Menggebrak Dunia, Teori Relativitas Einstein Masih Layak?

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.

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...