Skip to content Skip to sidebar Skip to footer

Dari Relativitas Khusus Einstein ke Relativitas Umum Einstein

Pada tahun 1905 Einstein mengemukakan teori relativitasnya yang pertama yang disebut sebagai teori relativitas khusus. Teori relativitas khusus menggambarkan bagaimana ukuran panjang ruang dan durasi waktu dapat berbeda pada pengamat yang bergerak dengan kecepatan berbeda dalam kerangka acuan yang berbeda.

Source: cantor's paradise

Pada saat itu relativitas khusus dapat memprediksi banyak fenomena fisika dengan tepat, meskipun demikian Einstein menyadari bahwa teorinya masih belum lengkap. Relativitas khusus hanya dapat diterapkan pada objek yang bergerak dengan kecepatan yang konstan. Teori relativitas khusus ibarat sebuah teori yang hanya menggambarkan atau menjelaskan gerakan sebuah mobil dengan kecepatan konstan atau kecepatan yang tetap.

Relativitas khusus tidak menghitung percepatan atau ‘perlambatan’ yang terjadi pada mobil. Jadi, jika mobil bergerak dengan kecepatan yang konstan sebesar 100 km/jam misalnya, maka relativitas khusus dapat menjelaskan dan menggambarkan kasus ini dengan tepat. Namun, jika kecepatan mobil dinaikkan (dipercepat) atau diturunkan (diperlambat) diakibatkan oleh pedal gas yang diinjak lebih kuat atau lebih pelan, atau karena terjadi pengereman atau pergantian gigi dan sebagainya, maka teori relativias khusus menjadi tidak berlaku lagi. Jadi, menurut Einstein masih ada yang kurang dari teori relativitas khusus-nya dan perlu diselesaikan.

Analogi kecepatan mobil 100 km/jam di atas hanya sebatas perumpamaan, karena sejatinya relativitas khusus berlaku hanya pada objek dengan kecepatan yang mendekati kecepatan cahaya. Kurang dari itu, relativitas khusus akan tereduksi kembali ke mekanika newton. Artinya, dalam kecepatan normal yang kita temui sehari-hari berlaku mekanika Newtonian.

Selain masalah gerak suatu objek, di sisi lain, teori gravitasi yang berlaku pada saat itu yaitu teori gravitasi Newton menggambarkan gravitasi sebagai gaya tarik menarik yang bekerja secara instan. Bekerja secara instan itu berarti bahwa gravitasi bekerja pada saat itu juga ketika dua atau lebih objek yang memiliki massa (gravitasi) saling berinteraksi pada jarak tertentu tanpa harus ada penundaan waktu. Jika gravitasi bekerja secara instan pada saat itu juga tanpa ada penundaan waktu, maka gravitasi seharusnya bekerja dengan kecepatan yang melebihi kecepatan cahaya.

Contohnya, karena jarak antara matahari dan bumi yang sangat jauh maka cahaya matahari membutuhkan waktu 8 menit untuk bergerak dari matahari ke bumi. Karena itu, jika suatu waktu matahari tiba-tiba lenyap, maka baru 8 menit kemudian kita sebagai pengamat di bumi menyadari bahwa matahari telah lenyap. Sebaliknya, karena gravitasi menurut Newton adalah gaya instan, maka saat matahari lenyap maka pada saat itu juga bumi akan terbebas dari gaya gravitasi matahari. Hal ini berarti bahwa gravitasi lebih cepat dari kecepatan cahaya.

Menurut teori relativitas khusus, tidak ada objek atau materi yang dapat bergerak dengan kecepatan yang melebihi kecepatan cahaya. Jadi, ada kesulitan yang dihadapi dalam upaya mendamaikan relativitas khusus dengan aspek gravitasi Newton. Hal ini berarti bahwa teori relativitas khusus Einstein meninggalkan dua pertanyaan penting yang tidak terpecahkan dan harus dijawab pada masa itu. Masalah pertama adalah masalah percepatan dari gerak objek yang bergerak dengan kecepatan tinggi sedangkan masalah kedua adalah gravitasi.

Setelah mempublikasikan teori relativitas khususnya, butuh satu dekade bagi Einstein untuk memperluas teori relativitasnya menjadi teori yang lebih umum. Teori ini — teori relativitas umum — bukan hanya teori ruang dan waktu, tetapi juga memberi definisi dan pemahaman yang lebih dalam dan lebih kuat tentang gravitasi. Dalam teori ini, Einstein memasukkan percepatan dan konsep gravitasi yang kemudian melahirkan sebuah prinsip dalam relativitas umum yang dikenal sebagai prinsip kesetaraan.

Untuk memahami konsep dari prinsip kesetaraan ini bayangkan seorang pengamat yang berada dalam sebuah ruangan terisolasi. Dalam ruangan ini pengamat tidak dapat mendengar, melihat, atau mengetahui tentang apapun yang terjadi di luar ruangan. Lebih spesifik lagi, andaikan bahwa ruang tertutup ini adalah sebuah kapsul ruang angkasa yang sedang berada di luar angkasa. Jadi, dalam kasus ini pengamat akan melayang dalam kapsul.

Kemudian, dengan suatu cara, kapsul tersebut ditarik keatas dengan sebuah percepatan tanpa diketahui oleh si pengamat. Pada saat itu terjadi, pengamat yang berada di dalam ruangan tersebut yang tadinya melayang akan mulai bergerak ke ‘bawah’ dan kakinya akan menyentuh lantai kapsul. Karena ketiadaan informasi, pengamat tidak akan bisa membedakan atau mengetahui fenomena apa yang dialaminya, apakah dia menyentuh lantai kapsul karena gravitasi atau karena percepatan (akselerasi).

Untuk lebih mudahnya lagi, bayangkan kondisi kita dalam sebuah lift yang bergerak ke lantai atas sebuah gedung. Saat lift bergerak naik maka kita merasakan kekuatan ke bawah yang membuat kita merasa sedikit lebih ‘berat’ dari biasanya. Sebaliknya, jika lift bergerak ke bawah maka kita akan merasakan tarikan atau tekanan ke kaki kita lebih lemah sehingga kita merasa menjadi lebih ringan dari biasanya.

Jadi, gaya gravitasi terasa persis sama dengan efek percepatan. Bagi pengamat yang terisolasi di dalam ruangan tertutup, tidak ada cara untuk mengetahui apakah gaya yang dialaminya adalah gravitasi, atau justru konsekuensi dari ruangan yang dipercepat. Ini adalah esensi dari prinsip kesetaraan Einstein yang menuntun Einstein untuk berspekulasi bahwa akselerasi dan gravitasi sangat saling berhubungan.

Salah satu konsekuensi yang sangat penting dari prinsip kesetaraan adalah bahwa berkas cahaya harus secara halus dibelokkan atau ditekuk oleh gravitasi. Kembali pada analogi ruang tertutup atau kapsul ruang angkasa sebelumnya. Jika pada salah satu dinding kapsul tersebut terdapat penembak sinar ‘laser’ maka saat kapsul dalam keadaan diam, berkas sinar laser akan bergerak menuju dinding di seberangnya dalam sebuah lintasan garis lurus. Namun, jika kapsul tersebut bergerak ke atas dengan sebuah percepatan maka berkas sinar laser tidak akan menyentuh dinding di seberangnya di titik yang sama seperti saat kapsul dalam keadaan diam (sebelumnya). Jadi, lintasan berkas cahaya tersebut dibelokkan atau mengalami pelengkungan.

Dalam sebuah artikelnya yang diterbitkan pada tahun 1911 berjudul "Pada Pengaruh Gravitasi pada Propagasi Cahaya," Einstein menyajikan perhitungan yang menunjukkan bahwa sinar cahaya yang melewati Matahari harus dibelokkan. Maksudnya, matahari mengakibatkan ruang-waktu disekitarnya melengkung, sehingga jika ada cahaya lain – misalnya cahaya dari bintang lain - yang melintasi matahari maka lintasan cahaya tersebut akan dibelokkan.

Dalam keadaan normal, setiap cahaya yang dibelokkan oleh Matahari akan 'hilang' di lautan cahaya matahari yang jauh lebih terang. Sehingga, untuk melihat atau mendeteksi berkas cahaya yang dibelokkan saat melintas melewati Matahari, cahaya Matahari harus dihalangi. Jadi, agar pengukuran seperti itu berhasil, maka harus dilakukan pada kondisi gerhana matahari yang hampir sempurna. Akan mudah untuk mendeteksi penyimpangan kecil di jalur cahaya ketika matahari benar-benar terhalang. Pada saat itu, Einstein berharap bahwa ramalannya beserta prinsip kesetaraan akan terbukti benar.

Einstein menghabiskan tahun-tahun menjelang gerhana matahari dengan mempertimbangkan beberapa pertanyaan konseptual yang dimunculkan oleh kemungkinan pembelokkan cahaya. Dalam banyak aplikasi, sinar cahaya telah lama digunakan sebagai definisi dari sebuah "garis lurus." Jadi, jika gravitasi Matahari dapat menekuk lintasan cahaya, maka kesimpulannya gravitasi dapat mengubah geometri ruang.

Karena lintasan cahaya tercipta saat cahaya bergerak dari satu titik ruang-waktu yang sebelumnya ke titik ruang-waktu yang selanjutnya, maka lintasan melengkung tersebut tercipta pada ruang-waktu yang melengkung. Dengan kata lain, gravitasi adalah kelengkungan ruang-waktu. Dengan wawasan ini, Einstein mulai mengenali hubungan mendalam yang ada antara apa yang kita sebut gravitasi, dan geometri ruang dan waktu.

Pada tahun 1919, astronom Inggris bernama Sir Arthur Eddington membuktikan kebenaran teori Einstein lewat pengamatan lintasan cahaya dari bintang lain yang melintasi matahari selama gerhana matahari. Selama gerhana berlangsung, dengan bantuan teleskop ia memotret beberapa bintang dari gugus Hyades termasuk Kappa Tauri dari konstelasi Taurus di wilayah sekitar matahari. Karena lintasan cahaya dibelokkan, maka posisi bintang yang diamati akan tampak sedikit bergeser oleh pengamat di bumi ketika cahaya bintang tersebut melintasi wilayah di sekitar matahari, dan itulah yang diperoleh Eddington.

Hasil pengamatan Eddington menjadi bukti pertama yang mendukung teori relativitas umum Einstein dan menjadi berita utama di semua surat kabar dunia. Eddington turut mempopulerkan teori relativitas umum Einstein terutama saat ia memberikan kuliah. Teori ini kemudian berhasil memecahkan banyak teka-teki yang sebelumnya tidak dapat dipecahkan oleh gravitasi Newton, dan menjadi landasan bagi umat manusia untuk lebih memahami perilaku alam semesta.

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