LEDAKAN DAHSYAT: BAGAIMANA ALAM SEMESTA BERMULA DAN BAGAIMANA MENGAJARKANNYA

LEDAKAN DAHSYAT: BAGAIMANA ALAM SEMESTA BERMULA DAN BAGAIMANA MENGAJARKANNYA

Sejak masa-masa awalnya, manusia telah memandangi langit berbintang, merenungkan dunia indah tempat kita hidup, dan melontarkan pertanyaan. “Hai bintang kecil berkelap-kelip, siapakah sebenarnya kamu?” (Twinkle, twinkle, little star, how I wonder what you are?) Apakah bintang-bintang itu seperti matahari kita? Seberapa jauh jarak mereka? Sebenamya dari mana asal mereka?

Jawaban atas segenap pertanyaan ini sama tuanya dengan pertanyaanya itu sendiri. Namun, seiring waktu, jawabannya perlahan-Iahan bergeser dari ranah mitologi ke ranah ilmiah. Mengapa Matahari terbit dan tenggelam? Gambaran tentang salah satu dewa Yunani yang tengah membawa matahari di langit dengan menaiki kereta pada suatu masa dianggap sebagai jawaban yang memadai. Tapi cerita yang tak terbuktikan ini, pada saatnya, digantikan oleh rotasi Bumi sebagai penjelasannya. Astronomi sebagai sebuah sains dimulai dengan model heliosentrik Kopernikus, pengamatan cemerlang oleh Tycho Brahe, dan jenius Johannes Kepler, Galileo dan Isaac Newton, yang mengkombinasikan model Kopernikus, hukum fisika, dan pengamatan seksama menjadi penjelasan menyeluruh tentang gerakan planet. Pada awal abad keduapuluh, kita memiliki gambaran yang cukup bagus tentang apa itu Matahari, di mana planet-planet, dan apa itu bintang-bintang. Tetapi kita masih tidak tahu dari mana mereka semua berasal.

Seratus tahun kemudian, pada permulaan abad keduapuluh satu kita memperoleh jawaban ilmiah atas pertanyaan tentang asal-usul ini. Ini didukung oleh bukti-bukti, diterima oleh komunitas ilmiah, dan telah terbukti menjadi penjelasan sangat mendalam yang mengisyaratkan banyak pertanyaan tambahan. Ia selayaknya mendapatkan status sebagai teori, bukan hanya dalam pengertian populer sebagai tebakan yang masuk akal, melainkan dalam pengertian ilmiah mengenai sebuah teori ilmiah pokok, satu penjelasan besar yang membentuk bagian sains modern. Teori ledakan dahsyat telah mengubah astronomi dari penjelasan sederhana tentang apa itu alam semesta menjadi sebuah sains yang bisa memberikan penjelasan tertentu tentang bagaimana alam semesta berubah dari waktu ke waktu. Teori ledakan dahsyat telah dijelaskan dalam banyak buku populer. Salah satu teori baru yang berimbang dalam pembuktiannya adalah Coles (2001). Yang lain, terkait dengan persoalan baru tentang apakah pemuaian jagat mengalami percepatan, adalah Kirshner (2002). Empat belas miliyar tahun lalu, semuanya dimulai. Pada akhirnya masa nol revolusi kosmis, teori menyatakan bahwa suhu tanpa batas, dengan kata lain kita tidak bisa menggunakan pemahaman fisika kita sejauh itu. Tapi setelah sepersekian trilyun detik (10-12 kedua), alam semesta masih sangat panas, tapi cukup dingin sehingga kita bisa cukup yakin mengatakan kita memahami hukum-hukum fisika yang membuatnya bekerja. Pada saat itu, segala sesuatu yang kita lihat sekarang di alam semesta kita terpadatkan menjadi sebutir bola kecil dengan ukuran kira-kira sebesar tanda titik di akhir kalimat ini. Bola ini dan angkasa yang ditempatinya, memuai dengan sangat cepat, dan mendingin selagi ia memuai. Seperti yang terdapat pada setiap substansi yang panas, muncul cahaya bersama dengan materi, yang terus mengembang.

Selama 20 menit pertama, reaksi nuklir terjadi pada masa awal alam semesta. Proton dan neutron saling bertubrukan membentuk nuklei (inti) helium ketika masing-masing dari keduanya saling melengket. Sejumlah kecil deuterium, atau hidrogen berat, tersisa dari proses ini. Atom hidrogen biasa memiliki proton belaka sebagai intinya. Deuterium memiliki satu proton ditambah satu neutron. Jumlah kecil inti unik lainnya, seperti Helium-3 dan lithium, juga terbentuk pada saat ini. Dan alam semesta terus memuai dan mendingin.

Pada patokan juta-tahun, elektron di alam semesta bergabung dengan nuklei atom yang berada di sekitar dan seluruh alam semesta menjadi terbentuk dari partikel-partikel netral. Cahaya, bukannya berinteraksi dengan nuklei atom yang bermuatan dan elektron yang bermuatan sebaliknya, tidak lagi berinteraksi dengan apapun. Ia hanya melakukan perjalanan menempuh alam semesta yang tengah berkembang. Seiring alam semesta memuai, gelombangnya menjadi semakin lama semakin panjang. Pada saat ini, cahaya ini berada dalam gelombang mikro spektrum. Ia adalah jenis radiasi yang sama yang ketika lebih intens dan lebih terfokus, bisa mendidihkan air sehingga Anda bisa memasak sepoci teh.

Pada suatu ketika selama miliaran tahun selanjutnya, mulai terbentuk struktur di alam semesta. Alam semesta masa awal mengandung unsur-unsur familiar berupa hidrogen dan helium. Menurut model yang disepakati saat ini, alam semesta juga mengandung zat-zat asing yang disebut oleh para astronom sebagai materi gelap dan energi gelap. Kita tidak tahu apa jenis partikel yang membentuk materi gelap dan energi gelap. Pemahaman kita saat ini tentang bagaimana galaksi terbentuk telah menghasilkan permufakatan di kalangan astronom bahwa maujud aneh ini memang ada. Struktur alam semesta terdiri atas galaksi-galaksi besar, beberapa di antaranya menyerupai galaksi spiral yang indah.

 

HIPOTESIS LEDAKAN DAHSYAT DAN KEADAAN TETAP

Teori ledakan dahsyat pada awalnya dikemukakan oleh Abbe Georges Lemaitre pada1930-an sebagai penjelasan paling logis tentang pemuaian alam semesta. Serangkaian pengukuran oleh Vesto Slipher dari Observatorium Lowell dan Edwin Hubble dari Observatorium Mt. Wilson yang lebih terkenal telah menunjukkan pada 1920-an bahwa semua galaksi di luar lima yang terdekat sedang bergerak menjauh dari bumi. Ikutilah pemuaian ini secara hitung waktu mundur, maka Anda akan sampai pada sebuah alam semesta yang padat.

Sekelompok astronom di Britania mengembangkan penjelasan alternatif tentang alam semesta yang mengembang pada akhir 1940-an. Materi sedang terus-menerus diciptakan sementara alam semesta mengembang. Sebuah medan kekuatan yang terkait dengan penciptaan materi ini mendorong alam semesta semakin menjauh, dan materi buatan baru tersebut kemudian membentuk galaksi. Tidak ada awal yang panas. Penggagasnya mengikuti praktek yang sangat umum, setidaknya dalam sains fisik, dengan menamakan usulan ini sebagai teori keadaan tetap (steady state theory), menggunakan kata teori dalam arti populernya dan sayangnya menambah kebingungan orang banyak tentang konsep terpenting ini (keadaan tetap sebenarnya adalah sebuah hipotesis atau asumsi yang secara ilmiah belum teruji)

 

FOSIL KOSMIK: BUKTI BAHWA TEORI LEDAKAN DAHSYAT BENAR Kecenderungan yang terlalu umum di antara para penulis buku pelajaran adalah menyajikan sebuah cerita dan hanya berhenti di situ. Apa yang membuat teori ledakan dahsyat menjadi sebuah teori ilmiah pokok bukan sekadar ide bagus adalah banyaknya bukti yang mendukungnya. Bahkan sebuah artikel singkat seperti ini pun harus merujuk kepada bukti.

Prediksi dari semua model kosmologis ledakan dahsyat adalah bahwa sekitar seperempat dari alam semesta mesti berubah dari hidrogen menjadi helium. Sekitar tiga puluh tahun yang lalu, sejumlah astronom, termasuk penulis artikel ini, mulai mengukur kelimpahan helium dalam bintang-bintang. Sejak itu, prediksi maupun pengamatannya telah disempurnakan sehingga “sekitar seperempat” telah menjadi “23% dengan ketidakpastian 1%” (Pagel, 1997). Keyakinan kami bahwa kesesuaian antara model dan pengamatan adalah penting telah banyak berkembang.

Cahaya pada awal alam semesta, yang sekarang bertransformasi menjadi radiasi gelombang micro, telah diamati, diukur, diukur kembali, -dan dianalisis secara mendalam. Penemuannya yang diperoleh secara tidak disengaja oleh  Arno Penzias dan Robert Wilson, yang sedang mengerjakan astronomi radio untuk Bell Telephone Laboratories pada 1960, akhirnya memenangkan mereka Hadiah Nobel. Kegiatan awal mereka memicu badai kegiatan observasi yang mencakup dua pesawat ruang angkasa NASA dan rencana untuk pesawat yang ketiga. Model big bang membuat prediksi yang sangat teliti tentang distribusi energi ini dengan frekuensi gelombang mikro. Pengamatan menguatkan prediksi tersebut sampai ke tingkat ketepatan yang sangat tinggi, sekitar 10 bagian per juta. Konfirmasi rinci model big bang umumnya dianggap oleh para astronom sebagai bagian pembuktian paling meyakinkan yang mendukung teori ledakan dahsyat

Salah satu area penelitian saat ini adalah pertanyaan dari mana struktur alam semesta berasal. Kita hidup di alam semesta sangat kaya yang berisi berbagai gugusan galaksi, bintang, planet, dan manusia. Teori kosmologi yang lengkap tidak boleh hanya menjelaskan dari mana alam semesta berasal melainkan juga menguraikan perkembangan struktur di dalamnya. Satu juta tahun setelah ledakan dahsyat, alam semesta adalah lautan gas yang halus. Seribu juta tahun kemudian, struktur mulai terbentuk di dalam alam semesta,

 

PENGAJARAN TEORI BIG BANG

Dengan memperhatikan hal-hal pedagogis, pengajar bisa menuntun siswa menempuh kisah kosmologi kita dan mengembangkan pemahaman siswa. Ulasan sederhana atas teori big bang sangat mudah untuk dilakukan, tetapi pengajaran dan kurikulum yang terbatas pada bercerita menyebabkan siswa hanya bisa mengingat fakta-fakta, menampilkan tingkat 1 dalam taksonomi tujuan pendidikan Bloom yang terkenal itu (Bloom 1956). Ada beberapa aspek dari teori ledakan dahsyat yang menjadikannya wahana yang relatif bagus untuk mengajarkan watak sains. Para rekan pendidikan sains dan saya menyelidiki pemahaman murid dalam pelajaran astronomi yang saya ajarkan beberapa tahun yang lalu dan beberapa rekomendasi yang muncul dari hasilnya diuraikan di sini.

 

PEMBUKTIAN DAN KESlMPULAN

Mungkin aspek terpenting dari watak sains yang bisa kita ajarkan adalah hubungan antara pembuktian dan kesimpulan (Osborne et al. 2003). Konsep ini adalah unsur penting dari berpikir kritis (Paul dan Elder 2001) dan sering disebutkan di antara keterampilan kunci pendidikan umum. Namun, tidak semua teori ilmiah sama bagusnya untuk mengajarkan pemahaman terpenting ini, yang merupakan bagian penting dari berpikir kritis pada umumnya di samping penting bagi kebiasaan berpikir ilmiah. Studi kami tentang mata kuliah astronomi perguruan tinggi (Brickhouse et al. 2001, 2002) mengungkapkan bahwa mahasiswa relatif mudah memahami bagaimana penemuan radiasi latar belakang gelombang mikro menunjukkan bahwa alam semesta dulunya panas dan padat. Hubungan antara pembuktian dan kesimpulan di bidang lain astronomi, seperti daur kehidupan bintang-bintang, lebih tidak langsung sifatnya.

Siswa perlu lebih dari sekadar mendengar bahwa ada teori big bang dan bahwa penemuan helium kosmologis dan latar belakang gelombang mikro memberikan bukti yang mendukungnya. Salah satu strategi yang saya gunakan adalah meminta siswa untuk memainkan peran sebagai penasehat NASA yang diminta untuk memilih yang mana dari dua atau lebih misi yang mungkin harus didukung oleh badan tersebut. Apakah lebih penting menyelidiki radiasi latar belakang gelombang mikro atau kelimpahan helium pada benda-benda yang sangat tua? Saya juga telah meminta mereka untuk memainkan peran sebagai penilai yang akan memberikan penghargaan sejumlah besar uang kepada orang-orang yang menemukan kepingan bukti tertentu. Strategi lainnya lagi adalah mendudukkan siswa dalam peran sebagai editor koran yang harus memutuskan apakah mereka akan menampilkan sebuah tulisan koran tertentu.

 

WATAK TEORI ILMIAH

Menguji teori-teori ilmiah yang bersaing menghasilkan cara yang cemerlang untuk mendiskusikan teori apakah itu. Salah satu ciri yang bagus pada penggunaan hipotesis keadaan tetap sebagai pemancing perhatian kepada teori ledakan dahsyat adalah bahwa dimungkinkan untuk menjelaskan cara kerja keadaan tetap dalam waktu sekitar lima menit di kelas. Siswa bisa memahami hipotesis keadaan tetap tanpa banyak upaya intelektual. Ada area lain sains, di mana teori sejarah yang tidak benar muncul, seperti kimia dan biologi. Namun, siswa harus bekerja keras untuk mencari tahu bagaimana phlogiston bekerja di dalam kimia atau bagaimana perbedaan evolusi Lamarckian dari evolusi Darwin. Dalam hemat saya, meminta siswa mengerahkan banyak upaya untuk memahami ide-ide yang keliru tetap saja merupakan pedagogi yang keliru. Dalam kasus evalusi Lamarckian, hal itu bahkan bisa menyebabkan munculnya konsepsi salah pada siswa.

Namun, sekadar menyajikan watak teori-teori di dalam kuliah yang lumayan abstrak dan membahas hipatesis keadaan tetap dan teori big bang empat minggu kemudian, mengarah pada perbaikan tertentu: atas pemahaman siswa tentang apa isi teorinya, tetapi bukan pemahaman yang saya inginkan sebagai  seorang pengajar (Dagher 2004). Karena kami melakukan penelitian yang telah mengarah pada karya ini, saya telah sedikit mengubah strategi pengajaran saya. Saya sekarang menyertakan setidaknya satu teori lain ke dalam struktur pelajaran. Saya lebih eksplisit dalam mendefinisikan teori ilmiah pokok. Saya juga membuat hubungan antara definisi ini dan teori-teori yang kita bahas lebih eksplisit. Saya telah memperkenalkan istilah teori ilmiah pokok untuk memperjelas perbedaan antara ide-ide penjelasan ilmiah pokok dan hipotesis , yang mungkin atau mungkin tidak benar. Sejauh ini, istilah ini belum tertangkap di luar pedagogi saya sendiri, akan tetapi saya masih merasakan kegunaannya.

 

SAINS DAN AGAMA

sekitar sepuluh tahun yang lalu, saya memulai dengan menyertakan pembahasan amat singkat tentang sains dan agama di dalam pelajaran sains saya. Hal itu per variasi selama bertahun-tahun, tapi secara umum ia melibatkan tugas agar siswa menulis makalah singkat di rumah dan kemadian berpartisipasi dalam diskusi mata kuliah di kelas. Daya dorong kedua latihan itu adalah bahwa kosmologi big bang paling jelas sejalan dengan gagasan teistik tentang Tuhan seperti yang terdapat dalam tiga agama monoteistik besar dunia: Kristianitas, Yudaisme dan Islam. Intervensi pedagogis yang secara mengejutkan singkat ini mendatangkan efek positif yang luar biasa dan benar-benar tanpa efek negatif (Shipman et al. 2002).

RANGKUMAN

Kosmologi big bang, selain menarik banyak siswa dan minat populer itu sendiri, adalah cara gemilang untuk mengajarkan kebiasaan berpikir ilmiah. Hubungan yang relatif erat antara pembuktian dan kesimpulan menjadikannya mudah untuk mengajarkan pentingnya pembuktian, data, percobaan, dan pengamatan. Bergantung kepada apa yang ingin pengajar lakukan, pembahasan kelas tentang ledakan dahsyat bisa membukakan beberapa persoalan yang lebih mendalam.

-Harry L Shipman-

Leave a Reply

Close Menu