Halo Sobat100, tim100 kembali menyapa kalian semua. Kali ini tim100 membahas apa ya?

Sobat100 tentunya tahu anime (kartun dari Jepang) berjudul Doraemon kan? Dikisahkan Doraemon adalah robot masa depan yang diciptakan oleh Nobita dewasa untuk membantu Nobita yang masih kanak – kanak. Untuk bisa bertemu dengan Nobita yang masih kanak – kanak Doraemon datang dari masa depan melakukan perjalanan waktu menggunakan mesin waktu. Tentu Sobat100 bertanya – tanya mungkinkah cerita fiksi dalam anime Doraemon ini bisa diwujudkan? Penasaran bukan? Well, coba kita pelajari ilmunya. Berikut ini beberapa catatan yang telah dikumpulkan tim100.

 

Perjalanan Waktu

Perjalanan waktu adalah sebuah konsep berjalan maju atau mundur ke titik berbeda dalam waktu, mirip seperti kita bergerak dalam ruang.

Manusia nyatanya selalu berjalan dalam waktu; dalam cara segaris, dari waktu sekarang ke masa depan per satuan waktu sampai kematiannya. Beberapa teori, yang paling terkenal adalah relativitas khusus dan umum, menyarankan bahwa geometri yang tepat dari ruang – waktu, atau beberapa jenis gerakan dalam ruang, dapat memungkinkan kita berjalan ke masa lampau dan masa depan bila geometri atau gerakan ini memungkinkan. Telah dipastikan bahwa efek relativitas dan gravitasional dilasi waktu dapat menyebabkan sebuah pejalan untuk mulai dan kembali di titik awal yang tetap diam, untuk tiba pada waktu yang lebih jauh ke masa depan yang bingkai referensi dari subyektif waktu terlalui mereka indikasikan.

Dalam fisika, konsep perjalanan waktu telah digunakan untuk memeriksa konsekuensi teori fisika seperti relativitas khusus, relativitas umum dan mekanika kuantum. Tidak ada bukti eksperimen dari perjalanan waktu, dan juga tidak dimengerti apakah teori fisika sekarang ini mengijinkan perjalanan waktu dalam segala bentuk. Namun, ada teori yang mengijinkan tentang kemungkinan melipat waktu untuk meloncat dari suatu titik ke titik lainnya.

 

Fisika Modern

Teori Albert Einstein (14 Maret 1879 – 18 April 1955) yang disebut relativitas khusus (dan, sebagai tambahan, teori relativitas umum) secara eksplisit memperbolehkan sejenis dilasi waktu yang secara biasa disebut perjalanan waktu. ^[1]

Dalam teori relativitas khusus dipostulatkan bahwa

1. Hukum – hukum  Fisika (baik mekanika dan non - mekanika) berbentuk sama pada semua kerangka acuan
2. Kecepatan cahaya di ruang hampa ke segala arah adalah sama untuk semua pengamat , tidak bergantung pada gerak cahaya maupun pengamat
   Pada postulat kedua ini Einstein menghubungkan kesetaraan energi dan massa dalam satu persamaan terkenal yaitu
                                                  E = m . c²
   Teori ini mengungkapkan bahwa bagi seorang pengamat yang diam secara relatif, waktu kelihatannya berjalan lebih lambat bagi sebuah obyek yang bergerak dengan lebih cepat.

Dalam teori relativitas umum dituliskan persamaan medan Einstein

\(G_{\mu \nu} + \Lambda g_{\mu \nu}= {8\pi G\over c^4} T_{\mu \nu}\)

Ruas kiri adalah tensor Einstein, yang merupakan kombinasi bebas divergensi spesifik dari tenso Ricci \(R_{\mu\nu}\)  dan metric. Yang mana \(G_{\mu\nu}\) adalah simetris. Secara particular

\(R=g^{\mu\nu}R_{\mu\nu}\,\)

Adalah kurvatur skalar. Tensor Ricci sendiri dihubungkan ke tensor kurvatur Riemann yang lebih umum

\(R_{\mu\nu}={R^\alpha}_{\mu\alpha\nu}.\,\)

Sementara pada ruas kanan dalam persamaan medan Einstein \(T_{\mu\nu}\)  adalah tensor momentum – energi. Pada mekanika Newton (gravitasi lemah dan kecepatan yang rendah) dapat dituliskan nilai konstanta = 8G/c⁴ yangmana G adalah konstanta gravitasi dan c adalah kecepatan cahaya. Jika tidak ada materi (vakum) tensor momentum – energi menjadi hilang, sehingga hasilnya adalah persamaan vakum Einstein

\(R_{\mu\nu}=0.\,\)

Pada teori relativitas umum ini kemudian menimbulkan masalah yang cukup kompleks. Karena solusi dari persamaan medan Einstein ternyata tak semudah dari yang dibayangkan.

Adalah Kurt Friedrich Gödel (28 April 1906 – 14 Januari 1978) ahli matematika Austria yang mengusulkan ruang – waktu Gödel sebagai solusi dari persamaan relativitas umum. Akan tetapi secara fisis solusi dari persamaan ini menjadi tidak pasti

Setiap teori yang memperbolehkan perjalanan waktu menuntut bahwa semua isu kausalitas harus terpecahkan. Apakah yang terjadi jika seseorang kembali ke masa lampau dan membunuh kakeknya?- lihat paradoks kakek. Dan juga, ketiadaan bukti eksperimental tentang adanya perjalanan waktu, maka secara teori lebih mudah diasumsikan bahwa hal ini tidak terjadi.

 

Berjalan dengan waktu

Stephen Hawking (fisikawan Inggris lahir 8 Januari 1942) pernah berkata bahwa ketiadaan wisawatan atau turis dari masa depan yang menjenguk kita merupakan sebuah argumentasi yang kuat dalam menentang adanya fenomena ini. ^[2] Argumentasinya ini merupakan sebuah variasi dari paradoks Fermi, yang menentang akan adanya mahluk luar angkasa. Namun di sisi lain, asumsi bahwa perjalanan waktu itu mustahil merupakan hal yang menarik pula bagi para fisikawan karena ini menimbulkan pertanyaan mengapa tidak dan hukum fisika apa yang tidak memperbolehkannya.

 

Melakukan perjalanan waktu menuju masa lalu

Secara teoritis ada tiga cara

1. Melalui perjalanan yang melebihi kecepatan cahaya (faster-than-light, FTL)
   jika ada yang mampu menggerakkan benda dari satu titik ke titik yang lain dan lebih cepat dari cahaya, maka menurut teori relativitas akan ada kerangka acuan inersia objek akan berjalan mundur terhadap waktu. Hal ini merupakan konsekuensi kesimultanan dalam relativitas khusus. Secara grafis fenomena ini digambarkan dalam kerucut cahaya (light cone)[3]
   
    
2. Geometri ruang – waktu khusus
   Teori relativitas umum memperluas teori relativitas khusus agar mampu mengikutsertakan unsur gravitasi. Hal ini bisa dilihat dalam suku kurvatur ruang – waktu oleh energi – massa dan aliran momentum. Relativitas umum menggambarkan alam semesa dalam sistem persamaan medan dan harus ada solusi eksak untuk persamaan ini yang mana disebut closed timelike curve (CTC). Solusi pertama yang diusulkan oleh ^[1] Dan masih menjadi pertanyaan besar apakah relativitas umum melarang CTC untuk semua kondisi realistis jawabannya juga masih belum diketahui.
    
3. Menggunakan lubang cacing (wormholes)
   
   Lubang cacing (wormholes) adalah hipotesis pelengkungan ruang – waktu yang juga diperbolehkan dalam persamaan medan Einsterin pada relativitas umum. ^[4] Mesin waktu yang diusulkan menggunakan lubang cacing (wormholes) secara hipotesis akan bekerja dengan cara sebagai berikut:
   salah satu ujung lubang cacing dipercepat hingga mencapai kecepatan cahaya, kemudian dibawa kembali ke titik asal. Cara lain adalah mengambil salah satu ujung lubang cacing dan menggerakkannya dalam medan gravitasi suatu objek yang memiliki medan gravitasi lubang yang lain. Pada kedua cara ini, dilatasi waktu menyebabkan ujung lubang cacing yang telah digerakkan memiliki usia lebih muda ketimbang lubang cacing yang diam. Bagaimanapun juga waktu menghubungkan secara terpisah melalui lubang cacing. Artinya pengamat yang masuk pada ujung yang terakselerasi akan keluar pada ujung yang diam sesaat hampir bersamaan. ^[1]
   
    

Pada 1993 Matt Visser (ahli matematika Amerika) berargumentasi bahwa kedua ujung lubang cacing yang menginduksi perbedaan waktu tidak dapat dibawa secara bersamaan tanpa melibatkan medan kuantum dan efek gravitasional. Sehingga kedua lubang cacing akan saling tolak menolak. ^[5] Karenanya kedua lubang cacing tidak dapat dibuat sedekat mungkin. Pada 1997 Visser melakukan hipotesis bahwa sebuah konfigurasi cincin Roman yang kompleks dari N buah lubang cacing yang simetris dapat bertindak sebagai mesin waktu.

 

Pendekatan  lain

Pada tahun 1936 Willem Jacob van Stockum (20 November 1910 – 10 June 1944) menemukan solusi relativitas umum yang melibatkan silinder padat yang berputar disebut silinder Tipler. ^[6] Jika panjang silinder tak berhingga dan berputar sangat cepat sepanjang sumbunya, maka pesawat di sekitar silinder akan bergerak mundur dalam waktu (atau maju tergantung arah perputaran silinder). Akan tetapi, kerapatan dan kecepatan yang dibutuhkan sangatlah besar yang mana tidak mungkin terbuat dari materi yang kita kenal saat ini. Alat ini mungkin bisa terbuat dari benang kosmik, tapi tak diketahui keberadaanya sampai sekarang dan sepertinya tidak mungkin menciptakan benang kosmik yang baru.
 

Fisikawan Amerika Robert Lull Forward (15 Agustus 1932 – 21 September 2002) mencatat bahwa inti atom berat dalam medan magnet yang kuat akan terelongasi menjadi sebuah silinder yang mana kerapatan dan kecepatan spin nya cukup besar untuk membentuk mesin waktu. Sinar gamma yang terproyeksi akan memungkinkan informasi (bukan materi/benda) dikirim kembali ke masa lampau. Akan tetapi, Forward mengatakan bahwa hal ini bisa tercapai jika ada teori tunggal yang menggabungkan relativitas dan mekanika kuantum.

Keberatan yang lebih mendasar untuk skema perjalanan waktu berdasar pada silinder berputar atau benang kosmik telah dikemukakan oleh Stephen Hawking. Hawking membuktikan sebuah teorema yang menurut relativitas umum adalah tidak mungkin membangun mesin waktu dalam tipe khusus (sebuah "mesin waktu dengan kompak menghasilkan cakrawala Cauchy") di suatu daerah di mana kondisi energi yang lemah terpenuhi. Artinya bahwa wilayah tersebut tidak mengandung materi dengan kepadatan energi negatif (materi eksotis).

Solusi seperti Tipler, berasumsi silinder panjang tak terbatas, yang lebih mudah untuk menganalisis secara matematis. Meskipun Tipler menyarankan bahwa sebuah silinder yang terbatas bisa menghasilkan CTC  jika tingkat rotasi cukup cepat, tapi ia tidak membuktikan ini. ^[7] Hawking menunjukkan bahwa karena teorema nya, "itu tidak dapat dilakukan dengan kepadatan energi positif di mana – mana saya dapat membuktikan bahwa untuk membangun sebuah mesin waktu yang terbatas, Anda perlu energi negatif!." ^[8]

Hasil ini berasal dari makalah Hawking pada tahun 1992  pada dugaan perlindungan kronologi, di mana ia meneliti "kasus bahwa pelanggaran kausalitas muncul di daerah yang terbatas ruang-waktu tanpa singularitas kelengkungan" dan membuktikan bahwa "di sini akan menjadi cakrawala Cauchy yang dihasilkan dengan kompak dan pada umumnya mengandung satu atau lebih geodesik nol tertutup yang akan menjadi tidak lengkap. Seseorang dapat menentukan jumlah geometris yang mengukur peningkatan Lorentz dan peningkatan daerah berputar pada geodesis nol tertutup ini.

Jika pelanggaran kausalitas dikembangkan dari permukaan awal non-kompak, kondisi energi lemah rata – rata harus dilanggar pada cakrawala Cauchy. " ^[9] Namun, teorema ini tidak menutup kemungkinan perjalanan waktu 1) dengan cara mesin waktu non-kompak yang dihasilkan cakrawala Cauchy (seperti mesin waktu Deutsch-Politzer) dan 2) di daerah yang mengandung materi eksotis (yang akan diperlukan untuk lubang cacing atau Alcubierre drive). Karena teorema ini didasarkan pada relativitas umum, juga teori masa depan gravitasi kuantum yang menggantikan relativitas umum akan memungkinkan perjalanan waktu bahkan tanpa materi eksotis (meskipun mungkin juga teori semacam itu akan menempatkan lebih pembatasan perjalanan waktu, atau aturan itu benar – benar didalilkan oleh spekulasi perlindungan kronologi Hawking)

 

Eksperimen

Beberapa eksperimen dilakukan memberi kesan kausalitas terbalik tetapi tunduk pada interpretasi. Misalnya, dalam eksperimen delayed choice quantum eraser (DCQE) yang dilakukan oleh Marlan Orvil Scully. Fisikawan Amerika yang lahir 3 Agustus 1939 ini membagi pasangan tautan foton menjadi "sinyal foton" dan "foton diam", dengan foton sinyal yang muncul dari salah satu dari dua lokasi. Posisi mereka kemudian diukur seperti dalam percobaan celah ganda ( pelajari interferensi Young), dan tergantung pada bagaimana foton diam diukur.

Eksperimen dapat mengetahui mana dari dua lokasi foton sinyal muncul dari atau "menghapus" informasi tersebut. Meskipun foton sinyal dapat diukur sebelum pilihan telah dibuat tentang foton diam. Pilihan tampaknya menentukan ada atau tidak sebuah pola interferensi diamati ketika salah satu pengukuran foton diam untuk foton sinyal yang sesuai berkorelasi. Namun, karena gangguan hanya dapat diamati setelah foton diam diukur dan mereka berkorelasi dengan foton sinyal, tidak ada cara untuk peneliti untuk mengatakan apa pilihan akan dibuat di muka hanya dengan melihat foton sinyal. Di bawah interpretasi mekanika kuantum hasil dapat dijelaskan dengan cara yang tidak melanggar kausalitas.

Percobaan Lijun Wang juga mungkin menunjukkan pelanggaran kausalitas karena memungkinkan untuk mengirimkan paket gelombang melalui bola gas cesium sedemikian rupa paket muncul untuk keluar bohlam 62 ns sebelum masuknya. ^[10] Tapi paket gelombang mrupakan bukan satu objek yang didefinisikan melainkan sejumlah beberapa gelombang frekuensi yang berbeda (lihat analisis Fourier), dan paket dapat muncul untuk bergerak lebih cepat dari cahaya atau bahkan mundur dalam waktu bahkan jika tidak ada gelombang murni juga berlaku demikian. Efek ini tidak dapat digunakan untuk mengirim materi apapun, energi, atau informasi lebih cepat dari cahaya, sehingga percobaan ini dipahami tidak melanggar kausalitas. ^[11]
 

Günter Nimtz (fisikawan Jerman, lahir 22 September 1936) dan Alfons Stahlhofen (lahir 1954), dari University of Koblenz, mengklaim telah melanggar teori relativitas Einstein dengan mengirimkan foton lebih cepat dari kecepatan cahaya. Mereka mengatakan mereka telah melakukan percobaan di mana foton microwave perjalanan "seketika" antara sepasang prisma yang telah pindah ke 3 ft (0.91 m) terpisah, menggunakan sebuah fenomena yang dikenal sebagai terowongan kuantum. Nimtz mengatakan kepada majalah New Scientist: "Untuk sementara waktu, ini adalah satu – satunya pelanggaran relativitas khusus yang saya tahu." Namun, fisikawan lain mengatakan bahwa fenomena ini tidak memungkinkan informasi yang akan dikirim lebih cepat dari cahaya.

 

Aephraim Steinberg, seorang ahli optik kuantum di University of Toronto, Kanada, menggunakan analogi kereta perjalanan dari Chicago ke New York, tapi melepas gerbong kereta di setiap stasiun di sepanjang jalan, sehingga pusat kereta bergerak maju di setiap perhentian; dengan cara ini, kecepatan pusat kereta melebihi kecepatan salah satu gerbong. ^[12]

Beberapa fisikawan telah melakukan eksperimen yang berusaha untuk menunjukkan pelanggaran kausalitas, tapi sejauh ini tidak berhasil. Eksperimen "Space-time twisting by Light" (STL) dijalankan oleh fisikawan Ronald Mallett mencoba untuk mengamati pelanggaran kausalitas ketika neutron dilewatkan melalui lingkaran terdiri dari laser yang jalannya telah dipelintir dengan  melewatkannya melalui kristal fotonik . Mallett memiliki beberapa argumen fisik yang menunjukkan bahwa CTC akan menjadi mungkin melalui pusat laser yang telah dipelintir menjadi lingkaran. Namun, fisikawan lain membantah argumen.
 

Shengwang Du mengklaim telah mengamati prekursor foton tunggal. ^[13] Tim Shengwang mengatakan bahwa mereka melakukan perjalanan tidak lebih cepat dari c dalam ruang hampa. Eksperimennya menggunakan cahaya lambat serta melewati cahaya melalui ruang hampa. Dia menghasilkan dua foton tunggal, melewati satu melalui atom rubidium yang telah didinginkan dengan laser (sehingga memperlambat cahaya) dan melewati satu melalui ruang hampa. Kedua kali, tampaknya, prekursor didahului badan utama foton ', dan prekursor bepergian pada c dalam ruang hampa. Menurut Du, ini berarti bahwa tidak ada kemungkinan cahaya bepergian lebih cepat dari c (karena melanggar kausalitas).  Beberapa anggota media mengambil ini sebagai indikasi bukti waktu itu perjalanan ke masa lalu menggunakan kecepatan superluminal tidak mungkin.

Eksperimen-non-fisika

Beberapa percobaan telah dilakukan untuk mencoba menarik perhatian manusia di masa depan, yang mungkin menemukan teknologi perjalanan waktu, untuk kembali dan menunjukkan kepada orang-orang saat ini. Kembali pada tahun 1982, sebuah kelompok di Baltimore, Maryland., Mengidentifikasi dirinya sebagai Krononauts, host acara ini menyambut pengunjung dari masa depan. ^[14] Percobaan ini hanya kemungkinan hasil yang positif menunjukkan keberadaan perjalanan waktu, tetapi telah gagal. Hal ini kemungkinan  hipotetis bahwa manusia masa depan telah menempuh perjalanan kembali dalam waktu, tetapi telah melakukan perjalanan kembali ke waktu pertemuan dan tempat di alam semesta paralel. ^[15]

Faktor lain adalah bahwa untuk semua perangkat perjalanan waktu dianggap di bawah fisika saat ini (seperti yang beroperasi dengan menggunakan lubang cacing), adalah mustahil untuk melakukan perjalanan kembali ke sebelum mesin waktu benar – benar dibuat.

Makin seru bukan? Well Sobat100 sampai di sini dulu ya, nantikan bagian kedua tentang perjalanan waktu ini minggu depan. Penasaran dengan kelanjutannya, stay tune di seratusinstitute.com
Selamat Berkarya
Salam100

 

Referensi :

[1] Thorne, Kip S. (1994). Black Holes and Time Warps. W. W. Norton.

[2] Hawking, Stephen. Space and Time Warps.  http://www.hawking.org.uk/space-and-time-warps.html

[3] Jarrell, Mark. 2001. The Special Theory of Relativity. halaman. 9–11

[4] Visser, Matt (1996). Lorentzian Wormholes. Springer-Verlag. halaman. 100.

[5] Visser, Matt (1993). "From wormhole to time machine: Comments on Hawking's Chronology Protection Conjecture". Physical Review D 47 (2): halaman 554–565

[6] van Stockum, Willem Jacob (1936). "The Gravitational Field of a Distribution of Particles Rotating about an Axis of Symmetry". Proceedings of the Royal Society of Edinburgh.

[7] Earman, John (1995). Bangs, Crunches, Whimpers, and Shrieks: Singularities and Acausalities in Relativistic Spacetimes. Oxford University Press. halaman 169.

[8] Hawking, Stephen; Thorne, Kip; Novikov, Igor; Ferris, Timothy; Lightman, Alan (2002). The Future of Spacetime. W. W. Norton.

[9] Hawking, Stephen (1992). "Chronology protection conjecture". Physical Review D 46 (2): 603–611.

[10] Wang, L. J., A. Kuzmich dan A. Dogariu. 2000. Gain – assisted superluminal light propagation. Nature Vol 406 halaman 277 – 279 (20 Juli 2000)

[11] Wright, Laura (6 November 2003). "Score Another Win for Albert Einstein". Discover. http://discovermagazine.com/2003/nov/score-another-win-for-einstein1106

[12] Anderson, Mark (August 18–24, 2007). "Light seems to defy its own speed limit". New Scientist 195 (2617). halaman. 10.

[13] Zhang, Shanchao; Chen, J.F.; Liu, Chang; Loy, M.M.T.; Wong, G.K.L.; Du, Shengwang (2011). "Optical Precursor of a Single Photon". Phys. Rev. Lett. (American Physical Society) 106 (24)

[14] Franklin, Ben A. (11 Maret 11, 1982), The night the planets were aligned with Baltimore lunacy, The New York Times.

[15] Jaume Garriga; Alexander Vilenkin (2001). Many worlds in one. Phys. Rev. D 64 (4)