Cosmos: A Spacetime Odyssey

Acara ini dimulai dengan pengenalan singkat oleh Presiden Amerika Serikat Barack Obama tentang "semangat penjelajahan" yang hendak disampaikan serial ini kepada para penontonnya.^[22][23]

Tyson membuka episode ini dengan menyebutkan pentingnya serial asli Cosmos yang dibawakan Carl Sagan. Ia memperkenalkan "Kapal Imajinasi", perangkat narasi acara ini untuk menjelajahi masa lalu, masa kini, dan masa depan alam semesta. Tyson membawa penonton untuk menunjukkan letak Bumi dalam cakupan alam semesta teramati (observable universe), menentukan "alamat" Bumi di Supergugus Virgo. Tyson menjelaskan bagaimana manusia dulu tidak melihat jagat raya dengan cara seperti ini, dan menceritakan kesulitan dan penindasan yang dialami biarawan Italia Renaisans Giordano Bruno saat menentang model geosentris yang diyakini Gereja Katolik.

Episode ini membahas awal kehidupan dan evolusi. Tyson menjelaskan seleksi buatan melalui pembiakan selektif dengan mengambil contoh domestikasi serigala menjadi anjing oleh manusia, dan seleksi alam yang menciptakan spesies seperti beruang kutub. Tyson memakai Kapal Imajinasi untuk menunjukkan cara kerja DNA, gen, dan mutasi, dan bagaimana semuanya berujung pada keragaman spesies seperti yang terwakili oleh Pohon Kehidupan. Ia juga mencontohkan mata saat menjelaskan penciptaan organ-organ rumit yang dimiliki makhluk hidup.

Tyson lalu menyebut kolaborasi Edmond Halley dan Isaac Newton pada paruh terakhir abad ke-17 di Cambridge. Kerja sama yang mereka lakukan menjadi pemicu diterbitkannya Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, karya tulis besar pertama yang menjelaskan hukum fisika secara matematis, meski mendapat tentangan dan klaim plagiarisme dari Robert Hooke serta kesulitan keuangan yang dialami Royal Society of London. Tyson mengemukakan cara Principia membungkam pemikiran bahwa Tuhan merencanakan penciptaan alam semesta, tetapi pada akhirnya berhasil memengaruhi banyak sekali aspek kehidupan modern, salah satunya penerbangan antariksa.

Tyson mengawali episode ini dengan menjelaskan sifat kecepatan cahaya dan fakta bahwa alam semesta teramati merupakan cahaya yang dipancarkan miliaran tahun yang lalu. Tyson lalu memaparkan cara astronomi modern memakai analisis seperti itu melalui waktu dalam untuk mengidentifikasi Ledakan Besar dan usia alam semesta.

Tyson menjelaskan bagaimana karya Isaac Newton, William Herschel, Michael Faraday, dan James Clerk Maxwell berkontribusi pada pemahaman gelombang elektromagnetik dan gaya gravitasi, serta bagaimana karya mereka menjadi dasar teori relativitas Albert Einstein yang menyatakan bahwa kecepatan cahaya adalah konstanta tetap dari alam semesta dan gravitasi dapat dilihat sebagai distorsi ruang-waktu. Tyson menyampaikan konsep bintang gelap, seperti yang dikatakan John Michell, yang tidak tampak namun dapat diteteksi dengan melacak bintang-bintang lain yang terjebak dalam ruang gravitasinya; ide ini dipakai Herschel untuk menemukan bintang biner.

Tyson lalu menjelaskan sifat lubang hitam, gaya gravitasinya yang besar sehingga mampu membelokkan cahaya, dan penemuan lubang hitam menggunakan sumber-sumber sinar-X seperti Cygnus X-1. Tyson memakai Kapal Imajinasi untuk memperlihatkan pembelokan ruang-waktu dan dilasi waktu ketika seseorang memasuki cakrawala peristiwa lubang hitam, serta kemungkinan bahwa perjalanan ini akan berakhir di tempat lain di semesta kita atau semesta lain atau bahkan perjalanan waktu. Tyson mengakhiri episode ini dengan bercerita bahwa putra Herschel, John, kelak terinspirasi oleh ayahnya untuk terus mendokumentasikan bintang-bintang yang dikenal manusia serta kontribusinya terhadap fotografi yang bergantung pada konsep waktu dalam yang juga digunakan oleh astronom.

Episode ini membahas teori gelombang cahaya yang dipelajari manusia saat ini. Tyson mengatakan bahwa cahaya telah memainkan peran penting dalam kemajuan ilmiah, dimulai dari eksperimen terawal sekitar 2000 tahun yang lalu berupa camera obscura oleh filsuf Cina, Mozi. Tyson menyebut karya ilmuwan Arab abad ke-11, Ibn al-Haytham, sebagai salah satu karya pertama yang membahas sifat cahaya dan optik sehingga teleskop dapat diciptakan. Al-Haytham (Alhazen) juga merupakan salah satu peneliti pertama yang menggunakan metode ilmiah.

Episode ini menjelaskan kosmos dalam skala mikro dan atomik menggunakan Kapal Imajinasi. Tyson menyebutkan ada beberapa mikroorganisme yang tinggal di dalam setetes embun seperti paramecium dan tardigrade. Ia lalu menjelaskan bagaimana tanaman memanfaatkan fotosintesis melalui kloroplasnya untuk mengubah sinar matahari menjadi reaksi kimia yang mengubah karbon dioksida dan air menjadi oksigen dan gula kaya energi. Tyson juga menjelaskan sifat molekul dan atom dan bagaimana keduanya terlibat dalam evolusi spesies. Ia memakai contoh yang dikemukakan Charles Darwin tentang keberadaan ngengat sphinx Morgan berlidah panjang berdasarkan anatomi anggrek komet yang nektarnya berada di bawah tanah. Ia lalu mengatakan bahwa bau yang berasal dari bunga mengaktifkan belahan penciuman di otak, dan bau dijadikan alat pendeteksi ancaman sehingga manusia bisa bertahan hidup.

Episode kali ini menjelaskan bagaimana sains, khususnya penelitian Clair Patterson (diisi suara oleh Richard Gere^[31]) pada pertengahan abad ke-20 berhasil menentukan usia Bumi. Tyson awalnya menjelaskan cara Bumi terbentuk dari pengendapan materi jutaan tahun setelah terciptanya Matahari, dan meski para ilmuwan bisa meneliti formasi lapisan batu sampai peristiwa geologi tertentu, waktunya hanya dapat dilacak sampai jutaan tahun saja. Para ilmuwan kemudian menggunakan serpihan tabrakan meteor, seperti Kawah Meteor di Arizona, dan mengetahui bahwa material meteor yang berasal dari sabuk asteroid itu terbentuk pada saat yang sama dengan penciptaan Bumi.

Tyson lalu menceritakan penelitian yang dilakukan Patterson saat masih mahasiswa S2 di bawah arahan penasihatnya, Harrison Brown, untuk menghitung secara akurat jumlah timbal dalam partikel zirkon dari Kawah Meteor, dan meneliti hasil yang sama yang dikumpulkan George Tilton untuk menghitung jumlah uranium. Dengan mengetahui waktu paruh peluruhan radioaktif uranium menjadi timbal, perkiraan usia Bumi akan diketahui. Patterson menemukan bahwa hasil-hasilnya tercemar oleh timbal dari lingkungan sekitar, berbeda dengan hasil Tilton, dan merintis pembangunan kamar bersih pertama di dunia untuk menghapus jejak-jejak timbal lingkungan. Dengan hasil yang tidak tercemar ini, Patterson dapat memperkirakan usia Bumi di angka 4,5 miliar tahun.

Episode ini mennjelaskan bahan pembentuk bintang dan nasibnya miliaran tahun mendatang. Tyson mendeskripsikan cara peradaban manusia pertama mengenal bintang melalui rasi bintang (konstelasi) yang dikaitkan dengan berbagai mitos dan kepercayaan, contohnya rasi Pleiades. Tyson menceritakan usaha Edward Charles Pickering untuk menangkap spektrum beberapa bintang secara bersamaan, serta upaya para Komputer Harvard atau "Pickering's Harem", tim ilmuwan wanita di bawah bimbingan Pickering, untuk mengelompokkan spektrum bintang. Beberapa orang yang termasuk dalam tim ini adalah Annie Jump Cannon, pengembang sistem klasifikasi bintang, dan Henrietta Swan Leavitt, penemu cara mengukur jarak dari bintang ke Bumi berdasarkan spektrumnya; cara ini kelak digunakan untuk mengidentifikasi galaksi lain di alam semesta. Selain mereka, ada juga Cecilia Payne, ilmuwan baru yang bersahabat dengan Cannon. Tesis Payne yang didasarkan pada penelitiannya bersama Cannon berhasil menentukan komposisi dan suhu bintang menggunakan sistem klasifikasi Cannon.

Episode ini membahas paleogeografi Bumi selama jutaan tahun serta dampaknya terhadap perkembangan kehidupan di planet ini. Tyson membuka episode dengan menjelaskan bahwa pepohonan kaya lignin yang berevolusi pada zaman Carboniferous sekitar 300 juta tahun yang lalu tidak dapat dimakan oleh spesies makhluk hidup kala itu, sehingga mati begitu saja dan menjadi batu bara yang kaya akan karbon dioksida. Sekira 50 juta tahun kemudian, menjelang akhir zaman Permian, aktivitas gunung berapi menghanguskan materi berkarbon, melepaskan karbon dioksida dan komponen asam, menciptakan efek gas rumah kaca yang mendadak menghangatkan lautan dan melepaskan metana dari dasar lautan. Rentetan peristiwa tersebut berujung pada peristiwa kepunahan Permian–Triassic yang memusnahkan 90% makhluk hidup di Bumi.

Tyson kemudian menjelaskan sifat tektonika lempeng yang mampu mengubah bentuk daratan dunia. Tyson memaparkan kisah para ilmuwan seperti Abraham Ortelius yang berhipotesis bahwa daratan pernah saling terhubung pada masa lalu, Alfred Wegener yang memperkirakan adanya superbenua Pangaea dan pergeseran benua walaupun waktu itu ide jembatan darat yang tenggelam lebih disukai, dan Bruce C. Heezen dan Marie Tharp yang menemukan Punggung Atlantik Tengah yang mendukung teori tektonika lempeng. Tyson menunjukkan letak daratan dunia di atas mantel yang terus menerus bergeser akibat gerak dan panas pada inti terluar dan terdalam Bumi.

Episode ini membahas sifat elektromagnetisme yang ditemukan berkat kerja keras Michael Faraday. Tyson menjelaskan bahwa ide kekuatan alam, seperti gaya gravitasi, sudah pernah dipaparkan oleh Isaac Newton sebelumnya. Tyson kemudian menceritakan kisah Faraday yang berasal dari keluarga miskin dan menjadi tertarik belajar kelistrikan setelah membaca buku dan menghadiri kuliah Humphry Davy di Royal Institution. Davy kelak mempekerjakan Faraday sebagai sekretaris dan asisten laboratorium setelah membaca catatan kuliah yang dibuatnya.

Setelah Davy dan kimiawan William Hyde Wollaston gagal meneruskan penemuan fenomena elektromagnet Hans Christian Ørsted untuk menghasilkan gaya gerak dari listrik, Faraday mampu menciptakan alatnya sendiri untuk menciptakan motor listrik pertama dengan mengalirkan listrik ke magnet. Davy, tidak senang dengan temuan Faraday, meminta Faraday memperbaiki kualitas kaca optik berkualitas tinggi, sehingga Faraday tidak dapat melanjutkan penelitiannya. Meski begitu, Faraday tetap bekerja di Royal Institution dan merintis Christmas Lectures untuk mengajarkan sains kepada anak-anak. Pasca kematian Davy, Faraday menghabiskan waktunya untuk mempelajari elektromagnetisme dan menciptakan generator listrik pertama dengan memasukkan magnet ke gulungan kabel.

Episode ini membahas bagaimana kehidupan berkembang di Bumi dan kemungkinan adanya kehidupan di planet lain. Tyson membuka episode ini dengan menjelaskan perkembangan sistem tulisan manusia yang memungkinkan informasi diteruskan secara turun-temurun. Ia juga menceritakan bahwa Putri Enheduanna sekitar tahun 2280 SM menjadi orang pertama yang menyematkan namanya sendiri pada karya buatannya, sedangkan Gilgamesh mengoleksi untaian kisah, salah satunya kisah Utnapishtim yang mendokumentasikan banjir besar sama seperti kisah Bahtera Nuh. Tyson menjelaskan cara DNA merekam informasi untuk melanjutkan kehidupan, dan memaparkan berbagai teori tentang asal mula DNA di Bumi, salah satunya adalah evolusi dari kolam pasang dangkal atau dari ejecta (lemparan) bekas tabrakan meteor dari planet lain. Tyson kemudian menunjukkan bahwa perbandingan bahan pembentuk meteorit Nakhla tahun 1911 dengan hasil penelitian program Viking menunjukakn bahwa material dari Mars bisa saja terbang ke Bumi dan sejumlah mikrob mampu bertahan hidup di luar angkasa yang keras. Seiring bergeraknya tata surya mengelilingi galaksi selama miliaran tahun, kehidupan bisa saja pindah dari planet ke planet dengan cara serupa.

Episode ini membahas efek rumah kaca dan bukti yang menunjukkan keberadaan pemanasan global akibat aktivitas manusia. Tyson memulai episode ini dengan menjelaskan sejarah planet Venus. Berdasarkan penelitian wahana Venera yang dikirim ke Venus, planet ini diketahui pernah memiliki laut dan atmosfer. Karena karbon dioksida dari gunung berapi, efek rumah kaca Venus mengakibatkan suhu permukaannya naik dan lautannya menguap.

Tyson kemudian menjelaskan bahwa kandungan karbon dioksida di atmosfer dapat memengaruhi iklim Bumi akibat efek rumah kaca, dan tingkat karbon dioksida terus bertambah sejak awal abad ke-20. Banyak bukti memperlihatkan bahwa peningkatan ini berasal dari konsumsi minyak, batu bara, dan gas oleh manusia, bukan letusan gunung berapi. Karbon dioksida yang dihasilkan manusia dan gunung bisa dibedakan dari tanda isotopnya. Bertambahnya karbon dioksida turut menaikkan suhu permukaan, lantas menciptakan putaran umpan positif pada es kutub dan pencairan permafrost yang justru memperbanyak kandungan karbon dioksida di atmosfer.

Tyson mengawali episode ini dengan mengatakan bahwa penghancuran Perpustakaan Alexandria membuat sebagian besar pengetahuan manusia musnah sampai pada titik itu. Ia lalu menjelaskan perjuangan umat manusia untuk terus menemukan fakta-fakta baru seputar alam semesta dan pentingnya bagi kita untuk terus menjelajah.

Tyson menjelaskan penemuan sinar kosmik oleh Victor Hess melalui beberapa penerbangan balon udara dan peningkatan level radiasi seiring pengamat menjauh dari permukaan. Fritz Zwicky, saat mempelajari supernova, berkesimpulan bahwa sinar-sinar kosmik ini berasal dari supernova, bukan radiasi elektromagnet. Zwicky kemudian mengamati lilin standar yang dikeluarkan oleh supernova, serta memperkirakan pergerakan galaksi di jagat raya. Perhitungannya menunjukkan bahwa pasti ada massa yang lebih banyak di alam semesta ketimbang yang dapat diamati di benda-benda angkasa; ia menyebutnya materi gelap. Meski awalnya dilupakan, teori Zwicky dibenarkan oleh hasil penelitian Vera Rubin yang membuktikan bahwa rotasi bintang di pinggir galaksi teramati tidak mengikuti hukum fisika karena ada materi gelap. Penelitian ini berujung pada penemuan energi gelap oleh Edwin Hubble yang menurutnya merupakan penyebab alam semesta mengembang begitu cepat melampaui kekuatan massa tampak dan massa materi gelap.