Dalam kosmologi, konstanta kosmologis adalah kerapatan energi dari ruang, atau energi vakum, yang muncul dalam persamaan medan Albert Einstein dalam teori relativitas umum. Konstanta ini sering diasosiasikan dengan konsep energi gelap dan kuintesensi.
Einstein awalnya mengemukakan konsep ini pada tahun 1917[2] untuk mengimbangi pengaruh gravitasi dan menghasilkan alam semesta statis, gagasan yang dipandang benar pada saat itu. Einstein meninggalkan konsep tersebut pada tahun 1931 setelah Hubble menemukan bahwa alam semesta meluas.[3] Dari 1930-an sampai akhir 1990-an, kebanyakan fisikawan berasumsi bahwa konstanta kosmologis bernilai sama dengan nol.[4] Pandangan tersebut berubah ketika ditemukan pada tahun 1998 bahwa perluasan alam semesta rupanya dipercepat, mengimplikasikan kemungkinan bahwa konstanta kosmologis bernilai positif bukan nol.[5]
Sejak 1990-an, penelitian telah menunjukkan bahwa sekitar 68% dari kerapatan massa–energi di alam semesta bisa diatribusikan kepada sesuatu yang disebut energi gelap.[6] Konstanta kosmologis Λ merupakan penjelasan paling sederhana yang mungkin untuk energi gelap, dan digunakan dalam model kosmologi standar terkini yang dikenal sebagai model ΛCDM.
Menurut teori medan kuantum yang mendasari fisika partikel modern, ruang hampa didefinisikan oleh keadaan vakum yang merupakan sekumpulan medan kuantum. Semua medan kuantum mengalami fluktuasi dalam keadaan dasar (kerapatan energi terendah) mereka yang dihasilkan oleh energi titik nol yang ada di semua tempat dalam ruang. Fluktuasi titik nol tersebut seharusnya berkontribusi kepada konstanta kosmologis Λ, tetapi ketika dilakukan perhitungan fluktuasi tersebut menghasilkan energi vakum yang sangat besar.[7] Perbedaan antara energi vakum dalam teori medan kuantum dengan energi vakum yang diamati dari kosmologi merupakan sumber perdebatan serius, dengan nilai-nilai yang diprediksi melebihi nilai-nilai yang diamati sejauh 120tingkat besaran, perbedaan yang telah disebut "prediksi teoretis terburuk dalam sejarah fisika!".[8] Masalah ini disebut masalah konstanta kosmologis dan merupakan salah satu misteri terbesar dalam ilmu pengetahuan, dengan banyak fisikawan menyebutkan bahwa "vakum memegang kunci kepada pemahaman yang lengkap mengenai alam".[9]
Sejarah
Einstein memasukkan konstanta kosmologis sebagai sebuah suku dalam persamaan medannya untuk relativitas umum karena dia tidak puas dengan persamaannya yang tanpa konstanta tersebut, tampaknya, tidak memungkinkan alam semesta statis: gravitasi akan membuat alam semesta yang awalnya dalam kesetimbangan dinamis menjadi berkontraksi. Untuk mengimbangi kemungkinan ini, Einstein menambahkan konstanta kosmologis.[3] Namun, tidak lama setelah Einstein mengembangkan teori statisnya, pengamatan oleh Edwin Hubble mengindikasikan bahwa alam semesta tampaknya meluas; ini konsisten dengan sebuah penyelesaian kosmologis untuk persamaan relativitas umum yang awal yang telah ditemukan oleh matematikawan Friedmann, yang sedang meneliti persamaan relativitas umum Einstein. Einstein dilaporkan menyebut kegagalannya menerima keabsahan persamaannya—ketika persamaannya sebelumnya memperkirakan bahwa alam semesta meluas, sebelum didemonstrasikan dalam pengamatan pergeseran merah kosmologis—sebagai "blunder terbesar"-nya.[10]
Sebenarnya, menambahkan konstanta kosmologis ke persamaan Einstein tidak menghasilkan alam semesta statis pada keadaan setimbang karena kesetimbangannya tidak stabil: jika alam semesta meluas sedikit, maka perluasannya melepaskan energi vakum, yang menyebabkan perluasan terjadi lagi. Begitu pula, alam semesta yang sedikit berkontraksi akan terus berkontraksi.[11]
Akan tetapi, konstanta kosmologis terus menjadi subjek penelitian teoretis maupun empiris. Dari sisi empirisnya, banyak data kosmologisnya dari dekade-dekade terakhir yang mendukung pandangan bahwa konstanta kosmologis positif.[5] Penjelasan dari nilai yang kecil tetapi positif ini merupakan tantangan teoretis yang belum dipecahkan, disebut masalah konstanta kosmologis.
Beberapa generalisasi awal dari teori gravitasi Einstein, dikenal sebagai teori medan terpadu klasik, mengemukakan sebuat konstanta kosmologis atas dasar teoretis atau menemukan bahwa konstanta tersebut muncul secara wajar dari matematikanya. Contohnya, Sir Arthur Stanley Eddington mengatakan bahwa versi konstanta kosmologis dari persamaan medan vakum mengekspresikan sifat "epistemologis" yaitu alam semesta "menolok diri sendiri", dan teori afin-murni Erwin Schrödinger yang menggunakan sebuah prinsip variasonal sederhana menghasilkan persamaan medan dengan sebuah suku kosmologis.
↑Antara energi gelap bisa dijelaskan dengan konstanta kosmologis statis, atau energi misterius ini tidaklah konstan dan terus berubah, sebagaimana dengan kuintesensi, lihatlah sebagai contoh:
"Fisika mengundang gagasan bahwa ruang mengandung energi yang efek gravitasinya mendekati konstanta kosmologis Einstein, Λ; sekarang konsep ini disebut energi gelap atau kuintesensi." Peebles & Ratra (2003), hlm.1
"Tampaknya fluida kosmologis didominasi oleh suatu bentuk kerapatan energi fantastis, yang memiliki tekanan negatif, dan baru mulai memainkan peran penting saat ini. Tidak ada teori yang meyakinkan yang telah dibuat untuk menjelaskan keadaan ini, walaupun model kosmologis yang berdasarkan pada komponen energi gelap, seperti konstanta kosmologis (Λ) atau kuintesensi (Q), adalah kandidat terdepan." Caldwell (2002), hlm.2
↑Mengenai konstanta kosmologis diduga punya nilai nol lihatlah sebagai contoh:
"Karena batas atas kosmologis jauh lebih kecil daripada nilai manapun yang diperkirakan teori partikel, kebanyakan teoretikus partikel mengasumsikan bahwa untuk alasan yang tidak diketahui kuantitas ini bernilai nol." Weinberg (1989), hlm.3
"Penemuan astronomi yang penting adalah menetapkan melalui pengamatan yang meyakinkan bahwa Λ tidak bernilai nol." Carroll, Press & Turner (1992), hlm.500
"Sebelum 1998, tidak ada bukti astronomi langsung untuk Λ dan batas atas yang diamati begitu kuat (Λ<10−120satuan Planck) sampai banyak teoretikus partikel yang menduga bahwa suatu prinsip fundamental pasti membuat nilainya persis nol." Barrow & Shaw (2011), hlm.1
"Satu-satunya nilai alami lainnya adalah Λ=0. Jika Λ benar-benar kecil tapi bukan zero, maka itu menambahkan petunjuk fisika yang merangsang tapi misterius untuk ditemukani." Peebles & Ratra (2003), hlm.333
"Ini memberikan jawaban sekitar 120tingkat besaran lebih tinggi dari batas atas Λ yang ditentukan oleh pengamatan kosmologis. Ini mungkin merupakan prediksi teoretis terburuk dalam sejarah fisika!" Hobson, Efstathiou & Lasenby (2006), hlm.187
"Ini, sebagaimana kita akan lihat nanti, kira-kira 120tingkat besaran lebih besar daripad apa yang dimungkinkan oleh pengamatan." Carroll, Press & Turner (1992), hlm.503
"Ekspektasi teoretis untuk konstanta kosmologis melebihi batas hasil pengamatan sebesar 120tingkat besaran." Weinberg (1989), hlm.1
"vakum memegang kunci pemahaman yang lengkap mengenai alam" Davies (1985), hlm.104
"Masalah teoretis menjelaskan konstanta kosmologis adalah salah satu tantangan terbesar dalam fisika teori. Sangat mungkin apabila kita memerlukan sebuah teori gravitasi kuantum yang sepenuhnya dikembangkan (mungkin teori dawai super) sebelum kita bisa memahami Λ." Hobson, Efstathiou & Lasenby (2006), hlm.188
↑Terdapat perdebatan mengenai apakah Einstein menyebut konstanta kosmologis sebagai “blunder terbesarnya”, dengan semua rujukan bisa dilacak kembali kepada satu orang: George Gamow. (Lihat Gamow(1956, 1970).) Contohnya:
"Astrofisikawan dan pengarang Mario Livio tidak bisa menemukan dokumentasi yang meletakkan kata-kata tersebut ke dalam mulut Einstein (ataupun penanya). Melainkan, semua rujukan pada akhirnya mengarah kembali ke satu orang—fisikawan George Gamow—yang melaporkan penggunaan frasa ini oleh Einstein dalam dua sumber: Autobiografinya yang diterbitkan secara anumerta My World Line (1970) dan sebuah artikel Scientific American dari September1956." Rosen (2013)
"Kami juga merasa masuk akal apabila Einstein membuat pernyataan itu kepada Gamow secara khusus. Kami menyimpulkan bahwa terdapat sedikit keraguan bahwa Einstein kemudian memandang pemasukan konstanta kosmologis sebagai kesalahan yang serius, dan sangat masuk akal apabila dia menyebut suku tersebut sebagai “blunder terbesar”-nya pada paling tidak satu kesempatan". O'Raifeartaigh & Mitton (2018), hlm.1
