penguapan", meradiasikan energi dan kehilangan massa. Berdasarkan teorinya, lubang-lubang hitam itu sebenarnya tidak sepenuhnya "hitam" karena kondisi vakum dari bintang yang meluruh hanya membebaskan sangat sedikit bahan dan energi dalam bentuk foton-foton, neutrino-neutrino, dan sub-partikel lainnya.

Dengan menyimpulkan semua itu ke dalam apa yang dinamakannya "radiasi Hawking" matematikawan yang menggantungkan hidupnya di atas kursi roda itu juga sekaligus menciptakan teka-teki terbesar dalam dunia fisika. Partikel-partikel ini, kata dia, tidak mengandung informasi tentang apa yang telah terjadi di dalam lubang hitam, atau tentang bagaimana lubang itu terbentuk. Begitu lubang hitam menguap, seluruh informasi di dalamnya akan hilang.

Tetapi kini, berdasarkan revisinya yang terbaru, Hawking berpendapat, sebenarnya beberapa informasi tentang hitam dapat ditentukan lewat apa yang diemisikan dari lubang itu.

Informasi mengandung konsekuensi-konsekuensi filosofis dan praktikal penting. "Kita tidak akan pernah dapat meyakini secara pasti tentang masa lalu atau memprediksi masa depan", kata dia. "Banyak orang ingin meyakini bahwa informasi melepaskan diri dari lubang-lubang hitam, tetapi mereka sendiri tidak tahu bagaimana caranya informasi itu dapat keluar".

Jika memang Hawking sukses dengan teori barunya itu, dia akan kalah taruhan yang dibuatnya bersama fisikawan teori asal California Institute of Technology, Kip Thorne, melawan John Preskill ilmuwan yang juga asal Caltech. Taruhan berbunyi: informasi yang ditelan oleh sebuah lubang hitam akan selamanya tersembunyi dan tidak akan pernah terungkap. Preskill bertaruh menentang teori itu dan dengan demikian berhak atas hadiah sebuah ensiklopedia dari lawan-lawannya.

Meski begitu, di luar kalah-menang pertaruhan, revisi yang akan dilakukan oleh Hawking membuktikan bentangan jagat raya masih menjadi misteri besar yang sangat gelap bagi manusia di bumi.

Bagaimana Lubang Hitam Terbentuk ?

Lubang hitam muncul ketika sebuah bintang yang besar dan padat (masif, berukuran 8-100 kali massa matahari) di sebuah supernova meredup dan mati dengan membakar seluruh tenaga nuklirnya. Gaya gravitasi menarik berat maha besar dari lapisan-lapisan luar bintang itu untuk ikut meluruh ke arah inti.

"Permukaan" dari sebuah lubang hitam disebut dengan sebuah event horizon. Hancurnya gaya gravitasi menjadikan hampir seluruh cahaya tidak dapat melepaskan diri dan tidak ada satu pun informasi dari permukaan itu yang berhasil lolos.

Sama halnya dengan figur kartun Cheshire Cat yang muncul lalu menghilang dalam gelap dengan hanya meninggalkan senyumnya, sebuah lubang hitam mewakili bahan-bahan yang hanya meninggalkan gravitasinya saja.

Sebagian kalangan berpikir banyak lubang hitam kecil terbentuk di awal mula pembentukan jagat raya, Big Bang. Ada kemungkinan galaksi kita juga memiliki berlimpah lubang hitam mini. Pada prinsipnya, lubang hitam memiliki massa yang berbeda-beda. Lubang hitam yang terbentuk melalui kematian bintang-bintang sedikitnya memiliki massa dua kali daripada massa matahari kita. Tetapi kerapatannya bisa semiliar kali lebih padat daripada matahari kita. Tidak seperti benda-benda pada umumnya, seperti bebatuan, yang secara kasar memiliki ukuran proporsional dengan akar persegi massa, lubang-lubang hitam memiliki proporsi radial terhadap massanya.

Secara virtual, bintang biasanya mati dan menghilang dari jagat raya ke bentuk sebuah titik dengan kerapatan yang tidak terbatas (event horizon) dimana hukum-hukum relativitas umum yang biasanya berlaku untuk ruang dan waktu luluh. Hukum-hukum fisika kuantum menyatakan, informasi-informasi itu tidak mungkin hilang sepenuhnya.

Namun, Hawking dan teman-temannya berpendapat medan gravitasi ekstrim dari lubang hitam dapat menjadi pengecualian dari hukum-hukum itu.

Radius sebuah lubang hitam (R_s) = 2 (M G)/v². Dimana M adalah massa lubang hitam, G adalah konstanta gravitasi, dan v adalah kecepatan yang dibutuhkan suatu objek untuk menghindar dari gaya tarik gravitasi. Untuk kasus lubang hitam, v adalah c atau kecepatan cahaya.

Sumber : Koran Tempo (19 Juli 2004)