Jakarta, CNN Indonesia -- Fisikawan Albert Einstein, yang lahir tepat 144 tahun lalu, mencapai kemashyuran salah satunya lewat Teori Relativitas yang dicetuskan pada awal tahun 1900-an. Kini, lebih dari 100 tahun berlalu, masihkah teori itu relevan?
Teori Relativitas hasil karya Einstein terbagi ke dalam dua bagian. Teori relativitas umum menjadi cara Einstein memahami bagaimana gravitasi memengaruhi susunan ruang dan waktu.
Melansir Space, teori ini dipublikasikan Einstein pada 1915, dan merupakan perluasan teori relativitas khusus yang ia publikasikan 10 tahun lebih awal. Pada teori relativitas khusus, Einstein berpendapat, ruang dan waktu saling berkaitan.
ADVERTISEMENT
SCROLL TO CONTINUE WITH CONTENT
Einstein menghabiskan satu dekade antara dua publikasi itu untuk menentukan bahwa objek yang sangat masif membengkokkan struktur ruang-waktu, sebuah distorsi yang bermanifestasi sebagai gravitasi, dikutip dari situs NASA.
Sebelum Einstein, sebagian besar astronom memahami alam semesta dalam kerangka tiga hukum gerak yang diajukan oleh Isaac Newton pada 1686. Ketiga hukum tersebut adalah:
1. Benda yang bergerak atau diam tetap dalam keadaan yang sama kecuali ada gaya eksternal yang menyebabkan perubahan. Ini juga dikenal sebagai konsep inersia.
2. Gaya yang bekerja pada suatu benda sama dengan massa benda dikalikan dengan percepatannya. Dengan kata lain, Anda dapat menghitung berapa gaya yang diperlukan untuk memindahkan benda dengan massa berbeda dengan kecepatan berbeda.
3. Untuk setiap tindakan, ada reaksi yang sama dan berlawanan.
Hukum Newton terbukti berlaku di hampir setiap aplikasi dalam fisika, menurut Encyclopedia Britannica. Mereka membentuk dasar pemahaman kita tentang mekanika dan gravitasi.
Masalahnya, beberapa hal tidak dapat dijelaskan lewat hukum Newton, misalnya cahaya.
Untuk memasukkan perilaku aneh cahaya ke dalam kerangka Newton, para ilmuwan fisika pada 1800-an beranggapan bahwa cahaya harus ditransmisikan melalui suatu media, yang mereka sebut "eter bercahaya".
Eter hipotetis itu harus cukup kaku untuk mentransfer gelombang cahaya seperti senar gitar yang bergetar dengan suara, tetapi juga sama sekali tidak terdeteksi dalam pergerakan planet dan bintang. Konsep yang sulit.
Saat mencoba mendeteksi eter misterius itu, pada 1887, dikutip dari tulisan pakar astrofisika Ethan Siegal di Forbes, 'Starts With a Bang', fisikawan Albert A. Michelson dan ahli kimia Edward Morley malah menemukan bahwa kecepatan cahaya adalah sama tidak peduli bagaimana gerakan Bumi.
Mereka menyimpulkan pasti tidak ada eter jika kecepatan cahaya tidak berubah meskipun Bumi bergerak melaluinya. Artinya, cahaya di ruang angkasa bergerak melalui ruang hampa.
Dengan kata lain pula, cahaya tidak bisa dijelaskan dengan mekanika klasik Newton. Fisika membutuhkan paradigma baru.
1. Relativitas khusus
Teori relativitas khusus yang dirilis pada 1905 adalah salah satu makalah terpenting yang pernah diterbitkan dalam bidang fisika. Relativitas khusus adalah penjelasan tentang bagaimana kecepatan mempengaruhi massa, waktu, dan ruang.
Teori tersebut mencakup cara kecepatan cahaya untuk menentukan hubungan antara energi dan materi; sejumlah kecil massa (m) dapat dipertukarkan dengan sejumlah besar energi (E), seperti yang didefinisikan oleh persamaan klasik E = mc^2.
Relativitas khusus berlaku untuk kasus 'khusus', dengan sebagian besar digunakan saat membahas energi besar, kecepatan yang amat cepat, dan jarak astronomi, semuanya tanpa kerumitan gravitasi.
Einstein kemudian secara resmi menambahkan gravitasi pada teorinya pada 1915, dengan menerbitkan makalahnya tentang relativitas umum.
Saat sebuah benda mendekati kecepatan cahaya, massa benda menjadi tak terhingga dan begitu pula energi yang dibutuhkan untuk menggerakkannya.
Itu berarti tidak mungkin materi apa pun bergerak lebih cepat daripada cahaya. Batas kecepatan kosmik ini mengilhami alam baru fisika dan fiksi ilmiah.
Cara Einstein temukan teori
Menurut Einstein, dalam bukunya 'Autobiographical Notes' (1949), ia mulai mempertanyakan perilaku cahaya ketika dia berusia 16 tahun. Dalam eksperimen pikiran saat remaja, tulisnya, dia membayangkan mengejar seberkas cahaya.
Fisika klasik menyiratkan bahwa ketika Einstein imajiner mempercepat dirinya untuk menangkap cahaya, gelombang cahaya pada akhirnya akan mencapai kecepatan relatif nol.
Artinya, manusia dan cahaya akan bergerak dengan kecepatan bersama, dan dia dapat melihat cahaya sebagai elektromagnetik beku.
Namun, tulis Einstein, karya ilmuwan James Clerk Maxwell mengharuskan gelombang elektromagnetik selalu bergerak dengan kecepatan yang sama dalam ruang hampa: 186.282 mil per detik (299.792.458 meter per detik).
Hal ini mengarah pada renungan tentang teori relativitas khusus, yang ia pecahkan menjadi eksperimen pemikiran lain: seseorang berdiri di samping rel kereta membandingkan pengamatan badai petir dengan seseorang di dalam kereta.
Karena ini fisika, dan konteks imajiner, kereta itu bergerak mendekati kecepatan cahaya.
Einstein membayangkan kereta api pada suatu titik di jalur yang sama di antara dua pohon. Jika sambaran petir menyambar kedua pohon secara bersamaan, orang di samping rel akan melihat serangan simultan.
Karena mereka bergerak ke arah sebuah sambaran petir dan menjauhi sambaran petir lainnya, orang yang berada di kereta akan melihat palang di depan kereta terlebih dahulu, baru kemudian palang di belakang kereta.
Einstein menyimpulkan bahwa simultanitas (keserentakan) tidak mutlak, atau dengan kata lain, peristiwa simultan yang dilihat oleh seorang pengamat dapat terjadi pada waktu yang berbeda dari sudut pandang pengamat lainnya.
Menurutnya, Bukan kecepatan cahaya yang berubah, dia sadar, tapi waktu itu sendiri yang relatif. Waktu bergerak berbeda untuk benda bergerak daripada benda diam. Sedangkan kecepatan cahaya, seperti yang diamati oleh siapa pun di mana pun di alam semesta, bergerak atau tidak bergerak, selalu sama.
Penerapan rumus
Dikutip dari situs PBS Nova, E = mc^2, diterjemahkan menjadi "energi sama dengan massa dikalikan kecepatan cahaya kuadrat." Dengan kata lain, energi (E) dan massa (m) dapat dipertukarkan. Mereka, pada kenyataannya, hanyalah bentuk yang berbeda dari hal yang sama.
Persamaan ini mengungkap hal kecil pun bisa memiliki energi sangat besar jika melaju dalam kecepatan cahaya.
"Jika Anda dapat mengubah setiap atom dalam penjepit kertas menjadi energi murni - tanpa meninggalkan massa apa pun - klip ini akan menghasilkan [energi setara] 18 kiloton TNT. Itu kira-kira ukurannya dari bom yang menghancurkan Hiroshima pada tahun 1945."
Dilatasi Waktu
Salah satu implikasi dari relativitas khusus Einstein adalah bahwa waktu bergerak relatif terhadap pengamat. Benda yang bergerak mengalami dilatasi waktu. Maknanya, benda yang bergerak sangat cepat mengalami waktu yang lebih lambat daripada saat diam.
Misalnya, ketika astronot Scott Kelly menghabiskan hampir satu tahun di Stasiun Luar Angkasa Internasional (ISS) mulai 2015, dia bergerak jauh lebih cepat daripada saudara kembarnya, astronot Mark Kelly, yang menghabiskan satu tahun di permukaan Bumi.
Karena pelebaran waktu ini, Mark Kelly menua sedikit lebih cepat dari Scott "lima milidetik".
Pada kecepatan yang mendekati kecepatan cahaya, efek pelebaran waktu bisa lebih terlihat. Bayangkan saja seorang anak 15 tahun siswa SMA dengan pergi dari Bumi dengan pesawat antariksa berkecepatan 99,5 persen dari kecepatan cahaya selama lima tahun.
Ketika si anak kembali ke Bumi, dia akan berusia 5 tahun dalam persepsi perjalanannya. Sementara, teman sekelasnya di Bumi akan berusia 65 tahun - 50 tahun.
Relativitas umum di halaman berikutnya...
Teori Relativitas Umum
Ilustrasi. Einstein menyebut cahaya melaju dalam kecepatan konstan buat semua pengamat dari posisi mana pun. (ESA/Webb, NASA & CSA, A. Martel/)
Teori ini terbit 1915, sepuluh tahun sejak teori relativitas khusus. Untuk memahami relativitas umum, pertama-tama, mari kita mulai dengan gravitasi, gaya tarik-menarik yang diberikan dua benda satu sama lain.
Menurut tiga hukum gerak Sir Isaac Newton, gaya gravitasi yang menarik antara dua benda bergantung pada seberapa masif masing-masing benda dan seberapa jauh jarak keduanya.
Saat pusat bumi menarik Anda ke arahnya (membuat Anda tetap kokoh di tanah), pusat massa Anda menarik balik Bumi. Objek yang lebih masif memang hampir tidak merasakan tarikan Anda.
Namun, dengan massa yang jauh lebih kecil, Anda tetap kukuh di tempatnya berkat gaya yang sama.
Hukum Newton berasumsi bahwa gravitasi adalah gaya bawaan dari suatu benda yang dapat bekerja pada jarak jauh.
Namun, Albert Einstein, dalam teori relativitas khususnya, dikutip dari Wired, menetapkan bahwa hukum fisika adalah sama untuk semua pengamat yang tidak dipercepat, dan dia menunjukkan bahwa kecepatan cahaya dalam ruang hampa adalah sama, terlepas dari kecepatan yang ditempuh pengamat.
Dia pun menemukan ruang dan waktu terjalin menjadi satu continum yang dikenal sebagai ruang-waktu (space-time). Dan peristiwa yang terjadi pada waktu yang sama untuk satu pengamat dapat terjadi pada waktu yang berbeda untuk yang lain.
Saat dia menyusun persamaan untuk teori relativitas umumnya, Einstein menyadari bahwa benda-benda masif menyebabkan distorsi dalam ruang-waktu.
Mudahnya, bayangkan trampolin yang di bagian tengahnya ada bola besar. Benda itu akan menekan menyebabkan lapisan tengah trompolin melengkung ke dalam.
Jika Anda mencoba untuk menggelindingkan kelereng di sekitar tepi trampolin, kelereng akan berputar ke dalam ke arah objek besar itu, ditarik dengan cara yang sama seperti gravitasi planet menarik bebatuan di ruang angkasa.
Contoh aplikasi teori ini adalah pelensaan gravitasi (gravitational lensing). Hal ini kerap ditemui pada peneropongan dengan menggunakan teleskop luar angkasa yang canggih, seperti Hubble dan James Webb.
Cahaya tampak membelok di sekitar objek masif, seperti lubang hitam, menyebabkannya bertindak sebagai lensa untuk benda-benda yang ada di belakangnya.
Para astronom pun rutin menggunakan metode ini untuk mempelajari bintang dan galaksi di balik objek masif.
Fisikawan Yohannes Surya dalam situsnya, Yohannessurya.com, menyebut pada teori relativitas umum, "Einstein memperhitungkan pengaruh gravitasi pada cahaya. Einstein menunjukkan bahwa lintasan cahaya akan mengalami pembelokan ketika berada dekat dengan benda-benda luar angkasa yang besar-besar itu."
Masihkah relevan?
Teori Einstein 'lulus ujian' ketika "menentukan gerakan presesi (gerak rotasi Bumi hingga membentuk kerucut bak gasing) dari perihelion orbit planet Merkuri."
[Gambas:Photo CNN]
"Kemudian pada tahun 1919 ketika terjadi gerhana matahari total di teluk Guinea, Afrika sekelompok ilmuwan Inggris berusaha membuktikan adanya pembelokan cahaya bintang ketika berada dekat sekali dengan matahari seperti yang diramalkan oleh Teori Relativitas Umum Einstein."
Pengujian terhadap Teori Relativitas Albert Einstein tidak berhenti sampai di situ. Profesor Fisika Simon Fraser University, Levon Pogosian dan Profesor Kosmologi University of Portsmouth, Kazuya Koyama mencoba menguji teori tersebut dan mempublikasikan studinya tahun lalu di jurnal Nature.
Mereka menguji teori Einstein untuk menjelaskan salah satu masalah terbuka dalam kosmologi yakni Tensi Hubble (Hubble Tension). Mengutip dari Big Think, Hubble Tension adalah ketidaksepakatan soal konstanta Hubble terkait tingkat ekspansi Semesta.
Satu nilai diprediksi oleh model parameter penciptaan semesta, Lambda CDM, yang dikembangkan untuk mencocokkan cahaya yang ditinggalkan oleh Ledakan Besar (Big Bang).
[Gambas:Infografis CNN]
Satu nilai ekspansi lainnya diukur dengan cara mengobservasi bintang yang meledak yang diketahui sebagai Supernova pada galaksi yang jauh.
"Untuk menemukan apakah teori relativitas umum itu benar dalam skala besar, kami mengatur, untuk pertama kalinya investigasi simultan tiga aspek dari teori tersebut yakni ekspansi semesta, efek gravitasi terhadap cahaya, dan efek gravitasi terhadap material atau benda," tulis Pogosian dalam artikelnya di The Conversation.
Pogosian dan timnya juga memanfaatkan metode statistik yang disebut Inferensi Bayesian untuk merekonstruksi gravitasi Semesta lewat sejarah kosmik dalam model berbasis komputer ke tiga parameter tersebut.
"Kami bisa mengestimasi parameter menggunakan data dari satelit Planck, katalog Supernova, dan observasi terhadap bentuk serta distribusi galaksi yang jauh menggunakan teleskop SDSS dan DES. Kami lalu mengkomparasi rekonstruksi kami dengan prediksi model LCDM (secara esensial model Einstein)" tulisnya.
"Kami menemukan petunjuk menarik soal kemungkinan ketidakcocokan prediksi Einstein, meskipun dengan signifikansi statistik yang kecil. Itu artinya, ada kemungkinan gravitasi bekerja secara berbeda pada skala yang besar dan teori relativitas umum mungkin perlu dimodifikasi," imbuh Pogosian.
Pogosian mengakui, dalam studinya, ia dan tim menemukan Hubble Tension sulit dipecahkan jika hanya mengubah teori gravitasi.
"Solusi penuhnya mungkin membutuhkan resep baru dalam model kosmologikal, hadir sebelum saat proton dan elektron pertama kali bergabung untuk membentuk hidrogen sesaat setelah Big Bang, semisal bentuk spesial dari energi gelap. Atau, bisa saja ada eror pada data yang belum kami ketahui." tulisnya.
