Semesta Archimedes

Pada kisah yang terkenal tentang Archimedes, ahli matematika Yunani kuno ini mencoba untuk menghitung jumlah hipotesis butiran pasir yang dibutuhkan untuk memenuhi seluruh alam semesta ini. Archimedes ingin mengetahui seberapa besar alam semesta kita, dan juga berapa banyak partikel yang bisa memenuhi luasnya. Usaha besar Archimedes untuk menjawab pertanyaan ini menjadi pelopor atas dua kontribusi penting, yakni pertama: sistem numerik untuk menunjukkan jumlah yang sangat besar (yang menuntun kita pada konsep eksponen yang kita kenal saat ini) dan yang kedua, sebuah perkiraan atas seberapa besar jagad raya ini dan berapa banyak partikel yang mungkin dikandungnya. Jawaban yang Archimedes dapatkan adalah bahwa terdapat 1063 butir pasir yang dibutuhkan untuk memenuhi alam semesta yang kita kenali ini, yang merupakan sebuah angka 1 diikuti oleh 63 angka nol.(1)

Jumlah 1063 ini sama besarnya dengan dunia secara fisik sebagaimana ia tampak memenuhi bentuk tertulisnya. Namun sayangnya, Archimedes belum sempat menggunakan teleskop modern seperti yang ada saat ini, yang sebenarnya dapat membantunya memverifikasi jawabannya tersebut. Terlebih lagi, ia tidak dapat menjawab pertanyaan yang lebih mendalam mengenai ide eksperimen saat memandang ke langit malam nan luas yang dipenuhi bintang-bintang, pernahkah Kita bertanya-tanya tentang jumlah bintang di atas sana? Lebih mendasar lagi, berapa banyak benda-benda, misalnya partikel-partikel, yang ada di atas sana? Bagi mereka yang penasaran tentang di manakah sebenarnya posisi manusia di alam semesta ini, maka pertanyaan-pertanyaan serupa ini sebelumnya telah dipertanyakan oleh para pemikir di masa lalu maupun oleh para ilmuwan di masa sekarang, dan bahkan telah dijawab pula, setidaknya sejauh kemampuan dari peralatan masa kini yang memungkinkan kita untuk menjawabnya. nya, baik secara hukum alamnya maupun secara lebih saintis dari hal ini, yaitu: berapa banyak partikel yang memenuhi alam semesta ini? Pada kenyataannya, jumlah sebenarnya dari partikel yang menyusun alam semesta yang diyakini oleh para astronom modern dan astrofisikawan saat ini adalah kuadriliun kali lebih besar dari pada nilai bilangan yang Archimedes dapatkan.

Tapi bagaimana ilmuwan menemukan angka tersebut? Artinya, bagaimana kita menghitung partikel di alam semesta ini? Versi dasar dengan perhitungan sederhana dari versi yang sebenarnya akan kita sajikan sebagai berikut: Pertama-tama, sebelum mencoba untuk menjawab berapa banyak partikel yang ada di alam semesta ini, kita harus mengetahui definisi dari ‘partikel’ dan ‘alam semesta’ itu sendiri terlebih dahulu. Ada beberapa cara untuk menggolongkan sifat-sifat partikel, namun definisi yang populer adalah atom, nuklei, atau elektron. Agar diskusi ini lebih sederhana, kita akan menggunakan istilah atom karena lebih mudah dipahami. Oleh karena itu tugas kita adalah menghitung jumlah atom yang ada di alam semesta ini.

Adapun istilah alam semesta, yang dimaksudkan di sini adalah alam semesta yang dapat diamati seperti yang dijelaskan dalam model kosmologi standar yang digunakan para ahli astronomi SEMESTA ARCHIMEDES ASTROFISIKA. Adeel M. Khan Mata Air April – Juni 2018 23 dan astrofisikawan masa kini. Berdasarkan perhitungan pada “kecepatan mengambang” (drift velocities) galaksi yang diamati (seberapa cepat galaksi berpindah antara satu dengan yang lainnya), model standar ini menyatakan bahwa alam semesta memiliki radius 4,6 x 1010 tahun cahaya (yaitu, 46 miliar tahun cahaya atau 3 × 1023 mil), berusia 13,7 miliar tahun, dan sejumlah galaksi, bintang, dan entitas langit yang dapat terhitung banyaknya.

Ada berapakah jumlah bintang?

Sama seperti sel yang merupakan satuan dasar sebuah organisme, maka unit dasar alam semesta adalah bintang-bintangnya. Jadi untuk menghitung jumlah atom di alam semesta, pertama kita harus menghitung jumlah bintang. Kita mulai perhitungan ini dengan entitas terpisah terbesar di alam semesta, yaitu galaksi yang pada dasarnya adalah kumpulan bintang dalam jumlah besar yang membentuk satu sistem. Terdapat berbagai bentuk dan ukuran Galaksi. Bima Sakti adalah galaksi berbentuk spiral yang bagian tengahnya tebal dan semakin pipih ke arah tepinya, memiliki diameter 110.000 tahun cahaya. Sebaliknya, Galaksi Sagitarius Dwarf Elliptical hanya berdiameter sekitar 10.000 tahun cahaya dan memiliki bentuk yang lebih bulat pepat (ellipsoid shape). Tetapi bagaimanapun sifat mereka, sebenarnya ada berapa banyak galaksi di alam semesta ini?

Dengan menganalisis gambar yang dipartisi dari teleskop Hubble Ultra Deep Field, para astronom dapat mengambil foto-foto detail ruang angkasa serta memetakan pandangan kolektif kita tentang ruang angkasa dari Bumi. Dalam foto-foto ini, ada berjuta-juta galaksi. Semuanya terlihat sebagai entitas terpisah yang bisa dihitung dengan sistem kalkulasi komputer. Dengan metode ini, ilmuwan memperkirakan jumlah galaksi di alam semesta adalah berkisar antara 100 miliar hingga 1 triliun. Dengan demikian, angkanya setara dengan 1011.(2)

Pertanyaan selanjutnya adalah rata-rata ada berapa bintang pada setiap galaksi? Ternyata hanya sedikit. Sebuah Analisa spektrum cahaya gambar galaksi dari teleskop Hubble, dengan ekstrapolasi dari data yang berasal dari Bima Sakti kita sendiri, menunjukkan bahwa rata-rata sebuah galaksi yang diuji mengandung ratusan miliar bintang, yaitu 1011.(2) Dengan menggabungkan angka-angka ini, kita dapat menilai bahwa ada sekitar 1011 x 1011 = 1022 bintang (10 sextillion) di alam semesta ini.(2)

Bintang-bintang yang sejumlah 1022 ini memiliki perbedaan pada massa-nya. Misalnya, Eta Carinae, sebuah bintang yang berjarak 8.000 tahun cahaya dari Bumi ini, memiliki massa 100 kali lebih besar dari pada matahari kita. Dan bintang terkecil yang diketahui, AB Doradus C, ditemukan di rasi Dorado dan memiliki massa bintang hanya 9% dari matahari. Bagaimanapun juga sebagai rata-rata, kebanyakan bintang kira-kira sama besarnya dengan matahari kita, yaitu 2 x 1030 kg. Sebagai perbandingan, massa Bumi adalah 6 x 1024 kg, apabila massa bintang rata-rata sekitar satu juta kali lebih besar daripada massa Bumi. Dengan mengalikan 1022 jumlah bintang dengan 2 x 1030 kg per bintang memberikan kita jawaban yang sangat mengagumkan yaitu 2 X 1052 kg sebagai massa total bintang di alam semesta ini.

Apa komposisi bintang?

Sekarang kita harus bertanya ada berapa banyak atom yang dikandung rata-rata satu kilogram massa bintang? Untuk menjawab itu, kita harus mengetahui komposisi bintang terlebih dahulu. Bintang memiliki banyak variasi dalam kandungan kimia mereka dan mengandung unsur-unsur mulai dari yang terkecil yang banyak diketahui yaitu, hidrogen, hingga besi. Sebagian besar materi penyusunnya adalah hidrogen, karena materi ini adalah elemen paling sederhana, pada dasarnya dikelilingi oleh satu proton dan satu elektron. Sebagai akibatnya, ketika bintang terbentuk dari materi yang ada di alam semesta, maka kebanyakan dari mereka mengandung hidrogen. Saat para ilmuwan menganalisa spektrum cahaya dari berbagai macam bintang, ditemukan hal yang mengejutkan yaitu bahwa berdasarkan massanya, materi bintang secara konsisten dalam komposisi rata-rata adalah: kurang-lebih 78% Hidrogen dan 27% Helium.(3) Sisa 2%-nya tersusun dari elemen-elemen seperti Oksigen, Kalsium, Silikon, dan sebagainya (trace elements).

Untuk menyederhanakan perhitungan ini, jumlah 2% ini bisa kita abaikan. Kemudian, dengan menggunakan massa atom hidrogen (1,01 gram per mol) dan helium (4,00 gram per mol) yang tersedia dari tabel unsur periodik manapun, kita dapat menghitung bahwa 1 kilogram komposisi bintang kira-kira terdiri dari 710 gram unsur hidrogen dan 270 gram helium. Dengan menggunakan ilmu kimia dasar, kita tahu bahwa satu gram hidrogen kira-kira terdiri dari 1024 atom dan satu gram helium kira-kira 1023 atom. Dengan demikian, kita dapat menyimpulkan bahwa ada sekitar 4,6 x 1026 atom dalam satu kilogram materi bintang.

Perhitungan akhir

Sekarang kita sampai pada jawaban atas pertanyaan kita tentang berapa banyak partikel yang ada di alam semesta ini: jika ada 2 x 1052 kilogram materi bintang di alam semesta, dan 4,6 x 1026 atom dalam setiap kilogram materi bintang ini, maka kita mendapatkan (2 x 1052) x (4,6 x 1026) = 9,2 x 1078 sebagai jawabannya. Jadi setelah dibulatkan, kita bisa menyimpulkan bahwa ada sekitar 1079 atom di alam semesta.

Jumlah ini sangat mencengangkan, namun juga terlihat sangat kecil. 1079 adalah lebih dari satu juta triliun triliun triliun triliun triliun triliun triliunan. Sebagai perbandingan, perkiraan jumlah rambut di kepala Anda adalah 105, perkiraan jumlah orang di bumi ini adalah 109, dan jumlah atom dalam tubuh manusia biasanya adalah 1027.(4) Jika kita menghitung atom setiap orang yang hidup dan menambahkannya, kita hanya memiliki 1036 atom, yang artinya 1036 atom yang membentuk keseluruhan umat manusia. Jika bahkan manusia tumbuh seribu kali lipat, yang berarti ada sekitar 7 miliar orang yang hidup, maka ada 7 triliun jumlah atom yang membentuk populasi dunia, hanya sekitar 1039 saja.

Jadi 1079 adalah jumlah yang sangat besar – jauh lebih besar dari jumlah butiran pasir yang diusulkan Archimedes. Perlu dicatat juga bahwa ini secara teknis hanyalah perkiraan di bawah jumlah sebenarnya dari atom di alam semesta ini, karena kita tidak memasukkan unsur-unsur trace element, massa dari planet-planet di luar bumi, atau massa dari fenomena ekstrastellar seperti media antar bintang, media intergalaksi, lubang hitam, brown dwarves, dan benda-benda luar angkasa lainnya. Selain itu, jumlah ini hanya berkaitan dengan materi yang terlihat, sehingga tidak termasuk materi gelap (dan energi gelap), yang sampai saat ini masih menjadi konsep yang kurang dipahami. Akhirnya, kita juga harus mencatat bahwa perkiraan kita pada angka 1079 atom bukanlah satu-satunya. Berbagai metode penghitungan lainnya telah menghasilkan estimasi lain dari jumlah partikel di alam semesta, mulai dari 1072 sampai 1087.

Terlepas dari berapa tepatnya jumlah atom di alam semesta -apakah lebih atau kurang dari 1079– seperti catatan Archimedes, tidak diragukan lagi bahwa ini adalah sebuah angka yang menakjubkan. Dengan rasa rendah hati, hal ini membuat 1028 atom yang ada di masing-masing tubuh kita terhubung pula pada keseluruhan dari jumlah yang menakjubkan itu. Saat memandang ke langit yang penuh bintang, sadarilah bahwa luasnya alam semesta ini dapat digambarkan sebagai 1079 atom yang berada dalam semua hal seperti bintang dan asteroid, manusia dan tumbuhan, mobil dan komputer. Kita manusia hanyalah sebagian kecil dari kuantitas astronomikal ini.

Referensi:

Bradshaw, Gillian. The Sand-Reckoner. New York: Forge, 2000.

Adalah sebuah gambar dari wilayah kecil angkasa di rasi bintangi Fornax, yang dibentuk dari data Teleskop Ruang Angkasa Hubble yang diakumulasikan dari 24 September 2003 sampai 16 Januari 2004

Van Dokkum PG, Conroy C. A substantial population of low-mass stars in luminous elliptical galaxies. Nature, 2010; 468:940-942. Doi: 10.1038/nature09578

Irwin, Judith A. Astrophysics: Decoding the Cosmos. West Sussex: John Wiley & Sons, 2007.

Brandreth, Gyles. Your Vital Statistics: The Ultimate Book About the Average Human Being. New York: Lyle Stuart, 1986.

Artikel Semesta Archimedes pertama kali tampil pada Majalah Mata Air.