Penyimpangan Invariansi CP, Asimetri C, dan Asimetri Baryon di Alam Semesta

Paper A.D. Sakharov tahun 1967 terkait mekanisme Baryogenesis dalam Bahasa Indonesia.

[diterjemahkan dari versi Bahasa Inggris “Violation of CP invariance, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe“]

unduh di sini

Advertisements

asimetri alam semesta

Simetri partikel antipartikel dan validitas hukum kekekalan sudah terbukti. Salah satu asumsi penting adalah bahwa dalam penciptaan partikel, antipartikelnya pun sekaligus diciptakan. Hal ini berdasar pada alasan bahwa konservasi bilangan baryon (B) dan bilangan lepton (L) yang merupakan simetri aksidental pada model standar minimal untuk fisika partikel. Akan tetapi terdapat banyak contoh sistem fisika yang menyimpang dari simetri hukum fisika. Simpangan dari simetri hukum fisika merupakan hal yang diperlukan untuk suatu sistem maskroskopik Walaupun begitu, penjelasan ketaksimetrian materi di alam semesta yang menyatakan bahwa kelimpahan baryon terdapat sejak awal nampak tidak sesuai dengan kajian kosmologi. Oleh karena itu perlu untuk mengetengahkan suatu model yang mengijinkan adanya asimetri baryon tersebut. Kebanyakan upaya-upaya teoritis yang menjelaskan hasil observasi belakangan ini terfokus pada dua kemungkinan:

1. materi dan antimateri telah terpisah pada masa awal pembentukan alam semesta dan membentuk domain-domain tersendiri, yang tersusun oleh materi, dan yang satunya lagi oleh antimateri.

2. kesimetrian total alam semesta pada masa-masa awal, berevolusi secara dinamis menuju ketaksimetrian dimana seluruh antimateri perlahan menghilang melalui beberapa proses mikroskopik

Jika pun terdapat sebuah domain antimateri, jaraknya mestilah sangat jauh, mencapai lebih dari 1000Mpc. Namun jika ini terjadi, anihilasi takkan terhindarkan. Daerah materi-antimateri yang lebih besar dari 20MPc harus mengalami kontak, karena uniformitas CMBR. (W.H.Kinney, E.W.Kolb, M.S.Turner 1997). Hasil pengamatan Big Bang nukleosintesis, radiasi latar kosmik, dan difusi sinar gamma tidak mengindikasikan keberadaan kantung-kantung antimateri secara signifikan.

Lebih umum lagi, bila terdapat domain materi dan antimateri, maka anihilasi akan terjadi pada antarmuka keduanya. Jika ukuran dari domain tersebut cukup kecil, maka energi yang dilepaskan oleh anihilasi ini akan menghasilkan difusi sinar gamma dan distorsi radiasi gelombang mikro kosmik, yang keduanya tak ditemukan dalam pengamatan. Analisis numerik yang teliti yang telah dilakukan oleh Cohen, dkk menunjukkan bahwa alam semesta seluruhnya harus terdiri atas materi atau antimateri pada skala mencapai ukuran Hubble. Nampaknya alam semesta memang secara mendasar bersifat materi-antimateri asimetris.

Paradoks Olbers

—–Asumsikan bahwa alam semesta sangatlah besar dan memiliki bintang dengan jumlah tak berhingga dan terdistribusi, maka malam hari seharusnya tidaklah segelap yang kita alami. Dengan kata lain, anggaplah bahwa alam semesta statis, infinit, kekal, dan secara seragam terisi oleh bintang-bintang atau galaksi. Jika kita melihat ke berbagai arah, garis pandang kita semestinya menuju pada suatu bintang atau galaksi, sebagaimana dapat dianalogikan dengan suatu anak panah tanpa gesekan yang diarahkan pada sembarang arah pada hutan yang penuh dengan pepohonan, maka ia pasti akan menancap pada salah satu pohon. Maka dengan demikian, kemanapun kita melihat, mestinya langit akan selalu nampak terang, bukannya gelap. Bahkan jika pun jika bintang-bintang yang jauh nampak lebih redup, jumlah bintang-bintang di kejauhan akan semakin banyak yang seharusnya mengakibatkan langit tetap terang benderang di malam hari karena semakin banyak cahaya yang sampai ke bumi. Akan tetapi faktanya tidaklah demikian, sebagaimana kita saksikan, langit tetaplah gelap di malam hari. Mengapa langit malam tidak seterang permukaan matahari? Inilah pertanyaannya. Jika kita bayangkan dapat memindahkan matahari dua kali lebih jauh dari kedudukannya sekarang, maka kita akan menerima ¼ kali foton, (kebanyakan bintang-bintang yang jauh akan nampak lebih redup dibandingkan dengan bintang yang lebih dekat, kecerahannya akan menurun sebanding dengan 1/d2 , dengan d merupakan jarak), namun pada saat yang sama, akan terdapat lebih banyak bintang pada jarak yang lebih besar, dan jumlah bintang pada jarak yang lebih besar akan meningkat dengan faktor d2, dengan demikian luasan intensitasnya tetap konstan. Dengan jumlah bintang yang sangat banyak, setiap elemen anguler dari langit akan memiliki bintang, dan seluruh permukaannya akan secerah matahari. Mari kita bayangkan bahwa kita tengah tinggal dalam pusat sebuah cekungan benda hitam dengan temperature 6000 derajat Celcius. Inilah yang disebut dengan paradox Olbers. Hal ini pernah dibahas Kepler pada 1610 dan didiskusikan kembali oleh Halley dan Cheseaux pada abad ke-18. Akan tetapi, hal ini baru populer setelah Olbers memunculkan isu ini pada abad ke-19. Ada beberapa kemungkinan penjelasan untuk hal ini, antara lain: terlalu banyak jumlah ‘debu-debu’ di luar angkasa Alam semesta hanya memiliki jumlah bintang yang terbatas Distribusi bintang tidak homogen, jadi bisa saja terdapat bintang dengan jumlah infinit, akan tetapi posisi sebagiannya tersembunyi, sehingga hanya ada areal anguler yang terbatas tempat bintang-bintang tersebut terposisikan;  Alam semesta mengembang, sehingga bintang-bintang yang jauh mengalami redshift hingga semakin kabur; Alam semesta masih berusia muda sehingga cahaya dari bintang-bintang belum menjangkau kita.

Penjelasan yang pertama tentu tidak tepat. Dalam benda hitam, debu-debu akan mengalami pemanasan juga. Kelakuannya akan lebih seperti perisai radiasi, secara eksponensial meredam cahaya-cahaya bintang yang jauh. Akan tetapi, kita tak dapat meletakkan cukup banyak debu di luar angkasa untuk menghilangkan cahaya dari bintang di kejauhan tadi tanpa juga menutupi cahaya yang dipancarkan matahari, jadi ide ini tidaklah tepat.

Premis yang kedua secara teknis mungkin saja benar, akan tetapi, walaupun jumlahnya finit, tetap saja cukup untuk menerangi seluruh langit, dengan kata lain jumlah total materi yang berkilau di seluruh alam semesta masih jauh lebih besar.  Jumlah bintang-bintang karena banyaknya, hampir infinit.

Penjelasan ketiga mungkin benar separuhnya. Kita hanya tak begitu tahu. Andaikan bintang-bintang terdistribusi sebagaimana fractal, maka akan terdapat celah-celah pada ruang kosong, artinya, langit akan terlihat gelap kecuali pada sedikit area tertentu.

Dua penjelasan terakhir, benar dan dapat dikatakan sebagai bagian dari penyebab paradox Olbers. Ada sejumlah argument yang menyarankan bahwa efek dari usia alam semesta yang masih ‘muda’ merupakan sebab yang paling bertanggung jawab dalam hal ini. Kita tinggal dalam suatu “kulit sferis” dari suatu alam semesta yang teramati/ Observable Universe yang memiliki radius setara dengan waktu hidupnya. Objek yang berusia lebih dari 13.7 ribu juta tahun terlalu jauh bagi mereka sehingga cahayanya dapat mencapai posisi kita.

Waktu hidup bintang sekitar 1010 tahun. Usia untuk alam semesta mencapai kesetimbangan termal kira-kira 1024 tahun. Banyak bintang telah lahir, kemudian mati. Pada dasarnya, pada suatu waktu tidak terdapat cukup banyak bintang yang aktif untuk memenuhi ruang pada alam semesta dengan radiasi yang cukup untuk menerangi langit malam.

Secara historis, setelah Hubble menemukan bahwa alam semesta mengembang, namun sebelum teori mengenai Big Bang secara ajeg diakui dengan penemuan cosmic background radiation, paradox Olbers digunakan sebagai bukti dari teori relativitas khusus. Pergeseran merah/ redshift sebagai efek dari relativitas khusus dibutuhkan untuk “menghilangkan” cahaya bintang. Efek ini juga berkontribusi, namun kembali lagi, penyebab utamanya adalah usia alam semesta itu sendiri.

Referensi:

http://physics.uwstout.edu/deptpages/physqz/olber.htm

Wesson P 1991 Ap. J. 367, 399

Harrison E Darkness at Night: A Riddle of the Universe (Harvard University Press)

http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/GR/olbers.html

http://www.astro.cornell.edu/academics/courses/astro201/olbers_paradox.htm

Newton D Olbers’ Paradox:A Review of Resolutions to this Paradox (Dept. of Physics and Astronomy,University of Leeds)

The Precession of Mercury’s Orbit, an Evidence for General Relativity

Rira Nurmaida

High Energy Physics and Instrumentation Division, Faculty of Mathematics and Natural Sciences,

Institut Teknologi Bandung, Jalan Ganesa 10, Bandung 40132, Indonesia

e-mail: riranurmaida@yahoo.de

Abstract

The precession of Mercury’s orbit was once computed by the method of perturbations, the method that predicted the elliptical orbit should shift or precess some fraction of a degree per century. The value for Mercury based on the calculation is 532” per century, though the observation confirmed the precession is about 575” per century. The additional 43” per century is quite puzzling, until Einstein proposed the General Relativity which provide the answer. Next in the following we will use the general relativity to recalculate the precession, and give the correction to the former calculation.

Keywords: precession of mercury’s orbit, general relativity, Schwarzschild metric

Introduction

After Newton’s success in describing the motion of the planet and explaining Kepler’s elliptical planetary orbit through solar gravitational and calculus, his successors computed the deviations caused by other planets. Unlike the Keplerian ellipse of the Newtonian gravitational theory, the orbit does not close. Rather the angular position of the closest approach advance slightly on each return by an angle called the precession of the perihelion for a planet around the Sun. In other words, it was found a precession of the perihelion of the orbit that is the angle between two positions of closest approach at the inner turning radius of the orbit.[1]

…..