Ahli kosmologi adalah pengembara masa intelektual. Mengingat kembali berbilion tahun, para saintis ini dapat menelusuri evolusi Alam Semesta kita dengan terperinci. Selama berabad-abad berikutnya, kosmos kita telah berkembang menjadi ukuran yang sangat besar sehingga kita tidak dapat lagi melihat sisi lain dari itu.
Tetapi bagaimana ini boleh berlaku? Sekiranya halaju cahaya menandakan had kelajuan kosmik, bagaimana mungkin terdapat kawasan ruang masa yang fotonnya berada di luar jangkauan kita selamanya? Dan walaupun ada, bagaimana kita tahu bahawa mereka wujud sama sekali?
Alam Semesta yang Berkembang
Seperti semua bidang fizik, Alam Semesta kita berusaha untuk wujud dalam keadaan tenaga serendah mungkin. Tetapi sekitar jam 10-36 beberapa saat selepas Big Bang, ahli kosmologi inflasi percaya bahawa kosmos bertumpu pada "tenaga vakum palsu" - titik rendah yang sebenarnya bukan titik rendah. Mencari nadir tenaga vakum yang sebenarnya, lebih kurang satu minit, Alam Semesta dianggap telah meningkat dengan faktor 1050.
Sejak masa itu, Alam Semesta kita terus berkembang, tetapi pada kadar yang jauh lebih perlahan. Kami melihat bukti pengembangan ini dalam cahaya dari objek yang jauh. Ketika foton yang dipancarkan oleh bintang atau galaksi menyebarkan ke seluruh Alam Semesta, peregangan ruang menyebabkan mereka kehilangan tenaga. Sebaik sahaja foton sampai ke kami, panjang gelombang mereka telah diubah merah sesuai dengan jarak yang mereka lalui.
Inilah sebabnya mengapa ahli kosmologi bercakap tentang pergeseran merah sebagai fungsi jarak di ruang dan waktu. Cahaya dari objek-objek yang jauh ini telah berjalan begitu lama sehingga, ketika akhirnya kita melihatnya, kita melihat benda-benda itu seperti berbilion tahun yang lalu.
Isipadu Hubble
Cahaya yang diubah merah membolehkan kita melihat objek seperti galaksi seperti yang ada di masa lalu; tetapi kita tidak dapat melihat semua peristiwa yang berlaku di Alam Semesta kita semasa sejarahnya. Kerana kosmos kita berkembang, cahaya dari beberapa objek terlalu jauh untuk kita lihat.
Fizik sempadan itu bergantung, sebagian, pada sebagian ruang waktu sekitar yang disebut volume Hubble. Di Bumi, kita menentukan volume Hubble dengan mengukur sesuatu yang disebut parameter Hubble (H0), nilai yang mengaitkan kelajuan kemelesetan jelas objek jauh dengan pergeseran merahnya. Ini pertama kali dihitung pada tahun 1929, ketika Edwin Hubble mendapati bahawa galaksi yang jauh nampaknya menjauh dari kita dengan kecepatan yang sebanding dengan peralihan cahaya mereka.
Membahagi kelajuan cahaya dengan H0, kami mendapat jumlah Hubble. Gelembung sfera ini merangkumi kawasan di mana semua objek bergerak jauh dari pemerhati pusat pada kelajuan kurang daripada kelajuan cahaya. Sejajar dengan itu, semua objek di luar volume Hubble menjauh dari pusatlebih pantas daripada kelajuan cahaya.
Ya, "lebih cepat daripada kelajuan cahaya." Bagaimana ini boleh berlaku?
Keajaiban Relativiti
Jawapannya ada kaitan dengan perbezaan antara relativiti khas dan relativiti umum. Relativiti khas memerlukan apa yang disebut "kerangka rujukan inersia" - lebih sederhana, latar belakang. Menurut teori ini, kelajuan cahaya adalah sama jika dibandingkan dalam semua kerangka rujukan inersia. Sama ada pemerhati duduk diam di bangku taman di planet Bumi atau melihat masa lalu Neptune dalam roket berkelajuan tinggi futuristik, kelajuan cahaya selalu sama. Foton selalu bergerak jauh dari pemerhati pada jarak 300.000.000 meter sesaat, dan dia tidak akan mengejar ketinggalan.
Relativiti umum, bagaimanapun, menggambarkan struktur ruang masa itu sendiri. Dalam teori ini, tidak ada kerangka rujukan inersia. Ruang masa tidak berkembang sehubungan dengan sesuatu di luar dirinya, jadi kelajuan cahaya sebagai had pada kelajuannya tidak berlaku. Ya, galaksi di luar ruang Hubble kita surut dari kita lebih cepat daripada kelajuan cahaya. Tetapi galaksi itu sendiri tidak melanggar had kelajuan kosmik. Bagi pemerhati dalam salah satu galaksi tersebut, tidak ada yang melanggar relativiti khas sama sekali. Ini adalah ruang di antara kita dan galaksi-galaksi yang cepat berkembang dan meregangkan secara eksponensial.
Alam Semesta yang Dapat Diperhatikan
Sekarang untuk bom seterusnya: Volume Hubble tidak sama dengan Alam Semesta yang dapat dilihat.
Untuk memahami perkara ini, pertimbangkan bahawa semesta semakin tua, cahaya jauh mempunyai lebih banyak masa untuk mencapai pengesan kita di Bumi. Kita dapat melihat objek yang telah dipercepat melebihi volume Hubble kita sekarang kerana cahaya yang kita lihat hari ini dipancarkan ketika berada di dalamnya.
Tegasnya, Alam Semesta kita yang dapat dilihat bertepatan dengan sesuatu yang disebut ufuk zarah. Cakrawala zarah menandakan jarak ke cahaya paling jauh yang mungkin kita dapat lihat pada masa ini - foton yang mempunyai cukup waktu untuk berada di dalam, atau mengejar bola Hubble kita yang berkembang dengan lembut.
Dan berapa jaraknya? Lebih dari 46 miliar tahun cahaya ke setiap arah - memberikan Alam Semesta kita yang dapat diperhatikan dengan diameter kira-kira 93 bilion tahun cahaya, atau lebih dari 500 bilion trilion batu.
(Nota ringkas: cakrawala zarah tidak sama dengan cakrawala peristiwa kosmologi. Cakrawala zarah merangkumi semua peristiwa pada masa lalu yang kini dapat kita lihat. Sebaliknya, cakerawala peristiwa kosmologi, menentukan jarak di mana pemerhati masa depan akan dapat melihat cahaya kuno masa sudut ruang kita yang dipancarkan hari ini.
Dengan kata lain, cakrawala zarah berkaitan dengan jarak ke objek lalu yang cahaya kuno yang dapat kita lihat hari ini; cakrawala peristiwa kosmologi berkaitan dengan jarak yang dapat dilalui cahaya masa kini yang akan dapat kita lalui kerana kawasan Alam Semesta yang jauh semakin jauh dari kita.)
Tenaga Gelap
Berkat pengembangan Alam Semesta, ada wilayah kosmos yang tidak akan pernah kita lihat, walaupun kita dapat menunggu waktu yang tidak terbatas untuk cahaya mereka sampai ke kita. Tetapi bagaimana dengan kawasan-kawasan yang berada di luar jangkauan volume Hubble kita sekarang? Sekiranya bidang itu juga meluas, adakah kita akan dapat melihat objek-objek sempadan itu?
Ini bergantung pada wilayah mana yang berkembang lebih cepat - jumlah Hubble atau bahagian-bahagian Alam Semesta yang berada di luarnya. Dan jawapan untuk soalan itu bergantung kepada dua perkara: 1) adakah H0 meningkat atau menurun, dan 2) sama ada Alam Semesta memecut atau menurun. Kedua-dua kadar ini saling berkaitan, tetapi tidak sama.
Sebenarnya, ahli kosmologi percaya bahawa kita sebenarnya hidup pada masa H0 semakin berkurangan; tetapi kerana tenaga gelap, halaju pengembangan Alam Semesta semakin meningkat.
Itu mungkin terdengar bertentangan, tetapi selagi H0 menurun dengan perlahan kadar daripada yang mana kecepatan pengembangan Alam Semesta meningkat, pergerakan galaksi secara keseluruhan dari kita masih berlaku pada kadar yang dipercepat. Dan pada masa ini, ahli kosmologi percaya bahawa pengembangan Alam Semesta akan melebihi pertumbuhan volume Hubble yang lebih sederhana.
Oleh itu, walaupun jumlah Hubble kita semakin meningkat, pengaruh tenaga gelap nampaknya memberikan had yang sukar bagi Alam Semesta yang terus meningkat.
Batasan Bumi Kita
Ahli kosmologi nampaknya mempunyai pegangan yang baik untuk pertanyaan mendalam seperti apa yang akan dilihat oleh Alam Semesta kita suatu hari nanti dan bagaimana pengembangan kosmos akan berubah. Tetapi pada akhirnya, para saintis hanya dapat berteori jawapan untuk soalan mengenai masa depan berdasarkan pemahaman mereka tentang Alam Semesta sekarang. Skala waktu kosmologi sangat panjang yang tidak dapat dibayangkan sehingga mustahil untuk mengatakan banyak perkara konkrit mengenai bagaimana Alam Semesta akan bertindak di masa depan. Model hari ini sesuai dengan data semasa dengan sangat baik, tetapi sebenarnya tidak ada antara kita yang akan hidup cukup lama untuk melihat sama ada ramalan itu benar-benar sesuai dengan semua hasil.
Mengecewakan? Pasti. Tetapi sangat sepadan dengan usaha untuk membantu otak kita yang lemah memikirkan sains yang boleh difikirkan - kenyataan yang, seperti biasa, hanya asing daripada fiksyen.
