Mengenal Hawking Radiation, Temuan Terbesar Stephen Hawking

Sebelum membahas Hawking Radiation, ada baiknya kita membahas dulu soal lubang hitam yang menjadi asal radiasi tersebut. Seperti yang dibahas dalam situs NASA.gov, lubang hitam atau black holemerupakan sebuah wilayah di alam semesta yang dengan tarikan gravitasi yang sangat kuat. Fenomena ini terjadi akibat keberadaan materi super padat dengan massa sangat besar yang muncul akibat kematian suatu bintang raksasa. Saking padatnya, satu butir atom pun bisa memiliki massa sebesar gunung!

Meskipun ada banyak gambar lubang hitam yang beredar di internet, wilayah ini sejatinya tidak bisa kita lihat secara langsung. Hal ini diakibatkan oleh gravitasi lubang hitam memerangkap setiap informasi yang masuk ke dalam lubang hitam, termasuk cahaya, gelombang radio, dan lain-lain. Satu-satunya cara kita untuk mengetahui keberadaan lubang hitam adalah dengan mengamati sifat-sifat materi (misal, gas dari bintang) yang ikut terpengaruh oleh gaya gravitasinya.

Karena tidak ada satu pun materi yang bisa keluar dari lubang hitam, kalangan ilmuwan (termasuk Hawking sendiri) menganggap bahwa lubang hitam merupakan fenomena yang kekal. Dalam postulat second law of black hole dynamics, Hawking berpendapat bahwa lubang hitam tidak akan bisa berkurang, menyusut, ataupun hilang. Sebaliknya, massa dari lubang hitam justru akan semakin bertambah seiring dengan banyaknya materi yang terperangkap di dalamnya. Ironisnya, postulat ini justru dibantahkan oleh Stephen Hawking sendiri!

Dalam buku Stephen Hawking: A Life Science karya Michael White dan John Gribbin, pandangan Hawking berubah ketika ia mengunjungi Moskow dan berdiskusi dengan fisikawan Yakov Borisovich Zel'dovich dan Alexei Starobinsky. Kedua fisikawan asal Rusia ini berpendapat bahwa berdasarkan prinsip ketidakjelasan Heisenberg, sebuah lubang hitam yang berputar seharusnya mengeluarkan partikel. Hawking pun menyelidiki hal ini secara matematis dan menemukan hasil yang menyebalkan: postulat second law of black hole dynamics ternyata benar-benar salah.

Setelah mendalami hal tersebut, Hawking mempresentasikan hasil penelitiannya pada tahun 1974. Pada saat itu, Hawking memprediksikan keberadaan radiasi yang dipancarkan oleh lubang hitam—suatu kejadian yang sebelumnya dianggap tidak mungkin terjadi sebelumnya, mengingat tidak ada satupun informasi yang bisa keluar dari lubang hitam. Radiasi inilah yang kemudian disebut sebagai Radiasi Hawking (Hawking Radiation) dan dianggap sebagai salah satu terobosan terbesar di dunia fisika modern.

Atas penemuannya ini, Hawking pun dianugerahi keanggotaan di Fellow of the Royal Society, sekaligus menjadi ilmuwan termuda yang mendapatkan penghargaan tersebut.

Dalam mekanika kuantum, ruang hampa sebenarnya tidak benar-benar kosong, namun diisi oleh berbagai pasangan partikel virtual yang muncul dan luruh dengan sangat cepat. Setiap pasangan terdiri dari satu partikel negatif dan partikel positif yang saling bertautan (entangled). Biasanya, kedua partikel ini akan langsung bersentuhan satu sama lain dan luruh dalam waktu yang sangat cepat, hanya beberapa mikrodetik saja. Namun, hal yang berbeda akan terjadi jika pasangan partikel tersebut muncul di lubang hitam.

Berdasarkan penjelasan dari situs theverge.com, pasangan partikel yang muncul di event horizon (batas dari lubang hitam) akan terpisah akibat gravitasi super kuat dari lubang hitam. Partikel berenergi negatif akan tertarik ke dalam lubang hitam, sementara partikel berenergi positif akan terlempar keluar. Pada proses ini, partikel positif akan terpanaskan dan menjadi Radiasi Hawking, sementara partikel negatif akan menjadi bagian dari lubang hitam itu sendiri.

Nah, karena partikel yang terhisap memiliki energi negatif, partikel ini justru akan membuat massa lubang hitam menjadi sedikit lebih kecil. Proses ini akan terjadi berulang-ulang selama milyaran tahun lamanya, hingga akhirnya materi di dalam lubang hitam pun menyusut drastis. Setelah beberapa lama, lubang hitam ini pun akan meledak dan akhirnya 'mati' alias menghilang dari alam semesta.

Meskipun terlihat sepele, prediksi Hawking ini sebenarnya menjawab lebih dari sekadar tambahan pengetahuan tentang lubang hitam. Raphael Bousso, seorang fisikawan dari UC Berkely dan mantan siswa Hawking mengatakan bahwa Hawking Radiation menyatukan 2 konsep utama fisika yang selama ini dianggap saling bertolak belakang: mekanika kuantum dan teori relativitas.

Mekanika kuantum berfokus pada fenomena-fenomena kecil di alam semesta, khususnya tentang bagaimana partikel-partikel kecil seperti elektron dan proton bergerak dan terhubung satu sama lain. Sementara itu, teori relativitas umum menjelaskan tentang bagaimana gravitasi bekerja pada objek-objek besar di dunia, seperti planet, bintang dan galaksi. Kedua teori ini sama-sama kuat dan didukung oleh ribuan data dan observasi, namun penerapannya justru saling bertolak satu sama lain.

"Kami (ilmuwan kosmologis) ingin dapat menjelaskan lebih banyak fenomena dengan bahan fundamental yang lebih sederhana," ujar Bousso saat diwawancarai oleh theverge.com. 

Untuk memahami Hawking Radiation, ia melihat secara matematis tentang apa yang terjadi di sekitar objek raksasa bergravitasi tinggi dalam skala yang sangat kecil. Lebih spesifik lagi, ia menganalisa apa yang terjadi pada partikel yang berinteraksi di event horizon.

Penemuannya ini menjawab teka-teki mengenai perilaku black hole yang dianggap melawan hukum termodinamika semesta, sekaligus membuka jembatan untuk menyatukan kedua pilar tersebut menjadi satu konsep tunggal: the grand theory of universe, atau yang sering disebut juga sebagai the theory of everything.

Selama 44 tahun setelah Hawking mempresentasikan temuannya, dunia fisika modern sudah jauh berkembang melebihi ekspetasi ilmuwan di masa lampau. Radiasi hawking masih belum bisa dideteksi oleh manusia, namun tanda-tanda keberadaannya sudah mulai dikemukakan oleh berbagai laboratorium fisika di seluruh dunia. Selain itu, teori fisika terpadu—disebut juga sebai "theory of everything"—pun masih belum bisa dirumuskan secara pasti, mengingat masih ada banyak teka-teki di alam semesta yang belum terjawab oleh ilmu pengetahuan manusia.

Meskipun, perhitungan Hawking tentang radiasi dari lubang hitam tetap menjadi tonggak penting bagi sejarah ilmu pengetahuan manusia. Beliau membuka gerbang menuju cara baru para ilmuwan dalam memahami alam semesta, serta membawa kita lebih dekat pada sebuah teori umum untuk merumuskan berbagai fenomena yang terjadi di dunia. Rasa cintanya pada sains pun membuatnya terus berkarya untuk membuka tabir baru di dunia ilmu pengetahuan, sambil berjuang mengatasi penyakit ALS yang membunuhnya perlahan.

Selamat jalan Profesor, terimakasih atas dedikasi Anda terhadap dunia ilmu pengetahuan.