Dari Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebas
Alam semesta
GambarHubble Ultra Deep Field menunjukkan beberapagalaksi paling jauh yang terlihat dengan teknologi saat ini, masing-masing terdiri dari miliaran bintang.
Kemajuan dalam pengamatan lebih lanjut kemudian menyingkap bahwa Matahari hanyalah salah satu dari ratusan miliar bintang dalamBima Sakti, yang pada gilirannya merupakan satu di antara ratusan miliar galaksi dalam alam semesta teramati. Banyak bintang di dalam galaksi juga diketahuimemiliki planet sendiri.Dalam skala terbesar, galaksi-galaksi tersebar secara seragam ke segala arah, menandakan bahwa alam semesta tidak memiliki tepi maupun pusat. Pada skala yang lebih kecil, galaksi-galaksi berkumpul membentukgugus galaksi dansupergugus yang tersusun menjadi filamen raksasa danruang hampa luas, menciptakan struktur besar menyerupai busa kosmik.[14] Penemuan-penemuan pada awal abad ke-20 mengindikasikan bahwa alam semesta memiliki permulaan dan terus mengalami perluasan sejak saat itu.[15]
Menurut teori Dentuman Besar, energi dan materi yang ada pada awal mula semakin menipis kerapatannya seiring mengembangnya alam semesta. Setelah fase percepatan luar biasa yang disebutinflasi sekitar 10−32 detik setelah awal mula, serta terpisahnya empatinteraksi fundamental yang kini dikenal, alam semesta perlahan mendingin dan terus mengembang, memungkinkan terbentuknyapartikel subatom pertama sertaatom-atom sederhana. Awan raksasahidrogen danhelium kemudian tertarik menuju wilayah dengankepadatan materi lebih tinggi, membentuk galaksi-galaksi, bintang-bintang, dan segala struktur yang kini kita kenal.
Melalui kajian tentang pengaruhgravitasi terhadap materi dan cahaya, ditemukan bahwa alam semesta mengandung jauh lebih banyak materi daripada yang dapat diamati, seperti bintang, galaksi, nebula, dan gas antarbintang. Materi tak kasatmata ini dikenal sebagaimateri gelap.[16] Dalam model kosmologis yang paling luas diterima, yaituΛCDM, materi gelap diperkirakan menyusun sekitar25,8%±1,1% dari total massa dan energi alam semesta, sementara sekitar69,2%±1,2% terdiri atasenergi gelap, bentuk energi misterius yang diyakini menyebabkanpercepatan ekspansi alam semesta.[17] Sementara itu, materi biasa ('barionik') hanya mencakup sekitar4,84%±0,1% dari keseluruhan alam semesta,[17] dan bintang, planet, serta awan gas tampak hanya membentuk kira-kira 6% dari bagian materi biasa ini.[18]
Terdapat berbagai hipotesis yang saling bersaing mengenainasib akhir alam semesta dan apa yang mendahului Dentuman Besar, jika ada. Sementara sebagian fisikawan dan filsuf enggan berspekulasi lebih jauh, karena meragukan bahwa informasi mengenai keadaan sebelumnya dapat diakses. Beberapa ilmuwan fisika telah mengajukan berbagai hipotesismultisemesta, yang menyatakan bahwa alam semesta kita mungkin hanyalah salah satu dari sekian banyak alam semesta lain.[11][19][20]
Alam semesta kerap didefinisikan sebagai "keseluruhan eksistensi", yaknisegala sesuatu yang ada, yang pernah ada, dan yang akan ada.[24] Bahkan, sejumlah filsuf dan ilmuwan mendukung pandangan bahwa gagasan serta konsep-konsep abstrak, seperti matematika dan logika, turut termasuk dalam pengertian alam semesta.[26][27][28] Kataalam semesta juga kerap digunakan untuk merujuk pada konsep sepertikosmos,dunia, danalam.[29][30]
Dalambahasa Indonesia, istilahalam semesta berasal dari gabungan kataalam dansemesta. Kataalam diserap daribahasa Arabālam (عالَم) yang berarti "dunia", "jagat raya" atau "seluruh makhluk",[31] sedangkan katasemesta diserap daribahasa Sansekertasamasta (समस्त) yang berarti "seluruh", "keseluruhan" atau "bersama".[32] Gabungan dari keduanya secara harfiah dapat diartikan sebagai "keseluruhan dunia" atau "seluruh jagat raya".
Dalam tradisi para filsuf Yunani kuno sejak masaPythagoras, istilah yang digunakan untuk menyebutalam semesta antara lain adalahτὸ πᾶν (tò pân) yang berarti "keseluruhan", didefinisikan sebagai seluruh materi dan seluruh ruang; sertaτὸ ὅλον (tò hólon) yang berarti "segala sesuatu", meskipun tidak selalu mencakup kehampaan atau ruang kosong.[33][34] Sinonim lainnya adalahὁ κόσμος (ho kósmos) yang berarti "dunia" atau "kosmos".[35]
Istilah-istilah serupa juga ditemukan dalam karya penulis Latin, sepertitotum,mundus, dannatura.[36] Istilah-istilah ini masih lestari dalam berbagai bahasa modern, misalnya dalambahasa Jerman:Das All,Weltall, danNatur yang semuanya bermakna "alam semesta". Sinonim serupa juga terdapat dalam bahasa Inggris, sepertieverything (misalnya dalam istilahteori segala sesuatu),cosmos (seperti dalamkosmologi),world (seperti dalaminterpretasi banyak-dunia), dannature (seperti dalamhukum alam ataufilsafat alam).[37]
Model yang paling banyak diterima untuk menjelaskan evolusi alam semesta adalah teoriDentuman Besar (Big Bang).[38][39] Menurut model ini, keadaan awal alam semesta merupakan kondisi yang luar biasa panas dan padat, yang kemudian mengalami pengembangan dan pendinginan seiring waktu. Model ini berlandaskan pada teorirelativitas umum serta sejumlah asumsi penyederhanaan, sepertihomogenitas danisotropi ruang. Salah satu versi yang paling sederhana, yang mencakupkonstanta kosmologis (Lambda) sertamateri gelap dingin, dikenal sebagai modelLambda-CDM, dan merupakan model yang paling berhasil menjelaskan berbagai pengamatan mengenai alam semesta.
Dalam diagram skematik ini, waktu bergerak dari kiri ke kanan, dengan alam semesta digambarkan sebagai "irisan cakram" pada setiap momen tertentu. Skala waktu dan ukuran tidak proporsional; tahap awal diperpanjang agar tampak jelas, sedangkan pengembangan berikutnya (yang sesungguhnya mencapai lebih dari 1.100 kali) sangat disederhanakan.
Keadaan awal yang sangat panas dan padat ini disebutEra Planck (Planck epoch), berlangsung dari waktu nol hingga satu satuanwaktu Planck, sekitar 10−43 detik. Pada masa ini, seluruh bentuk materi dan energi terkonsentrasi dalam keadaan amat rapat, dangravitasi, yang kini merupakan yang terlemah di antaraempat interaksi fundamental, diduga memiliki kekuatan yang setara dengan gaya-gaya fundamental lainnya, bahkan mungkin menyatu dalam satugaya tunggal. Fisika yang mengatur masa amat awal ini (termasukgravitasi kuantum pada Zaman Planck) masih belum dipahami sepenuhnya, sehingga kita tidak dapat memastikan, jika ada, apa yang terjadisebelum waktu nol. Sejak Zaman Planck,perluasan alam semesta berlangsung hingga mencapai skala seperti saat ini, didahului oleh masa singkat tetapi sangat cepat yang dikenal sebagaiinflasi kosmik, yang diduga terjadi dalam sekitar 10−32 detik pertama.[40] Masa inflasi inilah yang menjelaskan mengapa ruang tampaksangat datar hingga kini.
Dalam sebagian detik pertama setelah terciptanya alam semesta, keempat gaya fundamental mulai terpisah. Ketika alam semesta mendingin dari keadaan luar biasa panas itu, berbagaipartikel elementer mulai berasosiasi membentuk struktur yang lebih besar dan stabil sepertiproton danneutron, yang selanjutnya bergabung menjadiinti atom melalui prosesfusi nuklir.[41][42]
Proses ini, yang dikenal sebagainukleosintesis Dentuman Besar (Big Bang nucleosynthesis), berlangsung sekitar 17 menit dan berakhir kira-kira 20 menit setelah Dentuman Besar. Karena waktu yang sangat singkat, hanya reaksi paling cepat dan sederhana yang terjadi. Sekitar 25% dariproton dan seluruhneutron di alam semesta, berdasarkan massa, berubah menjadihelium, bersama sejumlah kecildeuterium (bentukhidrogen berisotop) dan jejaklitium. Unsur kimia lain hanya terbentuk dalam jumlah yang sangat kecil. Sekitar 75% proton sisanya tetap sebagai intihidrogen.[41][42]:27–42
Setelah nukleosintesis berakhir, alam semesta memasuki tahap yang dikenal sebagaiera foton (photon epoch). Pada masa ini, suhu alam semesta masih terlalu tinggi bagi materi untuk membentukatom netral, sehingga terbentukplasma padat dan panas yang terdiri ataselektron bermuatan negatif,neutrino netral, dan inti positif. Sekitar 377.000 tahun kemudian, alam semesta cukup mendingin sehingga elektron dan inti dapat bersatu membentukatom stabil pertama. Proses ini disebutrekombinasi, walau sesungguhnya penggabungan ini terjadi untuk pertama kalinya. Tidak seperti plasma, atom netral bersifattembus cahaya terhadap banyakpanjang gelombang, sehingga untuk pertama kalinya alam semesta menjadi transparan. Foton-foton yang "lepas" pada masa ini masih dapat diamati hingga kini sebagairadiasi latar gelombang mikro kosmik (cosmic microwave background, CMB).[42]:15–27
Pada tahap-tahap awal ini, fluktuasi kecil dalamkepadatan alam semesta menyebabkan terbentuknyafilamenmateri gelap. Materi biasa, tertarik olehgravitasi ke daerah padat ini, membentuk awan gas besar yang akhirnya melahirkan bintang dan galaksi di wilayah paling padat, sertarongga-rongga besar di daerah paling jarang. Sekitar 100 hingga 300 juta tahun kemudian,[43]:333 lahirlah bintang-bintang pertama, yang dikenal sebagaibintang Populasi III. Bintang-bintang ini kemungkinan sangat besar, terang, miskin logam, dan berumur pendek. Mereka berperan penting dalampengionan kembali alam semesta antara sekitar 200 juta hingga 1 miliar tahun, serta menaburkan unsur-unsur lebih berat dari helium melaluinukleosintesis bintang.[44]
Alam semesta juga mengandung suatu bentuk energi misterius, kemungkinan berupamedan skalar, yang disebutenergi gelap, dengan kepadatan yang tidak berubah terhadap waktu. Sekitar 9,8 miliar tahun setelah Dentuman Besar, alam semesta telah mengembang cukup jauh sehingga kepadatan materi menjadi lebih kecil dibanding kepadatan energi gelap, menandai awalera dominasi energi gelap yang kita alami kini.[45] Dalam era ini, pengembangan alam semesta berlangsungsemakin cepat akibat pengaruh energi gelap.
Dari empatinteraksi fundamental di alam semesta,gravitasi merupakan kekuatan yang paling dominan pada skala panjang astronomis. Efek gravitasi bersifat kumulatif; sedangkan efek muatan positif dan negatif cenderung saling meniadakan, sehinggaelektromagnetisme menjadi relatif tidak signifikan pada skala kosmik. Dua interaksi lainnya, yaknigaya lemah dangaya nuklir kuat, menurun sangat cepat terhadap jarak; pengaruh keduanya terbatas hampir seluruhnya pada skala panjang subatomik.[46]:1470
Alam semesta tampak memiliki lebih banyakmateri dibandingkan denganantimateri, suatu asimetri yang kemungkinan berkaitan dengan fenomenapelanggaran CP.[47] Ketidakseimbangan antara materi dan antimateri inilah yang sebagian menjelaskan keberadaan seluruh materi yang ada saat ini. Sebab, apabila jumlah materi dan antimateri yang tercipta dalamDentuman Besar sama banyaknya, keduanya akan saling melenyapkan dan meninggalkan hanyafoton sebagai sisa dari interaksi tersebut.[48]
Ilustrasi alam semesta teramati dengan pusat pada Matahari. Skala jarak digambarkan secaralogaritmik. Karena kecepatan cahaya yang terbatas, bagian alam semesta yang lebih jauh tampak sebagaimana keadaannya di masa lalu.
Karenakecepatan cahaya bersifat terbatas, ada suatu batas yang dikenal sebagaicakrawala partikel, yakni sejauh mana cahaya dapat menempuh jarak sepanjangusia alam semesta. Wilayah ruang dari mana kita dapat menerima cahaya disebutalam semesta teramati.Jarak sebenarnya (yang diukur pada waktu tertentu) antara Bumi dan tepi alam semesta teramati adalah sekitar 46 miliar tahun cahaya[49][50] (14 miliarparsec), sehinggadiameter alam semesta teramati mencapai sekitar 93 miliar tahun cahaya (28 miliar parsec).[49] Meskipun jarak yang ditempuh cahaya dari tepi alam semesta teramati mendekati hasil perkalianusia alam semesta dengan kecepatan cahaya, yakni sekitar138miliar tahun cahaya (42×10^9pc), jarak sebenarnya lebih besar karena tepi alam semesta teramati dan Bumi telah saling menjauh akibat pengembangan ruang.[51]
Sebagai perbandingan, diameter rata-rata sebuahgalaksi adalah sekitar 30.000 tahun cahaya (9.198parsec), dan jarak rata-rata antara dua galaksi terdekat adalah sekitar 3 jutatahun cahaya (919,8 kiloparsec).[52] Sebagai contoh,Bima Sakti memiliki diameter sekitar 87.400 tahun cahaya,[53] dan galaksi terdekat yang bersaudara dengannya, yaituGalaksi Andromeda, terletak kira-kira 2,5 juta tahun cahaya dari Bumi.[54]
Karena manusia tidak dapat mengamati ruang di luar batas alam semesta teramati, sejauh ini tidak diketahui apakah keseluruhan alam semesta bersifat hingga atau tak hingga.[11][55][56] Sebuah perkiraan tahun 2011 menunjukkan bahwa jikaprinsip kosmologi berlaku, maka keseluruhan alam semesta harus setidaknya 250 kali lebih besar dari sebuahbola Hubble.[57] Beberapa perkiraan lain, meski masih diperdebatkan, menyebutkan bahwa jika alam semesta memilki sifat berhingga, ukurannya bisa mencapai megaparsek, sebagaimana diimplikasikan oleh salah satu penyelesaian yang diusulkan terhadapProposal Tanpa-Batas Hartle–Hawking.[58][b]
Dengan mengasumsikan bahwamodel Lambda-CDM adalah benar, berbagai pengukuran terhadap parameternya melalui beragam teknik dan eksperimen menunjukkan bahwa usia terbaik alam semesta adalah sekitar 13,799± 0,021 miliar tahun, sebagaimana hasil perhitungan hingga tahun 2015.[59]
Semakin banyak materi yang terdapat di alam semesta, semakin kuat pulagaya gravitasi timbal balik antarunsurnya. Jika alam semesta memiliki kerapatan yangterlalu tinggi, maka ia akan runtuh kembali menjadi sebuahsingularitas gravitasi. Namun, bila jumlah materinyaterlalu sedikit, gravitasi internalnya tidak akan cukup kuat untuk membentuk struktur-struktur astronomis seperti galaksi atau planet. SejakDentuman Besar, alam semesta terus mengembang secaramonoton.Mungkin tidak mengherankan, alam semesta kita memilikikerapatan massa–energi yang tepat, setara dengan sekitar lima proton per meter kubik, cukup untuk memungkinkannya mengembang selama 13,8 miliar tahun terakhir, sehingga memberi waktu bagi pembentukan struktur kosmik seperti yang kita amati kini.[63][64]
Terdapat gaya-gaya dinamis yang bekerja pada partikel-partikel di alam semesta yang memengaruhi laju pengembangannya. Sebelum tahun 1998, para ilmuwan memperkirakan bahwa laju pengembangan alam semesta akan semakin menurun seiring waktu akibat pengaruh gravitasi; oleh karena itu, dikenal suatu besaran teramati tambahan dalam kosmologi yang disebutparameter perlambatan, yang diharapkan bernilai positif dan berhubungan dengan kerapatan materi alam semesta. Namun, pada tahun 1998, dua kelompok peneliti secara independen mengukur bahwa nilai parameter tersebut ternyata negatif, kira-kira −0,55. Hal ini secara teknis menunjukkan bahwa turunan kedua darifaktor skala kosmik bernilai positif selama 5–6 miliar tahun terakhir.[65][66]
Fisika modern memandangperistiwa sebagai sesuatu yang tersusun dalam suatu kesatuan yang disebutruang waktu.[67] Gagasan ini berasal dariteori relativitas khusus, yang memprediksi bahwa jika seorang pengamat melihat dua peristiwa terjadi di tempat berbeda pada waktu yang sama, maka pengamat kedua yang bergerak relatif terhadap pengamat pertama akan melihat kedua peristiwa tersebut terjadi pada waktu yang berbeda.[68]:45–52 Kedua pengamat akan berbeda pendapat mengenai waktu di antara kedua peristiwa tersebut, dan juga mengenai jarak yang memisahkannya, tetapi mereka akan sepakat mengenaikecepatan cahaya dan akan mengukur nilai yang sama untuk kombinasi.[68]:80 Akar kuadrat darinilai mutlak besaran ini disebutinterval antara dua peristiwa. Interval tersebut menggambarkan seberapa jauh dua peristiwa terpisah—bukan hanya dalam ruang atau waktu, melainkan dalam kesatuan ruang waktu.[68]:84,136[69]
Teori relativitas khusus menggambarkan ruang waktu datar. Penerusnya,teori relativitas umum, menjelaskangravitasi sebagai kelengkunganruang waktu akibat kandungan energinya. Jalur melengkung seperti orbit bukanlah hasil dari gaya yang membelokkan benda dari lintasan lurus ideal, melainkan akibat upaya benda tersebut untuk jatuh bebas melalui ruang waktu yang telah melengkung karena keberadaan massa lain. Sebuah pernyataan terkenal dariJohn Archibald Wheeler merangkum teori ini: "Ruang waktu memberi tahu materi bagaimana bergerak; materi memberi tahu ruang waktu bagaimana melengkung",[70][71] sehingga tidak ada gunanya memandang salah satunya tanpa yang lain.[15]Hukum gravitasi universal Newton merupakan pendekatan yang baik terhadap prediksi relativitas umum ketika efek gravitasi lemah dan benda-benda bergerak lambat dibandingkan dengan kecepatan cahaya.[72]:327[73]
Hubungan antara distribusi materi dan kelengkungan ruang waktu dijelaskan olehpersamaan medan Einstein, yang diekspresikan menggunakankalkulus tensor.[74]:43[75] Alam semesta tampak sebagai suatu kontinum ruang waktu yang halus, terdiri dari tigadimensi ruang dan satu dimensi temporal (waktu). Oleh karena itu, suatu peristiwa dalam ruang waktu alam semesta fisik dapat diidentifikasi melalui empat koordinat:(x,y,z,t).
Kosmolog sering bekerja dengan irisanruang-waktu yang bersifatserupa ruang (space-like), yaitu permukaan dengan waktu konstan dalamkoordinatcomoving. Geometri irisan ruang tersebut ditentukan olehparameter kerapatan, Omega (Ω), yang didefinisikan sebagai rata-rata kerapatan materi alam semesta dibagi dengan nilai kritisnya. Nilai ini menentukan salah satu dari tiga kemungkinangeometri, tergantung pada apakah Ω sama dengan, kurang dari, atau lebih besar dari 1. Masing-masing disebut sebagai alam semesta datar, terbuka, dan tertutup.[76]
Hipotesis alam semesta yang disetel dengan cermat (fine-tuned universe) merupakan gagasan bahwa kondisi yang memungkinkan keberadaankehidupan yang dapat diamati di alam semesta hanya dapat terjadi apabila sejumlahkonstanta fisika dasar universal berada dalam rentang nilai yang sangat sempit. Menurut hipotesis ini, seandainya beberapa konstanta fundamental tersebut sedikit saja berbeda, maka alam semesta kemungkinan besar tidak akan mendukung terbentuknya dan berkembangnyamateri, struktur astronomi, keberagaman unsur, ataupun kehidupan sebagaimana yang kita kenal.
Apakah hal ini benar adanya, bahkan apakah pertanyaan tersebut secara logis bermakna untuk diajukan, masih menjadi bahan perdebatan yang hangat.[83]
Proporsi dari semua jenis materi dan energi telah berubah sepanjang sejarah alam semesta.[88] Jumlah total radiasi elektromagnetik yang dihasilkan di alam semesta telah menurun hingga setengahnya selama 2 miliar tahun terakhir.[89] Saat ini, materi biasa—yang mencakup atom, bintang, galaksi, dankehidupan—hanya menyumbang sekitar 4,9% dari total isi alam semesta.[7] Kerapatan rata-rata jenis materi ini sangat rendah, kira-kira 4,5 × 10−31 gram per sentimeter kubik, yang setara dengan hanya satu proton untuk setiap empat meter kubik ruang.[5]
Sifat dari energi gelap dan materi gelap masih belum diketahui. Materi gelap, bentuk misterius dari materi yang belum teridentifikasi, menyumbang sekitar 26,8% dari isi kosmos. Energi gelap, yaitu energi dari ruang hampa yang menyebabkan percepatan perluasan alam semesta, menyumbang sekitar 68,3% sisanya.[7][90][91]
Pembentukan gugus danfilamen galaksi berskala besar dalam modelmateri gelap dingin denganenergi gelap. Bingkai menunjukkan evolusi struktur dalam kotak berukuran 43 juta parsek (atau 140 juta tahun cahaya) dari pergeseran merah 30 hingga masa kini (atas kiri z=30 hingga bawah kanan z=0).Petasupergugus galaksi dankekosongan yang paling dekat dengan Bumi
Materi, materi gelap, dan energi gelap terdistribusi secara homogen di seluruh alam semesta pada skala panjang lebih dari sekitar 300 juta tahun cahaya (ly).[92] Namun, pada skala yang lebih kecil, materi cenderung menggumpal secara hierarkis: banyakatom membentukbintang, sebagian besar bintang bergabung dalamgalaksi, sebagian besar galaksi bergabung menjadigugus galaksi dansupergugus, lalu membentukfilamen galaksi berskala besar.
Alam semesta teramati diperkirakan mengandung sekitar 2 triliun galaksi[93][94][95] dan total hingga 1024 bintang,[96][97] lebih banyak bintang (dan planet mirip Bumi) daripada seluruhbutiran pasir diBumi;[98][99][100] tetapi jumlah ini masih jauh lebih sedikit dibanding perkiraan jumlah atom di alam semesta, yaitu sekitar 1082.[101] Jumlah bintang di alam semestainflasioner (teramati dan tidak teramati) bahkan diperkirakan mencapai 10100.[102] Galaksi pada umumnya memiliki beragam ukuran, mulai darigalaksi katai yang hanya berisi sekitar sepuluh juta[103] (107) bintang, hingga galaksi raksasa yang mengandung sekitar satutriliun[104] (1012) bintang. Di antara struktur-struktur besar ini terdapat wilayah-wilayah kosong yang disebutkekosongan, yang umumnya berdiameter antara 10 hingga 150 Mpc (sekitar 33 juta–490 juta tahun cahaya).
Bima Sakti sendiri merupakan bagian dariGrup Lokal galaksi, yang pada gilirannya berada di dalamSupergugus Laniakea.[105] Supergugus ini membentang lebih dari 500 juta tahun cahaya, sedangkan Grup Lokal mencakup wilayah lebih dari 10 juta tahun cahaya.[106]
Alam semesta juga memiliki kawasan luas yang hampir sepenuhnya kosong; kekosongan terbesar yang pernah diketahui terbentang sejauh 1,8 miliar tahun cahaya (550 Mpc).[107]
Perbandingan isi alam semesta saat ini dengan 380.000 tahun setelah Dentuman Besar, berdasarkan data WMAP (2008).[108] Jumlah tidak dijumlahkan tepat 100% karena pembulatan.
Alam semesta teramati bersifatisotropik pada skala yang jauh lebih besar daripada supergugus, yang berarti sifat statistik alam semesta sama ke segala arah bila diamati dari Bumi. Alam semesta dipenuhi oleh radiasimikrogelombangelektromagnetik yang sangat isotropik dan sesuai dengan spektrumbenda hitam padakeseimbangan termal sekitar 2,72548kelvin.[6] Hipotesis bahwa alam semesta berskala besar bersifat homogen dan isotropik dikenal sebagaiprinsip kosmologi.[109] Alam semesta yang homogen dan isotropik tampak sama dari semua titik pandang dan tidak memiliki pusat.[110][111]
Penjelasan mengenai alasan mengapa perluasan alam semesta semakin cepat masih belum diketahui secara pasti. Fenomena ini sering dikaitkan dengan pengaruh gravitasi dari "energi gelap", suatu bentuk energi tak dikenal yang diduga meresapi seluruh ruang.[112] Berdasarkanekuivalensi massa–energi, kerapatan energi gelap (~ 7 × 10−30 g/cm3) jauh lebih kecil dibandingkan dengan kerapatan materi biasa atau materi gelap di dalam galaksi. Namun, pada masa dominasi energi gelap saat ini, energi gelap menjadi komponen utama massa–energi alam semesta karena penyebarannya yang seragam di seluruh ruang.[113][114]
Dua bentuk utama energi gelap yang diajukan adalahkonstanta kosmologis, yaitu kepadatan energi yangkonstan dan mengisi ruang secara homogen,[115] danmedan skalar sepertikuintessens ataumoduli, yaitu besarandinamis yang kerapatannya dapat berubah seiring waktu dan ruang, tetapi tetap cukup menyebar untuk menyebabkan laju perluasan alam semesta sebagaimana diamati. Kontribusi dari medan skalar yang konstan di ruang biasanya juga dianggap bagian dari konstanta kosmologis. Konstanta kosmologis ini dapat dirumuskan sebagai bentuk darienergi vakum.
Materi gelap adalah jenismateri hipotetis yang tidak dapat dideteksi melalui seluruhspektrum elektromagnetik, tetapi diyakini menyusun sebagian besar materi di alam semesta. Keberadaan dan sifat-sifat materi gelap disimpulkan dari efek gravitasinya terhadap materi tampak, radiasi, sertastruktur berskala besar alam semesta. Selainneutrino, yang merupakan bentuk darimateri gelap panas, materi gelap belum pernah terdeteksi secara langsung, menjadikannya salah satu misteri terbesar dalamastrofisika modern.
Materi gelap tidakmemancarkan maupun menyerap cahaya atau bentukradiasi elektromagnetik lainnya dalam tingkat yang berarti. Materi gelap diperkirakan menyumbang sekitar 26,8% dari total massa–energi alam semesta dan sekitar 84,5% dari total materi di alam semesta.[90][116]
Sekitar 4,9% dari total massa–energi alam semesta terdiri atas materi biasa, yaituatom,ion,elektron, serta objek-objek yang terbentuk darinya. Materi ini mencakupbintang-bintang, yang memancarkan hampir seluruh cahaya yang kita lihat dari galaksi, serta gas antarbintang dalammedium antarbintang danmedium antar galaksi,planet, dan semua benda kehidupan sehari-hari yang dapat kita sentuh, tekan, atau rasakan.[117] Sebagian besar materi biasa di alam semesta tidak terlihat, karena bintang-bintang tampak dan gas di dalam galaksi serta gugus galaksi hanya menyumbang kurang dari 10 persen dari total kontribusi materi biasa terhadap kerapatan massa–energi alam semesta.[118][119][120]
Materi biasa tersusun atas dua jenispartikel elementer:kuark danlepton.[124] Misalnya, proton terbentuk dari duakuark atas dan satukuark bawah; neutron terdiri atas dua kuark bawah dan satu kuark atas; sedangkan elektron merupakan jenis lepton. Sebuah atom tersusun dariinti atom yang terdiri atas proton dan neutron (keduanya termasukbarion), serta elektron yang mengorbit di sekitarnya.[46]:1476
Tak lama setelahDentuman Besar, proton dan neutron primordial terbentuk dariplasma kuark–gluon alam semesta awal ketika suhunya turun di bawah dua triliun derajat. Beberapa menit kemudian, dalam proses yang dikenal sebagainukleosintesis Dentuman Besar, inti atom terbentuk dari proton dan neutron primordial tersebut. Nukleosintesis ini menghasilkan unsur-unsur ringan, yaitu unsur dengan nomor atom kecil hinggalitium danberilium, sementara kelimpahan unsur yang lebih berat menurun drastis seiring peningkatan nomor atom. Sebagian kecilboron mungkin terbentuk pada masa ini, tetapi unsur berikutnya,karbon, belum terbentuk dalam jumlah yang signifikan. Nukleosintesis Dentuman Besar berhenti sekitar 20 menit kemudian karena penurunan cepat suhu dan kerapatan akibat perluasan alam semesta. Pembentukanunsur-unsur berat berikutnya terjadi melaluinukleosintesis bintang dannukleosintesis supernova.[125]
Model standar partikel elementer: 12 fermion fundamental dan 4 boson fundamental. Garis lengkung coklat menunjukkan boson (merah) yang berinteraksi dengan fermion (ungu dan hijau). Kolom menunjukkan tiga generasi materi (fermion) dan satu kolom gaya (boson). Dalam tiga kolom pertama, dua baris berisi kuark dan dua lepton. Dua baris atas masing-masing memuat kuark atas (u) dan bawah (d), pesona (c) dan aneh (s), puncak (t) dan dasar (b), serta foton (γ) dan gluon (g). Dua baris bawah memuat neutrino elektron (νe) dan elektron (e), neutrino muon (νμ) dan muon (μ), neutrino tau (ντ) dan tau (τ), serta pembawa gaya lemah Z0 dan W±. Setiap partikel disertai massa, muatan, dan spin.
Materi biasa dan gaya-gaya yang bekerja padanya dapat dijelaskan dalam kerangkapartikel elementer.[126] Partikel-partikel ini kerap disebut fundamental, karena struktur dalamannya belum diketahui, dan belum ada kepastian apakah mereka tersusun dari entitas yang lebih kecil dan lebih mendasar.[127][128] Dalam sebagian besar model modern, partikel-partikel tersebut dianggap sebagai titik-titik di dalam ruang.[129] Semua partikel elementer sejauh ini paling baik dijelaskan melaluimekanika kuantum, dan menampilkan sifatdualitas gelombang–partikel: perilaku mereka dapat menyerupai partikel maupungelombang, dengan ciri tertentu yang mendominasi tergantung pada konteks pengamatan.[130]
Pusat dari pemahaman ini adalahModel Standar, sebuah teori yang memaparkan interaksielektromagnetik, serta interaksilemah dankuat pada tingkat nuklir.[131] Model Standar didukung oleh bukti eksperimental mengenai keberadaan partikel-partikel penyusun materi,kuark danlepton, beserta pasangan "antimateri"-nya, serta partikel-partikel pembawa gaya yang menengahiinteraksi fundamental:foton,boson W dan Z, dangluon.[127] Model Standar juga memprediksi keberadaanboson Higgs yang baru ditemukan, sebuah partikel yang merupakan perwujudan medan di alam semesta yang memberikan massa pada partikel-partikel lain.[132][133] Karena keberhasilannya menjelaskan beragam hasil percobaan, Model Standar sering dianggap sebagai "teori tentang hampir segala sesuatu".[131] Namun, Model Standar belum mencakupgravitasi, dan sejauh ini belum ada "teori segalanya" yang berhasil mempersatukan seluruh gaya dan partikel dalam satu kerangka tunggal.[134]
Hadron adalahpartikel majemuk yang tersusun darikuark-kuark yangterikat bersama olehgaya kuat. Hadrons terbagi menjadi dua keluarga besar:barion (sepertiproton danneutron) yang terdiri atas tiga kuark, sertameson (sepertipion) yang terdiri atas satu kuark dan satuantikuark. Dari semua jenis hadron, proton merupakan partikel yang stabil, sementara neutron yang terikat di dalam inti atom juga stabil. Hadron lainnya bersifat tidak stabil pada kondisi biasa dan karena itu tidak menjadi komponen signifikan dari alam semesta modern.[135]:118–123
Sekitar 10−6 detik setelahDentuman Besar, pada suatu masa yang dikenal sebagaimasa hadron, suhu alam semesta menurun cukup rendah sehingga kuark-kuark dapat bergabung membentuk hadron, dan massa alam semesta pada saat itu didominasi olehhadron tersebut. Pada mulanya, suhu yang sangat tinggi memungkinkan pembentukan pasangan hadron–antihadron, yang menjaga keseimbangan termal antara materi dan antimateri. Namun, seiring pendinginan alam semesta, pasangan hadron–antihadron tak lagi dapat terbentuk. Sebagian besar hadron dan antihadron kemudian saling musnah dalam reaksianihilasi partikel–antipartikel, menyisakan hanya sejumlah kecil hadron ketika alam semesta berumur sekitar satu detik.[135]:244–266
Lepton adalahpartikel elementer denganputaran bilangan setengah yang tidak mengalami interaksi kuat, namun tunduk padaprinsip pengecualian Pauli, yakni dua lepton sejenis tidak dapat berada dalam keadaan yang sama pada waktu yang sama.[136] Terdapat dua golongan utama lepton: leptonbermuatan (sering disebutlepton mirip elektron), dan lepton netral yang lebih dikenal sebagaineutrino.Elektron adalah lepton bermuatan yang stabil dan paling melimpah di alam semesta, sedangkanmuon dantau merupakan partikel tidak stabil yang dengan cepat meluruh setelah terbentuk dalam tumbukanenergi tinggi, seperti yang terjadi padasinar kosmik atau dipemercepat partikel.[137][138] Lepton bermuatan dapat bergabung dengan partikel lain membentuk berbagaipartikel majemuk sepertiatom danpositronium.Elektron memegang peran utama dalam seluruh bidangkimia, karena keberadaannya di dalamatom secara langsung menentukansifat-sifat kimia suatu unsur.Neutrino, di sisi lain, sangat jarang berinteraksi dengan materi, sehingga hampir tak terdeteksi. Neutrino mengalir melintasi alam semesta dalam jumlah besar, tetapi hampir tak pernah berinteraksi dengan materi biasa.[139]
Era lepton adalah suatu tahap dalam evolusi awal alam semesta ketikalepton mendominasi massa totalnya. Masa ini dimulai sekitar satu detik setelahDentuman Besar, setelah sebagian besar hadron dan antihadron saling musnah pada akhirera hadron. Pada masa lepton, suhu alam semesta masih cukup tinggi untuk memungkinkan terciptanya pasangan lepton–antilepton, sehingga keduanya tetap berada dalam kesetimbangan termal. Sekitar sepuluh detik setelah Dentuman Besar, suhu alam semesta menurun hingga tidak lagi memungkinkan terbentuknya pasangan baru lepton–antilepton.[140] Sebagian besar lepton dan antilepton kemudian saling musnah melalui reaksianihilasi, menyisakan sejumlah kecil lepton. Setelah itu, massa alam semesta didominasi olehfoton, menandai dimulainyaera foton berikutnya.[141][142]
Era foton dimulai setelah sebagian besar lepton dan antilepton salingmemusnahkan pada akhir era lepton, sekitar sepuluh detik setelahDentuman Besar.Inti atom mulai terbentuk dalam prosesnukleosintesis yang terjadi pada menit-menit pertama masa foton. Sepanjang sisa masa ini, alam semesta berisiplasma panas dan padat yang terdiri atas inti atom, elektron, dan foton. Sekitar 380.000 tahun setelah Dentuman Besar, suhu alam semesta turun hingga memungkinkan inti-inti atom bergabung dengan elektron membentuk atom-atom netral. Akibatnya, foton tidak lagi sering berinteraksi dengan materi dan alam semesta menjadi tembus cahaya. Foton-foton yang sangat bergeser merah dari masa ini kini membentuk radiasi latar gelombang mikro kosmik (cosmic microwave background). Variasi kecil dalam suhu CMB mencerminkan perbedaan kerapatan di alam semesta awal, benih-benih pertama yang kelak melahirkan seluruhpembentukan struktur kosmik yang ada sekarang.[135]:244–266
Hubungan tersebut dijabarkan melaluipersamaan medan Einstein, yaitu sistempersamaan diferensial parsial. Dalam relativitas umum, distribusi materi dan energi menentukan geometri ruang waktu, yang pada gilirannya menjelaskanpercepatan dari materi itu sendiri. Karena itu, solusi dari persamaan medan Einstein menggambarkan evolusi alam semesta. Ketika dikombinasikan dengan hasil pengamatan terhadap jumlah, jenis, dan distribusi materi di alam semesta, persamaan-persamaan relativitas umum mampu menjelaskan bagaimana alam semesta berkembang seiring waktu.[144]
di mana (r, θ, φ) menunjukkansistem koordinat bola. Metrik ini hanya memiliki dua parameter bebas. Yang pertama adalahfaktor skala tak berdimensiR, yang menggambarkan ukuran alam semesta sebagai fungsi waktu (peningkatanR berartipengembangan alam semesta),[145] dan yang kedua adalah indeks kelengkungank yang menjelaskan bentuk geometri ruang tersebut. Nilaik hanya dapat berupa salah satu dari tiga kemungkinan: 0, yang mewakiligeometri Euclid datar; 1, yang menggambarkan ruang dengankelengkungan positif; atau −1, yang menunjukkan kelengkungan negatif.[146] NilaiR sebagai fungsi waktut bergantung padak sertakonstanta kosmologisΛ.[144] Konstanta kosmologis ini merepresentasikan rapat energi dari kekosongan ruang dan dapat berkaitan dengan energi gelap.[91] Persamaan yang menggambarkan bagaimanaR berubah terhadap waktu dikenal sebagaipersamaan Friedmann, diambil dari nama penemunya,Alexander Friedmann.[147]
Solusi untukR(t) bergantung pada nilaik danΛ, tetapi beberapa ciri kualitatif dari solusi tersebut bersifat umum. Pertama dan terpenting, skala panjangR alam semesta hanya dapat tetap konstanjika dan hanya jika alam semesta benar-benar isotropik dengan kelengkungan positif (k = 1) serta memiliki kerapatan yang sama di seluruh ruang—hal ini pertama kali disadari olehAlbert Einstein.[144]
Kedua, seluruh solusi menunjukkan bahwa pada masa lampau pernah terjadi suatusingularitas gravitasi, ketikaR menyusut menjadi nol dan materi serta energi mencapai kerapatan tak terhingga. Sekilas kesimpulan ini tampak meragukan karena didasarkan pada asumsi yang ideal, yakni homogenitas dan isotropi sempurna (prinsip kosmologis), dan mengabaikan interaksi lain selain gravitasi. Namun,teorema singularitas Penrose–Hawking menunjukkan bahwa singularitas semacam itu seharusnya muncul dalam kondisi yang sangat umum. Karena itu, berdasarkan persamaan medan Einstein,R tumbuh sangat cepat dari keadaan yang tak terbayangkan panas dan padat sesaat setelah singularitas tersebut (ketikaR bernilai kecil tetapi terbatas); inilah inti dari modelDentuman Besar. Memahami singularitas asal Dentuman Besar kemungkinan memerlukanteori gravitasi kuantum, yang hingga kini belum dirumuskan.[148]
Ketiga, indeks kelengkungank menentukan tanda dari kelengkungan permukaan ruang pada waktu konstan,[146] jika dirata-ratakan pada skala panjang yang sangat besar (lebih dari satu miliartahun cahaya). Jikak = 1, maka kelengkungannya positif dan alam semesta memiliki volume terbatas.[149] Alam semesta dengan kelengkungan positif sering divisualisasikan sebagaibola tiga dimensi yang tertanam dalam ruang empat dimensi. Sebaliknya, jikak bernilai nol atau negatif, maka alam semesta memiliki volume tak terbatas.[149] Meskipun tampak berlawanan dengan intuisi bahwa alam semesta yang tak berhingga tetapi sangat rapat dapat muncul seketika saatR = 0, justru itulah yang diprediksi secara matematis ketikak tidak positif dan prinsip kosmologis terpenuhi. Sebagai analogi, bidang datar memiliki kelengkungan nol tetapi luas tak berhingga, sedangkansilinder tak berhingga bersifat terbatas dalam satu arah, dantorus terbatas dalam dua arah.
Nasib akhir alam semesta masih belum diketahui karena sangat bergantung pada nilai indeks kelengkungank dan konstanta kosmologisΛ. Jika alam semesta cukup rapat, makak akan bernilai +1, yang berarti kelengkungan rata-ratanya positif dan alam semesta pada akhirnya akan runtuh kembali dalam suatuRemukan Besar (Big Crunch),[150] yang mungkin diikuti oleh kelahiran alam semesta baru melaluiPantulan Besar (Big Bounce). Sebaliknya, jika kerapatan alam semesta tidak mencukupi, makak akan bernilai 0 atau −1, dan alam semesta akan terus mengembang tanpa batas, mendingin, hingga mencapaiPembekuan Besar (Big Freeze) dan akhirnya mengalamikematian panas alam semesta.[144] Data pengamatan modern menunjukkan bahwaalam semesta kini mengembang semakin cepat; bila percepatan ini terus berlanjut dengan laju tertentu, alam semesta mungkin akan berakhir dalam peristiwaRobekan Besar (Big Rip). Secara observasional, alam semesta tampak datar (k = 0), dengan kerapatan total yang sangat dekat dengan nilai kritis antara keruntuhan kembali dan pengembangan abadi.[151]
Sejumlah teori spekulatif mengusulkan bahwa alam semesta kita hanyalah satu dari sekumpulanhimpunan alam semesta yang terpisah satu sama lain, yang secara kolektif disebutmultisemesta. Gagasan ini menantang sekaligus memperluas batasan definisi tradisional tentang alam semesta.[19][152]Max Tegmark mengembangkan suatuskema klasifikasi empat tingkat yang menjelaskan berbagai jenis multisemesta yang pernah diusulkan ilmuwan sebagai jawaban atas sejumlah persoalan mendalam dalamfisika. Salah satu contohnya adalah multisemesta yang dihasilkan dari modelinflasi kacau pada masa awal alam semesta.[153]
Contoh lain ialah multisemesta yang muncul dariinterpretasi banyak dunia dalam mekanika kuantum. Dalam kerangka ini, dunia-dunia paralel terbentuk melalui proses yang mirip dengansuperposisi kuantum dandekohesi, di mana seluruh kemungkinan keadaan darifungsi gelombang terwujud di dunia yang berbeda-beda. Dengan demikian, dalam interpretasi banyak dunia, multisemesta berkembang sebagai suatufungsi gelombang universal. Jika Dentuman Besar yang melahirkan multisemesta kita juga menciptakan himpunan multisemesta lain, maka fungsi gelombang dari seluruh himpunan itu akan saling terjerat secara kuantum.[154] Masih menjadi perdebatan panjang apakah konsep ini memungkinkan penurunan probabilitas yang bermakna secara ilmiah, dan terdapat pula berbagai versi dari interpretasi banyak dunia.[155][156][157] Topik tentangbagaimana seharusnya mekanika kuantum ditafsirkan sendiri merupakan wilayah yang sarat perbedaan pandangan.[158][159][160]
Kategori yang paling tidak kontroversial, meskipun tetap diperdebatkan, dalam klasifikasi Tegmark adalah multiverseTingkat I. Multisemesta pada tingkat ini terdiri dari peristiwa ruang waktu yang sangat jauh tetapi masih termasuk "alam semesta kita" sendiri. Tegmark dan beberapa ilmuwan lain[161] berargumen bahwa jika ruang benar-benar tak berhingga, atau cukup besar dan seragam, maka sejarah lengkapvolume Hubble Bumi akan berulang secara identik di tempat lain, murni karena kebetulan statistik. Tegmark menghitung bahwa "kembaran" terdekat kita berada sejauh 1010115 meter dari sini, jarak yang merupakanfungsi eksponensial ganda jauh lebih besar darigoogolplex.[162][163] Meski demikian, argumen-argumen semacam ini masih bersifat sangat spekulatif.[164]
Kita juga dapat membayangkan adanya ruang waktu yang sepenuhnya terputus satu sama lain, masing-masing ada namun tak dapat berinteraksi sedikit pun.[162][165] Analogi yang mudah divisualisasikan untuk konsep ini adalah sekumpulangelembung sabun yang terpisah, di mana para pengamat yang hidup pada satu gelembung tidak mungkin, bahkan secara teori, berinteraksi dengan mereka yang berada di gelembung lain.[166] Dalam terminologi yang umum digunakan, setiap "gelembung sabun" ruang waktu disebut sebagai sebuahalam semesta, sementara ruang waktu tempat manusia berada disebutalam semesta—sebagaimana kita menyebut satelit alami Bumi sebagaiBulan.[19] Keseluruhan kumpulan ruang waktu yang terpisah ini disebut multisemesta.[19]
Dalam pengertian ini, setiapalam semesta tidak memiliki hubungankausal satu sama lain.[19] Secara teoretis, setiapalam semesta lain yang tak terhubung bisa saja memilikidimensi dantopologi ruang waktu yang berbeda, bentukmateri danenergi yang berbeda, bahkanhukum fisika dankonstanta fisika yang tidak sama—meskipun kemungkinan-kemungkinan ini sepenuhnya bersifat spekulatif.[19] Beberapa ilmuwan juga menganggap bahwa gelembung-gelembung yang tercipta melalui proses inflasi kacau merupakanalam semesta tersendiri, meskipun dalam model ini semua alam semesta tersebut memiliki asal kausal yang sama.[19]
Sepanjang sejarah, manusia telah melahirkan beragam gagasan tentang alam semesta (kosmologi) dan asal-usulnya (kosmogoni). Teori tentang alam semesta yang tidak dipersonifikasikan dan diatur oleh hukum-hukum fisika pertama kali dikemukakan oleh para pemikir Yunani dan India kuno.[13] Filsafat Tiongkok kuno juga mencakup gagasan tentang alam semesta yang mencakup keseluruhan ruang dan waktu.[167] Selama berabad-abad, kemajuan dalam pengamatan astronomi serta teori tentang gerak dan gravitasi telah menghasilkan deskripsi alam semesta yang semakin akurat. Era modern kosmologi dimulai dengan lahirnyateori relativitas umumAlbert Einstein pada tahun 1915, yang memungkinkan perhitungan kuantitatif mengenai asal mula, evolusi, dan nasib akhir alam semesta secara keseluruhan. Sebagian besar teori kosmologi modern yang diterima kini berpijak pada relativitas umum, khususnya pada prediksi mengenaiDentuman Besar.[168]
Banyak kebudayaan di dunia memilikikisah tentang asal-usul dunia dan alam semesta. Umumnya, kebudayaan-kebudayaan tersebut menganggap kisah-kisah ini mengandung suatu bentukkebenaran. Namun, di antara mereka yang meyakini asal mula adikodrati, terdapat banyak perbedaan pandangan mengenai bagaimana kisah tersebut harus dipahami, mulai dari keyakinan bahwa Tuhan menciptakan alam semesta secara langsung sebagaimana adanya sekarang, hingga gagasan bahwa Tuhan hanya "memutar roda awal" melalui mekanisme sepertiDentuman Besar danevolusi.[169]
Para etnolog dan antropolog yang meneliti mitos telah mengembangkan berbagai sistem klasifikasi untuk mengelompokkan tema-tema umum yang muncul dalam kisah penciptaan.[170][171] Dalam salah satu jenis kisah, dunia lahir dari sebuahtelur kosmik; contoh kisah ini antara lain terdapat dalampuisi epikKalevala dariFinlandia, kisahPangu dariTiongkok, sertaBrahmanda Purana dariIndia. Dalam kisah lain, alam semesta diciptakan oleh satu entitas yang memancar atau memunculkan segala sesuatu dari dirinya sendiri, sebagaimana dalam konsepAdi-Buddha dalamBuddhisme Tibet, kisahGaia (Ibu Pertiwi) dalam mitologi Yunani, dewiCoatlicue dalammitologi Aztek, kisah dewaAtum dalamagama Mesir Kuno, serta narasi penciptaan dalamKitab Kejadian di manaTuhan Abrahamik menciptakan alam semesta.
Parafilsuf Yunani pra-Sokratik danfilsuf India mengembangkan beberapa konsep filsafat paling awal tentang alam semesta.[13][173] Filsuf Yunani awal menyadari bahwa penampakan dapat menipu, dan mereka berusaha memahami realitas mendasar yang tersembunyi di balik penampakan itu. Secara khusus, mereka mencatat kemampuan materi untuk berubah bentuk (misalnya es menjadi air lalu uap), dan sejumlah filsuf mengusulkan bahwa seluruh materi fisik di dunia merupakan bentuk-bentuk berbeda dari satu zat asal tunggal, atauarche. Yang pertama mengemukakan hal ini adalahThales, yang menganggap zat asal tersebut adalahair. Muridnya,Anaximander, berpendapat bahwa segala sesuatu berasal dari sesuatu yang tak terbatas yang disebutapeiron.Anaximenes mengusulkan bahwa zat asal itu adalahudara, karena sifatnya yang dapat menarik dan menolak sehingga menyebabkanarche mengembun atau terurai menjadi bentuk-bentuk lain.Anaxagoras memperkenalkan asasNous (Akal), sedangkanHerakleitos mengusulkanapi dan berbicara tentanglogos.Empedokles mengajukan empat unsur dasar: tanah, air, udara, dan api. Model empat unsur ini menjadi sangat berpengaruh. Seperti halnyaPythagoras,Plato percaya bahwa segala sesuatu tersusun atasangka, dengan unsur-unsur Empedokles mengambil bentukpadatan Platonik.Demokritos, dan kemudian filsuf lain sepertiLeukippos, mengemukakan bahwa alam semesta tersusun dariatom yang tak terbagi, yang bergerak dalamkekosongan (vakum).Aristoteles menolak gagasan ini, sebab menurutnya udara, seperti air, memberikanhambatan terhadap gerak. Udara akan segera mengalir untuk mengisi kekosongan, dan tanpa hambatan, hal itu akan berlangsung tanpa batas kecepatan.[13]
Meskipun Herakleitos menegaskan bahwa perubahan adalah abadi,[174] sezamannya,Parmenides, menekankan ketakberubahan. Puisinya,On Nature, ditafsirkan sebagai pernyataan bahwa segala perubahan hanyalah ilusi; bahwa realitas sejati yang mendasari alam semesta bersifat abadi, tak berubah, dan tunggal dalam hakikatnya — atau setidaknya bahwa inti dari segala sesuatu yang ada haruslah kekal, tanpa awal, perubahan, maupun akhir.[175] Muridnya,Zeno dari Elea, menantang gagasan umum tentang gerak melalui serangkaianparadoks terkenal. Aristoteles menanggapi paradoks-paradoks tersebut dengan mengembangkan gagasan tentang potensi ketakterhinggaan yang dapat dihitung, serta konsep kontinuum yang dapat dibagi tanpa batas.[176][177]
Dalam tradisifilsafat India, filsufKanada, pendiri mazhabVaisheshika, mengembangkan gagasan tentangatomisme dan berpendapat bahwacahaya danpanas merupakan bentuk-bentuk dari substansi yang sama.[178] Pada abad ke-5 Masehi, filsufBuddhisme atomisDignāga berpendapat bahwaatom bersifat tanpa ukuran, tanpa durasi, dan tersusun dari energi. Ia menolak keberadaan materi substansial dan mengajukan bahwa gerak merupakan rangkaian kilatan sekejap dari arus energi.[179]
Panteisme adalah keyakinanfilsafat sekaligusagama bahwa alam semesta itu sendiri identik denganketuhanan dan merupakanmakhluk tertinggi atau entitas ilahi.[181] Dengan demikian, alam semesta fisik dipahami sebagai dewa yangimanen dan meliputi segala sesuatu.[182] Istilah 'panteis' merujuk pada seseorang yang meyakini bahwa segala sesuatu membentuk satu kesatuan, dan bahwa kesatuan itu bersifat ilahi—terwujud dalam sosokdewa ataudewi yang merangkum seluruh eksistensi.[183][184]
Perhitungan Aristarchus dari Samos pada abad ke-3 SM tentang ukuran relatif Matahari, Bumi, dan Bulan (dari kiri ke kanan), disalin dalam naskah Yunani abad ke-10 M
Para filsufYunani Kuno kemudian, dengan mengamati gerakan benda-benda langit, berupaya mengembangkan model alam semesta yang lebih berlandaskanbukti empiris. Model koheren pertama diajukan olehEudoxus dari Cnidus, seorang muridPlato yang mengikuti gagasan gurunya bahwa gerakan benda-benda langit haruslah melingkar. Untuk menjelaskan kerumitan gerak planet yang diketahui, terutama gerakretrograd, model Eudoxus menggunakan 27bola langit: empat untuk setiap planet yang tampak oleh mata telanjang, tiga untuk Matahari dan Bulan, serta satu untuk bintang-bintang. Semua bola ini berpusat pada Bumi, yang dianggap tetap diam sementara bola-bola tersebut berputar selamanya.Aristoteles mengembangkan model ini lebih lanjut, menambah jumlah bola menjadi 55 untuk menjelaskan detail tambahan dari gerak planet. Bagi Aristoteles,materi biasa sepenuhnya berada di dalam lingkup bumi, dan tunduk pada hukum yang sangat berbeda darimateri langit.[189][190]
Risalah pasca-AristotelesDe Mundo (dengan penulis dan tanggal yang tidak pasti) menyatakan: "Lima unsur, tersusun dalam bola-bola pada lima wilayah, yang lebih kecil selalu dikelilingi oleh yang lebih besar, yakni bumi dikelilingi oleh air, air oleh udara, udara oleh api, dan api oleh eter, membentuk keseluruhan alam semesta."[191] Model ini kemudian disempurnakan olehCallippus, dan setelah konsep bola konsentris ditinggalkan, model tersebut disesuaikan hampir sempurna dengan pengamatan astronomi olehPtolemaeus.[192] Keberhasilan model ini sebagian besar disebabkan oleh fakta matematis bahwa setiap fungsi (seperti posisi planet) dapat diuraikan menjadi sekumpulan fungsi melingkar, yaitumodus Fourier. Cendekiawan Yunani lainnya, seperti filsufPythagoreanismePhilolaus, menurut catatanStobaeus, berpendapat bahwa di pusat alam semesta terdapat "api pusat", dan bahwaBumi,Matahari,Bulan, danplanet berputar mengelilinginya dalam gerakan melingkar seragam.[193]
"Engkau, Raja Gelon, tentu mengetahui bahwa alam semesta adalah nama yang diberikan oleh kebanyakan astronom untuk bola yang pusatnya bertepatan dengan pusat Bumi, sedangkan jari-jarinya sama dengan garis lurus yang menghubungkan pusat Matahari dan pusat Bumi. Itulah pandangan umum sebagaimana engkau mendengarnya dari para astronom. Namun Aristarchus telah menerbitkan sebuah buku yang memuat sejumlah hipotesis, di mana tampak bahwa alam semesta jauh lebih besar daripada yang baru saja disebutkan. Hipotesisnya adalah bahwa bintang-bintang tetap dan Matahari tidak bergerak; bahwa Bumi berputar mengelilingi Matahari di sepanjang lingkaran dengan Matahari di tengah orbitnya; dan bahwa bola bintang-bintang tetap, yang berpusat sama dengan Matahari, begitu luas sehingga lingkaran yang menjadi jalur orbit Bumi hanya menempati proporsi sekecil jarak antara pusat bola dengan permukaannya."[194]
Aristarchus berpendapat bahwa bintang-bintang terletak pada jarak yang sangat jauh, dan inilah sebabnya mengapaparalaks bintang tidak pernah teramati, yakni bintang-bintang tidak tampak bergeser posisinya satu sama lain ketika Bumi bergerak mengelilingi Matahari. Pada kenyataannya, jarak bintang-bintang memang jauh melampaui perkiraan umum pada zaman kuno, sehingga paralaks bintang hanya dapat terdeteksi dengan instrumen yang sangat presisi. Model geosentris, yang konsisten dengan konsep paralaks planet, pada masa itu dianggap sebagai penjelasan bagi tidak teramatinya paralaks bintang.[195]
Satu-satunya astronom lain dari zaman kuno yang diketahui mendukung model heliosentris Aristarchus adalahSeleucus dari Seleukia, seorangastronom Helenistik yang hidup sekitar satu abad setelah Aristarchus.[196][197][198] Menurut Plutarch, Seleucus adalah orang pertama yang membuktikan sistem heliosentris melaluipenalaran, meskipun argumen yang digunakannya tidak diketahui. Kemungkinan besar, pembuktiannya terkait dengan fenomenapasang surut.[199] MenurutStrabo (1.1.9), Seleucus adalah orang pertama yang menyatakan bahwa pasang surut disebabkan oleh gaya tarikBulan, dan bahwa tinggi rendahnya pasang bergantung pada posisi Bulan terhadapMatahari.[200] Sebagai alternatif, mungkin ia membuktikan heliosentrisme dengan menentukan konstanta dari modelgeometris untuk sistem tersebut, serta mengembangkan metode untuk menghitung posisi planet berdasarkan model itu—pendekatan yang kelak menyerupai metodeNicolaus Copernicus pada abad ke-16.[201] PadaAbad Pertengahan, modelheliosentris juga diajukan oleh paraastronom Persia sepertiAlbumasar[202] danAl-Sijzi.[203]
Model Alam Semesta Kopernikan olehThomas Digges tahun 1576, dengan pembaruan bahwa bintang-bintang tidak lagi terkungkung dalam satu bola, melainkan tersebar merata di seluruh ruang yang mengelilingiplanet
Model Aristoteles diterima diDunia Barat selama kurang lebih dua milenium, hinggaNicolaus Copernicus menghidupkan kembali pandangan Aristarchus bahwa data astronomi dapat dijelaskan dengan lebih masuk akal bilaBumi dianggap berputar pada porosnya danMatahari ditempatkan di pusat alam semesta.[204]
Di pusatnya bersemayam Matahari. Sebab siapakah yang akan menempatkan pelita di kuil yang sangat indah ini di tempat lain atau yang lebih baik daripada posisi di mana ia dapat menerangi segalanya sekaligus?
—Nicolaus Copernicus, Bab 10, Buku 1 dariDe Revolutionibus Orbium Coelestium (1543)
Pandangan kosmologis ini kemudian diterima olehIsaac Newton,Christiaan Huygens, dan para ilmuwan sesudahnya.[208] Newton menunjukkan bahwahukum-hukum gerak dan gravitasi yang sama berlaku baik bagi benda di Bumi maupun bagi benda langit, sehingga menjadikan pembagian Aristoteles antara keduanya usang.Edmund Halley (1720)[209] danJean-Philippe de Chéseaux (1744)[210] secara terpisah mencatat bahwa jika ruang semesta diasumsikan tak berhingga dan dipenuhi bintang secara merata, maka langit malam seharusnya secerah Matahari sendiri; hal ini kelak dikenal sebagaiParadoks Olbers pada abad ke-19.[211] Newton menegaskan bahwa ruang tak berhingga yang dipenuhi materi secara seragam akan menimbulkan gaya tak terhingga dan ketidakstabilan yang akan menyebabkan seluruh materi runtuh ke dalam akibat gravitasinya sendiri.[208] Ketidakstabilan ini kemudian dijelaskan secara matematis pada tahun 1902 melalui kriteriaketidakstabilan Jeans.[212] Salah satu solusi yang diajukan terhadap paradoks-paradoks ini adalah alam semestaCharlier, di mana materi tersusun secara hierarkis, sistem benda-benda yang saling mengorbit dan pada gilirannya mengorbit dalam sistem yang lebih besar,ad infinitum, dalam polafraktal sehingga kerapatan keseluruhannya sangat kecil. Model kosmologis serupa sebenarnya telah diajukan lebih awal, pada tahun 1761, olehJohann Heinrich Lambert.[52][213]
Pada abad ke-18,Immanuel Kant berspekulasi bahwanebula mungkin merupakan seluruh galaksi yang terpisah dari Bima Sakti.[209] Pada tahun 1850,Alexander von Humboldt menyebut galaksi-galaksi terpisah itu sebagaiWeltinseln, atau "pulau dunia", istilah yang kemudian berkembang menjadi "alam semesta pulau" (island universes).[214][215]
Pada tahun 1919, ketikaTeleskop Hooker selesai dibangun, pandangan umum kala itu menyatakan bahwa alam semesta hanya terdiri atas Galaksi Bima Sakti. Dengan menggunakan teleskop tersebut,Edwin Hubble berhasil mengidentifikasibintang variabel Cepheid di beberapa nebula spiral, dan pada tahun 1922–1923 ia membuktikan secara meyakinkan bahwaNebula Andromeda danNebula Triangulum, di antara yang lainnya, merupakan galaksi-galaksi utuh di luar galaksi kita sendiri. Penemuan ini menjadi bukti bahwa alam semesta tersusun atas banyak galaksi.[216]
Berdasarkan temuan tersebut, Hubble merumuskankonstanta Hubble, yang untuk pertama kalinya memungkinkan perhitungan usia alam semesta serta ukuranalam semesta teramati. Seiring dengan kemajuan pengukuran, nilai-nilai ini menjadi semakin akurat, mulanya hanya sekitar 2 miliar tahun dan 280 juta tahun cahaya, hingga pada tahun 2006, data dariTeleskop Luar Angkasa Hubble memungkinkan estimasi usia dan ukuran alam semesta yang sangat presisi.[217]
Era modernkosmologi fisik dimulai pada tahun 1917, ketikaAlbert Einstein untuk pertama kalinya menerapkanteori relativitas umum dalam memodelkan struktur dan dinamika alam semesta.[218] Penemuan-penemuan besar dari masa ini, beserta pertanyaan-pertanyaan yang masih belum terjawab, dijabarkan dalam bagian-bagian sebelumnya.
Peta alam semesta teramati dengan beberapa objek astronomi terkenal yang diketahui hingga tahun 2018. Skala panjang meningkat secara eksponensial ke arah kanan. Benda-benda langit ditampilkan dalam ukuran yang diperbesar agar bentuknya dapat dikenali.
↑Meskipun angka tersebut dinyatakan dalammegaparsek oleh sumber yang dikutip, nilainya begitu luar biasa besar sehingga perbedaan satuan konvensional apa pun, baiknanometer maupungigaparsek, akan menjadi tidak berarti, sebab selisihnya tenggelam dalam ketidakpastian angka tersebut.
↑Russell, Jones (2008).Loan-Words In Indonesian And Malay. Yayasan Obor Indonesia.ISBN978-602-433-174-0. Pemeliharaan CS1: Status URL (link)
↑Monier-Williams, Monier (1899).A Sanskrit–English Dictionary: Etymologically and Philologically Arranged with Special Reference to Cognate Indo-European Languages. Motilal Banarsidass Publishing House. Pemeliharaan CS1: Status URL (link)
↑Lewis, C.T.; Short, S (1966) [1879].A Latin Dictionary. Clarendon Press (aslinya diterbitkan oleh Oxford University Press). hlm.1175,1189–1190,1881–1882.ISBN978-0-19-864201-5.
12Steane, Andrew M. (2021).Relativity Made Relatively Easy, Volume 2: General Relativity and Cosmology. Oxford University Press.ISBN978-0-192-89564-6.
↑Larson, Richard B. & Bromm, Volker (March 2002)."The First Stars in the Universe".Scientific American.Diarsipkan dari versi aslinya tanggal June 11, 2015. Diakses tanggalJune 9, 2015.
↑Ryden, Barbara, "Introduction to Cosmology", 2006, eqn. 6.33
↑Crane, Leah (29 Juni 2024). de Lange, Catherine (ed.). "How big is the universe, really?".New Scientist. hlm.31.
↑Crockett, Christopher (20 Februari 2013)."What is a light-year?".EarthSky.Diarsipkan dari versi aslinya tanggal 20 Februari 2015. Diakses tanggal20 Februari 2015.
↑Goodwin, S. P.; Gribbin, J.; Hendry, M. A. (Agustus 1998). "The relative size of the Milky Way".The Observatory.118:201–208.Bibcode:1998Obs...118..201G.
↑Friederich, Simon (12 November 2021)."Fine-Tuning".The Stanford Encyclopedia of Philosophy. Center for the Study of Language and Information (CSLI), Stanford University.Diarsipkan dari versi aslinya tanggal 10 Oktober 2023. Diakses tanggal15 Februari 2022.
↑"Physics – for the 21st Century".learner.org. Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics Annenberg Learner. Diarsipkan dariasli tanggal 7 September 2015. Diakses tanggal27 Juli 2015.
12Sean Carroll, Ph.D., Caltech, 2007, The Teaching Company,Dark Matter, Dark Energy: The Dark Side of the Universe, Guidebook Part 2. p. 46, Diakses 7 Oktober 2013, "...materi gelap: komponen materi tak terlihat yang pada dasarnya tidak berinteraksi, membentuk sekitar 25 persen dari kerapatan energi alam semesta... merupakan jenis partikel yang berbeda... sesuatu yang belum teramati di laboratorium..."
↑Strassler, M. (October 12, 2012)."The Higgs FAQ 2.0".ProfMattStrassler.com.Diarsipkan dari versi aslinya tanggal October 12, 2013. Diakses tanggalJanuary 8, 2013.[Q] Why do particle physicists care so much about the Higgs particle? [A] Well, actually, they don't. What they really care about is the Higgsfield, because it isso important. [penekanan dalam teks asli]
↑Weinberg, Steven (2011).Dreams of a Final Theory: The Scientist's Search for the Ultimate Laws of Nature. Knopf Doubleday Publishing Group.ISBN978-0-307-78786-6.
↑Harari, H. (1977). "Beyond charm". Dalam Balian, R.; Llewellyn-Smith, C.H. (ed.).Weak and Electromagnetic Interactions at High Energy, Les Houches, France, Jul 5 – Aug 14, 1976. Les Houches Summer School Proceedings. Vol.29.North-Holland. hlm.613.
↑Harari H. (1977)."Three generations of quarks and leptons"(PDF). Dalam E. van Goeler; Weinstein R. (ed.).Proceedings of the XII Rencontre de Moriond. hlm.170. SLAC-PUB-1974.Diarsipkan(PDF) dari versi aslinya tanggal May 13, 2020. Diakses tanggalMay 29, 2020.
↑"First few minutes".Eric Chaisson. Harvard Smithsonian Center for Astrophysics.Diarsipkan dari versi aslinya tanggal December 4, 2013. Diakses tanggalJanuary 6, 2016.
↑Dick, Steven J. (2020). "The Biophysical Cosmology: The Place of Bioastronomy in the History of Science".Space, Time, and Aliens. Cham: Springer International Publishing. hlm.53–58.doi:10.1007/978-3-030-41614-0_4.ISBN978-3-030-41613-3.
↑Gil, Francisco José Soler; Alfonseca, Manuel (2013). "About the Infinite Repetition of Histories in Space".Theoria: An International Journal for Theory, History and Foundations of Science.29 (3): 361.arXiv:1301.5295.doi:10.1387/theoria.9951.hdl:10486/664735.S2CID52996408.
↑Leeming, David A. (2010).Creation Myths of the World. ABC-CLIO. hlm.xvii.ISBN978-1-59884-174-9.In common usage the word 'myth' refers to narratives or beliefs that are untrue or merely fanciful; the stories that make up national or ethnic mythologies describe characters and events that common sense and experience tell us are impossible. Nevertheless, all cultures celebrate such myths and attribute to them various degrees of literal or symbolictruth.
↑Eliade, Mircea (1975) [1964].Myth and Reality (Religious Traditions of the World). Harper & Row (originally published by Allen & Unwin).ISBN978-0-04-291001-7.
↑(Henry Gravrand, "La civilisation Sereer -Pangool") [in]Universität Frankfurt am Main, Frobenius-Institut, Deutsche Gesellschaft für Kulturmorphologie, Frobenius Gesellschaft, "Paideuma: Mitteilungen zur Kulturkunde, Volumes 43–44", F. Steiner (1997), pp. 144–145,ISBN3-515-02842-0
"Two systems of Hindu thought propound physical theories suggestively similar to those ofGreece. Kanada, founder of the Vaisheshika philosophy, held that the world is composed of atoms as many in kind as the various elements. TheJains more nearly approximated toDemocritus by teaching that all atoms were of the same kind, producing different effects by diverse modes of combinations. Kanada believed light and heat to be varieties of the same substance;Udayana taught that all heat comes from the Sun; andVachaspati, likeNewton, interpreted light as composed of minute particles emitted by substances and striking the eye."
↑Stcherbatsky, F. Th. (1930, 1962),Buddhist Logic, Volume 1, p. 19, Dover, New York:
"The Buddhists denied the existence of substantial matter altogether. Movement consists for them of moments, it is a staccato movement, momentary flashes of a stream of energy... "Everything is evanescent",... says the Buddhist, because there is no stuff... Both systems [Sānkhya, and later Indian Buddhism] share in common a tendency to push the analysis of existence up to its minutest, last elements which are imagined as absolute qualities, or things possessing only one unique quality. They are called "qualities" (guna-dharma) in both systems in the sense of absolute qualities, a kind of atomic, or intra-atomic, energies of which the empirical things are composed. Both systems, therefore, agree in denying the objective reality of the categories of Substance and Quality,... and of the relation of Inference uniting them. There is in Sānkhya philosophy no separate existence of qualities. What we call quality is but a particular manifestation of a subtle entity. To every new unit of quality corresponds a subtle quantum of matter which is calledguna, "quality", but represents a subtle substantive entity. The same applies to early Buddhism where all qualities are substantive... or, more precisely, dynamic entities, although they are also calleddharmas ('qualities')."
↑Viney, Donald Wayne (1985). "The Cosmological Argument".Charles Hartshorne and the Existence of God. SUNY Press. hlm.65–68.ISBN978-0-87395-907-0.
↑Pearsall, Judy (1998).The New Oxford Dictionary Of English (Edisi 1st). Oxford: Clarendon Press. hlm.1341.ISBN978-0-19-861263-6.
↑Lindberg, David C. (2007).The Beginnings of Western Science: The European Scientific Tradition in Philosophical, Religious, and Institutional Context (Edisi 2nd). University of Chicago Press. hlm.12.ISBN978-0-226-48205-7.
↑Grant, Edward (2007)."Ancient Egypt to Plato".A History of Natural Philosophy: From the Ancient World to the Nineteenth Century. Cambridge University Press. hlm.1–26.ISBN978-0-521-68957-1.
↑Sarton, George (1955). "Chaldaean Astronomy of the Last Three Centuries B. C.".Journal of the American Oriental Society.75 (3): 166–173 [169].doi:10.2307/595168.JSTOR595168.the heliocentrical astronomy invented by Aristarchos of Samos and still defended a century later by Seleucos theBabylonian
↑William P. D. Wightman (1951, 1953),The Growth of Scientific Ideas, Yale University Press, hlm. 38, di mana Wightman menyebutnyaSeleukos dariKaldea.
↑de Cheseaux JPL (1744).Traité de la Comète. Lausanne. hlm.223ff.. Diterbitkan ulang sebagai Lampiran II dalamDickson, F. P. (1969).The Bowl of Night: The Physical Universe and Scientific Thought (dalam bahasa American English). Cambridge, Massachusetts: M.I.T. Press.ISBN978-0-262-54003-2.
↑Olbers HWM (1826). "Unknown title".Bode's Jahrbuch.111.. Diterbitkan ulang sebagai Lampiran I dalamDickson, F. P. (1969).The Bowl of Night: The Physical Universe and Scientific Thought (dalam bahasa American English). Cambridge, Massachusetts: M.I.T. Press.ISBN978-0-262-54003-2.
↑"Cosmic Times".Imagine the Universe!. December 8, 2017. Diakses tanggalOctober 31, 2024.
↑Einstein, Albert (1917). "Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie".Preussische Akademie der Wissenschaften, Sitzungsberichte. 1917. (part 1):142–152.
Rindler, Wolfgang (1986).Essential relativity: special, general, and cosmological. Texts and monographs in physics. New York Heidelberg: Springer. hlm.193–244.ISBN978-0-387-10090-6.
.png)
.png)
.jpg)
