Kehidupan Sebelum Alam Semesta: Menelusuri Apa yang Sebenarnya Terjadi Sebelum Big Bang (Dentuman Besar)

Oleh: H. Roland Gunawan, Lc., Mudir Madrasah Diniyah Lailiyah (MDL) Al-Fattah Kuningan

Jika kita memiliki kesempatan untuk melakukan perjalanan kembali ke masa lalu sekitar 13,7 miliar tahun yang lalu, ke momen yang diyakini telah menyaksikan Big Bang dan kelahiran alam semesta, kita akan menemukan bahwa seluruh keberadaan terkandung dalam sebuah titik panas dan kepadatan yang sangat kecil, begitu tak terhingga sehingga tak terlihat oleh mata telanjang.

Selama sepersekian detik pertama setelah Big Bang, alam semesta mengembang dari titik kecil ini hingga seukuran lemon. Dalam satu detik, ukurannya lebih besar dari tata surya kita, dan dalam waktu singkat, ukurannya lebih besar dari galaksi Bima Sakti. Ia terus mengembang hingga mencapai bentuknya saat ini. Sejak model Big Bang mapan dalam kosmologi, banyak ilmuwan percaya bahwa menanyakan apa yang terjadi sebelum itu adalah pertanyaan yang tidak berguna dan tidak bermakna, mengingat waktu tidak ada sebelum momen ini, dan oleh karena itu tidak ada yang mendahuluinya. Jika tidak ada ruang untuk pergerakan, maka tidak ada perubahan yang dapat terjadi, dan jika tidak ada perubahan, maka tidak ada peristiwa dan tidak ada sejarah.

Namun, tampaknya Big Bang bukanlah awal dari segalanya. Dalam beberapa tahun terakhir, para ilmuwan telah berteori bahwa itu hanyalah sebuah bab dalam kisah yang jauh lebih tua. Kisah itu mungkin melibatkan alam semesta masa lalu yang runtuh atau fase misterius yang mendahului kelahiran waktu seperti yang kita kenal. Pertanyaan yang dulunya dianggap mustahil untuk dijawab, kini menjadi masalah yang dapat diperdebatkan secara ilmiah. Inilah yang dijelaskan oleh artikel terjemahan dari New Scientist ini.

Bayangkan jika kita dapat merekam seluruh sejarah alam semesta dan kemudian memutarnya kembali secara terbalik, dari akhir hingga awal. Alam semesta akan tampak di hadapan kita dalam bentuknya saat ini: jaringan galaksi dan nebula yang luas dan mempesona. Tetapi saat film diputar mundur, semuanya secara bertahap menyusut, akhirnya berpuncak pada kilatan cahaya yang singkat, hampir ditelan oleh kelupaan selamanya—titik yang kita kenal sebagai Big Bang.

Pada titik ini, kegelapan menyelimuti layar, dan semuanya menjadi sunyi. Jika kita bertanya-tanya apa yang mendahului momen itu, pertanyaan kita kemungkinan besar akan mengundang ejekan dari para ilmuwan dan filsuf. Itu seperti bertanya apa yang terletak di utara Kutub Utara—pertanyaan yang tidak berguna dan, tentu saja, tidak dapat dijawab.

Namun pertanyaan sebenarnya tetap: Apakah Big Bang benar-benar awal dari segalanya? Atau apakah kebenaran berbeda dari apa yang kita pikirkan? Selama beberapa tahun terakhir, sejumlah fisikawan telah menemukan cara untuk menyingkap tabir ini dan mengintip apa yang mungkin ada di baliknya. Bahkan jika kita tidak dapat menyelesaikan persamaan yang menggambarkan era ini secara tepat, para ilmuwan percaya bahwa mereka dapat menembus wilayah misterius ini, setidaknya secara perkiraan. Eugene Lim dari King’s College London, salah satu ahli terkemuka dalam masalah ini, mengatakannya seperti ini: “Relativitas numerik telah mulai memberikan wawasan mendalam tentang pertanyaan-pertanyaan yang telah lama luput dari pemahaman manusia kita.”

Selain berkontribusi dalam memperjelas apa yang terjadi di dekat Big Bang, karya Lim dan lainnya menawarkan petunjuk mengejutkan tentang kemungkinan adanya alam semesta lain yang mungkin mendahului alam semesta kita, atau mungkin bertabrakan dengannya dalam tabrakan misterius. Namun tampaknya apa yang telah diungkapkan oleh karya ini hanyalah permulaan.

Pada tahun 1927, gagasan Big Bang mulai terbentuk dalam pikiran pendeta Belgia Georges Lemaître, yang berteori bahwa penjelasan terbaik untuk pergerakan galaksi menjauh dari kita adalah perluasan alam semesta. Ia kemudian menyimpulkan bahwa alam semesta yang mengembang ini pasti bermula sebagai titik primordial, atau singularitas, seperti yang ia sebut.

Debat seputar validitas hipotesis ini berlanjut hingga tahun 1964. Pada tahun itu, fisikawan Arno Penzias dan Robert Wilson menemukan radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB), yang sering disebut “cahaya sisa Big Bang” atau “gambar pertama alam semesta pada masa awalnya, jejak pertama yang terlihat dari masa lalu kita yang jauh”. Pola cahaya ini segera memenuhi setiap sudut langit. Keberadaannya, dengan frekuensi yang hampir tak terlihat, membuktikan bahwa alam semesta berasal dari wadah yang sangat panas dan padat.

Sekilas Pandang ke Masa Lalu yang Jauh

Namun, begitu kita memulai perjalanan ke alam semesta awal, kita menyadari bahwa hukum fisika tetap terikat oleh batasan-batasan tertentu yang tidak dapat dilampaui. Kita dapat melakukan perjalanan kembali ke masa lalu, tepatnya 13,7 miliar tahun yang lalu, ketika alam semesta hanyalah massa energi yang sangat padat pada saat Big Bang. Jika kita mencoba melampaui titik ini, kita akan jatuh ke jurang ketidakpastian.

Seperti yang telah disebutkan, persepsi umum mereduksi gagasan Big Bang menjadi titik dengan kepadatan tak terbatas dan volume mendekati nol, di mana fajar waktu dimulai. Namun, kita tidak memiliki bukti keberadaan singularitas ini yang melahirkan alam semesta; bahkan, kita kekurangan persamaan matematika yang mampu menjelaskan momen tersebut.

Hal ini mengarah pada pertanyaan terpenting: Mengapa kita tidak bisa kembali ke sebelum Big Bang? Rahasianya terletak pada persamaan teori Albert Einstein, yang membentuk pemahaman kita tentang ruang dan waktu. Meskipun persamaan-persamaan ini secara akurat menggambarkan geometri ruang-waktu, mendapatkan solusi yang tepat dari persamaan-persamaan tersebut sangat sulit dan hanya terjadi pada kasus-kasus yang sangat disederhanakan. Dalam kasus-kasus di mana gravitasi mencapai keadaan paling ekstremnya, seperti pada lubang hitam atau pada saat Big Bang, persamaan Einstein gagal menjelaskan apa yang terjadi.

Karena gagasan untuk menyelesaikan persamaan-persamaan ini telah memikat para fisikawan sejak akhir tahun 1950-an, mereka memutuskan untuk mendedikasikan upaya mereka untuk itu. Namun, tujuan mereka saat itu bukanlah tentang akurasi absolut, melainkan tentang mendapatkan setidaknya jawaban yang mendekati. Awalnya, upaya mereka berfokus pada adaptasi persamaan-persamaan ini untuk membantu mereka mengidentifikasi sifat gelombang gravitasi, yaitu riak-riak yang berada di dalam jalinan ruang-waktu. Mereka tidak mampu mencapai tujuan yang diinginkan untuk waktu yang lama, hingga tahun 2016 ketika para ilmuwan akhirnya berhasil mendeteksi gelombang gravitasi ini.

Pada titik itu, Lem mulai merenungkan penggunaan metode yang sama untuk memecahkan masalah paling kompleks dalam kosmologi. Rencananya melibatkan penggabungan kondisi awal spesifik ke dalam persamaan dan menugaskan superkomputer untuk mendapatkan solusi perkiraan, mengulangi proses tersebut dengan kondisi yang sedikit berbeda. Tujuannya adalah untuk mengekstrak informasi yang tepat tentang perilaku ruang-waktu dalam kondisi spesifik yang sebelumnya sulit dipahami.

Awalnya, Lem percaya bahwa hanya perangkat lunak sederhana yang dibutuhkan, tetapi ia akhirnya membangun model komputer yang masif dan canggih untuk memecahkan perhitungan kompleks ini. Ia berkomentar, “Awalnya, kami didorong oleh keinginan untuk merancang alat sederhana untuk menggali inti masalah, tetapi kami akhirnya membangun sistem perangkat lunak yang tidak kalah kompleks dan masif dari masalah itu sendiri.”

Selama beberapa tahun terakhir, Lem dan peneliti lain telah menguji hipotesis utama tentang apa yang terjadi sebelum Big Bang, yang dikenal sebagai inflasi kosmik. Pertama kali diusulkan oleh Alan Guth bekerja sama dengan André Linde dan lainnya pada tahun 1980-an, hipotesis ini mencoba menjelaskan distribusi materi dan energi yang sangat merata di seluruh alam semesta yang luas. Menurut pandangan ini, alam semesta mengembang begitu cepat sehingga bahkan gumpalan materi terkecil pun ditelan oleh ekspansi yang sangat besar ini.

Namun, teori inflasi masih memiliki beberapa masalah yang menuai kritik tajam. Yang pertama adalah ketidakmampuan kita untuk menjelaskan bagaimana inflasi dimulai begitu tiba-tiba dan begitu cepat, dan mengapa kemudian berhenti. Untuk mengatasi dilema ini, para fisikawan telah mengemukakan keberadaan medan energi hipotetis yang disebut medan inflasi atau medan inflaton. Medan ini menyediakan sejumlah besar energi potensial yang mengatasi gravitasi dan bertindak sebagai gaya tolak, mendorong ruang untuk mengembang secara eksponensial.

Inti dari konsep ini terletak pada “potensi” medan ini, yang dapat kita visualisasikan dengan membandingkannya dengan “potensi gravitasi”—jumlah energi yang dibutuhkan untuk mengangkat suatu objek ke posisi yang lebih tinggi. (Bayangkan, misalnya, mengangkat bola ke atas kursi, lalu ke atas meja, dan kemudian ke atas lemari. Semakin tinggi objek diangkat, semakin banyak energi yang dikeluarkan dan disimpan, sehingga menghasilkan potensi gravitasi yang lebih tinggi.) 

Demikian pula, medan inflaton memiliki potensi tinggi untuk memulai inflasi, tetapi potensi ini anjlok dengan cepat, menyebabkan inflasi berhenti sepenuhnya. (Ini seperti bola yang saat ini berada di titik tertinggi, yaitu dengan energi potensial tinggi—yaitu, energi tersimpan—lalu menggelinding ke bawah, yaitu dengan energi potensial rendah. Demikian pula, agar inflasi dimulai, medan inflaton harus memiliki energi potensial yang sangat tinggi, dan agar berhenti, energi ini harus menurun dengan sangat cepat.)

Di tengah interaksi kompleks ini, medan inflaton tidak bergerak dalam garis lurus, melainkan mengambil bentuk cekung dan cembung dengan berbagai derajat kemiringan. Bentuk kurva yang tepat ini berperan dalam menentukan bagaimana inflasi berevolusi. Data dari analisis radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik (cahaya yang tersisa dari zaman kosmik paling awal yang memenuhi seluruh alam semesta)* menunjukkan bahwa medan tersebut telah mengambil bentuk yang sedikit cekung, tetapi pengukuran kita saat ini belum mencapai tingkat presisi yang dapat diandalkan.

Pada tahun 2020, Lim berkolaborasi dengan Katie Clough di Queen Mary University of London, bersama dengan kolega lainnya, untuk menyelidiki hal ini lebih lanjut menggunakan relativitas numerik. Tim tersebut menciptakan simulasi komputer terperinci yang awalnya menggambarkan bentuk dan materi alam semesta pada momen-momen awalnya, kemudian membiarkannya menelusuri jalur evolusinya. Tujuan mereka adalah untuk menyimpulkan kondisi yang menyebabkan ekspansi kosmik yang sangat besar ini.

Hasil simulasi tersebut memicu minat yang luas karena sifatnya yang tidak biasa, mengungkapkan bahwa medan cembung tampaknya lebih mungkin menyebabkan inflasi daripada medan cekung. Hal ini menunjukkan kontradiksi yang jelas dengan indikasi samar yang kami terima dari radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik (yang mendukung bentuk cekung sederhana).

Hipotesis Alam Semesta yang Memantul

Hal yang menarik adalah semakin dalam kita menggali, semakin ambigu dan kompleks gambaran yang muncul. Penemuan baru ini menunjukkan bahwa inflasi mungkin bukan penjelasan pasti untuk alam semesta awal, seperti yang kita pikirkan sebelumnya. Namun, pintu belum sepenuhnya tertutup bagi para peneliti. Lim dan Clough telah menemukan bahwa model cembung tertentu—yang dikenal sebagai “model penarik alfa”—dapat menghasilkan inflasi.

Dalam makalah baru, yang masih dalam proses peninjauan, Lim dan rekan-rekannya telah melangkah lebih jauh dengan menggunakan teknik relativitas numerik untuk memprediksi jenis gelombang gravitasi yang mungkin dihasilkan oleh model cembung ini. Para ilmuwan sekarang menaruh harapan pada observatorium gelombang gravitasi untuk mendeteksi sinyal-sinyal ini, yang dapat memberikan bukti konklusif untuk kisah sebenarnya dari era inflasi kosmik. Lim menjelaskan, “Jika kita mengetahui sifat dari upaya ini, kita dapat menghitung gelombang gravitasi, dan sebaliknya.”

Senada dengan itu, David Garfinkel dari Universitas Oakland di Michigan, yang juga bekerja di bidang relativitas numerik, mengatakan: “Simulasi ini dapat dianggap sebagai jejak kreatif yang luar biasa, tetapi masih gagal untuk menelusuri pembentukan alam semesta dari inflasi kosmik hingga bentuk modernnya. Oleh karena itu, kita tidak dapat sepenuhnya yakin bahwa simulasi ini menyebabkan terbentuknya alam semesta dalam bentuknya saat ini.”

Namun, jika penelitian tentang relativitas numerik pada akhirnya melemahkan teori inflasi, hipotesis alternatif telah muncul yang menunjukkan bahwa alam semesta dimulai bukan dengan ledakan, tetapi dengan Big Bang. Menurut pandangan ini, tidak akan ada yang namanya singularitas atau periode inflasi. Sebaliknya, teori ini mengemukakan alam semesta masa lalu yang terus berkontraksi hingga mencapai ukuran yang sangat kecil, sebelum memantul keluar dan membentuk alam semesta kita saat ini.

Garfinkel dan timnya telah berupaya untuk mengeksplorasi ide ini menggunakan alat-alat relativitas numerik, bekerja sama dengan para ilmuwan terkemuka, terutama Paul Steinhardt dari Universitas Princeton di Amerika Serikat, penulis model alam semesta siklik (memantul) yang diusulkan. Dalam sebuah makalah baru-baru ini, tim tersebut menunjukkan bahwa fase kontraksi alam semesta siklik ini berpotensi untuk menghaluskan gumpalan di dalam lipatannya dan mengubahnya menjadi alam semesta yang lebih homogen, mungkin bahkan lebih efektif daripada teori inflasi.

Mengenai hal ini, Garfinkel berkomentar, “Kita dapat menemukan skenario di mana alam semesta menjadi seragam dan homogen jika mulai berkontraksi, sedangkan keseragaman ini tidak terjadi selama ekspansi.” (Bayangkan alam semesta sebagai ruangan yang dipenuhi kertas-kertas yang berserakan di mana-mana, dan entah bagaimana kertas-kertas ini tersusun dengan cara yang tidak kita pahami. Teori inflasi menyatakan bahwa ruangan tersebut mengembang secara tiba-tiba dan cepat, menyebabkan kertas-kertas tersebut menyebar dan kemudian terdistribusi secara merata dan rapi. Namun, penelitian baru menunjukkan bahwa ruangan tersebut berkontraksi, menyebabkan kertas-kertas tersebut menjadi seragam dan tersusun dalam ruang terbatas ini.)

Dalam studi lain yang dilakukan oleh William East dari Perimeter Institute di Kanada, bekerja sama dengan rekan-rekannya, tim tersebut memutuskan untuk fokus pada masalah pelik mengenai nasib lubang hitam yang pernah menghuni alam semesta. Kekhawatiran mereka meningkat bahwa pantulan besar ini mungkin telah menekan lubang hitam ini sedemikian parah sehingga melanggar hipotesis “sensor kosmik”, sebuah teori fisika yang diajukan oleh Roger Penrose pada tahun 1969. Teori ini menyatakan bahwa setiap singularitas yang muncul di alam semesta—kecuali pada saat Big Bang—harus menghilang sepenuhnya di balik “cakrawala peristiwa” (seperti lubang hitam). (Ini berarti bahwa sensor kosmik melindungi hukum fisika dengan menyembunyikan titik-titik di mana hukum-hukum tersebut tidak berlaku dan masa depan menjadi tidak dapat diprediksi.)

Namun, penelitian East menepis kekhawatiran ini dengan menunjukkan bahwa meskipun cakrawala peristiwa menyusut karena pantulan, cakrawala tersebut akan tetap utuh, dan oleh karena itu singularitas potensial lainnya akan tetap tersembunyi oleh mekanisme perlindungan diri alam semesta. Lebih lanjut, temuan yang menggembirakan mengenai “alam semesta yang terpantul” ini sangat konsisten dengan hasil fisika penting lainnya.

Pada Maret 2025, data dari Instrumen Spektroskopi Energi Gelap (DESI) menunjukkan bahwa laju ekspansi alam semesta telah mulai melambat. Perlambatan ini diyakini memainkan peran penting dalam membentuk alam semesta menjadi bentuknya saat ini, karena jika alam semesta terus mengembang dengan laju yang sama, ia tidak akan pernah berhenti mengembang atau menyusut lagi.

Terlepas dari penemuan-penemuan ini, banyak ilmuwan tetap skeptis terhadap teori pantulan. Hal ini karena gagasan tersebut membutuhkan unsur-unsur yang sangat tidak biasa, seperti energi negatif, yang tampaknya melanggar hukum fisika yang dikenal. Oleh karena itu, ilmuwan Garfinkel percaya bahwa teori inflasi tradisional tetap lebih kuat karena tidak membutuhkan gagasan-gagasan aneh dan kompleks ini untuk menjelaskan bagaimana alam semesta dimulai.

Selain teori pantulan yang aneh, teknik relativitas mengarah pada gagasan yang terkait dengan teori inflasi tetapi terselubung dalam wujud yang lebih aneh lagi. Pada tahap awal teori tersebut, para peneliti berteori bahwa medan inflasi, atau yang disebut medan pelarian, dapat berhenti berfungsi di wilayah tertentu sementara terus berlanjut di wilayah lain. Hal ini menyebabkan munculnya gelembung-gelembung di ruang angkasa yang mengembang relatif lambat di tengah badai inflasi, meskipun semuanya lolos dari satu singularitas. Karena kecepatan luar biasa di mana alam semesta mengembang, gelembung-gelembung ini terpisah satu sama lain selamanya dan menjadi alam semesta independen.

Dan inilah bagian yang menarik: jika alam semesta yang baru lahir ini terbentuk berdekatan, ada kemungkinan besar mereka akan bertabrakan saat alam semesta masih mengembang dan meledak. Untuk menguji hal ini, Hirania Peiris, seorang astrofisikawan di Universitas Cambridge, memulai perjalanan penelitian yang berbeda pada tahun 2011, berkolaborasi dengan timnya yang menggunakan simulasi komputer berdasarkan relativitas numerik untuk menciptakan skenario tentang apa yang mungkin terjadi pada alam semesta kita jika bertabrakan dengan alam semesta lain.

Hasil penelitian mereka menunjukkan bahwa tabrakan dahsyat semacam itu akan meninggalkan jejak melingkar yang berbeda pada peta radiasi kuno alam semesta (radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik). Dalam pencarian jejak-jejak ini, mereka terkejut menemukan empat wilayah yang sangat sesuai dengan prediksi mereka. Mungkinkah jejak-jejak ini menjadi bukti bahwa alam semesta lain telah bertabrakan dengan alam semesta kita di masa lalu?

Namun, hasil ini tidak tanpa ketidakpastian. Salah satunya, model yang digunakan Peiris terlalu khusus dan kurang komprehensif serta kurang canggih dibandingkan perangkat lunak yang baru-baru ini dikembangkan oleh Lim dan rekan-rekannya. Selain itu, laju pembentukan gelembung-gelembung ini dan kondisi pembentukannya selama periode inflasi masih belum jelas, memaksa tim untuk bergantung pada beberapa hipotesis yang diperkirakan.

Saat ini, Peiris sedang berupaya memahami misteri tabrakanu gelembung ini secara lebih detail, dengan fokus pada pengembangan algoritma relativitas numerik untuk menyempurnakan hasilnya. Ia mengatakan dalam hal ini, “Kami sedang berupaya untuk menetapkan prinsip-prinsip fisika yang mendasari prediksi ini, dan saya rasa ini tidak akan memengaruhi validitas hasil kami sebelumnya.”

Para peneliti di Kanada telah membuat kemajuan signifikan dalam mengidentifikasi kondisi yang memungkinkan gelembung kosmik ini terbentuk. Penelitian mereka menunjukkan bahwa gelembung-gelembung ini cenderung tumbuh di area dengan kepadatan tinggi, yang berarti bahwa peluang pembentukannya bervariasi dari satu tempat ke tempat lain di ruang angkasa. Informasi ini dapat digunakan untuk memasukkan data ke perangkat lunak komputer yang dapat secara akurat memprediksi di mana gelembung akan terbentuk, karena lokasi pembentukannya akan memengaruhi probabilitas tabrakannya. Selain itu, Peiris terlibat dalam eksperimen laboratorium yang menggunakan gelembung di dalam cairan eksotis (terdiri dari atom kalium yang sangat dingin) untuk mensimulasikan tabrakan alam semesta.

Dalam upaya untuk memungkinkan para ilmuwan menjelajahi alam semesta dengan alat yang lebih canggih, Lem, Clough, dan Josu Orikoekeja dari Universitas Oxford telah menyajikan tinjauan ilmiah komprehensif tentang relativitas numerik, dengan harapan hal ini akan membuka jendela bagi para kosmolog untuk memanfaatkan alat ini dengan cara terbaik.

Clough menggambarkan ini sebagai momen luar biasa bagi bidang ini, karena para ilmuwan saat ini sedang mencoba untuk mengadaptasi program mereka agar dapat berjalan pada chip elektronik yang lebih baru dan lebih cepat. Ia berkomentar, “Sekarang kita dapat menyelesaikan simulasi yang dulunya membutuhkan waktu dua minggu untuk diselesaikan, hanya dalam waktu sekitar satu hari.” Para ilmuwan berharap bahwa relativitas numerik akan membimbing mereka menuju “teori segalanya” (ambisi utama para kosmolog: untuk mencapai kerangka kerja yang menyatukan mekanika kuantum, yang menjelaskan dunia subatomik, dengan relativitas umum Einstein, yang menjelaskan gravitasi dan dunia benda-benda besar).

Teori-teori yang menjelaskan cara kerja alam semesta selalu menghadapi tantangan kontradiksi. Sebagai contoh, jika kita mempertimbangkan karya yang dilakukan oleh Lem dan rekan-rekannya tentang sifat medan inflasi, kita menemukan bahwa mereka menemukan sebagian besar konstruksi matematika yang diperlukan agar inflasi terjadi bertentangan dengan model teori string. Ini karena teori string mengasumsikan bahwa setiap vakum harus meluruh dengan sangat cepat, sehingga mencegah inflasi kosmik yang stabil dan berkelanjutan.

Namun, secercah harapan muncul di cakrawala. Hasil penelitian menunjukkan bahwa model atraktor alfa dapat memberikan rem yang diperlukan untuk inflasi kosmik dengan cara yang selaras dengan asumsi teori string. Pertanyaan terpenting di sini adalah: Apakah ini menunjukkan bahwa kita semakin dekat dengan penjelasan yang lebih komprehensif tentang asal usul alam semesta? Mungkin ya, dan mungkin tidak, tetapi yang dapat kita konfirmasi adalah bahwa pengungkapan era Big Bang sudah memberi kita banyak kejutan.[]