Skip to content Skip to sidebar Skip to footer

Teori Medan Terpadu Einstein

Pada masa hidupnya teori relativitas dan mekanika kuantum adalah bidang di mana Einstein menghasilkan karya-karyanya yang terbesar dan paling abadi dalam perkembangan ilmu fisika modern. Lewat teori relativitas khususnya Einstein mendefinisikan ulang konsep ruang-waktu relatif yang bergantung pada kerangka acuan untuk menggantikan ruang-waktu mutlak yang dikemukakan oleh Newton. Lewat relativitas khusus juga Einstein memperkenalkan entitas ruang-waktu sebagai satu kesatuan yang tidak terpisah.

Albert Einstein (1879-1955). Kredit: Time Magazine

Sedangkan melalui relativitas umum-nya Einstein seorang diri men-generalisasi-kan hukum gravitasi universal Newton. Einstein berhasil memberikan penjelasan yang termutakhir mengenai fenomena gravitasi pada skala yang lebih luas yang gagal dijelaskan oleh Newton. Konsep gravitasi sebagai gaya aksi pada jarak milik Newton direvisi oleh Einstein sebagai manifestasi dari kelengkungan ruang-waktu.

Selain berkutat dengan teori-teori yang mengatur alam semesta yang makroskopik Einstein juga punya andil besar dalam membangun teori kuantum yang mikroskopik. Lewat penjelasan teoretis yang kuat mengenai hasil eksperimen efek fotolistrik, Einstein memberikan bukti dukungan untuk memperkokoh hipotesis Planck bahwa cahaya sebagai gelombang memiliki sifat lain sebagai partikel yang terkuantisasi dalam paket energi yang disebut kuanta. Temuannya ini - disamping fenomena radiasi benda hitam Planck dan efek Compton, menandai era baru fisika modern yang disebut sebagai teori kuantum generasi pertama (teori kuantum lama) untuk merevisi dan memperbaharui hukum-hukum fisika klasik dalam menjelaskan fenomena partikel pada skala mikroskopik.

Selesai dengan teori relativitas umumnya, Einstein masih menyimpan sebuah mimpi terbesar dalam hidupnya untuk merumuskan teori medan terpadu (grand unified theory). Setelah puncak kejayaannya dengan teori relativitas umum, Einstein menghabiskan sisa waktu hidupnya untuk mengejar mimpi terbesarnya ini dengan sangat sedikit keberhasilan. Tanpa mengurangi rasa hormat atas pencapaian-pencapaiannya, mimpi teori medan terpadu Einstein tidak berhasil diwujudkannya hingga Ia tutup usia.

Dalam impiannya merumuskan teori medan terpadu, Einstein berharap dapat menggabungkan dua gaya fundamental yang dikenal pada saat itu. Dua gaya fundamental tersebut adalah teori gravitasi milik Einstein sendiri (teori relativitas umum) dan teori elektromagnetisme Maxwell. Einstein ingin menyatukan kedua teori ini secara bersama-sama ke dalam satu kerangka fisik dan persamaan (rumus) matematika yang tunggal. Teori yang menjadi impian terbesar Einstein ini lebih jauh jangkauannya jika dibandingkan dengan salah satu dari teori-teori individual yang berdiri sendiri yang pernah dirumuskannya.

Dalam ilmu fisika, penyatuan atau penggabungan dua atau lebih teori dalam satu kerangka fisik atau persamaan (rumus) tunggal memainkan peranan penting dalam sejarah perkembangan ilmu fisika itu sendiri. Banyak prestasi terbesar dalam ilmu fisika merupakan hasil dari penyatuan. Penyatuan dalam konteks ini, itu berarti menyatukan dua atau lebih gagasan atau teori fisika yang dianggap sama sekali berbeda dan untuk membuktikan bahwa aspek teori yang berbeda tersebut sebenarnya berasal dari fenomena mendasar yang sama.

Sebagai contoh, dahulu sebelum Sir Isaac Newton, apa yang kita kenal sekarang sebagai gravitasi hanya dipandang sebagai kekuatan yang menarik benda-benda ke bawah menuju Bumi. Di sisi lain Johannes Kepler dan para astronom/ilmuwan lain menunjukkan bahwa planet bergerak mengelilingi Matahari mengikuti orbit berbentuk elips. Pada saat itu, tidak ada satupun yang tahu mengapa dan apa yang menyebabkan planet bergerak mengelilingi matahari mengikuti orbit tersebut.

Misteri ini baru bisa dipecahkan setelah Newton datang dengan teori gravitasi universal-nya. Newton menggabungkan atau menyatukan kedua fenomena yang tampaknya sangat berbeda tadi dengan satu prinsip yang menyeluruh. Newton mengusulkan bahwa semua benda yang memiliki massa (bobot) akan saling tarik-menarik satu sama lain dengan kekuatan (gaya) yang sebanding dengan massa benda-benda tersebut, dan berbanding terbalik dengan kuadrat (pangkat dua) dari jarak yang memisahkan benda-benda tersebut, - gaya ini disebut gravitasi. Dengan hubungan yang sederhana ini, Newton dapat menjelaskan bahwa peristiwa jatuhnya benda ke bumi, gerak bulan mengitari bumi, dan gerakkan planet mengelilingi matahari disebabkan oleh gaya yang sama yaitu gravitasi.

Sebelum abad ke-19, fenomena listrik dan magnetisme dianggap sebagai fenomena yang tidak berhubungan sama sekali. Fenomena listrik bertanggung jawab terhadap hal-hal seperti kilat, dan muatan statis, sedangkan di sisi lain fenomena magnet menyebabkan jarum kompas mengarah ke utara. Pada saat itu listrik dan magnet dipandang sebagai kekuatan (gaya) yang sama sekali berbeda dan memiliki perilaku yang berbeda.

Setelah karya Michael Faraday dan James Clerk Maxwell pada pertengahan tahun 1800-an baru diketahui bahwa listrik dan magnet merupakan fenomena yang saling berkaitan. Bahkan, mereka menemukan bahwa medan magnet itu sendiri tidak lebih dari medan listrik yang bergerak,- dengan kata lain magnet hanyalah listrik yang bergerak. Listrik dan magnet mungkin terlihat sebagai gaya yang berbeda yang mengakibatkan fenomena yang berbeda, tapi sebenarnya listrik dan magnet hanyalah sisi yang berbeda dari koin mata uang yang sama. Setelah karya Faraday dan Maxwell kita akhirnya mengenal yang namanya elektromagnetisme sebagai gabungan atau teori terpadu dari listrik dan magnet yang sebelumnya dianggap sebagai dua teori yang berbeda.

Ketika dua ide atau konsep fisis ditemukan saling terhubung seringkali melahirkan atau mengungkapkan fenomena-fenomena baru. Dalam kasus elektromagnetisme, Maxwell membuktikan bahwa persamaan yang dirumuskan untuk menghubungkan listrik dan magnet ternyata juga menggambarkan sifat dan perilaku gelombang cahaya. Sehingga pada akhirnya Maxwell sampai pada kesimpulan yang tidak bisa dibantah bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik; yaitu kombinasi dari medan listrik dan magnet yang berosilasi dan bergerak bersama melalui ruang.

Setiap kali fisikawan berhasil menyatukan serangkaian fenomena yang tampaknya tidak berhubungan maka akan melahirkan teori baru yang lebih kuat. Teori baru (teori terpadu) yang lebih kuat ini dapat menjelaskan dan memprediksi lebih banyak hal daripada apa yang bisa dijelaskan oleh masing-masing teori tersebut sebelum digabung. Selain itu, teori baru (teori terpadu/gabungan) juga dapat menjelaskan hal-hal yang sebelumnya dijelaskan oleh masing-masing teori sebelum digabung dengan jauh lebih sederhana.

Sebagai contoh teori gravitasi universal Newton bisa menjelaskan mengapa benda jatuh dan mengapa planet bergerak dalam orbit elips sebagai sebuah fenomena yang sama. Ini jelas menjadikannya lebih sederhana dibandingkan dengan harus menjelaskannya sendiri-sendiri berdasarkan teori-teori sebelumnya. Di samping itu teori Newton dapat digunakan untuk memahami dan memprediksi lebih banyak hal yang tidak bisa dilakukan oleh teori-teori sebelumnya saat masih berupa teori-teori individual. Maksudnya, dengan persamaan Kepler yang mendeskripsikan lintasan elips planet, tidak bisa dipakai untuk mencari tahu berapa berat astronot saat berada di bulan atau berapa kecepatan yang dibutuhkan satelit untuk bisa mengorbit bumi. Ini semua hanya bisa dihitung dan diprediksi menggunakan teori yang sudah terpadu yaitu teori gravitasi Newton.

Einstein juga ingin mencari teori terpadu yang sama dengan gravitasi Newton maupun elektromagnetisme Maxwell. Usaha pencarian untuk teori medan terpadu dimulai Einstein hanya beberapa tahun setelah Ia menyelesaikan teori relativitas umumnya. Pada saat itu, ada dua teori mendasar yang menjadi pusat bagaimana fisikawan memahami alam semesta, yang pertama adalah teori relativitas umum Einstein yang menjelaskan fenomena gravitasi, dan hubungannya dengan ruang-waktu. Lalu yang kedua adalah teori elektromagnetisme yang didefinisikan dalam seperangkat empat persamaan yang dikenal sebagai persamaan Maxwell. Persamaan Maxwell dapat digunakan untuk menggambarkan berbagai fenomena yang terkait dengan listrik dan magnet, termasuk cahaya. Jadi dari sudut pandang Einstein, ada dua sisi alam yang berbeda di hadapannya yang diwakili oleh dua teori yang berbeda yang harus disatukan.

James Clerk Maxwell (1831–1879). Sumber: wikipedia

Einstein sangat mengagumi James Clerk Maxwell, dan dia sangat menghormati dan menjunjung tinggi persamaan elektromagnetisme Maxwell. Bersama dengan teori relativitas umum Einstein kedua teori ini merupakan beberapa pencapaian terpenting dan terbesar dalam sejarah perkembangan ilmu fisika. Teori relativitas umum dan elektromagnetisme pada dasarnya tampak tidak berhubungan satu sama lain. Tapi Einstein tidak begitu yakin akan dengan apa yang ‘tampak’ tersebut.

Sama seperti listrik dan magnet yang sebelumnya tampak tidak berhubungan sama sekali namun pada era Faraday dan Maxwell menunjukkan hal yang sebaliknya. Einstein ingin menaruh curiga yang sama terhadap relativitas umumnya dan elektromagnetisme Maxwell. Seperti banyak fisikawan hebat sebelumnya, Einstein terinspirasi untuk membuat teori yang lebih kuat dan dapat diterapkan secara luas karena mencakup penyatuan gaya alam yang paling fundamental. Tentu saja jika upaya ini berhasil maka teori terpadu Einstein ini dapat memprediksi dan menjelaskan lebih banyak fenomena alam daripada apa yang bisa dilakukan oleh para pendahulunya.

Saat ini kita mengetahui bahwa penyatuan teori medan terpadu adalah upaya untuk menyatukan empat macam gaya fundamental yang ada di alam semesta. Tapi bagi Einstein saat itu teori medan terpadu hanya sebatas pada penyatuan gravitasi (relativitas umum) dan gaya elektromagnetisme. Hal ini dikarenakan pada saat itu dua gaya fundamental yang lain yaitu gaya nuklir kuat dan gaya nuklir lemah belum ada, atau lebih tepatnya baru lahir dan sedang dalam tahap dikembangkan menuju teori yang kokoh. Bahkan kedua gaya ini baru bisa berdiri kokoh dan dipahami dengan baik bertahun-tahun lamanya jauh setelah kematian Einstein.

Oleh karena kedua jenis gaya nuklir ini belum mapan saat itu maka dalam membangun teori medan terpadu-nya Einstein mengabaikan kedua jenis gaya nuklir tersebut. Einstein hanya fokus pada penyatuan antara medan gravitasi yang dirumuskan oleh teori relativitas umum-nya sendiri dengan medan gaya elektromagnetisme yang dirumuskan oleh empat persamaan elektromagnetisme dari Maxwell. Dengan adanya dua gaya lain yaitu dua jenis gaya yang pondasinya sudah kokoh saat ini, maka dalam perkembangan fisika modern pendekatan penyatuan medan terpadu Einstein mulai ditinggalkan.

Hingga akhir hayatnya Einstein tidak berhasil mewujudkan impiannya untuk menyatukan dua gaya fundamental alam semesta yang teorinya sudah kokoh pada masa itu. Ide dan usaha Einstein yang gagal ini pada akhirnya menginspirasi dan memotivasi fisikawan dan penelitian modern untuk menyatukan empat gaya fundamental saat ini, yaitu gravitasi, gaya elektromagnetisme, gaya nuklir kuat dan gaya nuklir lemah dalam kerangka teori segalanya (theory of everything). Sampai saat ini fisikawan baru bisa menyatukan ketiga gaya fundamental selain gaya gravitasi Einstein. Sisanya masih menjadi area penelitian terbuka untuk seluruh fisikawan dunia.

Sumber:

[1] Hooper, D. 2020. What is Einstein’s Unified Field Theory, di https://www.thegreatcoursesdailiy.com.

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/classical_unified_field_theories.

Ricky Hamanay
Ricky Hamanay Yuditya Hamdani Hamanay; penulis sains amatir. Blogger sejak 2013