Kadang, revolusi terbesar dalam ilmu pengetahuan tidak dimulai dengan menemukan sesuatu yang baru, tetapi dengan mempertanyakan sesuatu yang selama ini kita anggap sudah benar.
Setiap kali ada buah terlepas, jatuh dari pohonnya, kita tahu ke mana buah itu akan bergerak. Batu yang dilempar ke atas akan kembali ke tanah. Kaki kita tetap berpijak ketika berjalan. Hampir tak seorang pun merasa perlu memikirkan semua itu dengan serius, sebab jawabannya sudah pasti: karena gravitasi .
Jawaban itu benar, tetapi belum selesai. Menyebut nama suatu gejala tidak sama dengan menjelaskan apa yang sebenarnya terjadi. Kita menyebut gravitasi begitu mudah, seolah-olah alam telah menyerahkan seluruh rahasianya bersama benda yang jatuh.
Berabad-abad, Isaac Newton memberi manusia kemampuan luar biasa untuk menghitung gerak akibat gravitasi. Kemudian Albert Einstein mengajak kita memeriksa sesuatu yang lebih mendasar: pengertian ruang dan waktu yang selama ini dipakai untuk melakukan perhitungan tersebut .
Bagaimana sebuah hukum yang berhasil menjelaskan jatuhnya benda dan peredaran planet masih memerlukan penjelasan yang lebih luas?
Dalam hukum gravitasi universal Newton , dua benda bermassa (misalkan benda m1 dan benda m2 ) saling tarik-menarik. Besar gaya yang tercipta sebanding dengan hasil kali massanya ( m1 × m2 ) dan berkurang mengikuti kuadrat jarak antara pusat massa keduanya, untuk benda-benda yang dapat diperlakukan sebagai massa titik atau benda simetris berbentuk bola. Jika jaraknya menjadi dua kali lipat, gaya tariknya tinggal seperempat. Dalam arti lain, jika massa besar, gaya semakin besar. Namun, jika jarak semakin menjauh, gaya ikut berkurang.
Namun, arti besar penemuan Newton bukan sekadar rumusnya. Ia memperlihatkan bahwa batu yang jatuh dan Bulan yang mengorbit Bumi tidak memerlukan dua hukum alam yang berbeda. Prinsip yang sama mampu menjelaskan gerak benda di permukaan Bumi dan di angkasa.
Dalam Bab VIII buku The ABC of Relativity , Bertrand Russell memulai pembahasan gravitasi Einstein dengan persoalan pada cara Newton merumuskan tarikan antarbenda. Untuk mengetahui jaraknya, kita harus menentukan posisi kedua benda pada waktu yang sama. Kedengarannya biasa saja. Bukankah kita semua tahu apa artinya “sekarang”?
Namun, justru di situlah letak masalahnya.
Kita menyebut ruang ketika membicarakan posisi, jarak, panjang, lebar, dan tinggi. Waktu membantu kita membedakan kapan sesuatu terjadi dan berapa lama peristiwa berlangsung. Secara intuitif, keduanya tampak terpisah: ruang adalah tempat kejadian, waktu adalah jam yang terus berjalan.
Dalam mekanika Newton , waktu berlaku universal. Dua pengamat boleh berbeda pendapat mengenai kecepatan sebuah benda, tetapi mereka menggunakan waktu yang sama untuk menentukan kejadian yang serentak.
Relativitas khusus Einstein , yang diperkenalkan pada 1905, menunjukkan sesuatu yang tidak sejalan dengan intuisi tersebut. Dua peristiwa yang terjadi di tempat berbeda dan dinyatakan bersamaan oleh satu pengamat belum tentu bersamaan menurut pengamat lain yang bergerak relatif terhadapnya.
Bukan karena salah seorang terlambat melihat cahaya dari peristiwa itu. Perbedaan tersebut tetap ada setelah waktu perjalanan sinyal diperhitungkan. Fenomena inilah yang dikenal sebagai relativitas keserentakan .
Konsep ruang-waktu ( spacetime ) kemudian memberi kerangka untuk menggambarkan sebuah peristiwa dengan empat koordinat: tiga untuk posisi dan satu untuk waktu. Ruang dan waktu bukan dua nama untuk hal yang sama. Dimensi waktu memiliki sifat fisika yang berbeda dari dimensi ruang. Namun, cara keduanya dipisahkan dalam pengukuran dapat berbeda antarpengamat.
Penting pula meluruskan salah kaprah lain: relativitas tidak berarti semua hal boleh dianggap relatif. Hubungan sebab-akibat tetap dibatasi oleh struktur ruang-waktu , termasuk batas kecepatan perambatan pengaruh fisik.
Sekarang kita dapat memahami persoalan yang digarisbawahi Russell . Jika tidak ada satu keserentakan universal bagi semua pengamat, bagaimana hukum gravitasi yang dirumuskan menggunakan jarak pada “ saat yang sama ” dapat menjadi penjelasan yang berlaku umum?
Einstein harus mengubah kerangkanya, bukan hanya memperbaiki angka dalam persamaannya.
Bayangkan seseorang berada di dalam lift yang jatuh bebas. Dalam percobaan pikiran ideal itu, ia dan benda yang dilepaskannya bergerak bersama. Benda tersebut tampak melayang di dekatnya. Untuk pengamatan dalam wilayah ruang dan waktu yang cukup kecil, keadaan ini menyerupai situasi tanpa gravitasi.
Di wilayah yang lebih luas, perbedaan tarikan gravitasi dari satu tempat ke tempat lain tetap dapat muncul sebagai efek pasang surut gravitasi . Jadi, gravitasi tidak benar-benar lenyap hanya karena seseorang sedang jatuh bebas.
Gagasan tersebut menuntun Einstein kepada prinsip ekuivalensi , salah satu jalan menuju teori relativitas umum yang ia selesaikan pada 1915.
Dalam teori itu, massa dan energi berkaitan dengan kelengkungan ruang-waktu . Benda yang bergerak bebas mengikuti lintasan yang ditentukan oleh geometri ruang-waktu tersebut. Lintasan demikian disebut geodesik , yaitu lintasan yang secara lokal paling lurus menurut geometri yang berlaku.
Artinya, ketika planet mengorbit Matahari, kita tidak harus membayangkan sebuah tali tak terlihat menarik planet itu dari jauh. Gerak bebasnya dapat dijelaskan lewat struktur ruang-waktu di sekitarnya.
Bukan berarti semua gaya menghilang dari fisika. Kita tetap merasakan tekanan lantai pada telapak kaki, misalnya, justru karena lantai menghalangi tubuh mengikuti jatuh bebas. Yang berubah adalah cara kita memahami gravitasi.
Ah, ini sesuatu yang sangat rumit. Namun, Bertrand Russell memiliki cara dan analogi menarik untuk menjelaskan kerumitan dan kejeniusan pikiran Einstein ini.
Russell memiliki cara yang menarik untuk membawa gagasan geometris ini mendekati pengalaman manusia.
Bayangkan malam yang gelap. Sejumlah orang berjalan melintasi suatu daerah sambil membawa lentera. Dari balon udara, seorang pengamat hanya melihat titik-titik cahaya itu bergerak. Ketika mendekati sebuah lampu pijar di kejauhan, jalur mereka tampak berbelok. Pengamat mungkin menduga cahaya di sana mempunyai kekuatan yang membuat mereka menghindar.
Pagi hari, pemandangannya berubah. Ternyata di tempat itu berdiri sebuah bukit. Orang-orang mengambil jalan yang lebih mudah melewati daerah berbukit; lampu pijar tadi hanya berada di puncaknya.
Russell menggunakan kisah ini untuk menunjukkan bagaimana lintasan yang tampak menyimpang dapat dipahami secara berbeda setelah kita mengetahui bentuk wilayah yang dilalui.
Tetapi ada batas yang tidak boleh dilewati. Jalan manusia yang menghindari bukit bukan otomatis geodesik menurut relativitas umum. Bukit Russell adalah perumpamaan, bukan model harfiah bagaimana planet bergerak. Geometri yang dimaksud Einstein melibatkan ruang dan waktu sekaligus, bukan sekadar permukaan yang cekung atau menanjak.
Yang patut kita ambil dari analogi itu adalah perubahan pertanyaannya. Alih-alih hanya menanyakan gaya apa yang membelokkan lintasan, Einstein meminta kita meneliti geometri tempat lintasan itu terbentuk.
Bagian ini barangkali paling sulit dipercaya: gravitasi berkaitan dengan seberapa cepat waktu terakumulasi pada jam .
Letakkan dua jam atom yang sangat teliti pada ketinggian berbeda di Bumi. Dalam perbandingan yang tepat, dengan pengaruh gerak diperhitungkan, jam yang berada lebih tinggi umumnya akan berdetak sedikit lebih cepat daripada jam yang berada lebih rendah. Bukan karena kualitas jamnya berbeda, melainkan karena keadaan gravitasi yang dialaminya tidak sama.
Pengaruhnya kecil, tetapi cukup nyata untuk diperhitungkan pada teknologi yang kita pakai.
Satelit GPS membawa jam atom . Karena berada lebih jauh dari Bumi, efek gravitasi membuat jamnya berjalan sekitar 45 mikrodetik per hari lebih cepat daripada jam di permukaan. Geraknya yang cepat memberikan efek berlawanan, sekitar 7 mikrodetik per hari lebih lambat menurut relativitas khusus . Hasil gabungannya: sekitar 38 mikrodetik per hari lebih cepat. Tanpa koreksi relativistik, ketelitian navigasi akan cepat memburuk.
Jadi, ketika kita membuka peta digital atau navigasi GPS untuk mencari sebuah alamat, prinsip yang dahulu tampak begitu asing dalam fisika sedang bekerja di balik koordinat pada layar. Tanpa koreksi relativistik, kesalahan penentuan posisi dapat terus membesar dan membawa kita jauh dari lokasi yang ingin dituju.
Relativitas umum juga menjelaskan kelebihan pergeseran titik terdekat orbit Merkurius yang tidak sepenuhnya dapat diterangkan oleh teori Newton , serta memprediksi pembelokan cahaya di dekat benda bermassa.
Pengamatan astronomi, eksperimen jam atom, dan berbagai pengujian berikutnya memberi alasan empiris untuk menerima teori itu. Gagasan yang indah tetap harus berhadapan dengan kenyataan.
Tidak sesederhana itu. Untuk banyak keadaan sehari-hari, ketika gravitasi relatif lemah dan kecepatan jauh di bawah kecepatan cahaya, persamaan Newton masih memberikan hasil yang sangat baik. Relativitas umum bahkan menghasilkan gambaran Newton sebagai pendekatan dalam batas-batas tersebut.
Ada sesuatu yang mengusik ketika kita menyadari hal ini. Sebuah teori dapat bekerja dengan sangat tepat, membantu manusia menghitung gerak planet selama berabad-abad, tetapi masih belum mengungkap seluruh struktur kenyataan yang dijelaskannya.
Persoalan ini mengingatkan kita pada pembahasan sebelumnya dalam tulisan Ketika Bumi Menjadi Pusat Semesta: Aristoteles, Ptolemy, dan Bahaya Sebuah Asumsi . Sejarah memperlihatkan bahwa sebuah model ilmiah dapat menjelaskan banyak pengamatan dan bertahan selama berabad-abad, tetapi keberhasilan tersebut tidak serta-merta menjadikannya gambaran terakhir tentang kenyataan. Newton dan Einstein membawa kita kembali kepada persoalan yang sama, meskipun dalam konteks ilmiah yang berbeda.
Einstein tidak menghapus Newton . Ia menunjukkan sejauh mana penjelasan Newton dapat diandalkan, sekaligus kapan kita harus menggunakan kerangka yang lebih luas. Dan perjalanan itu belum berakhir. Sampai sekarang, mempertemukan gravitasi dengan teori kuantum tetap merupakan persoalan terbuka dalam fisika fundamental.
Barangkali yang paling menarik dari sejarah gravitasi bukanlah bahwa manusia akhirnya menemukan jawaban baru. Yang lebih menarik ialah keberanian mempertanyakan makna kata-kata yang sebelumnya terasa begitu jelas: jarak, waktu, gerak , dan gaya .
Kita mengira telah memahami gravitasi karena tahu mengapa buah jatuh. Newton mengajarkan kita menghitungnya. Einstein membuat kita kembali mempertanyakan ruang dan waktu yang digunakan untuk menjelaskannya.
Jika dua ilmuwan sebesar itu masih meninggalkan pertanyaan bagi generasi berikutnya, seberapa sering kita terlalu cepat menyebut sesuatu sebagai kebenaran yang sudah selesai?
Berikan reaksi atau tepuk tangan untuk mengapresiasi penulis.
Masuk untuk memberi reaksi dan clap.
Pilihan lain dari ruang pengetahuan Langkah Kuda.
Percakapan Pembaca
Tanggapi gagasan, lanjutkan percakapan, dan tetap hormati sesama pembaca.
Belum ada komentar. Jadilah yang pertama!
Masuk atau daftar gratis untuk menulis komentar.