Pemahaman Fisika Tentang Perjalanan Antar Bintang

Oleh: Michio Kaku
Ahli fisika teoritis, profesor, penulis buku laris, penggiat iptek populer

Hingga suatu hari, gapailah bintang-bintang.

Ketika mendiskusikan tentang kemungkinan perjalanan antar bintang, ada sesuatu yang disebut sebagai "faktor yang menggelitik". Sebagian ilmuwan cenderung untuk mencemooh ide perjalanan antar bintang karena jarak yang sangat besar yang memisahkan bintang-bintang. Menurut Relativitas Khusus (1905), tidak terdapat informasi tentang sesuatu yang dapat berjalan lebih cepat daripada cahaya, dan oleh karenanya akan memakan waktu berabad-abad hingga ribuan tahun bagi suatu peradaban dari luar Bumi untuk menempuh perjalanan antar bintang. Bahkan bintang-bintang yang kita kenal di langit malam itu jaraknya kira-kira 50 hingga 100 tahun cahaya, dan galaksi kita membentang 100.000 tahun cahaya. Galaksi terdekat jaraknya 2 juta tahun cahaya dari planet kita. Para kritikus mengatakan bahwa pada prakteknya jagad raya terlalu besar bagi perjalanan antar bintang.

Hal yang sama, investigasi terhadap UFO yang mungkin berasal dari planet lain terkadang merupakan "jalur ketiga" bagi karir ilmiah seseorang. Tidak ada pendanaan bagi seseorang yang secara serius mencari obyek-obyek tidak dikenal di angkasa, dan reputasi seseorang mungkin akan mengalami penderitaan jika seseorang memiliki minat terhadap masalah yang tidak lazim ini. Sebagai tambahan, mungkin 99% dari seluruh penampakan UFO dapat ditolak dan dianggap sebagai fenomena biasa, misalnya planet Venus, gas rawa (yang dapat berpendar di kegelapan dengan kondisi tertentu), meteor, satelit, balon cuaca, bahkan gema radar yang merambat lewat pegunungan. (Apa yang mengganggu bagi seorang ahli fisika, bagaimanapun, adalah sisa 1% dari penampakan-penampakan ini, dimana beragam penampakan dipecahkan dengan beragam metode observasi. Beberapa penampakan yang paling membuat penasaran dilaporkan oleh seorang pilot yang telah berpengalaman serta dari para penumpang pesawat yang juga terlacak oleh radar dan direkam dalam video. Penampakan seperti ini sulit untuk ditolak).

Namun bagi seorang astronom, eksistensi kehidupan cerdas di alam semesta ini merupakan ide yang memaksa dari eksistensi itu sendiri, dimana makhluk ET mungkin eksis di bintang-bintang lainnya yang memiliki peradaban berabad atau beribu tahun lebih maju dari kita. Dalam galaksi Bima Sakti sendiri saja, ada lebih dari 100 milyar bintang, yang mungkin membuatnya tidak sesuai bagi kehidupan cerdas, namun setengahnya mungkin memiliki sistem tata surya yang mirip dengan kita. Meskipun sejauh ini telah ditemukan lebih dari 100 planet di luar tata surya kita dimana tidak ada yang mirip dengan Bumi kita, tidak dapat dielakkan bahwa banyak ilmuwan meyakini, bahwa suatu hari kita akan menemukan planet kecil yang serupa dengan Bumi yang memiliki air (air adalah "cairan universal" yang memungkinkan adanya DNA pertama di samudera sekira 3,5 milyar tahun lampau). Penemuan planet yang serupa dengan Bumi mungkin akan membutuhkan waktu 20 tahunan, ketika NASA berniat meluncurkan satelit interferometri angkasa ke dalam orbit yang mungkin cukup sensitif untuk mendeteksi planet-planet yang mengorbit bintang-bintang lain.

Sejauh ini, kita tidak melihat bukti kuat adanya sinyal yang berasal dari peradaban ekstraterestrial dari planet manapun yang serupa dengan Bumi. Proyek SETI (Search for Extra-Terrestrial Intelligence = pencarian kehidupan cerdas di luar Bumi) belum menghasilkan bukti apapun yang bernilai tentang adanya kehidupan cerdas di alam semesta dari planet-planet yang serupa dengan Bumi, namun persoalan ini masih perlu untuk dilakukan analisis ilmiah yang lebih serius lagi. Kuncinya adalah menganalisis ulang semua faktor yang tidak mendukung atas perjalanan yang dapat melebihi kecepatan cahaya.

Pandangan kritis terhadap isu ini harus perlu mencakup dua observasi baru. Pertama, Relativitas Khusus digantikan oleh Relativitas Umum dari Einstein sendiri yang lebih kuat (tahun 1915), dimana perjalanan melampaui kecepatan cahaya adalah hal yang tidak mustahil di bawah kondisi tertentu. Kesulitan yang utama ialah menghimpun energi yang cukup dari tipe tertentu untuk menembus rintangan cahaya. Kedua, seseorang oleh karenanya harus menganalisis peradaban ekstraterestrial yang berbasiskan pada keluaran energi totalnya serta hukum termodinamika. Pada bagian ini, seseorang mesti menganalisis peradaban yang mungkin lebih maju ribuan hingga jutaan tahun dari peradaban kita.

Upaya realistis pertama untuk menganalisis peradaban ekstraterestrial dari sudut pandang hukum fisika dan hukum termodinamika dilakukan oleh Nicolai Kardashev, ahli astrofisika Rusia. Ia mendasarkan tingkatan yang ia susun atas kemungkinan adanya peradaban pada basis keluaran energi total yang dapat diukur dan digunakan sebagai panduan untuk menyelidiki dinamika peradaban maju:

Tipe I: Peradaban ini memanfaatkan keluaran energi dari planet

Tipe II: Peradaban ini memanfaatkan keluaran energi dari suatu bintang, dan menghasilkan sekira 10 milyar kali keluaran energi dari yang dihasilkan oleh peradaban Tipe I.

Tipe II: Peradaban ini memanfaatkan keluaran energi dari suatu galaksi, dan menghasilkan sekira 10 milyar kali keluaran energi dari yang dihasilkan oleh peradaban Tipe II.

Suatu peradaban Tipe I akan mampu memanipulasi energi planet yang sesungguhnya. Mereka punya kemampuan, misalnya, mengendalikan atau mengubah cuaca mereka. Mereka memiliki kekuatan untuk memanipulasi fenomena keplanetan, seperti angin topan, dimana dapat mengeluarkan energi setara ratusan bom hidrogen. Mungkin juga gunung berapi atau bahkan gempa bumi dapat dimanfaatkan oleh peradaban semacam ini.

Suatu peradaban Tipe II mungkin menyerupai Federasi Planet seperti yang terlihat dalam acara TV Star Trek (yang mampu memanfaatkan bintang dan telah menduduki bagian kecil bintang terdekat di galaksi). Suatu peradaban Tipe II mungkin mampu memanipulasi kekuatan sinar matahari.

Suatu peradaban Tipe III menyerupai bangsa Borg, atau mungkin Empire yang ada di kisah Star Wars. Mereka telah menduduki galaksi mereka sendiri, mengekstrak energi dari ratusan milyar bintang.

Sebagai perbandingan, kita adalah peradaban Tipe 0, yang mengekstrak energi dari tanaman yang telah mati (minyak dan batu bara). Berkembang dengan tingkat rata-rata sekira 3% per tahun, bagaimanapun, seseorang dapat mengkalkulasi bahwa peradaban kita mungkin dapat mencapai status Tipe I dalam waktu kira-kira 100 hingga 200 tahunan, mencapai Tipe II dalam beberapa ribu tahun, dan mencapai Tipe III dalam waktu kira-kira 100 ribu hingga jutaan tahun. Skala waktu ini tidak berarti ketika dibandingkan dengan alam semesta itu sendiri.

Pada skala ini, seseorang kini dapat membuat tingkatan sistem propulsi yang tersedia menjadi tipe peradaban yang berbeda:

Tipe 0
Roket berbahan bakar kimia
Mesin Ionik
Tenaga Fisi
Propulsi EM (senjata api)

Tipe I
Mesin fusi ram-jet
Dorongan fotonik (energi dari cahaya)

Tipe II
Dorongan antimateri
Pengamat nano Von Neumann

Tipe III
Propulsi/dorongan energi Planck

Sistem propulsi mungkin disusun oleh dua hal: impuls spesifik serta kecepatan akhir perjalanan. Persamaan daya dorong impuls spesifik menjadi berlipat ketika daya tolak beraksi. Dewasa ini, hampir semua roket kita dibuat berdasarkan reaksi kimiawi. Kita lihat bahwa roket berdasarkan reaksi kimiawi memiliki gerakan atau impuls spesifik paling kecil, karena itu hanya bisa dioperasikan beberapa menit saja. Daya tolak roket tersebut mungkin terukur dalam jutaan pon, namun roket tersebut berjalan beberapa waktu saja oleh karena impuls spesifiknya yang cukup kecil.

NASA kini sedang melakukan eksperimen dengan mesin ion, yang memiliki impuls spesifik jauh lebih besar, karena itu dapat dioperasikan selama berbulan-bulan, namun memiliki daya tolak yang sangat rendah. Misalnya, sebuah mesin ion yang melepaskan ion sesium mungkin memiliki daya tolak beberapa ons, namun di ruang angkasa mereka mungkin mencapai kecepatan yang besar melebihi periode waktu karena roket-roket itu dapat dijalankan secara terus-menerus. Roket tersebut punya keunggulan dalam masalah waktu pencapaian daripada kelemahan pada daya tolaknya. Pada akhirnya, misi perjalanan yang panjang antar planet mungkin dapat ditempuh dengan mesin ion.

Bagi peradaban Tipe I, seseorang dapat memimpikan tipe teknologi yang lebih baru yang dapat muncul. Mesin fusi ramjet yang memiliki suatu impuls spesifik yang lebih besar, dapat dijalankan bertahun-tahun dengan menggunakan hidrogen bebas yang ditemukan di angkasa. Bagaimanapun, perlu waktu puluhan tahun sebelum tenaga fusi dipergunakan secara komersial di Bumi, dan proses fusi proton ke proton dari mesin fusi ramjet mungkin memerlukan waktu lebih lama untuk dikembangkan, bisa saja dalam seabad atau lebih lama. Mesin laser atau fotonik - karena mungkin diberi daya dorong oleh tembakan laser, yang mampu mengembangkan layar raksasa - mungkin memiliki impuls spesifik yang lebih besar. Seseorang dapat memimpikan baterai laser berukuran besar yang ditempatkan di Bulan yang menghasilkan tembakan laser yang kuat yang kemudian mendorong suatu layar laser di angkasa. Teknologi ini, yang bergantung pada pangkalan pengoperasian yang besar di Bulan, yang mungkin terwujud berabad-abad mendatang.

Bagi peradaban Tipe II, dimungkinkan adanya suatu bentuk baru propulsi : pengendalian anti materi. Tumbukan materi dengan anti materi menyediakan seratus persen cara yang efisien yang mengekstrak energi dari materi. Bagaimanapun, anti materi merupakan suatu bentuk yang berbeda dari materi yang sangat mahal untuk diproduksi. Penumbuk atom di CERN (Organisation Européene pour la Recherche Nucléaire = Organisasi Eropa untuk Riset Nuklir) di Jenewa baru mampu membuat sampel berukuran kecil gas anti hidrogen (anti elektron yang mengitari anti proton). Perlu waktu berabad hingga ribuan tahun untuk menurunkan biaya produksinya sehingga dapat dimanfaatkan untuk penerbangan antariksa.

Ketika disodorkan jumlah planet-planet yang mungkin ada secara astronomis di galaksi, suatu peradaban Tipe II mungkin berupaya melakukan pendekatan lebih realistis daripada roket konvensional serta penggunaan teknologi nano guna membangun robot pengamat berukuran mini dan dapat mereplikasikan diri dan dapat memperbanyak diri melalui galaksi yang serupa dengan virus mikroskopik yang dapat menggandakan diri dan menguasai tubuh manusia dalam seminggu. Peradaban semacam itu mungkin mengirimkan robot von Neumann (robot yang dapat menerima dan memproses data) berukuran mini untuk mengamati Bulan dari jarak jauh dimana mereka akan menciptakan pabrik-pabrik besar untuk menghasilkan lagi jutaan robot baru. Robot pengamat von Neumann semacam itu hanya perlu sebesar kotak roti, menggunakan teknologi nano yang canggih untuk membuat sirkuit dan komputer berukuran atom. Lalu salinan dari robot ini mendarat di permukaan Bulan lainnya dan memulai kembali seluruh proses. Robot pengamat tertentu mungkin menunggu dari jarak jauh, menunggu peradaban primitif Tipe 0 hingga dapat mencapai peradaban Tipe I, yang nantinya akan menarik robot-robot itu. (Ada kemungkinan kecil namun jelas bahwa suatu alat pengamat semacam itu telah mendarat di Bulan kita jutaan tahun lalu oleh sebuah peradaban yang telah menguasai perjalanan antariksa. Hal ini, pada faktanya, yang menjadi dasar dari film 2001, mungkin penggambaran paling realistis adanya kontak dengan makhluk cerdas dari luar Bumi).

Permasalahnya, sebagaimana dapat dilihat, ialah tidak satupun dari mesin-mesin ini dapat melewati kecepatan cahaya. Oleh karenanya, peradaban Tipe 0, I dan II kemungkinan dapat mengirimkan pengamat atau koloni hanya dalam beberapa tahun cahaya dari planet asal mereka. Bahkan dengan robot pengamat von Neumann, hal terbaik yang dapat dicapai oleh sebuah peradaban Tipe II ialah menciptakan suatu bola besar berisi milyaran robot pengamat yang dapat mereplikasikan diri yang dapat berkembang hanya di bawah kecepatan cahaya. Untuk menembus rintangan cahaya, seseorang mesti memanfaatkan Relativitas Umum serta teori kuantum. Ini membutuhkan energi yang tersedia bagi peradaban Tipe II yang sangat canggih atau, yang lebih memungkinkan, ialah peradaban Tipe III.

Relativitas Khusus menyatakan bahwa tidak ada informasi yang dapat digunakan guna menempuh perjalanan secara lokal yang lebih cepat daripada kecepatan cahaya. Oleh karena itu, seseorang mungkin saja pergi lebih cepat dari cahaya jika seseorang menggunakan kemungkinan melengkungkan ruang dan waktu, misalnya Relativitas Umum. Dengan kata lain, pada roket tertentu, seorang penumpang yang menyaksikan gerakan bintang yang melintas akan mengatakan ia lebih lambat dari cahaya. Namun ketika roket tiba di tujuannya dan jam diperbandingkan, kelihatan jika roket menempuh lebih cepat dari cahaya karena roket itu melengkungkan ruang dan waktu secara global, baik dengan menempuh jalan pintas, atau membentangkan dan mengerutkan ruang.

Paling tidak, ada dua cara dimana relativitas umum mungkin dapat menghasilkan kecepatan cahaya. Pertama, melalui lubang cacing atau melipatgandakan permukaan Riemann (manipol kompleks satu dimensional) yang terhubung, yang mana mungkin memberi kita suatu pintasan melintasi ruang dan waktu. Satu geometri yang memungkinkan bagi lubang cacing seperti itu ialah merangkai sejumlah energi bintang dalam suatu cincin yang brputar (menciptakan lubang hitam Kerr). Gaya sentrifugal mencegah cincin yang berputar dari keruntuhan. Seseorang yang melintasi cincin itu tidak akan terpisah, namun ia akan sampai di suatu bagian lain alam semesta. Mirip dengan Lorong Kaca Alice, dengan lingkaran lorong kaca yang menjadi lubang hitam, dan cermin yang menjadi lubang cacing. Metode lainnya mungkin melepas lubang cacing dari "busa kuantum" dimana para ahli fisika yakin dapat membuat struktur ruang dan waktu pada jarak Planck (10 hingga -33 cm).

Problem lubang cacing sungguh banyak:
a. Satu versi memerlukan sejumlah besar energi positif, misalnya lubang hitam. Energi positif lubang cacing memiliki suatu "event horizon" dan oleh karenanya hanya berlaku satu kali jalan. Seseorang akan membutuhkan dua lubang hitam (satu untuk pergi dan satu untuk pulang) untuk menempuh perjalanan antar bintang. Paling mungkin hanya peradaban tipe II yang dapat menggunakan kekuatan ini.

b. Lubang cacing kemungkinan tidak stabil, baik secara klasik atau secara mekanika kuantum. Lubang cacing mungkin mendekat secepat Anda mencoba untuk memasukinya. Atau efek radiasi mungkin memancar begitu Anda memasukinya, dimana itu dapat membunuh Anda.

c. Satu versi membutuhkan jumlah energi negatif yang sangat besar. Energi negatif eksis (dalam bentuk efek Casimir) namun jumlah energi negatif yang sangat besar akan jauh melampaui teknologi kita, mungkin dalam ribuan tahun berikutnya. Keuntungan lubang cacing dengan energi negatif ialah bahwa energi-energi tersebut tidak memiliki "event horizon" dan oleh karenanya dapat dihadang secara lebih mudah.

d. Versi lainnya memerlukan sejumlah besar materi negatif. Sayangnya, materi negatif tidak pernah dijumpai secara alami (materi itu cenderung membumbung atau terlepas ke angkasa daripada menetap di Bumi). Materi negatif di Bumi telah terlepas ke angkasa milyaran tahun lalu, membuat Bumi sama sekali tidak memiliki materi negatif tertentu.

Kemungkinan kedua ialah menggunakan jumlah besar energi untuk membentangkan ruang dan waktu secara berkelanjutan (misalnya mengerutkan ruang di depan Anda, dan memperluas ruang di belakang Anda). Sejak diketahui hanya ada ruang yang kosong yang mengerut atau meluas, seseorang mungkin melampaui kecepatan cahaya dalam bentuk atau cara ini. (Ruang yang kosong dapat melipat ruang lebih cepat daripada kecepatan cahaya). Misalnya Ledakan Besar mengembang jauh lebih cepat daripada kecepatan cahaya). Masalah dalam pendekatan ini, lagi-lagi, ialah sejumlah besar energi yang dibutuhkan, membuatnya ini cocok untuk peradaban Tipe III. Tingkatan energi dari semua usulan ini adalah mendekati bentuk Energi Planck (10 hingga 19 milyar volt elektron, yang seribu trilyun kali lebih besar daripada bom atom terkuat kita).

Pada akhirnya, ada masalah fisika mendasar terhadap apakah perubahan topologi dimungkinkan dalam Relativitas Umum (yang mana memungkinkan juga adanya mesin waktu, atau kurva waktu yang tertutup). Relativitas Umum membolehkan kurva seperti waktu yang tertutup dan lubang cacing (sering disebut Jembatan Einstein-Rosen) namun Relativitas Umum itu sayangnya menggagalkan energi yang besar yang ditemukan di pusat lubang hitam atau menggagalkan Penciptaan yang seketika. Untuk wilayah energi ekstrim ini, efek kuantum akan jauh mendominasi efek gravitasional klasik dan seseorang harus menuju ke suatu teori "unified field" atau teori medan yang bersatu dari gravitasi kuantum.

Pada masa kini, kandidat yang paling menjanjikan (dan satu-satunya) bagi "teori segala", termasuk gravitas kuantum, ialah teori superstring atau teori M. Ini merupakan satu-satunya teori dimana medan kuantum bisa dikombinasikan dengan gravitasi untuk menghasilkan hasil yang tertentu.Tidak ada teori lain yang dapat mengklaim seperti teori ini. Dengan hanya asumsi yang tidak sukar, seseorang bisa menunjukkan bahwa teori tersebut memperbolehkan "quark" (elemen dasar yang dianggap muncul secara berpasangan) tersusun sangat mirip dengan konfigurasi yang ditemukan dalam model standar fisika sub-atom. Karena teori tersebut ditegaskan dalam "hyperspace" dimensional 10 atau 11, teori itu memperkenalkan gambaran kosmologis bahwa alam semesta ialah sebuah gelembung atau membran yang melayang di multiverse (alam semesta yang lebih besar) atau megaverse (alam semesta yang lebih besar lagi, kumpulan multiverse) dari gelembung-gelembung alam semesta.

Sayangnya, meskipun solusi lubang hitam telah ditemukan dalam teori string, teori tersebut belum dikembangkan untuk menjawab pertanyaan mendasar mengenai lubang cacing dan kestabilannya. Dalam beberapa tahun mendatang atau mungkin dalam satu dekade mendatang, banyak ahli fisika yakin bahwa teori string akan matang pada titik dimana teori itu akan mampu menjawab pertanyaan-pertanyaan fundamental tentang ruang dan waktu. Permasalahannya akan dikenali dengan baik. Sayangnya, meski para ilmuwan terkemuka di planet ini mengutak-atik teori tersebut, tidak ada yang cukup pintar untuk memecahkan persamaan superstring.

Kesimpulan

kebanyakan para ilmuwan meragukan perjalanan antar bintang karena rintangan cahaya yang begitu sulit untuk ditembus. Bagaimanapun, untuk bepergian lebih cepat daripada cahaya, seseorang mesti beralih dari Relativitas Khusus ke Relativitas Umum dan teori kuantum. Oleh karena itu, seseorang tidak dapat mengesampingkan perjalanan antar bintang jika suatu peradaban canggih dapat mencapai energi yang cukup untuk mendestabilkan ruang dan waktu. Mungkin hanya peradaban Tipe III yang dapat menggunakan energi Planck. Energi dimana ruang dan waktu menjadi tidak stabil. beragam usulan telah diberikan untuk menembus rintangan cahaya (termasuk lubang cacing dan ruang yang dibentangkan atau dilipat) namun kesemuanya membutuhkan energi yang ditemukan hanya pada peradaban galaktik Tipe III. Pada suatu tingkatan matematis, kita harus menunggu untuk teori mekanikal kuantum gravitasi (seperti halnya teori superstring) untuk menjawab pertanyaan mendasar ini, seperti misalnya apakah lubang cacing dapat diciptakan serta apakah lubang cacing itu cukup stabil untuk digunakan dalam perjalanan antar bintang.

===================================================

Diterjemahkan dari: "The Physics of Interstellar Travel"
Penulis: Michio Kaku
sumber: mkaku.org
url: http://mkaku.org/home/?page_id=250
Penterjemah: Gatot Tri R.