Konstanta kosmologis

Sketsa garis waktu alam semesta dalam model ΛCDM. Perluasan yang dipercepat dalam sepertiga terakhir garis waktu merepresentasikan era yang didominasi energi gelap.

Dalam kosmologi, konstanta kosmologis (biasanya dilambangkan dengan huruf kapital Yunani lambda: Λ) adalah kerapatan energi dari ruang, atau energi vakum, yang muncul dalam persamaan medan Albert Einstein dalam teori relativitas umum. Konstanta ini sering diasosiasikan dengan konsep energi gelap dan kuintesensi.[1]

Einstein awalnya mengemukakan konsep ini pada tahun 1917[2] untuk mengimbangi pengaruh gravitasi dan menghasilkan alam semesta statis, gagasan yang dipandang benar pada saat itu. Einstein meninggalkan konsep tersebut pada tahun 1931 setelah Hubble menemukan bahwa alam semesta meluas.[3] Dari 1930-an sampai akhir 1990-an, kebanyakan fisikawan berasumsi bahwa konstanta kosmologis bernilai sama dengan nol.[4] Pandangan tersebut berubah ketika ditemukan pada tahun 1998 bahwa perluasan alam semesta rupanya dipercepat, mengimplikasikan kemungkinan bahwa konstanta kosmologis bernilai positif bukan nol.[5]

Sejak 1990-an, penelitian telah menunjukkan bahwa sekitar 68% dari kerapatan massa–energi di alam semesta bisa diatribusikan kepada sesuatu yang disebut energi gelap.[6] Konstanta kosmologis Λ merupakan penjelasan paling sederhana yang mungkin untuk energi gelap, dan digunakan dalam model kosmologi standar terkini yang dikenal sebagai model ΛCDM.

Menurut teori medan kuantum yang mendasari fisika partikel modern, ruang hampa didefinisikan oleh keadaan vakum yang merupakan sekumpulan medan kuantum. Semua medan kuantum mengalami fluktuasi dalam keadaan dasar (kerapatan energi terendah) mereka yang dihasilkan oleh energi titik nol yang ada di semua tempat dalam ruang. Fluktuasi titik nol tersebut seharusnya berkontribusi kepada konstanta kosmologis Λ, tetapi ketika dilakukan perhitungan fluktuasi tersebut menghasilkan energi vakum yang sangat besar.[7] Perbedaan antara energi vakum dalam teori medan kuantum dengan energi vakum yang diamati dari kosmologi merupakan sumber perdebatan serius, dengan nilai-nilai yang diprediksi melebihi nilai-nilai yang diamati sejauh 120 tingkat besaran, perbedaan yang telah disebut "prediksi teoretis terburuk dalam sejarah fisika!".[8] Masalah ini disebut masalah konstanta kosmologis dan merupakan salah satu misteri terbesar dalam ilmu pengetahuan, dengan banyak fisikawan menyebutkan bahwa "vakum memegang kunci kepada pemahaman yang lengkap mengenai alam".[9]

Sejarah

Einstein memasukkan konstanta kosmologis sebagai sebuah suku dalam persamaan medannya untuk relativitas umum karena dia tidak puas dengan persamaannya yang tanpa konstanta tersebut, tampaknya, tidak memungkinkan alam semesta statis: gravitasi akan membuat alam semesta yang awalnya dalam kesetimbangan dinamis menjadi berkontraksi. Untuk mengimbangi kemungkinan ini, Einstein menambahkan konstanta kosmologis.[3] Namun, tidak lama setelah Einstein mengembangkan teori statisnya, pengamatan oleh Edwin Hubble mengindikasikan bahwa alam semesta tampaknya meluas; ini konsisten dengan sebuah penyelesaian kosmologis untuk persamaan relativitas umum yang awal yang telah ditemukan oleh matematikawan Friedmann, yang sedang meneliti persamaan relativitas umum Einstein. Einstein dilaporkan menyebut kegagalannya menerima keabsahan persamaannya—ketika persamaannya sebelumnya memperkirakan bahwa alam semesta meluas, sebelum didemonstrasikan dalam pengamatan pergeseran merah kosmologis—sebagai "blunder terbesar"-nya.[10]

Sebenarnya, menambahkan konstanta kosmologis ke persamaan Einstein tidak menghasilkan alam semesta statis pada keadaan setimbang karena kesetimbangannya tidak stabil: jika alam semesta meluas sedikit, maka perluasannya melepaskan energi vakum, yang menyebabkan perluasan terjadi lagi. Begitu pula, alam semesta yang sedikit berkontraksi akan terus berkontraksi.[11]

Akan tetapi, konstanta kosmologis terus menjadi subjek penelitian teoretis maupun empiris. Dari sisi empirisnya, banyak data kosmologisnya dari dekade-dekade terakhir yang mendukung pandangan bahwa konstanta kosmologis positif.[5] Penjelasan dari nilai yang kecil tetapi positif ini merupakan tantangan teoretis yang belum dipecahkan, disebut masalah konstanta kosmologis.

Beberapa generalisasi awal dari teori gravitasi Einstein, dikenal sebagai teori medan terpadu klasik, mengemukakan sebuat konstanta kosmologis atas dasar teoretis atau menemukan bahwa konstanta tersebut muncul secara wajar dari matematikanya. Contohnya, Sir Arthur Stanley Eddington mengatakan bahwa versi konstanta kosmologis dari persamaan medan vakum mengekspresikan sifat "epistemologis" yaitu alam semesta "menolok diri sendiri", dan teori afin-murni Erwin Schrödinger yang menggunakan sebuah prinsip variasonal sederhana menghasilkan persamaan medan dengan sebuah suku kosmologis.

Lihat pula

• Big Rip
• Efek Unruh
• Elektrodinamika kuantum
• Mekanisme Higgs
• Penyelesaian Lambdavacuum
• Relativitas de Sitter

Referensi

Catatan kaki

1. Antara energi gelap bisa dijelaskan dengan konstanta kosmologis statis, atau energi misterius ini tidaklah konstan dan terus berubah, sebagaimana dengan kuintesensi, lihatlah sebagai contoh:
   • "Fisika mengundang gagasan bahwa ruang mengandung energi yang efek gravitasinya mendekati konstanta kosmologis Einstein, Λ; sekarang konsep ini disebut energi gelap atau kuintesensi." Peebles & Ratra (2003), hlm. 1
   • "Tampaknya fluida kosmologis didominasi oleh suatu bentuk kerapatan energi fantastis, yang memiliki tekanan negatif, dan baru mulai memainkan peran penting saat ini. Tidak ada teori yang meyakinkan yang telah dibuat untuk menjelaskan keadaan ini, walaupun model kosmologis yang berdasarkan pada komponen energi gelap, seperti konstanta kosmologis (Λ) atau kuintesensi (Q), adalah kandidat terdepan." Caldwell (2002), hlm. 2
2. Einstein (1917)
3. Rugh & Zinkernagel (2001), hlm. 3
4. Mengenai konstanta kosmologis diduga punya nilai nol lihatlah sebagai contoh:
   • "Karena batas atas kosmologis ${\displaystyle \left|\left\langle \rho \right\rangle +\lambda /8\pi G\right|}$ jauh lebih kecil daripada nilai manapun yang diperkirakan teori partikel, kebanyakan teoretikus partikel mengasumsikan bahwa untuk alasan yang tidak diketahui kuantitas ini bernilai nol." Weinberg (1989), hlm. 3
   • "Penemuan astronomi yang penting adalah menetapkan melalui pengamatan yang meyakinkan bahwa Λ tidak bernilai nol." Carroll, Press & Turner (1992), hlm. 500
   • "Sebelum 1998, tidak ada bukti astronomi langsung untuk Λ dan batas atas yang diamati begitu kuat ( Λ < 10−120 satuan Planck) sampai banyak teoretikus partikel yang menduga bahwa suatu prinsip fundamental pasti membuat nilainya persis nol." Barrow & Shaw (2011), hlm. 1
   • "Satu-satunya nilai alami lainnya adalah Λ = 0. Jika Λ benar-benar kecil tapi bukan zero, maka itu menambahkan petunjuk fisika yang merangsang tapi misterius untuk ditemukani." Peebles & Ratra (2003), hlm. 333
5. Lihat untuk contoh:
   • "Ini merupakan hasil mandiri dari dua tim. Supernova Cosmology Project (Perlmutter et al. (1999); lihat pula Perlmutter et al. (1998)) dan High-Z Supernova Search Team (Riess et al. (1998); lihat pula Schmidt et al. (1998))" Weinberg (2015), hlm. 376
6. Redd (2013)
7. Rugh & Zinkernagel (2001), hlm. 1
8. Lihatlah sebagai contoh:
   • "Ini memberikan jawaban sekitar 120 tingkat besaran lebih tinggi dari batas atas Λ yang ditentukan oleh pengamatan kosmologis. Ini mungkin merupakan prediksi teoretis terburuk dalam sejarah fisika!" Hobson, Efstathiou & Lasenby (2006), hlm. 187
   • "Ini, sebagaimana kita akan lihat nanti, kira-kira 120 tingkat besaran lebih besar daripad apa yang dimungkinkan oleh pengamatan." Carroll, Press & Turner (1992), hlm. 503
   • "Ekspektasi teoretis untuk konstanta kosmologis melebihi batas hasil pengamatan sebesar 120 tingkat besaran." Weinberg (1989), hlm. 1
9. Lihatlah sebagai contoh:
   • "vakum memegang kunci pemahaman yang lengkap mengenai alam" Davies (1985), hlm. 104
   • "Masalah teoretis menjelaskan konstanta kosmologis adalah salah satu tantangan terbesar dalam fisika teori. Sangat mungkin apabila kita memerlukan sebuah teori gravitasi kuantum yang sepenuhnya dikembangkan (mungkin teori dawai super) sebelum kita bisa memahami Λ." Hobson, Efstathiou & Lasenby (2006), hlm. 188
10. Terdapat perdebatan mengenai apakah Einstein menyebut konstanta kosmologis sebagai “blunder terbesarnya”, dengan semua rujukan bisa dilacak kembali kepada satu orang: George Gamow. (Lihat Gamow (1956, 1970).) Contohnya:
    • "Astrofisikawan dan pengarang Mario Livio tidak bisa menemukan dokumentasi yang meletakkan kata-kata tersebut ke dalam mulut Einstein (ataupun penanya). Melainkan, semua rujukan pada akhirnya mengarah kembali ke satu orang—fisikawan George Gamow—yang melaporkan penggunaan frasa ini oleh Einstein dalam dua sumber: Autobiografinya yang diterbitkan secara anumerta My World Line (1970) dan sebuah artikel Scientific American dari September 1956." Rosen (2013)
    • "Kami juga merasa masuk akal apabila Einstein membuat pernyataan itu kepada Gamow secara khusus. Kami menyimpulkan bahwa terdapat sedikit keraguan bahwa Einstein kemudian memandang pemasukan konstanta kosmologis sebagai kesalahan yang serius, dan sangat masuk akal apabila dia menyebut suku tersebut sebagai “blunder terbesar”-nya pada paling tidak satu kesempatan". O'Raifeartaigh & Mitton (2018), hlm. 1
11. Ryden (2003), hlm. 59

Bibliografi

Sumber primer

• Einstein, A. (1917). "Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie". Sitzungsberichte der Königlich Preußischen Akademie der Wissenschaften. Berlin, DE. part 1: 142–152. Bibcode:1917SPAW.......142E. 
• Gamow, G. (1956). "The evolutionary universe". Scientific American. 195 (3): 136–156. Bibcode:1956SciAm.195c.136G. doi:10.1038/scientificamerican0956-136. JSTOR 24941749. 
• Gamow, G. (1970). My World Line: An informal autobiography. New York, NY: Viking Press. ISBN 978-0-670-50376-6. LCCN 79094855. OCLC 70097. 
• Perlmutter, S.; Aldering, G.; Valle, M. Della; Deustua, S.; Ellis, R.S.; Fabbro, S.; Fruchter, A.; Goldhaber, G.; Groom, D.E.; Hook, I.M.; Kim, A.G.; Kim, M.Y.; Knop, R. A.; Lidman, C.; McMahon, R.G.; Nugent, P.; Pain, R.; Panagia, N.; Pennypacker, C. R.; Ruiz-Lapuente, P.; Schaefer, B.; Walton, N. (1998). "Discovery of a supernova explosion at half the age of the Universe". Nature. 391 (6662): 51–54. arXiv:astro-ph/9712212 . Bibcode:1998Natur.391...51P. doi:10.1038/34124. ISSN 0028-0836. 
• Perlmutter, S.; Aldering, G.; Goldhaber, G.; Knop, R.A.; Nugent, P.; Castro, P.G.; Deustua, S.; Fabbro, S.; Goobar, A.; Groom, D.E.; Hook, I.M.; Kim, A.G.; Kim, M.Y.; Lee, J.C.; Nunes, N.J.; Pain, R.; Pennypacker, C.R.; Quimby, R.; Lidman, C.; Ellis, R.S.; Irwin, M.; McMahon, R.G.; Ruiz‐Lapuente, P.; Walton, N.; Schaefer, B.; Boyle, B.J.; Filippenko, A.V.; Matheson, T.; Fruchter, A.S.; Panagia, N.; Newberg, H.J.M.; Couch, W.J.; The Supernova Cosmology Project (1999). "Measurements of Ω and Λ from 42 high-redshift supernovae". The Astrophysical Journal. 517 (2): 565–586. arXiv:astro-ph/9812133 . Bibcode:1999ApJ...517..565P. doi:10.1086/307221. ISSN 0004-637X. 
• Riess, A.G.; Filippenko, A.V.; Challis, P.; Clocchiatti, A.; Diercks, A.; Garnavich, P.M.; Gilliland, R.L.; Hogan, C.J.; Jha, S.; Kirshner, R.P.; Leibundgut, B.; Phillips, M.M.; Reiss, D.; Schmidt, B.P.; Schommer, R.A.; Smith, R.C.; Spyromilio, J.; Stubbs, C.; Suntzeff, N.B.; Tonry, J. (1998). "Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant". The Astronomical Journal. 116 (3): 1009–1038. arXiv:astro-ph/9805201 . Bibcode:1998AJ....116.1009R. doi:10.1086/300499. ISSN 0004-6256. 
• Schmidt, B.P.; Suntzeff, N.B.; Phillips, M.M.; Schommer, R.A.; Clocchiatti, A.; Kirshner, R.P.; Garnavich, P.; Challis, P.; Leibundgut, B.; Spyromilio, J.; Riess, A.G.; Filippenko, A.V.; Hamuy, M.; Smith, R. C.; Hogan, C.; Stubbs, C.; Diercks, A.; Reiss, D.; Gilliland, R.; Tonry, J.; Maza, J.; Dressler, A.; Walsh, J.; Ciardullo, R. (1998). "The High-Z Supernova Search: Measuring Cosmic Deceleration and Global Curvature of the Universe Using Type Ia Supernovae". The Astrophysical Journal. 507 (1): 46–63. arXiv:astro-ph/9805200 . Bibcode:1998ApJ...507...46S. doi:10.1086/306308. ISSN 0004-637X. 

Sumber sekunder

• Barrow, J. D.; Shaw, D. J. (2011). "The value of the cosmological constant". General Relativity and Gravitation. 43 (10): 2555–2560. arXiv:1105.3105 . Bibcode:2011GReGr..43.2555B. doi:10.1007/s10714-011-1199-1. ISSN 0001-7701. 
• Caldwell, R. R. (2002). "A phantom menace? Cosmological consequences of a dark energy component with super-negative equation of state". Physics Letters B. 545 (1–2): 23–29. arXiv:astro-ph/9908168 . Bibcode:2002PhLB..545...23C. doi:10.1016/S0370-2693(02)02589-3. ISSN 0370-2693. 
• Carroll, S. M.; Press, W. H.; Turner, E. L. (1992). "The Cosmological Constant" (PDF). Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 30 (1): 499–542. Bibcode:1992ARA&A..30..499C. doi:10.1146/annurev.aa.30.090192.002435. ISSN 0066-4146. 
• Davies, P. C. W. (1985). Superforce: The Search for a Grand Unified Theory of Nature. New York: Simon and Schuster. ISBN 978-0-671-47685-4. LCCN 84005473. OCLC 12397205. 
• Hobson, M. P.; Efstathiou, G. P.; Lasenby, A. N. (2006). General Relativity: An Introduction for Physicists (edisi ke-2014). Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-82951-9. LCCN 2006277059. OCLC 903178203. 
• O'Raifeartaigh, C.; Mitton, S. (2018). "Einstein's "biggest blunder" – interrogating the legend". Physics in Perspective. 20 (4): 318–341. arXiv:1804.06768 . doi:10.1007/s00016-018-0228-9. 
• Peebles, P. J. E.; Ratra, B. (2003). "The Cosmological Constant and Dark Energy". Reviews of Modern Physics. 75 (2): 559–606. arXiv:astro-ph/0207347 . Bibcode:2003RvMP...75..559P. doi:10.1103/RevModPhys.75.559. ISSN 0034-6861. 
• Redd, N. T. (2013). "What is Dark Energy?". space.com. Diarsipkan dari versi asli tanggal 19 May 2016. Diakses tanggal 28 October 2018.  Parameter |url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)
• Rosen, R. J. (2013). "Einstein Likely Never Said One of His Most Oft-Quoted Phrases". theatlantic.com. The Atlantic. Diarsipkan dari versi asli tanggal 10 August 2013. Diakses tanggal 6 March 2017.  Parameter |url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)
• Rugh, S; Zinkernagel, H. (2001). "The Quantum Vacuum and the Cosmological Constant Problem". Studies in History and Philosophy of Modern Physics. 33 (4): 663–705. arXiv:hep-th/0012253 . Bibcode:2002SHPMP..33..663R. doi:10.1016/S1355-2198(02)00033-3. 
• Ryden, B. S. (2003). Introduction to Cosmology. San Francisco: Addison-Wesley. ISBN 978-0-8053-8912-8. LCCN 2002013176. OCLC 50478401. 
• Weinberg, S. (1989). "The Cosmological Constant Problem" (PDF). Reviews of Modern Physics. 61 (1): 1–23. Bibcode:1989RvMP...61....1W. doi:10.1103/RevModPhys.61.1. hdl:2152/61094. ISSN 0034-6861. 
• Weinberg, S. (2015). Lectures on Quantum Mechanics (edisi ke-2nd). Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-11166-0. LCCN 2015021123. OCLC 910664598. 

Pranala luar

• Michael, E., University of Colorado, Department of Astrophysical and Planetary Sciences, "The Cosmological Constant"
• Cosmological constant (astronomy) di Encyclopædia Britannica
• Carroll, Sean M., "The Cosmological Constant" (pendek), "The Cosmological Constant" (diperpanjang).
• News story: More evidence for dark energy being the cosmological constant
• Cosmological constant dari Scholarpedia
• Copeland, Ed; Merrifield, Mike. "Λ – Cosmological Constant". Sixty Symbols. Brady Haran for the University of Nottingham.