Pahlawan era Soviet: sejarah seorang pekerja Georgy Aleksandrovich Kalinyak (1910-09/14/1989) Lahir pada tahun 1910 di Grodno. Pada tahun 1927 ia lulus dari kelas 7 sekolah menengah Vitebsk. Sejak 1928 ia tinggal di Leningrad. Pada tahun 1928 ia mulai bekerja di artel Kozhmetalloshtamp sebagai operator pers, kemudian dari tahun 1929 hingga

P. Soldatenkov - “Kisah Cinta, Kisah Penyakit” Tidak ada yang lebih membosankan daripada membicarakan penyakit orang lain dan percabulan orang lain. Anna Akhmatova Saya tidak suka jika orang-orang kreatif terhormat membicarakan cara dia minum. Saya mengerti bahwa dia sedang minum, tetapi mereka mengedepankannya

Stephen Hawking

SEJARAH SINGKAT WAKTU:

DARI BIG BANG SAMPAI LUBANG HITAM

© Stephen Hawking, 1988, 1996

© AST Publishing House LLC, 2019 (desain, terjemahan ke dalam bahasa Rusia)

Kata pengantar

Saya tidak menulis kata pengantar untuk edisi pertama A Brief History of Time. Carl Sagan melakukannya. Sebaliknya, saya menambahkan bagian pendek berjudul “Ucapan Terima Kasih,” yang mana saya didorong untuk mengungkapkan rasa terima kasih saya kepada semua orang. Benar, beberapa yayasan amal yang mendukung saya tidak begitu senang saya menyebutkannya - mereka menerima lebih banyak lamaran.

Saya rasa tidak seorang pun - baik penerbit, agen saya, bahkan saya sendiri - tidak mengharapkan buku ini sukses. Itu berhasil masuk dalam daftar buku terlaris surat kabar London. Waktu Minggu sebanyak 237 minggu - ini lebih banyak dari buku lainnya (tentu saja, tidak termasuk Alkitab dan karya Shakespeare). Itu telah diterjemahkan ke dalam sekitar empat puluh bahasa dan dijual dalam jumlah besar - untuk setiap 750 penduduk bumi, pria, wanita dan anak-anak, ada sekitar satu salinan. Seperti yang dicatat oleh Nathan Myhrvold dari firma tersebut Microsoft(ini mantan mahasiswa pascasarjana saya), saya telah menjual lebih banyak buku tentang fisika daripada Madonna yang menjual buku tentang seks.

Keberhasilan A Brief History of Time membuat orang-orang sangat tertarik dengan pertanyaan mendasar tentang dari mana kita berasal dan mengapa alam semesta seperti yang kita ketahui.

Saya memanfaatkan kesempatan yang diberikan kepada saya untuk melengkapi buku ini dengan data observasi dan hasil teoritis yang lebih baru yang diperoleh setelah penerbitan edisi pertama (1 April 1988, pada Hari April Mop). Saya telah menambahkan bab baru tentang lubang cacing dan perjalanan waktu. Tampaknya teori relativitas umum Einstein memungkinkan adanya kemungkinan menciptakan dan memelihara lubang cacing—terowongan kecil yang menghubungkan berbagai wilayah ruang-waktu. Dalam hal ini, kita dapat menggunakannya untuk bergerak cepat di sekitar Galaksi atau melakukan perjalanan kembali ke masa lalu. Tentu saja, kita belum pernah bertemu satu pun alien dari masa depan (atau mungkin pernah?), tapi saya akan mencoba menebak apa penjelasannya.

Saya juga akan membahas kemajuan terkini dalam pencarian “dualitas”, atau korespondensi, antara teori fisika yang tampaknya berbeda. Kesesuaian ini merupakan bukti serius yang mendukung keberadaan teori fisika terpadu. Namun mereka juga berpendapat bahwa teori tersebut mungkin tidak dirumuskan secara konsisten dan mendasar. Sebaliknya, dalam situasi yang berbeda seseorang harus puas dengan “refleksi” yang berbeda dari teori yang mendasarinya. Begitu pula kita tidak bisa menggambarkan seluruh permukaan bumi secara detail dalam satu peta dan terpaksa menggunakan peta yang berbeda untuk wilayah yang berbeda. Teori seperti itu akan menjadi revolusi dalam gagasan kita tentang kemungkinan menyatukan hukum alam.

Namun, hal ini sama sekali tidak mempengaruhi hal yang paling penting: Alam Semesta tunduk pada serangkaian hukum rasional yang dapat kita temukan dan pahami.

Sedangkan dari aspek observasi, pencapaian terpenting di sini tentu saja adalah pengukuran fluktuasi radiasi latar gelombang mikro kosmik dalam kerangka proyek. COBE(Bahasa inggris) Penjelajah Latar Belakang Kosmik –"Peneliti Radiasi Latar Belakang Kosmik") 1
Fluktuasi, atau anisotropi, radiasi latar gelombang mikro kosmik pertama kali ditemukan oleh proyek Relik Soviet. – Catatan ilmiah ed.

Dan lain-lain. Fluktuasi ini, pada hakikatnya, adalah “meterai” penciptaan. Kita berbicara tentang ketidakhomogenan yang sangat kecil di alam semesta awal, yang sebenarnya cukup homogen. Selanjutnya, mereka berubah menjadi galaksi, bintang, dan struktur lain yang kita amati melalui teleskop. Bentuk fluktuasi tersebut sesuai dengan prediksi model Alam Semesta yang tidak memiliki batas arah waktu imajiner. Namun untuk lebih memilih model yang diusulkan daripada kemungkinan penjelasan lain atas fluktuasi CMB, diperlukan observasi baru. Dalam beberapa tahun akan menjadi jelas apakah Alam Semesta kita dapat dianggap tertutup sepenuhnya, tanpa awal dan akhir.

Stephen Hawking

Bab pertama. Gambaran kita tentang Alam Semesta

Suatu hari seorang ilmuwan terkenal (kata mereka Bertrand Russell) memberikan kuliah umum tentang astronomi. Dia berbicara tentang bagaimana Bumi bergerak dalam orbit mengelilingi Matahari dan bagaimana Matahari, pada gilirannya, bergerak dalam orbit mengelilingi pusat gugusan besar bintang yang disebut Galaksi kita. Ketika ceramah berakhir, seorang wanita tua bertubuh kecil di barisan belakang hadirin berdiri dan berkata: “Semua yang dikatakan di sini adalah omong kosong belaka. Dunia ini bagaikan lempengan datar di punggung kura-kura raksasa." Ilmuwan itu tersenyum merendahkan dan bertanya: “Di atas apa kura-kura itu berdiri?” “Anda adalah seorang pemuda yang sangat cerdas, sangat cerdas,” jawab wanita itu. “Seekor kura-kura berdiri di atas kura-kura lain, dan kura-kura itu berdiri di atas kura-kura berikutnya, dan seterusnya tanpa batas!”

Sebagian besar orang akan menganggap konyol jika mencoba menyamarkan Alam Semesta kita sebagai menara penyu yang tingginya tak terhingga. Tapi mengapa kita begitu yakin bahwa gagasan kita tentang dunia lebih baik? Apa yang sebenarnya kita ketahui tentang Alam Semesta dan bagaimana kita mengetahui semua ini? Bagaimana asal usul alam semesta? Apa masa depannya? Apakah Alam Semesta mempunyai permulaan, dan jika demikian, apa yang terjadi sebelum itu? Apa sifat waktu? Akankah ini berakhir? Apakah mungkin untuk kembali ke masa lalu? Beberapa pertanyaan lama ini terjawab melalui terobosan-terobosan terkini di bidang fisika, sebagian berkat munculnya teknologi-teknologi baru yang fantastis. Suatu saat kita akan menemukan pengetahuan baru yang sejelas fakta bahwa Bumi berputar mengelilingi Matahari. Atau mungkin sama absurdnya dengan gagasan tentang menara penyu. Hanya waktu (apapun itu) yang akan menjawabnya.

Dahulu kala, 340 tahun SM, filsuf Yunani Aristoteles menulis sebuah risalah “Di Surga”. Di dalamnya, ia mengemukakan dua bukti yang meyakinkan bahwa bumi itu bulat dan sama sekali tidak datar seperti piring. Pertama, ia menyadari bahwa penyebab gerhana bulan adalah lintasan Bumi antara Matahari dan Bulan. Bayangan Bumi terhadap Bulan selalu berbentuk bulat, dan hal ini hanya mungkin terjadi jika Bumi juga bulat. Jika Bumi berbentuk seperti piringan datar, bayangannya biasanya berbentuk elips; Ia akan berbentuk bulat hanya jika Matahari saat gerhana terletak tepat di bawah pusat piringan tersebut. Kedua, orang Yunani kuno mengetahui dari pengalaman perjalanan mereka bahwa di selatan Bintang Utara terletak lebih dekat ke cakrawala dibandingkan jika diamati di daerah yang terletak di utara. (Karena Bintang Utara terletak di atas Kutub Utara, maka pengamat di Kutub Utara melihatnya langsung di atas, dan pengamat di dekat ekuator melihatnya tepat di atas cakrawala.) Selain itu, Aristoteles, berdasarkan perbedaan posisi semu bintang Bintang Utara selama pengamatan di Mesir dan Yunani, mampu memperkirakan keliling bumi sebesar 400.000 stadia. Kita tidak tahu persis berapa satu stade yang sama, tetapi jika kita berasumsi bahwa panjangnya sekitar 180 meter, maka perkiraan Aristoteles adalah sekitar dua kali lipat dari nilai yang diterima saat ini. Orang Yunani juga memiliki argumen ketiga yang mendukung bentuk bumi yang bulat: bagaimana lagi menjelaskan mengapa, ketika sebuah kapal mendekati pantai, pertama-tama hanya layarnya yang terlihat, baru kemudian lambung kapalnya?

Aristoteles percaya bahwa Bumi tidak bergerak, dan juga percaya bahwa Matahari, Bulan, planet-planet, dan bintang-bintang berputar dalam orbit melingkar mengelilingi Bumi. Ia berpedoman pada pertimbangan mistik: Bumi, menurut Aristoteles, adalah pusat alam semesta, dan gerak melingkar adalah yang paling sempurna. Pada abad ke-2 M, Ptolemeus membangun model kosmologis komprehensif berdasarkan gagasan ini. Di pusat Alam Semesta adalah Bumi, dikelilingi oleh delapan bola berputar yang bersarang, dan di atas bola-bola ini terdapat Bulan, Matahari, bintang-bintang, dan lima planet yang dikenal pada waktu itu - Merkurius, Venus, Mars, Jupiter, dan Saturnus (Gbr. 2). 1.1). Setiap planet bergerak relatif terhadap bolanya dalam lingkaran kecil - untuk menggambarkan lintasan yang sangat kompleks dari tokoh-tokoh di langit ini. Bintang-bintang terpaku pada bola luar, dan oleh karena itu posisi relatifnya tetap tidak berubah, konfigurasinya berputar di langit sebagai satu kesatuan. Gagasan tentang apa yang terletak di luar lingkup luar masih sangat kabur, namun tentu saja terletak di luar bagian Alam Semesta yang dapat diakses oleh umat manusia untuk diamati.

Model Ptolemy memungkinkan untuk memprediksi secara akurat posisi tokoh-tokoh di langit. Namun untuk mencapai kesepakatan antara prediksi dan observasi, Ptolemy harus berasumsi bahwa jarak Bulan ke Bumi pada waktu yang berbeda bisa berbeda dua kali lipat. Artinya, ukuran Bulan yang terlihat terkadang harus dua kali lebih besar dari biasanya! Ptolemeus sadar akan kekurangan sistemnya ini, namun hal ini tidak menghalangi pengakuan yang hampir bulat atas gambarannya tentang dunia. Gereja Kristen menerima sistem Ptolemeus karena mereka menganggapnya konsisten dengan Kitab Suci: ada banyak ruang untuk surga dan neraka di luar lingkup bintang tetap.

Namun pada tahun 1514, pendeta Polandia Nicolaus Copernicus mengusulkan model yang lebih sederhana. (Namun, pada awalnya, karena takut dituduh sesat oleh gereja, Copernicus menyebarkan gagasan kosmologisnya secara anonim.) Copernicus mengusulkan bahwa Matahari tidak bergerak dan terletak di pusat, dan Bumi serta planet-planet bergerak mengelilinginya dalam orbit melingkar. Butuh waktu hampir satu abad agar gagasan ini ditanggapi dengan serius. Dua astronom, Johannes Kepler dari Jerman dan Galileo Galilei dari Italia, termasuk orang pertama yang secara terbuka mendukung teori Copernicus, meskipun faktanya lintasan benda langit yang diprediksi oleh teori ini tidak persis sama dengan yang diamati. Pukulan terakhir terhadap sistem dunia Aristoteles dan Ptolemy dilakukan oleh peristiwa tahun 1609 - kemudian Galileo mulai mengamati langit malam melalui teleskop yang baru ditemukan. 2
Teleskop sebagai spotting scope pertama kali ditemukan oleh pembuat kacamata Belanda Johann Lippershey pada tahun 1608, namun Galileo adalah orang pertama yang mengarahkan teleskop ke langit pada tahun 1609 dan menggunakannya untuk observasi astronomi. – Catatan terjemahan

Melihat planet Jupiter, Galileo menemukan beberapa bulan kecil yang mengorbit di sekitarnya. Oleh karena itu, tidak semua benda langit berputar mengelilingi bumi, seperti yang diyakini Aristoteles dan Ptolemy. (Tentu saja, seseorang dapat terus menganggap Bumi tidak bergerak dan terletak di pusat Alam Semesta, dengan meyakini bahwa satelit-satelit Yupiter bergerak mengelilingi Bumi dalam lintasan yang sangat rumit sehingga mirip dengan revolusinya mengelilingi Yupiter. Namun tetap saja, Teori Copernicus jauh lebih sederhana.) Kira-kira pada saat yang sama, Kepler mengklarifikasi teori Copernicus, dengan menyatakan bahwa planet-planet tidak bergerak dalam orbit melingkar, tetapi dalam orbit elips (yaitu memanjang), sehingga kesepakatan dapat dicapai antara prediksi teori dan observasi.

Benar, Kepler menganggap elips hanya sebagai trik matematika, dan sangat menjijikkan, karena elips adalah bangun yang kurang sempurna dibandingkan lingkaran. Kepler menemukan, hampir secara tidak sengaja, bahwa orbit elips menggambarkan pengamatan dengan baik, namun ia tidak dapat menyelaraskan asumsi orbit elips dengan gagasannya tentang gaya magnet sebagai penyebab pergerakan planet mengelilingi Matahari. Alasan pergerakan planet-planet mengelilingi Matahari terungkap jauh kemudian, pada tahun 1687, oleh Sir Isaac Newton dalam risalahnya “Prinsip Matematika Filsafat Alam” - mungkin karya fisika paling penting yang pernah diterbitkan. Dalam karyanya ini, Newton tidak hanya mengemukakan teori yang menjelaskan pergerakan benda dalam ruang dan waktu, tetapi juga mengembangkan peralatan matematika kompleks yang diperlukan untuk menggambarkan pergerakan tersebut. Selain itu, Newton merumuskan hukum gravitasi universal, yang menyatakan bahwa setiap benda di Alam Semesta tertarik ke benda lain dengan gaya yang semakin besar, semakin besar massa benda tersebut dan semakin kecil jarak antar benda yang berinteraksi. Ini adalah gaya yang sama yang menyebabkan benda jatuh ke tanah. (Cerita bahwa gagasan Newton tentang hukum gravitasi universal diilhami oleh sebuah apel yang jatuh di kepalanya kemungkinan besar hanyalah sebuah fiksi. Newton hanya mengatakan bahwa gagasan itu datang kepadanya ketika dia "dalam suasana hati kontemplatif" dan sedang "di bawah pengaruh jatuhnya sebuah apel.") Newton menunjukkan bahwa, menurut hukum yang dirumuskannya, di bawah pengaruh gravitasi, Bulan harus bergerak dalam orbit elips mengelilingi Bumi, dan Bumi serta planet-planet harus bergerak dalam orbit elips mengelilingi Matahari.

Model Copernicus menghilangkan kebutuhan akan bola Ptolemeus, dan menghilangkan asumsi bahwa Alam Semesta memiliki semacam batas eksternal alami. Karena bintang-bintang “tetap” tidak menunjukkan pergerakan apa pun selain pergerakan harian umum di langit yang disebabkan oleh perputaran Bumi pada porosnya, wajar untuk berasumsi bahwa bintang-bintang ini adalah benda yang sama dengan Matahari kita, hanya saja letaknya lebih jauh. jauh.

Newton menyadari bahwa menurut teori gravitasinya, bintang-bintang harus saling tarik menarik dan oleh karena itu, tampaknya, tidak dapat tetap diam. Mengapa mereka tidak mendekat dan berkumpul di satu tempat? Dalam suratnya kepada pemikir terkemuka lainnya pada masanya, Richard Bentley, yang ditulis pada tahun 1691, Newton berpendapat bahwa mereka akan menyatu dan berkelompok hanya jika jumlah bintang yang terkonsentrasi di wilayah ruang terbatas terbatas. Dan jika jumlah bintang tidak terbatas dan tersebar kurang lebih merata di ruang angkasa tanpa batas, maka hal ini tidak akan terjadi karena tidak adanya titik pusat yang jelas di mana bintang-bintang dapat “jatuh”.

Ini adalah salah satu jebakan yang muncul ketika memikirkan tentang ketidakterbatasan. Di Alam Semesta yang tak terbatas, titik mana pun dapat dianggap sebagai pusatnya, karena di setiap sisinya terdapat bintang yang jumlahnya tak terhingga. Pendekatan yang benar (yang terjadi kemudian) adalah memecahkan masalah dalam kasus terbatas di mana bintang-bintang saling jatuh, dan mempelajari bagaimana hasilnya berubah ketika menambahkan bintang-bintang ke konfigurasi yang terletak di luar wilayah yang dipertimbangkan dan didistribusikan lebih atau kurang merata. Menurut hukum Newton, rata-rata, bintang-bintang tambahan dalam agregat seharusnya tidak berpengaruh pada bintang-bintang asli, dan oleh karena itu bintang-bintang dengan konfigurasi asli ini akan tetap saling bertabrakan dengan cepat. Jadi, berapa pun banyak bintang yang Anda tambahkan, bintang-bintang itu akan tetap saling bertumpukan. Sekarang kita tahu bahwa mustahil mendapatkan model alam semesta yang stasioner tak terhingga yang gaya gravitasinya hanya bersifat “menarik”.

Hal ini mengungkapkan banyak hal tentang atmosfir intelektual sebelum awal abad ke-20 sehingga tidak seorang pun memikirkan skenario yang menurutnya Alam Semesta dapat berkontraksi atau mengembang. Konsep Alam Semesta yang diterima secara umum adalah bahwa alam semesta selalu ada dalam bentuk yang tidak berubah, atau bahwa alam semesta telah diciptakan pada suatu saat di masa lalu - dalam bentuk yang kita amati sekarang. Hal ini mungkin disebabkan oleh fakta bahwa orang-orang cenderung percaya pada kebenaran abadi. Setidaknya perlu diingat bahwa penghiburan terbesar datang dari pemikiran bahwa meskipun kita semua menjadi tua dan mati, Alam Semesta adalah abadi dan tidak berubah.

Bahkan ilmuwan yang memahami bahwa, menurut teori gravitasi Newton, Alam Semesta tidak mungkin statis, tidak berani menyatakan bahwa alam semesta bisa mengembang. Sebaliknya, mereka mencoba menyesuaikan teorinya sehingga gaya gravitasi menjadi tolak menolak dalam jarak yang sangat jauh. Asumsi ini tidak mengubah prediksi pergerakan planet secara signifikan, namun memungkinkan jumlah bintang yang tak terhingga tetap berada dalam keadaan seimbang: gaya tarik-menarik dari bintang-bintang terdekat diseimbangkan oleh gaya tolak-menolak dari bintang-bintang yang lebih jauh. Sekarang diyakini bahwa keadaan keseimbangan seperti itu pasti tidak stabil: segera setelah bintang-bintang di wilayah mana pun semakin dekat satu sama lain, daya tarik timbal balik mereka akan meningkat dan melampaui gaya tolak-menolak, akibatnya bintang-bintang akan terus bergerak. jatuh satu sama lain. Di sisi lain, jika bintang-bintang hanya berjarak sedikit satu sama lain, gaya tolak menolak akan mengalahkan gaya tarik menarik dan bintang-bintang akan terbang terpisah.

Keberatan lain terhadap konsep alam semesta statis tak terbatas biasanya dikaitkan dengan nama filsuf Jerman Heinrich Olbers, yang mempublikasikan alasannya mengenai hal ini pada tahun 1823. Faktanya, banyak orang sezaman dengan Newton yang menaruh perhatian pada masalah ini, dan makalah Olbers bukanlah makalah pertama yang menyajikan argumen kuat yang menentang konsep semacam itu. Namun, ini adalah yang pertama mendapat pengakuan luas. Faktanya adalah bahwa di alam semesta statis yang tak terbatas, hampir semua sinar penglihatan seharusnya berhenti di permukaan suatu bintang, dan oleh karena itu seluruh langit harus bersinar seterang Matahari, bahkan di malam hari. Argumen tandingan Olbers adalah bahwa cahaya dari bintang-bintang jauh harus dilemahkan oleh penyerapan materi antara kita dan bintang-bintang tersebut. Namun kemudian zat ini akan memanas dan bersinar seterang bintang itu sendiri. Satu-satunya cara untuk menghindari kesimpulan bahwa kecerahan seluruh langit sebanding dengan kecerahan Matahari adalah dengan berasumsi bahwa bintang-bintang tidak bersinar selamanya, tetapi “menyala” beberapa waktu yang lalu. Dalam hal ini, zat penyerap tidak akan sempat memanas atau cahaya bintang yang jauh tidak akan sempat mencapai kita. Jadi, kita sampai pada pertanyaan tentang alasan mengapa bintang-bintang bersinar.

Tentu saja, manusia sudah membicarakan asal mula alam semesta jauh sebelum ini. Dalam banyak gagasan kosmologis awal, serta dalam gambaran dunia Yahudi, Kristen, dan Muslim, Alam Semesta muncul pada waktu tertentu dan tidak terlalu lama di masa lalu. Salah satu argumen yang mendukung permulaan seperti itu adalah perasaan perlunya suatu sebab pertama yang dapat menjelaskan keberadaan Alam Semesta. (Dalam alam semesta itu sendiri, peristiwa apa pun yang terjadi di dalamnya dijelaskan sebagai akibat dari peristiwa lain yang lebih awal; keberadaan alam semesta itu sendiri hanya dapat dijelaskan dengan cara ini dengan berasumsi bahwa ia mempunyai semacam permulaan.) Argumen lainnya adalah diungkapkan oleh Aurelius Augustine, atau St. Augustine, dalam karya “On the City of God.” Dia mencatat bahwa peradaban sedang berkembang dan kita ingat siapa yang melakukan tindakan ini atau itu atau menemukan mekanisme ini atau itu. Akibatnya, manusia, dan mungkin Alam Semesta, tidak mungkin ada dalam jangka waktu yang lama. St Agustinus percaya, sesuai dengan Kitab Kejadian, bahwa Alam Semesta diciptakan kira-kira 5000 tahun sebelum kelahiran Kristus. (Menariknya, ini mendekati akhir Zaman Es terakhir – sekitar 10.000 SM – yang oleh para arkeolog dianggap sebagai awal peradaban.)

Sebaliknya, Aristoteles, seperti halnya sebagian besar filsuf Yunani kuno, tidak menyukai gagasan penciptaan dunia, karena berasal dari campur tangan ilahi. Mereka percaya bahwa umat manusia dan dunia selalu ada dan akan ada selamanya. Para pemikir zaman dahulu juga memahami argumen di atas tentang kemajuan peradaban dan membantahnya: mereka menyatakan bahwa umat manusia secara berkala kembali ke tahap permulaan peradaban di bawah pengaruh banjir dan bencana alam lainnya.

Pertanyaan tentang apakah alam semesta mempunyai permulaan dalam waktu dan apakah alam semesta terbatas dalam ruang juga diajukan oleh filsuf Immanuel Kant dalam karya monumentalnya (walaupun sangat sulit dipahami) “Critique of Pure Reason,” yang diterbitkan pada tahun 1781. Kant menyebut pertanyaan-pertanyaan ini sebagai antinomi (yaitu, kontradiksi) dari nalar murni karena ia merasa bahwa terdapat argumen-argumen yang sama kuatnya untuk tesis – yaitu, bahwa Alam Semesta memiliki permulaan – dan antitesis, yaitu, bahwa Alam Semesta memiliki permulaan. selalu ada. Untuk membuktikan tesisnya, Kant mengutip alasan berikut: jika Alam Semesta tidak memiliki permulaan, maka peristiwa apa pun pasti didahului oleh waktu yang tidak terbatas, yang menurut sang filsuf, tidak masuk akal. Untuk mendukung antitesis ini, dikemukakan pertimbangan bahwa jika Alam Semesta mempunyai permulaan, maka pasti telah berlalu waktu yang tak terbatas sebelumnya, dan tidak jelas mengapa Alam Semesta muncul pada momen waktu tertentu. Intinya, pembenaran Kant terhadap tesis dan antitesis hampir sama. Dalam kedua kasus tersebut, alasannya didasarkan pada asumsi implisit sang filsuf bahwa waktu terus berlanjut hingga masa lalu tanpa batas, terlepas dari apakah Alam Semesta selalu ada. Seperti yang akan kita lihat, konsep waktu tidak mempunyai makna sampai lahirnya Alam Semesta. St Agustinus adalah orang pertama yang memperhatikan hal ini. Ia ditanya, “Apa yang Tuhan lakukan sebelum Dia menciptakan dunia?” dan Agustinus tidak membantah bahwa Tuhan sedang mempersiapkan neraka bagi mereka yang menanyakan pertanyaan seperti itu. Sebaliknya, ia mendalilkan bahwa waktu adalah milik dunia ciptaan Tuhan dan sebelum permulaan alam semesta, waktu tidak ada.

Ketika kebanyakan orang menganggap alam semesta secara keseluruhan bersifat statis dan tidak berubah, pertanyaan apakah alam semesta mempunyai permulaan lebih merupakan persoalan metafisika atau teologi. Gambaran dunia yang diamati juga dapat dijelaskan baik dalam kerangka teori bahwa Alam Semesta selalu ada, dan berdasarkan asumsi bahwa alam semesta digerakkan pada waktu tertentu, tetapi sedemikian rupa sehingga alam semesta. penampakannya tetap ada selamanya. Namun pada tahun 1929, Edwin Hubble membuat penemuan mendasar: dia memperhatikan bahwa galaksi-galaksi jauh, di mana pun mereka berada di langit, selalu bergerak menjauhi kita dengan kecepatan tinggi [sebanding dengan jaraknya] 3
Di sini dan di bawah, komentar penerjemah yang memperjelas teks penulis ditempatkan dalam tanda kurung siku. – Catatan ed.

Dengan kata lain, alam semesta sedang mengembang. Artinya, di masa lalu, objek-objek di Alam Semesta lebih dekat satu sama lain dibandingkan sekarang. Dan tampaknya pada suatu saat - sekitar 10-20 miliar tahun yang lalu - segala sesuatu yang ada di Alam Semesta terkonsentrasi di satu tempat, dan oleh karena itu kepadatan Alam Semesta tidak terbatas. Penemuan ini membawa pertanyaan tentang awal mula alam semesta ke dalam ranah sains.

SEJARAH WAKTU SINGKAT

Penerbit mengucapkan terima kasih kepada agensi sastra Writers House LLC (USA) dan Synopsis Literary Agency (Rusia) atas bantuan mereka dalam memperoleh hak.

© Stephen Hawking 1988.

© N.Ya. Smorodinskaya, terjemahan. dari bahasa Inggris, 2017

© Y.A. Smorodinsky, kata penutup, 2017

© Rumah Penerbitan AST LLC, 2017

* * *

Didedikasikan untuk Jane

Rasa syukur

Saya memutuskan untuk mencoba menulis buku populer tentang ruang dan waktu setelah memberikan Loeb Lectures di Harvard pada tahun 1982. Pada saat itu sudah cukup banyak buku yang membahas tentang alam semesta awal dan lubang hitam, keduanya sangat bagus, misalnya buku Steven Weinberg “The First Three Minutes”, dan sangat buruk, yang tidak perlu disebutkan di sini. Namun menurut saya tidak ada satupun yang benar-benar menjawab pertanyaan yang mendorong saya mempelajari kosmologi dan teori kuantum: dari mana asal mula alam semesta? Bagaimana dan mengapa hal itu muncul? Akankah ini berakhir, dan jika itu terjadi, bagaimana caranya? Pertanyaan-pertanyaan ini menarik minat kita semua. Namun sains modern penuh dengan matematika, dan hanya sedikit spesialis yang cukup mengetahuinya untuk memahami semua ini. Namun, gagasan dasar tentang kelahiran dan nasib selanjutnya Alam Semesta dapat disajikan tanpa bantuan matematika sedemikian rupa sehingga dapat dipahami bahkan oleh orang yang belum mengenyam pendidikan khusus. Inilah yang saya coba lakukan dalam buku saya. Seberapa besar keberhasilan saya dalam hal ini terserah pembaca untuk menilai.

Saya diberitahu bahwa setiap formula yang disertakan dalam buku ini akan mengurangi setengah jumlah pembeli. Kemudian saya memutuskan untuk melakukannya tanpa formula sama sekali. Benar, pada akhirnya saya tetap menulis satu persamaan - persamaan Einstein yang terkenal E=mc². Saya harap ini tidak membuat takut setengah dari calon pembaca saya.

Selain penyakit saya - amyotrophic lateral sclerosis - maka dalam hampir semua hal lainnya saya beruntung. Bantuan dan dukungan yang diberikan oleh istri saya Jane dan anak-anak Robert, Lucy dan Timothy memungkinkan saya menjalani kehidupan yang relatif normal dan mencapai kesuksesan di tempat kerja. Saya juga beruntung memilih fisika teoretis, karena semuanya cocok di kepala saya. Oleh karena itu, kelemahan fisik saya tidak menjadi kendala yang serius. Rekan-rekan saya, tanpa terkecuali, selalu memberikan bantuan yang maksimal kepada saya.

Pada tahap kerja “klasik” pertama, kolega dan asisten terdekat saya adalah Roger Penrose, Robert Gerok, Brandon Carter, dan George Ellis. Saya berterima kasih kepada mereka atas bantuan dan kerjasamanya. Fase ini mencapai puncaknya dengan diterbitkannya buku “Struktur Ruangwaktu Berskala Besar,” yang saya dan Ellis tulis pada tahun 1973. Saya tidak menyarankan pembaca untuk membukanya untuk informasi lebih lanjut: buku ini penuh dengan rumus dan sulit dibaca. Saya berharap sejak itu saya belajar menulis dengan lebih mudah.

Selama fase kedua, fase "kuantum" dari pekerjaan saya, yang dimulai pada tahun 1974, saya bekerja terutama dengan Gary Gibbons, Don Page, dan Jim Hartle. Saya berhutang banyak kepada mereka, juga kepada para mahasiswa pascasarjana saya, yang memberikan saya bantuan yang sangat besar, baik secara “fisik” maupun “teoretis”. Kebutuhan untuk mengikuti perkembangan mahasiswa pascasarjana merupakan motivator yang sangat penting dan, menurut saya, mencegah saya terjebak dalam lumpur.

Brian Witt, salah satu murid saya, banyak membantu saya dalam menulis buku ini. Pada tahun 1985, setelah membuat sketsa garis besar pertama buku tersebut, saya jatuh sakit karena pneumonia. Dan kemudian operasi, dan setelah trakeotomi saya berhenti berbicara, pada dasarnya kehilangan kemampuan berkomunikasi. Saya pikir saya tidak akan bisa menyelesaikan buku itu. Namun Brian tidak hanya membantu saya merevisinya, dia juga mengajari saya cara menggunakan program komputer komunikasi Living Center, yang diberikan kepada saya oleh Walt Waltosh dari Words Plus, Inc., Sunnyvale, California. Dengan bantuannya, saya dapat menulis buku dan artikel, dan juga berbicara dengan orang-orang melalui penyintesis ucapan yang diberikan kepada saya oleh perusahaan Sunnyvale lainnya, Speech Plus. David Mason memasang synthesizer ini dan komputer pribadi kecil di kursi roda saya. Sistem ini mengubah segalanya: menjadi lebih mudah bagi saya untuk berkomunikasi dibandingkan sebelum saya kehilangan suara.

Saya berterima kasih kepada banyak orang yang telah membaca versi awal buku ini atas saran-sarannya mengenai bagaimana buku ini dapat diperbaiki. Oleh karena itu, Peter Gazzardi, editor Bantam Books, mengirimi saya surat demi surat berisi komentar dan pertanyaan mengenai poin-poin yang, menurut pendapatnya, tidak dijelaskan dengan baik. Memang benar, saya cukup kesal ketika menerima banyak sekali daftar perbaikan yang direkomendasikan, namun Gazzardi benar sekali. Saya yakin buku ini menjadi jauh lebih baik karena Gazzardi berusaha mengatasi kesalahan-kesalahan yang ada.

Terima kasih terdalam saya sampaikan kepada asisten saya Colin Williams, David Thomas dan Raymond Laflamme, sekretaris saya Judy Fella, Ann Ralph, Cheryl Billington dan Sue Macy, serta perawat saya.

Saya tidak dapat mencapai apa pun jika semua biaya penelitian ilmiah dan perawatan medis yang diperlukan tidak ditanggung oleh Gonville dan Caius College, Dewan Riset Sains dan Teknologi, serta Yayasan Leverhulme, MacArthur, Nuffield, dan Ralph Smith. Saya sangat berterima kasih kepada mereka semua.

20 Oktober 1987

Stephen Hawking

Bab pertama
Gagasan kita tentang Alam Semesta

Suatu ketika seorang ilmuwan terkenal (kata mereka Bertrand Russell) memberikan kuliah umum tentang astronomi. Dia menceritakan bagaimana Bumi berputar mengelilingi Matahari, dan Matahari, pada gilirannya, berputar mengelilingi pusat gugusan besar bintang yang disebut Galaksi kita. Saat ceramah berakhir, seorang wanita tua kecil berdiri dari baris terakhir dan berkata, “Semua yang Anda katakan kepada kami adalah omong kosong. Faktanya, dunia kita adalah sebuah lempengan datar yang berada di punggung kura-kura raksasa.” Sambil tersenyum ramah, sang ilmuwan bertanya: “Apa yang didukung penyu?” “Kamu cerdas sekali, Anak Muda,” jawab wanita tua itu. “Seekor penyu berada di atas penyu yang lain, yang satu itu juga berada di atas penyu, dan seterusnya, dan seterusnya.”

Gagasan tentang Alam Semesta sebagai menara penyu yang tak ada habisnya mungkin tampak lucu bagi sebagian besar dari kita, tetapi mengapa kita berpikir kita lebih tahu? Apa yang kita ketahui tentang Alam Semesta dan bagaimana kita mengetahuinya? Dari mana asal mula alam semesta dan apa yang akan terjadi padanya? Apakah Alam Semesta mempunyai permulaan, dan jika ya, apa yang terjadi? sebelum permulaan? Apa inti dari waktu? Akankah ini berakhir? Pencapaian fisika dalam beberapa tahun terakhir, yang sampai batas tertentu kita berutang pada teknologi baru yang fantastis, akhirnya memungkinkan kita memperoleh jawaban atas setidaknya beberapa pertanyaan yang telah lama kita hadapi. Seiring berjalannya waktu, jawaban-jawaban ini mungkin sama pastinya dengan fakta bahwa Bumi berputar mengelilingi Matahari, dan mungkin sama konyolnya dengan menara kura-kura. Hanya waktu (apapun itu) yang akan memutuskan.

Kembali pada tahun 340 SM. e. Filsuf Yunani Aristoteles, dalam bukunya “On the Heavens,” memberikan dua argumen kuat yang mendukung fakta bahwa Bumi tidak datar seperti piring, tetapi bulat seperti bola. Pertama, Aristoteles menduga gerhana bulan terjadi saat Bumi berada di antara Bulan dan Matahari. Bumi selalu memberikan bayangan bulat pada Bulan, dan hal ini hanya dapat terjadi jika Bumi berbentuk bulat. Jika Bumi berbentuk piringan datar, bayangannya akan berbentuk elips memanjang - kecuali jika gerhana selalu terjadi tepat pada saat Matahari berada tepat pada sumbu piringan tersebut. Kedua, dari pengalaman pelayaran lautnya, orang Yunani mengetahui bahwa di wilayah selatan Bintang Utara lebih rendah di langit dibandingkan di wilayah utara. (Karena Bintang Utara berada di atas Kutub Utara, maka ia akan berada tepat di atas kepala pengamat yang berdiri di Kutub Utara, dan bagi orang yang berada di garis khatulistiwa, ia akan terlihat berada di cakrawala.) Mengetahui perbedaan bintang Utara letak Bintang Utara di Mesir dan Yunani, Aristoteles bahkan mampu menghitung bahwa panjang garis khatulistiwa adalah 400.000 stadia. Berapa ukuran stade tersebut tidak diketahui secara pasti, namun ukurannya kira-kira 200 meter, dan oleh karena itu perkiraan Aristoteles adalah sekitar 2 kali lipat dari nilai yang diterima sekarang. Orang Yunani juga memiliki argumen ketiga yang mendukung bentuk bumi bulat: jika bumi tidak bulat, lalu mengapa kita pertama-tama melihat layar kapal naik ke atas cakrawala, baru kemudian kapal itu sendiri?

Aristoteles percaya bahwa Bumi tidak bergerak, dan Matahari, Bulan, planet-planet, dan bintang-bintang berputar mengelilinginya dalam orbit melingkar. Sesuai dengan pandangan mistiknya, ia menganggap Bumi sebagai pusat Alam Semesta, dan gerak melingkar sebagai yang paling sempurna. Pada abad ke-2, Ptolemeus mengembangkan gagasan Aristoteles menjadi model kosmologis yang lengkap. Bumi berdiri di tengah, dikelilingi oleh delapan bola yang memuat Bulan, Matahari, dan lima planet yang diketahui saat itu: Merkurius, Venus, Mars, Jupiter, dan Saturnus (Gbr. 1.1). Planet-planet itu sendiri, menurut keyakinan Ptolemeus, bergerak dalam lingkaran-lingkaran kecil yang terhubung ke bola-bola yang bersesuaian. Hal ini menjelaskan jalur yang sangat rumit yang kita lihat yang dilalui planet-planet. Di bola terakhir terdapat bintang-bintang tetap, yang, dengan tetap berada pada posisi yang sama relatif satu sama lain, bergerak melintasi langit bersama-sama sebagai satu kesatuan. Apa yang ada di luar lingkup terakhir tidak dijelaskan, namun bagaimanapun juga, bidang tersebut bukan lagi bagian dari Alam Semesta yang dapat diamati oleh umat manusia.

Beras. 1.1

Model Ptolemeus memungkinkan untuk memprediksi dengan cukup baik posisi benda langit di langit, tetapi untuk prediksi yang akurat ia harus menerima bahwa di beberapa tempat lintasan Bulan melewati 2 kali lebih dekat ke Bumi dibandingkan di tempat lain. Artinya di satu posisi Bulan akan tampak 2 kali lebih besar dibandingkan posisi lainnya! Ptolemy sadar akan kekurangan ini, namun teorinya diakui, meski tidak di semua tempat. Gereja Kristen menerima model Alam Semesta Ptolemeus karena tidak bertentangan dengan Alkitab: model ini bagus karena meninggalkan banyak ruang untuk neraka dan surga di luar lingkup bintang tetap. Namun, pada tahun 1514, pendeta Polandia Nicolaus Copernicus mengusulkan model yang lebih sederhana. (Awalnya, mungkin karena takut Gereja akan menyatakan dia sesat, Copernicus mempromosikan modelnya secara anonim.) Idenya adalah bahwa Matahari tidak bergerak di tengahnya, dan Bumi serta planet-planet lain berputar mengelilinginya dalam orbit melingkar. Hampir satu abad berlalu sebelum gagasan Copernicus ditanggapi dengan serius. Dua astronom - Johannes Kepler dari Jerman dan Galileo Galilei dari Italia - mendukung teori Copernicus, meskipun faktanya orbit yang diprediksi oleh Copernicus tidak persis sama dengan yang diamati. Teori Aristoteles-Ptolemeus terbukti tidak dapat dipertahankan pada tahun 1609, ketika Galileo mulai mengamati langit malam menggunakan teleskop yang baru ditemukan. Dengan mengarahkan teleskopnya ke planet Yupiter, Galileo menemukan beberapa satelit atau bulan kecil yang mengorbit Yupiter. Artinya, tidak semua benda langit harus berputar langsung mengelilingi bumi, seperti yang diyakini Aristoteles dan Ptolemy. (Tentu saja, kita masih bisa berasumsi bahwa Bumi terletak di pusat Alam Semesta, dan bulan-bulan Yupiter bergerak dalam jalur yang sangat rumit mengelilingi Bumi, sehingga mereka hanya tampak mengorbit Yupiter. Namun, teori Copernicus jauh lebih tidak masuk akal. lebih sederhana.) Pada saat yang sama, Johannes Kepler memodifikasi teori Copernicus berdasarkan asumsi bahwa planet tidak bergerak dalam lingkaran, tetapi dalam elips (elips adalah lingkaran memanjang). Akhirnya, kini prediksi tersebut bertepatan dengan hasil observasi.

Sedangkan bagi Kepler, orbit elipsnya merupakan hipotesis buatan (ad hoc), dan, terlebih lagi, hipotesis yang “tidak dapat dipahami”, karena elips adalah bentuk yang kurang sempurna dibandingkan lingkaran. Setelah menemukan secara tidak sengaja bahwa orbit elips sesuai dengan pengamatan, Kepler tidak pernah mampu menyelaraskan fakta ini dengan gagasannya bahwa planet-planet berputar mengelilingi Matahari di bawah pengaruh gaya magnet. Penjelasannya muncul kemudian, pada tahun 1687, ketika Isaac Newton menerbitkan bukunya “Prinsip Matematika Filsafat Alam.” Di dalamnya, Newton tidak hanya mengemukakan teori pergerakan benda material dalam ruang dan waktu, tetapi juga mengembangkan metode matematika kompleks yang diperlukan untuk menganalisis pergerakan benda langit. Selain itu, Newton mendalilkan hukum gravitasi universal, yang menyatakan bahwa setiap benda di Alam Semesta tertarik ke benda lain dengan gaya yang lebih besar, semakin besar massa benda tersebut dan semakin kecil jarak antara keduanya. Ini adalah kekuatan yang sama yang membuat benda jatuh ke tanah. (Cerita bahwa Newton terinspirasi oleh sebuah apel yang jatuh di kepalanya hampir pasti tidak dapat diandalkan. Newton sendiri hanya mengatakan bahwa gagasan tentang gravitasi muncul di benaknya ketika dia sedang duduk dalam “suasana hati kontemplatif” dan “kejadiannya adalah musim gugur. dari sebuah apel".) Newton lebih lanjut menunjukkan bahwa, menurut hukumnya, Bulan, di bawah pengaruh gaya gravitasi, bergerak dalam orbit elips mengelilingi Bumi, dan Bumi serta planet-planet berputar dalam orbit elips mengelilingi Matahari.

Model Copernicus membantu menyingkirkan bola langit Ptolemeus, dan pada saat yang sama gagasan bahwa Alam Semesta memiliki semacam batas alami. Karena “bintang tetap” tidak mengubah posisinya di langit, kecuali gerak melingkarnya yang terkait dengan perputaran bumi pada porosnya, wajar jika kita berasumsi bahwa bintang tetap adalah objek yang mirip dengan Matahari kita, hanya saja lebih dari itu. jauh.

Newton memahami bahwa, menurut teori gravitasinya, bintang-bintang seharusnya saling tarik menarik satu sama lain dan oleh karena itu, tampaknya, bintang-bintang tidak dapat tetap bergerak sepenuhnya. Bukankah seharusnya mereka saling bertumpukan dan menjadi semakin dekat pada suatu saat? Pada tahun 1691, dalam suratnya kepada Richard Bentley, seorang pemikir terkemuka saat itu, Newton mengatakan bahwa hal ini memang akan terjadi jika kita hanya memiliki jumlah bintang yang terbatas di wilayah ruang angkasa yang terbatas. Namun, Newton beralasan, jika jumlah bintang tidak terbatas dan distribusinya kurang lebih merata di ruang angkasa tanpa batas, maka hal ini tidak akan pernah terjadi, karena tidak ada titik pusat di mana bintang-bintang tersebut akan jatuh.

Argumen-argumen ini adalah contoh betapa mudahnya mendapat masalah ketika berbicara tentang ketidakterbatasan. Di alam semesta yang tak terbatas, titik mana pun dapat dianggap sebagai pusatnya, karena di kedua sisinya jumlah bintangnya tak terbatas. Baru kemudian mereka menyadari bahwa pendekatan yang lebih tepat adalah dengan mengambil sistem terbatas di mana semua bintang jatuh satu sama lain, cenderung ke pusat, dan melihat perubahan apa yang akan terjadi jika kita menambahkan lebih banyak bintang, tersebar kira-kira. merata di luar wilayah yang dipertimbangkan. Menurut hukum Newton, rata-rata bintang tambahan tidak akan mempengaruhi bintang asli dengan cara apa pun, yaitu bintang-bintang akan jatuh dengan kecepatan yang sama ke pusat area yang dipilih. Tidak peduli berapa banyak bintang yang kita tambahkan, mereka akan selalu cenderung ke tengah. Saat ini, diketahui bahwa model alam semesta statis yang tak terbatas tidak mungkin dilakukan jika gaya gravitasi selalu tetap menjadi gaya tarik-menarik.

Menarik sekali bagaimana keadaan umum pemikiran ilmiah sebelum awal abad ke-20: tidak pernah terpikir oleh siapa pun bahwa Alam Semesta dapat mengembang atau menyusut. Semua orang percaya bahwa Alam Semesta selalu ada dalam keadaan tidak berubah, atau diciptakan pada suatu waktu di masa lalu, kira-kira seperti sekarang. Hal ini mungkin sebagian disebabkan oleh kecenderungan manusia untuk percaya pada kebenaran abadi, dan juga karena daya tarik khusus dari gagasan bahwa, meskipun mereka sendiri menjadi tua dan mati, Alam Semesta akan tetap abadi dan tidak berubah.

Bahkan para ilmuwan yang menyadari bahwa teori gravitasi Newton membuat alam semesta statis menjadi mustahil tidak memikirkan hipotesis alam semesta yang mengembang. Mereka mencoba memodifikasi teori tersebut dengan membuat gaya gravitasi menjadi tolak menolak dalam jarak yang sangat jauh. Hal ini secara praktis tidak mengubah prediksi pergerakan planet-planet, tetapi memungkinkan distribusi bintang yang tak terbatas tetap berada dalam keseimbangan, karena gaya tarik-menarik bintang-bintang terdekat dikompensasi oleh gaya tolak-menolak bintang-bintang jauh. Namun kini kami yakin bahwa keseimbangan seperti itu tidak akan stabil. Faktanya, jika di suatu daerah bintang-bintang mendekat sedikit, maka gaya tarik-menarik di antara keduanya akan semakin besar dan menjadi lebih besar dibandingkan gaya tolak-menolak, sehingga bintang-bintang akan terus mendekat. Jika jarak antar bintang bertambah sedikit, maka gaya tolak menolak akan lebih besar dan jarak akan bertambah.

Keberatan lain terhadap model alam semesta statis tak terbatas biasanya diatribusikan kepada filsuf Jerman Heinrich Olbers, yang menerbitkan karyanya tentang model ini pada tahun 1823. Faktanya, banyak orang sezaman dengan Newton yang mengerjakan masalah yang sama, dan makalah Albers bahkan bukan makalah pertama yang mengajukan keberatan serius. Dia adalah orang pertama yang dikutip secara luas. Keberatannya adalah ini: di alam semesta statis yang tak terbatas, sinar penglihatan apa pun harus tertuju pada suatu bintang. Namun langit, bahkan di malam hari, akan bersinar terang, seperti Matahari. Argumen tandingan Olbers adalah bahwa cahaya yang datang kepada kita dari bintang-bintang jauh harus dilemahkan oleh penyerapan materi yang dilaluinya. Namun dalam kasus ini, zat itu sendiri seharusnya memanas dan bersinar terang, seperti bintang. Satu-satunya cara untuk menghindari kesimpulan bahwa langit malam bersinar terang, seperti Matahari, adalah dengan berasumsi bahwa bintang-bintang tidak selalu bersinar, namun menyala pada titik waktu tertentu di masa lalu. Maka zat penyerapnya mungkin belum sempat memanas, atau cahaya bintang yang jauh belum mencapai kita. Namun timbul pertanyaan: mengapa bintang-bintang bersinar?

Tentu saja, masalah asal usul alam semesta telah menyita pikiran manusia sejak lama. Menurut sejumlah kosmogoni awal dan mitos Yahudi-Kristen-Muslim, Alam Semesta kita muncul pada titik waktu tertentu dan tidak terlalu jauh di masa lalu. Salah satu alasan keyakinan tersebut adalah kebutuhan untuk menemukan “penyebab pertama” keberadaan Alam Semesta. Setiap peristiwa di Alam Semesta dijelaskan dengan menunjukkan penyebabnya, yaitu peristiwa lain yang terjadi sebelumnya; penjelasan tentang keberadaan Alam Semesta itu sendiri hanya mungkin jika ia mempunyai permulaan. Dasar lain dikemukakan oleh Agustinus Yang Terberkati dalam esainya “Tentang Kota Tuhan”. Dia menunjukkan bahwa peradaban sedang mengalami kemajuan, dan kita ingat siapa yang melakukan tindakan ini atau itu dan siapa yang menemukan apa. Oleh karena itu, umat manusia, dan mungkin juga Alam Semesta, kemungkinan besar tidak akan bertahan lama. Agustinus Yang Terberkati menganggap tanggal penciptaan Alam Semesta yang dapat diterima, sesuai dengan kitab Kejadian: kira-kira 5000 SM. e. (Menariknya, tanggal ini tidak terlalu jauh dari akhir zaman es terakhir - 10.000 SM, yang oleh para arkeolog dianggap sebagai awal mula peradaban.)

Aristoteles dan sebagian besar filsuf Yunani lainnya tidak menyukai gagasan penciptaan Alam Semesta, karena dikaitkan dengan campur tangan ilahi. Oleh karena itu, mereka percaya bahwa manusia dan dunia di sekitar mereka ada dan akan ada selamanya. Para ilmuwan zaman dahulu mempertimbangkan argumen mengenai kemajuan peradaban dan memutuskan bahwa banjir dan bencana alam lainnya terjadi secara berkala di dunia, yang selalu mengembalikan umat manusia ke titik awal peradaban.

Pertanyaan mengenai apakah alam semesta muncul pada suatu titik waktu awal dan apakah alam semesta terbatas dalam ruang, kemudian diteliti dengan cermat oleh filsuf Immanuel Kant dalam karyanya yang monumental (dan sangat tidak jelas) “Critique of Pure Reason,” yang diterbitkan pada tahun 1781. Dia menyebut pertanyaan-pertanyaan ini sebagai antinomi (yaitu kontradiksi) dari nalar murni, karena dia melihat bahwa sama mustahilnya untuk membuktikan atau menyangkal baik tesis tentang perlunya permulaan Alam Semesta maupun antitesis tentang keberadaannya yang kekal. Tesis Kant didukung oleh fakta bahwa jika Alam Semesta tidak mempunyai awal, maka setiap peristiwa akan didahului oleh periode waktu yang tidak terbatas, dan Kant menganggap hal ini tidak masuk akal. Untuk mendukung antitesis tersebut, Kant mengatakan bahwa jika Alam Semesta mempunyai permulaan, maka ia didahului oleh jangka waktu yang tidak terbatas, dan kemudian pertanyaannya adalah, mengapa Alam Semesta tiba-tiba muncul pada satu titik waktu dan bukan pada titik waktu lain. ? Faktanya, argumen Kant hampir sama baik untuk tesis maupun antitesis. Hal ini berangkat dari asumsi diam-diam bahwa waktu tidak terbatas di masa lalu, terlepas dari apakah alam semesta ada atau tidak ada selamanya. Seperti yang akan kita lihat di bawah, sebelum munculnya Alam Semesta, konsep waktu tidak ada artinya. Hal ini pertama kali dikemukakan oleh St Agustinus. Ketika ditanya apa yang Tuhan lakukan sebelum menciptakan alam semesta, Agustinus tidak pernah menjawab bahwa Tuhan sedang mempersiapkan neraka bagi mereka yang menanyakan pertanyaan seperti itu. Tidak, katanya waktu adalah bagian integral dari Alam Semesta yang diciptakan oleh Tuhan dan oleh karena itu tidak ada waktu sebelum munculnya Alam Semesta.

Ketika kebanyakan orang percaya pada alam semesta yang statis dan tidak berubah, pertanyaan apakah alam semesta mempunyai permulaan atau tidak pada dasarnya adalah persoalan metafisika dan teologi. Semua fenomena yang dapat diamati dapat dijelaskan dengan teori yang menyatakan bahwa alam semesta ada selamanya, atau dengan teori yang menyatakan bahwa alam semesta diciptakan pada titik waktu tertentu sedemikian rupa sehingga segala sesuatu tampak seolah-olah telah ada selamanya. Namun pada tahun 1929, Edwin Hubble membuat penemuan penting: ternyata di bagian langit mana pun yang kita amati, semua galaksi jauh dengan cepat menjauh dari kita. Dengan kata lain, alam semesta sedang mengembang. Artinya, dahulu kala semua benda lebih dekat satu sama lain dibandingkan sekarang. Ini berarti bahwa tampaknya ada suatu masa, sekitar sepuluh atau dua puluh ribu juta tahun yang lalu, ketika mereka semua berada di satu tempat, sehingga kepadatan alam semesta menjadi sangat besar. Penemuan Hubble membawa pertanyaan bagaimana alam semesta bermula ke ranah sains.

Pengamatan Hubble menunjukkan bahwa ada suatu masa, yang disebut Big Bang, ketika alam semesta berukuran sangat kecil dan kepadatannya tidak terbatas. Dalam kondisi seperti itu, semua hukum ilmu pengetahuan menjadi tidak berarti dan tidak memungkinkan kita memprediksi masa depan. Jika suatu peristiwa terjadi di masa lalu, peristiwa itu tetap tidak dapat mempengaruhi apa yang terjadi sekarang. Karena kurangnya konsekuensi yang dapat diamati, hal tersebut dapat diabaikan begitu saja. Big Bang dapat dianggap sebagai permulaan waktu dalam arti bahwa waktu yang lebih awal tidak dapat didefinisikan. Mari kita tekankan bahwa titik awal waktu seperti itu sangat berbeda dari segala sesuatu yang diusulkan sebelum Hubble. Permulaan waktu di Alam Semesta yang tidak berubah adalah sesuatu yang harus ditentukan oleh sesuatu yang ada di luar Alam Semesta; Tidak ada kebutuhan fisik untuk permulaan Alam Semesta. Penciptaan Alam Semesta oleh Tuhan dapat dikaitkan dengan titik waktu mana pun di masa lalu. Jika Alam Semesta mengembang, mungkin ada alasan fisik yang mendasari terjadinya permulaan. Anda masih dapat membayangkan bahwa Tuhanlah yang menciptakan Alam Semesta - pada saat Big Bang atau bahkan setelahnya (tetapi seolah-olah Big Bang telah terjadi). Namun, tidak masuk akal jika kita mengatakan bahwa alam semesta ada sebelum Big Bang. Gagasan tentang Alam Semesta yang mengembang tidak mengecualikan penciptanya, tetapi hal itu memberlakukan batasan pada kemungkinan tanggal karyanya!

Untuk dapat berbicara tentang hakikat Alam Semesta dan apakah ia mempunyai permulaan dan apakah akan ada akhirnya, Anda perlu memiliki pemahaman yang baik tentang apa itu teori ilmiah secara umum. Saya akan berpegang pada sudut pandang yang paling sederhana: teori adalah model teoretis tentang Alam Semesta atau sebagian darinya, dilengkapi dengan seperangkat aturan yang menghubungkan besaran teoretis dengan pengamatan kita. Model ini hanya ada di kepala kita dan tidak memiliki realitas lain (tidak peduli apa arti yang kita masukkan ke dalam kata ini). Suatu teori dianggap baik jika memenuhi dua persyaratan: pertama, teori tersebut harus secara akurat mendeskripsikan sekelompok besar observasi dalam model yang hanya berisi beberapa elemen arbitrer, dan kedua, teori tersebut harus membuat prediksi yang jelas tentang hasil observasi di masa depan. Misalnya, teori Aristoteles yang menyatakan bahwa segala sesuatu terdiri dari empat unsur—tanah, udara, api, dan air—cukup sederhana untuk disebut teori, namun teori tersebut tidak memberikan prediksi yang pasti. Teori gravitasi Newton berangkat dari model yang lebih sederhana, di mana benda-benda tertarik satu sama lain dengan gaya yang sebanding dengan besaran tertentu yang disebut massanya, dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara benda-benda tersebut. Namun teori Newton dengan sangat akurat memprediksi pergerakan Matahari, Bulan dan planet-planet.

Teori fisika apa pun selalu bersifat sementara dalam artian hanya hipotesis yang tidak dapat dibuktikan. Tidak peduli berapa kali teori tersebut sesuai dengan data eksperimen, kita tidak dapat yakin bahwa eksperimen berikutnya tidak akan bertentangan dengan teori. Pada saat yang sama, teori apa pun dapat dibantah dengan mengacu pada satu pengamatan yang tidak sesuai dengan prediksinya. Seperti yang dikemukakan oleh filsuf Karl Popper, seorang spesialis di bidang filsafat ilmu pengetahuan, ciri penting dari sebuah teori yang baik adalah teori tersebut membuat prediksi yang, pada prinsipnya, dapat dipalsukan secara eksperimental. Setiap kali eksperimen baru mengkonfirmasi prediksi suatu teori, teori tersebut menunjukkan vitalitasnya dan keyakinan kita terhadap teori tersebut semakin kuat. Namun jika satu pengamatan baru saja tidak sesuai dengan teori tersebut, kita harus meninggalkannya atau mengulanginya. Setidaknya begitulah logikanya, meskipun tentu saja Anda selalu berhak meragukan kompetensi orang yang melakukan observasi.

Dalam praktiknya, sering kali suatu teori baru ternyata merupakan perluasan dari teori sebelumnya. Misalnya, pengamatan yang sangat teliti terhadap planet Merkurius telah mengungkapkan perbedaan kecil antara pergerakannya dan prediksi teori gravitasi Newton. Menurut teori relativitas umum Einstein, Merkurius seharusnya bergerak sedikit berbeda dari teori Newton. Fakta bahwa prediksi Einstein bertepatan dengan hasil pengamatan, tetapi prediksi Newton tidak sesuai, menjadi salah satu konfirmasi yang menentukan teori baru tersebut. Benar, dalam praktiknya kita masih menggunakan teori Newton, karena dalam kasus-kasus yang biasa kita temui, prediksinya sangat sedikit berbeda dengan prediksi relativitas umum. (Teori Newton juga mempunyai keuntungan besar karena lebih mudah dikerjakan dibandingkan teori Einstein.)

Tujuan akhir sains adalah menciptakan teori terpadu yang dapat menggambarkan seluruh alam semesta. Saat memecahkan masalah ini, kebanyakan ilmuwan membaginya menjadi dua bagian. Bagian pertama adalah hukum yang memberi kita kesempatan untuk mengetahui bagaimana alam semesta berubah seiring waktu. (Dengan mengetahui seperti apa alam semesta pada suatu waktu, kita dapat menggunakan hukum-hukum ini untuk mengetahui apa yang akan terjadi pada alam semesta di kemudian hari.) Bagian kedua adalah masalah keadaan awal alam semesta. Beberapa orang percaya bahwa sains seharusnya hanya membahas bagian pertama saja, dan menganggap pertanyaan tentang apa yang pada mulanya merupakan persoalan metafisika dan agama. Para pendukung pandangan ini mengatakan bahwa karena Tuhan itu mahakuasa, maka Ia menghendaki untuk “menjalankan” alam semesta sesuka-Nya. Jika mereka benar, maka Tuhan berkesempatan membuat alam semesta berkembang sepenuhnya secara acak. Rupanya Tuhan lebih suka hal itu berkembang secara teratur, menurut hukum tertentu. Namun masuk akal untuk berasumsi bahwa ada juga hukum yang mengatur keadaan awal alam semesta.

Ternyata sangat sulit untuk segera menciptakan teori yang bisa menggambarkan keseluruhan alam semesta. Sebaliknya, kami membagi masalah menjadi beberapa bagian dan membangun teori parsial. Masing-masing dari mereka menggambarkan satu kelas pengamatan terbatas dan membuat prediksi tentang hal itu, mengabaikan pengaruh semua besaran lain atau mewakili yang terakhir sebagai kumpulan angka sederhana. Ada kemungkinan bahwa pendekatan ini sepenuhnya salah. Jika segala sesuatu di alam semesta pada dasarnya bergantung pada segala sesuatu yang lain, maka ada kemungkinan bahwa dengan mempelajari bagian-bagian suatu masalah secara terpisah, seseorang tidak dapat mencapai solusi yang lengkap. Meskipun demikian, di masa lalu kemajuan kita seperti ini. Contoh klasiknya lagi-lagi adalah teori gravitasi Newton, yang menyatakan bahwa gaya gravitasi yang bekerja antara dua benda hanya bergantung pada satu ciri masing-masing benda, yaitu massanya, tetapi tidak bergantung pada bahan penyusun benda tersebut. Oleh karena itu, untuk menghitung orbit pergerakan Matahari dan planet-planet, tidak diperlukan teori tentang struktur dan komposisinya.

Sekarang ada dua teori parsial utama untuk menggambarkan Alam Semesta: relativitas umum dan mekanika kuantum. Keduanya merupakan hasil upaya intelektual yang sangat besar dari para ilmuwan pada paruh pertama abad ke-20. Relativitas umum menggambarkan interaksi gravitasi dan struktur alam semesta dalam skala besar, yaitu struktur dalam skala beberapa kilometer hingga satu juta juta juta juta (satu diikuti oleh dua puluh empat angka nol) kilometer, atau hingga seukuran alam semesta. bagian alam semesta yang dapat diamati. Mekanika kuantum mempelajari fenomena dalam skala yang sangat kecil, seperti sepersejuta sepersejuta sentimeter. Dan sayangnya, kedua teori ini tidak sejalan - keduanya tidak bisa benar pada saat yang bersamaan. Salah satu bidang penelitian utama dalam fisika modern dan tema utama buku ini adalah pencarian teori baru yang akan menggabungkan dua teori sebelumnya menjadi satu - teori gravitasi kuantum. Belum ada teori seperti itu, dan mungkin masih harus menunggu lama, namun kita sudah mengetahui banyak sifat yang seharusnya dimilikinya. Dalam bab-bab berikut, Anda akan melihat bahwa kita telah mengetahui banyak tentang prediksi apa yang harus diikuti dari teori gravitasi kuantum.

Jika Anda yakin bahwa Alam Semesta tidak berkembang secara sembarangan, tetapi mematuhi hukum-hukum tertentu, maka pada akhirnya Anda harus menggabungkan semua teori parsial menjadi satu teori lengkap yang akan menggambarkan segala sesuatu di Alam Semesta. Benar, ada satu paradoks mendasar dalam pencarian teori terpadu tersebut. Segala sesuatu yang dikatakan di atas tentang teori-teori ilmiah mengasumsikan bahwa kita adalah makhluk cerdas, kita dapat melakukan pengamatan apa pun di Alam Semesta dan menarik kesimpulan logis berdasarkan pengamatan tersebut. Dalam skema seperti ini, wajar untuk berasumsi bahwa, pada prinsipnya, kita bisa semakin memahami hukum yang mengatur Alam Semesta kita. Namun jika sebuah teori terpadu benar-benar ada, maka teori tersebut mungkin juga akan mempengaruhi tindakan kita. Dan kemudian teori itu sendiri harus menentukan hasil pencarian kita! Mengapa dia harus menentukan sebelumnya bahwa kita akan menarik kesimpulan yang benar dari observasi? Mengapa dia tidak dengan mudah membawa kita pada kesimpulan yang salah? Atau tidak ada sama sekali?