Paradoks Informasi Lubang Hitam

Agung Waluyo (The Center for Nuclear Studies GWU Washington DC)

JULI lalu menjadi bulan bersejarah dunia astrofisika karena Stephen Hawking yang pertama kali mengemukakan teka-teki paradoks lubang hitam menyampaikan perubahan pandangannya. Paradoks informasi yang berumur 30 tahun ini menyatakan bahwa informasi yang masuk lubang hitam akan lenyap bersama lenyapnya lubang hitam.

Tahun 1975, penulis buku terkenal A Brief History of Time (Buku ini telah diterjemahkan dengan judul Riwayat Sang Kala) ini menyatakan bahwa lubang hitam bisa kehilangan massa dengan radiasi. Saat itu Hawking percaya bahwa benda apa pun yang terjebak dalam gravitasi lubang hitam tidak bisa lagi ditelusuri.

Namun, dalam konferensi internasional tentang Relativitas Umum dan Gravitasi ke-17, Juli 2004, Hawking mengumumkan apa yang ia percayai keliru. Menurut dia, informasi yang ditelan lubang hitam mungkin bisa ditelusuri kembali dalam bentuk yang membingungkan. Ini memungkinkan penyatuan teori gravitasi dan mekanika kuantum.

Keunikan lubang hitam

Untuk mengerti dan mengapresiasi pentingnya paradoks informasi ini dalam ilmu fisika harus perlu dipahami apa dan sifat-sifat lubang hitam.

Lubang hitam adalah benda angkasa yang terbentuk sedemikian rupa sehingga memiliki gaya tarik besar sekali. Tidak sesuatu pun dalam jangkauan medan gravitasinya akan terbebas dari gaya tariknya.

Lubang hitam bisa terbentuk dari sebuah bintang tua. Pada bintang-kumpulan gas-gas partikel-terjadi reaksi fusi nuklir pada pusatnya yang memampukan partikel-partikel gas tadi untuk tidak tertarik ke pusat bintang oleh gravitasinya sendiri. Jika bahan bakar reaksi fusi habis, gaya dorong ke luar tidak lagi dihasilkan. Akibatnya, partikel-partikel gas akan tersedot ke pusat gravitasi dan menekan seluruh massa bintang jadi lubang hitam.

Medan gravitasi lubang hitam memiliki lapisan pembatas yang jelas membedakan kedua sisi dari batas tersebut. Membran yang menandai batas point of no return ini dikenal sebagai cakrawala peristiwa.

Misalkan dua pemuda, Agus dan Kocu, mengendarai pesawat antariksa bisa mencapai membran ini. Secara tak sengaja Agus melampaui batas. Dengan kepastian 100 persen Agus akan bergerak makin cepat jatuh ke lubang hitam. Ia memiliki kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Ia tak mungkin memberi syarat dengan kilatan cahaya karena cahaya pun ditarik lubang hitam.

Akibat efek perlambatan waktu pada relativitas khusus, Kocu tidak melihat Agus jatuh semakin cepat, melainkan semakin lambat dan akhirnya berhenti. Lebih aneh lagi Kocu akan melihat tubuh Agus menjadi pipih gepeng akibat efek kontraksi panjang. Dari luar cakrawala peristiwa, Kocu akan melihat lubang hitam seperti tempat sampah penuh barang.

Keunikan lubang hitam lain adalah tidak hitam, melainkan berwarna. Pada paper-nya tahun 1976, Hawking menunjukkan bahwa permukaan cakrawala peristiwa memiliki suhu sekitar 10 biliun derajat. Kondisi ini memungkinkan lubang hitam memancarkan radiasi-disebut radiasi Hawking. Jadi, lubang hitam dapat meluruh sampai massanya hilang.

Radiasi terjadi akibat proses produksi pasangan di cakrawala peristiwa. Dalam teori Dirac, ruang vakum adalah lautan partikel dan anti-partikel yang dari dalam secara virtual mungkin tercipta pasangan partikel dan anti-partikel yang kemudian lenyap jika keduanya menyatu. Jika proses ini terjadi pada daerah cakrawala peristiwa dan salah satu partikel yang tercipta ada dalam cakrawala peristiwa dan yang lain di luar, maka partikel yang di luar akan mungkin lepas sebagai radiasi Hawking.

Letak paradoksnya

Jika informasi benar-benar hilang dalam lubang hitam, maka ada beberapa prinsip mekanika kuantum yang dilanggar. Yang pertama adalah prinsip mikroreversibilitas.

Menurut mekanika kuantum, setiap proses fisis dapat dibalik kejadiannya. Maka informasi akhir bisa digunakan menelusuri informasi awal proses. Lubang hitam adalah sumber irreversibilitas di semesta karena salah satu pasangan partikel yang tercipta pada produksi pasangan berada di luar cakrawala peristiwa tidak mengandung bit informasi tentang apa yang terjadi di sisi dalam cakrawala peristiwa.

Prinsip selanjutnya yang dilanggar adalah unitarity. Propagasi informasi dari keadaan awal ke keadaan akhir secara matematis mengalami evolusi yang unitary. Artinya, fluks dijamin utuh. Menurut Preskill, profesor informasi kuantum di California Institute of Technology (Caltech), yang terjadi pada lubang hitam adalah keadaan awal informasi yang murni berevolusi menjadi keadaan yang bercampur. Keadaan ini melanggar prinsip unitarity.

Lebih parah lagi, prinsip kekekalan energi juga harus dilanggar. Dalam kekekalan energi hilangnya informasi dalam bentuk materi harus diiringi terciptanya energi sangat besar. Jika paradoks ini benar, alam semesta akan bersuhu sekitar 1031 derajat hanya dalam beberapa detik, yang dalam kenyataan tidak terjadi.

Solusi yang menjanjikan

Apa benar informasi yang masuk ke cakrawala peristiwa akan lenyap ditelan lubang hitam? Benarkah pengamatan Agus dari dalam cakrawala peristiwa berbeda dengan pengamatan Kocu di luarnya? Ataukah keduanya saling melengkapi sehingga obyek yang jatuh ke dalam lubang hitam akan terurai secara termal dan energinya disebarkan merata ke permukaan cakrawala peristiwa dan ke luar dalam bentuk radiasi Hawking?

Kemungkinan pemecahan teka-teki ini datang dari teori fisika yang kini berkembang pesat: teori string (dawai). Dua fisikawan besar yang bekerja pada bidang ini: Leonard Susskind dari Amerika dan Gerald t’Hooft dari Belanda membuat postulat baru yang digabungkan dengan postulat pada teori relativitas. Postulat ini dikenal dengan prinsip complementarity pada lubang hitam.

Dengan prinsip complementarity, teori dawai punya cara untuk menjelaskan bahwa informasi yang masuk lubang hitam tidak hilang melainkan diduplikasikan ke permukaan cakrawala peristiwa.

Misalkan sebuah atom jatuh ke lubang hitam. Karena atom ini mengalami percepatan yang tinggi sekali, maka yang tampak pertama kali adalah inti atom yang dikelilingi oleh awan elektron kabur. Semakin mendekati lubang hitam, gerak elektron akan semakin lambat dan akibatnya elektron akan semakin terlihat jelas. Beberapa saat berikutnya munculah partikel penyusun inti, proton dan neutron, diikuti quark.

Pada bagian ini teori dawai melengkapi penjelasan yang hilang sebelumnya. Teori dawai percaya bahwa bahan penyusun materi yang fundamental bukanlah quark melainkan dawai yang berukuran 1/1.020 kali ukuran proton.

Dawai digambarkan seperti sehelai karet yang bisa bergetar. Frekuensi getarannya bisa bersuperposisi dengan sesamanya dan mode getaran yang berbeda menghasilkan partikel-partikel elementer berbeda pula. Jika frekuensi tinggi yang dimiliki kawat berhenti, kawat semakin melar.

Dalam gambaran atom, setelah quark muncullah kumpulan dawai penyusun atom sesungguhnya dan dalam waktu singkat kumpulan dawai akan melar lalu memenuhi permukaan cakrawala peristiwa. Ini berlaku untuk semua materi yang masuk lubang hitam.

Jadi bagi Agus yang jatuh ke dalam lubang hitam, ia tidak melihat perubahan selain kemusnahan dirinya dan obyek-obyek lain dalam lubang hitam. Sementara bagi Kocu, ia sama sekali tidak melihat bahwa informasi yang masuk hilang melainkan tersebar pada permukaan cakrawala peristiwa. Inilah keunggulan prinsip complementarity.

Meskipun sulit dibuktikan secara eksperimen, banyak kelompok teori dari universitas ternama seperti Harvard, Princeton, dan MIT di AS telah mengonfirmasikan hasil perhitungan mereka dengan menggunakan prinsip baru ini.

Sumber : Kompas (12 Oktober 2004)