Kosmologi Modern atau Kosmologi Einstein berkaitan erat dengan kontribusinya dalam teori relativitas umum, yang mengubah cara kita memahami alam semesta secara keseluruhan. Pada dasarnya, teori ini memberi penjelasan tentang bagaimana gravitasi bekerja dalam skala besar, termasuk perilaku alam semesta itu sendiri. Berikut adalah beberapa aspek kunci dari kosmologi Einstein:
1. Persamaan Medan Einstein dan Konstanta Kosmologis
Dalam teori relativitas umum, persamaan medan Einstein menggambarkan bagaimana ruang-waktu dipengaruhi oleh materi dan energi di dalamnya. Persamaan ini dapat ditulis sebagai:Rμν−12gμνR+gμνΛ=8πGc4TμνR_{\mu\nu} – \frac{1}{2} g_{\mu\nu} R + g_{\mu\nu} \Lambda = \frac{8\pi G}{c^4} T_{\mu\nu}Rμν−21gμνR+gμνΛ=c48πGTμν
Di mana:
- RμνR_{\mu\nu}Rμν adalah tensor kelengkungan ruang-waktu,
- gμνg_{\mu\nu}gμν adalah metrik ruang-waktu,
- TμνT_{\mu\nu}Tμν adalah tensor energi-momentum (yang menggambarkan distribusi materi dan energi),
- GGG adalah konstanta gravitasi Newton,
- ccc adalah kecepatan cahaya,
- Λ\LambdaΛ adalah konstanta kosmologi.
Konstanta Kosmologi (Λ\LambdaΛ)
- Einstein menambahkan Λ\LambdaΛ ke dalam persamaan medan Einstein untuk memungkinkan model alam semesta yang statis dan tidak berkembang.
- Pada waktu itu, ia menganggap bahwa alam semesta tidak mungkin berkembang atau menyusut, sehingga Λ\LambdaΛ ditambahkan untuk memberikan efek repulsif yang menyeimbangkan gaya tarik gravitasi.
- Einstein kemudian menyebut penambahan ini sebagai “kesalahan terbesar” setelah menemukan bahwa alam semesta memang berkembang (seperti yang ditemukan oleh Edwin Hubble).
2. Model Alam Semesta Statis dan “Kesalahan Terbesar”
Pada tahun 1917, Einstein mengusulkan model alam semesta statis berdasarkan teori relativitas umum. Dalam model ini, alam semesta tidak berkembang atau menyusut. Untuk menjaga alam semesta tetap statis, Einstein menambahkan konstanta kosmologi (Λ\LambdaΛ) ke dalam persamaan medan, yang bertindak sebagai gaya repulsif yang mengimbangi efek gravitasi.
Namun, pada tahun 1929, Edwin Hubble mengamati bahwa galaksi-galaksi jauh saling menjauh, yang mengindikasikan bahwa alam semesta sedang mengembang. Ini bertentangan dengan pandangan Einstein tentang alam semesta statis. Sebagai akibatnya, Einstein mengabaikan konstanta kosmologi dan menyebutnya sebagai “kesalahan terbesar” dalam kariernya.
3. Perkembangan Kosmologi Setelah Einstein
Meskipun Einstein mengabaikan konstanta kosmologi setelah penemuan ekspansi alam semesta, kosmologi modern telah kembali memanfaatkan Λ\LambdaΛ. Konstanta ini sekarang dipahami sebagai energi gelap, yang berkontribusi terhadap percepatan ekspansi alam semesta.
- Model Alam Semesta yang Mengembang:
Berdasarkan pengamatan Hubble, dan dengan bantuan teori relativitas umum, kosmologi modern mengusulkan model alam semesta yang mengembang, di mana ruang-waktu itu sendiri berkembang, menyebabkan galaksi-galaksi semakin terpisah. - Energi Gelap:
Kosmologi modern menganggap Λ\LambdaΛ sebagai energi gelap, sebuah bentuk energi yang menyebabkan ekspansi alam semesta semakin cepat. Energi gelap saat ini diperkirakan menyusun sekitar 68% dari total energi alam semesta.
4. Solusi Friedman dan Model Alam Semesta yang Dinamis
Pada tahun 1922, Alexander Friedmann menggunakan teori relativitas umum untuk mengembangkan model alam semesta yang mengembang. Ia mengusulkan dua solusi untuk persamaan medan Einstein, yang menggambarkan alam semesta yang dapat mengembang atau menyusut.
- Model Alam Semesta Mengembang (Model Friedmann-Lemaître):
Dengan asumsi bahwa alam semesta tidak statis, solusi Friedmann menunjukkan bahwa alam semesta dapat mengembang (seperti yang ditemukan oleh Hubble) atau menyusut. Model ini akhirnya menjadi dasar bagi teori Big Bang. - Model Alam Semesta Datar atau Terbatas:
Berdasarkan pengamatan Hubble, model alam semesta mengembang dengan ekspansi yang terus-menerus.
5. Kosmologi Modern: Relativitas Umum dan Big Bang
Saat ini, teori relativitas umum digunakan untuk menggambarkan perilaku ruang-waktu dalam skala kosmologis, termasuk dalam teori Big Bang, yang menjelaskan asal-usul dan evolusi alam semesta.
- Big Bang:
Model Big Bang mengusulkan bahwa alam semesta bermula dari titik tunggal yang sangat padat dan panas sekitar 13,8 miliar tahun yang lalu dan sejak itu terus berkembang. - Pengamatan Radiasi Kosmik Latar Belakang (CMB):
CMB adalah sisa panas dari Big Bang yang masih dapat diamati hari ini. Pengukuran CMB telah mengonfirmasi banyak aspek dari teori Big Bang dan memberikan bukti kuat bagi teori relativitas umum dalam skala kosmologis.
6. Einstein dan Lubang Hitam
Teori relativitas umum juga mengarah pada pemahaman tentang lubang hitam, yang merupakan prediksi dari persamaan medan Einstein. Lubang hitam adalah daerah di ruang-waktu di mana gaya gravitasi sangat kuat sehingga bahkan cahaya pun tidak bisa lolos. Lubang hitam merupakan fenomena yang sangat penting dalam kosmologi modern.
- Solusi Schwarzschild:
Karl Schwarzschild menemukan solusi khusus untuk persamaan medan Einstein yang menggambarkan lubang hitam tidak berputar (lubang hitam sferis simetris).
7. Pengaruh Einstein dalam Kosmologi Modern
Meskipun Einstein mengabaikan konstanta kosmologi dalam pandangan awalnya, kontribusinya melalui teori relativitas umum tetap menjadi dasar dari banyak aspek kosmologi modern. Konsep-konsep seperti ekspansi alam semesta, energi gelap, dan bahkan lubang hitam semua berasal dari hasil teoritis yang disarikan dari relativitas umum.
- Konsep Gravitasi dalam Skala Kosmologis:
Relativitas umum mengubah cara kita memahami gravitasi dalam skala besar, bukan hanya sebagai gaya, tetapi sebagai kelengkungan ruang-waktu yang dipengaruhi oleh materi dan energi. - Model Alam Semesta Dinamis:
Model yang menganggap alam semesta mengembang ini tetap menjadi model dominan dalam kosmologi modern, meskipun sebelumnya Einstein menolak ide ini.
