Puzzle Terakhir Stephen Hawking pada Teka-teki Lubang Hitam

Sekitar delapan bulan setelah wafatnya Stephen Hawking, rekannya Adrew Strominger dan Malcolm Perry baru menerbitkan paper terakhir yang dikerjakan Hawking di saat-saat sakitnya semakin parah, beberapa minggu sebelum ia wafat. 

Black Hole Entropy and Soft Hair, demikian judul paper terakhir itu. Apa yang hendak dijelaskan, dan seberapa penting paper tersebut untuk penelitian astrofisika lubang hitam di masa selanjutnya?

Dimulai dari tahun 2015, Stephen Hawking bersama dengan Andrew Strominger dan Malcolm Perry mulai menyusun langkah untuk memecahkan permasalahan paradoks informasi (the infromation paradox) lubang hitam. 

Selain itu, dalam paper yang dikerjakan bersama dengan Sasha Haco dari Universitas Cambride juga berusaha merumuskan bagaimana menghitung entropi lubang hitam, dikutip dari The Guardian.

Hawking memikirkan tentang paradoks informasi hampir 45 tahun lamanya. Titik pertama berasal dari Albert Einstein yang pada 1916 memublikasikan teori relativitas umum tentang gravitasi. 

Teori ini adalah penggabungan dari gravitasi Newton dan relativitas khusus. Einstein mengatakan, gravitasi tidak timbul dari gaya, tetapi lebih merupakan manifestasi dari kelengkungan ruang dan waktu. 

Teorema No Hair

(Sumber gambar: Quora.com)

Pakar astrofisika UGM, M. Farchani Rosyid, menjelaskan dalam pandangan Einstein, gravitasi merupakan manifestasi geometri (kelengkungan) ruang dan waktu yang dipadukan sebagai satu kesatuan yang disebut ruang-waktu. Kelengkungan ruang-waktu diakibatkan oleh sebaran materi dan energi. 

Keberadaan materi dan energi yang cukup kompak (memiliki kerapatan sangat tinggi) di suatu titik dalam ruang waktu bisa menimbulkan singularitas ruang-waktu di titik itu, yakni bahwa di titik tersebut kelengkungan ruang waktu menjadi infinite sehingga apa pun akan 'tertarik' masuk ke dalam singularitas itu tanpa dapat keluar darinya, bahkan cahaya sekalipun. Itulah lubang hitam (black hole).

“Objek inilah yang dinamakan sebagai lubang hitam,” katanya saat menjawab wawancara Award News, Minggu (14/10).

Objek tersebut disebut lubang hitam, juga karena kemampuannya untuk menyerap segala yang berada di sekitarnya, termasuk cahaya. Secara teori, lubang hitam memiliki segala ukuran, mulai dari mikroskopik terkecil hingga seukuran dengan alam raya yang bisa diamati.

Farchani Rosyid melanjutkan, interior lubang hitam, tempat ruang-waktu memiliki kelengkungan infinite itu, akan memiliki struktur atau konfigurasi yang sangat kompleks yang menyimpang dari teori-teori fisika yang ada. 

Tetapi, menurut teori relativitas umum Einstein, kompleksitas itu kemungkinan tersembunyi bagi pengamatan dari luar lubang hitam karena kompleksitas itu berada di bawah horizon (cakrawala) lubang hitam.

Dalam kaitan ini, ada teorema yang masyhur disebut teorema 'no hair', bahwa lubang hitam 'tidak punya rambut' yang menyatakan bahwa lubang hitam yang terisolasi dan dalam kesetimbangan bersifat sederhana dan sepenuhnya dapat digambarkan hanya dengan dua hal, yakni massa dan momentum sudut lubang hitam itu.  

Artinya, dua lubang hitam dengan massa yang sama dan momentum sudut yang sama akan memperlihatkan perilaku dan watak yang sama, tidak peduli perbedaan struktur maupun materi penyusun lubang hitam itu. 

“Rambut atau hair dimaksudkan sebagai metafora bagi kompleksitas struktur lubang hitam itu,” kata Fachrani.

Tetapi dalam kenyataan di alam semesta, lubang hitam tidak terisolasi seperti yang diasumsikan di atas. Semisal ada material di sekeliling lubang hitam itu dan ada aliran material yang jatuh ke dalam lubang hitam (akresi), sehingga lubang hitam itu tidak statis dan mengalami deformasi yang berakibat terdeformasinya cakrawala lubang hitam.

Dengan asumsi tertentu teorema 'no hair' telah dibuktikan juga berlaku untuk lubang hitam yang tidak terisolasi. 

Sains dan Pseudo Sains

(Sumber gambar: Pixabay)

Teori sains (termasuk di dalamnya teori fisika) dicirikan oleh kemampuannya memberikan prediksi dan penjelasan. Dua kemampuan ini sangatlah penting. Teori yang tidak memiliki kemampuan semacam itu dipastikan bukan teori sains, tapi pseudo sains. 

Jika informasi tentang keadaan (yakni tentang besaran-besaran fisis) suatu sistem fisis di suatu waktu dan di suatu tempat diketahui, maka teori fisika yang bersifat deterministik (mekanika Newton, gravitasi Newton, gravitasi Einstein, dll.) dapat memberikan prediksi tentang keadaan sistem fisis itu di berbagai tempat dan di sembarang waktu. 

Sementara teori fisika yang under deterministik (mekanika kuantum, mekanika statistik, mekanika stokastik, dll.) dapat memberikan prediksi yang bersifat probabilistik tentang sistem fisis itu di sembarang tempat dan waktu. 

Ada semacam ketakpastian dalam prediksi-prediksi yang diberikan oleh teori-teori fisika semacam ini. Berkenaan dengan kemungkinan berlakunya teorema 'no hair' pada lubang hitam, timbul ketakpastian yang ekstrem dan sangat tidak diharapkan sebab akan menghasilkan kenyataan gugurnya berbagai teori fisika dalam memberikan prediksi. 

Hal ini berarti fisika kehilangan kemampuannya dalam memberikan prediksi dan penjelasan mengenai fenomena alamiah.

Lubang Hitam Memiliki Temperatur

Pada 1974, Hawking menemukan fakta bahwa lubang hitam lebih tepat dipandang sebagai benda hitam sempurna daripada sebagai penyerap sempurna. Benda hitam sempurna dicirikan oleh temperaturnya. 

Jadi, lubang hitam memiliki temperatur dan karenanya lubang hitam memancarkan radiasi termal karena setiap benda yang bertemperatur akan memancarkan radiasi yang disebut radiasi termal. Hal ini berarti lubang hitam akan melepaskan kalor ke angkasa dan pada saatnya lubang hitam akan mengakhiri keberadaannya dengan menguap. 

Akan tetapi hal ini menimbulkan masalah terkait dengan aturan dalam dunia kuantum bahwa informasi tidak akan pernah hilang. Ke mana informasi yang dikandung oleh suatu objek jika objek itu dilempar ke dalam lubang hitam? 

Padahal untuk setiap objek yang dilempar ke dalam lubang hitam, pada akhirnya kita tidak tahu-menahu lagi tentang objek itu, bahkan tentang sifat dasar objek itu. Lebih parah lagi, pada akhirnya lubang hitam yang telah menelan objek-objek itu sendiri akan menguap. Masalah inilah yang dikenal sebagai paradoks informasi.

Setiap objek yang memiliki temperatur akan memiliki entropi, yakni ukuran banyaknya kemungkinan atau cara membentuk suatu objek dari penyusun-penyusunnya sehingga diperoleh objek yang sama atau objek yang memiliki watak yang sama, semisal temperatur yang sama. Rumus Hawking untuk temperatur lubang hitam memungkinnya untuk menghitung entropi lubang hitam itu. 

Pertanyaannya, dari mana entropi ini berasal dan bagaimana entropi ini muncul? Karena semua lubang hitam (dengan massa dan momentum sudut yang sama) terlihat sama, maka persoalan entropi ini berada pada pokok persoalan paradoks informasi.

“Maka pada 2016 Hawking dan kawan-kawannya menemukan bahwa lubang hitam sebenarnya bukan 'gundul' sama sekali, melainkan masih memiliki apa yang mereka sebut 'soft hair'. Penemuan ini berakibat dimungkinkannya untuk menyangsikan atau mempertanyakan keabsahan gagasan bahwa lubang hitam akan menghancurkan hukum-hukum fisika,” jelas Farchani.

Paper terakhir Hawking dan bersama ketiga peneliti lainnya menjelaskan cara menghitung entropi lubang hitam. Mereka menunjukkan bahwa entropi lubang hitam dapat dicatat dengan adanya foton (partikel cahaya) yang menyelimuti cakrawala lubang hitam. 

Foton-foton inilah yang mereka maksudkan sebagai 'soft hair', sehingga pemahaman tentang watak suatu lubang hitam bukan hanya diperoleh dari massa dan momentum sudutnya, melainkan juga dari entropi lubang hitam itu. 

Paper terakhir Hawking sejatinya tidak memecahkan persoalan paradoks informasi, melainkan membuka jalan atau kemungkinan bagi upaya pemecahan masalah paradoks informasi itu.  

Tentu saja masalah paradoks informasi berkaitan erat dengan upaya kita menemukan suatu teori gravitasi yang sejalan atau kompatibel dengan teori kuantum. (Muhammad Aswar / YK-1)