Pengujian Relativitas Umum : sudut pandang sejarah

Oleh : Iqbal Robiyana

 

Salah satu inspirasi tulisan ini adalah film yang dirilis pada tahun 2008, Einstein and Eddington. Banyak hal yang dapat dimaknai dari film tersebut, salah satunya adalah perjalanan panjang dalam membuktikan sebuah teori yang amat revolusioner. Teori Relativitas Umum. Selamat membaca.

Berawal dari Relativitas Khusus

Teori ini sebenarnya adalah perluasan dari teori relativitas khusus yang ia konstruksi pada tahun 1905. Teori Relativitas Khusus atau TRK tersaji utuh dalam paper yang berjudul "On the Electrodynamics of Moving Bodies". TRK ini memberikan gagasan baru mengenai cara pandang kita tentang ruang-waktu. Bahwa "waktu mutlak" (yang independen terhadap segala perilaku materi di jagat raya, seperti yang diidealkan Newton) tidaklah ada. Dan waktu justru menjadi satu koordinat yang tak terpisahkan dengan tiga koordinat ruang (dari geometri Euclid) dalam jagat raya, sehingga waktu menjadi relatif karena dipengaruhi oleh ruang, dan menciptakan entitas baru yang dinamakan "ruang-waktu" yang berdimensi-4.

Konsep revolusioner mengenai ruang-waktu itu tidak diperoleh Einstein dengan mengembangkan konsep matematika baru, melainkan dengan mengembangkan konsep ruang-waktu "kuno" melalui prosedur operasional. Konsep "kerangka Lorentz" yang ia kembangkan bersama-sama dengan postulatnya mengenai nilai kecepatan cahaya yang tak bergantung pada pemilihan kerangka inersial (Lorentz), merupakan dasar dari teori relativitasnya.

Makalah Einstein Dipelajari oleh Sir Arthur Eddington

Semuanya bermula saat suatu hari dipelataran Cambrigde pada 1914, terjadi perbincangan antara Sir Oliver [1] dengan Eddington [2]. Ia menginstruksikan Eddington untuk mempelajari penelitian Einstein dan mengkaji keterhubungannya dan/atau perbedaannya dengan ide-ide dasar perumusan hukum-hukum Newton.Hasil kajiannya itu harus dipresentasikan dihadapan fisikawan lain di Cambridge.

Kini, dihadapan seorang fisikawan kepala astronomi Cambridge itu terhampar sebuah makalah yang berjudul "Zur Elektrodynamik bewegter Korper" (dalam bahasa inggris: On the Electrodynamics of Moving Bodies) buah karya fisikawan teori A. Einstein. Sebuah makalah tanpa references, tanpa acknowledgement. Sebuah makalah yang seolah nampak sebagai permainan matematika semata, tanpa bisa dihubungkan alih-alih dibuktikan dalam kehidupan nyata.

Dalam presentasinya di hadapan rekan-rekan fisikawan Cambridge ia hanya mengambil satu inti sari dari paper setebal 30 halaman tersebut. Bahwa: Time. . .is at a different speed in the universe, depending on how fast you are moving. The faster you move, the more times slows down.

Walaupun ternyata mendapatkan penolakan dari para fisikawan Cambridge saat itu. Namun, rupanya Eddington amat setuju dengan ide yang Einstein tulis dalam makalah tersebut. Dan ia berkeyakinan setiap teori yang diajukan harus ada cara pembuktiannya di dunia nyata. Beberapa hari setelah itu, ia menulis surat kepada Einstein, menanyakan bagaimana teorinya menjelaskan tentang realitas alam. Semenjak itulah korespondensi antara keduanya terjalin.

Prediksi Relativitas Umum untuk Presisi Orbit Perohelion Merkurius

Salah satu permasalahan klasik dari hukum gravitasi Newton adalah ketidaksesuainnya prediksinya terhadap presisi orbit Merkurius [3]. Bermula saat seorang astronomer asal Perancis, Le Verriere pada 1846 mencoba melakukan kalkulasi dan observasi mengenai presisi orbit planet berdasarkan hukum Newton. Ia mendapati bahwa orbit dari sebuah planet yang mengelilingi matahari memang tunduk pada hukum gravitasi Newton.

Namun, saat ia melakukan pengamatan pada merkurius, ia mendapati hal yang berbeda. berdasarkan pengamatan dengan berdasarkan kalkulasi dari teori newton yaitu menyisakan 38 detik busur yang tak terjelaskan oleh teori Newton. Pada 1890, Newcomb melakukan pengamatan secara seksama terhadap apa yang dilakukan oleh Le Verriere. ia mendapati bahwa presisi tersebut harusnya 43 derajat detik busur. efek apakah yang menyebabkan munculnya angka ini? padahal efek angguan gravitasi yang dihitung oleh teori gangguan Newtonian dari gerakan planet lain, seperti Venus, bumi dan Jupiter telah diperhitungkan?

Tidak banyak orang yang memperhatikan keganjilan ini. Dan lebih menganggapnya sebagai kebenaran dengan adanya prinsip aproksimasi dan kompleksitas. Namun, justeru fakta inilah yang disadari oleh Eddington. Ia kemudian menulis sepucuk surat kepada Einstein untuk meminta penjelasan terkait prediksi teori relativitasnya bagi orbit merkurius.

Sangat mengesankan!!! teori relativitas Eintein berhasil memberikan prediksi yang sempurna bagi presisi orbit merkurius. Presisi sebesar 43 detik busur per abad yang tak terpecahkan itu ternyata murni berasal dari akibat digunakannya relativitas umum. Eddington segera menyadari bahwa Einstein telah mendekatkan teorinya pada masalah gravitasi.

Jika melihat "The Collected Papers of Albert Einstein", hasil perhitungan yang ia berikan kepada Eddington, ia sampaikan juga dalam kuliahnya di Prussian Academy of Sciences, Berlin pada 18 Nopember 1918.Kuliah yang ia bawakan berjudul: "Erklarung der Perihelbewegung des Merkur aus der allgemeinen Realtivitatstheorie" (Explanation of the Perihelion Motion of Mercury from General Relativity Theory). Dalam penjelasannya, ia mengawali dari medan gravitasi dan dengan sejumlah aproksimasi. sungguh perumusan yang amat kompleks.

Tak lama kemudian, datang sepucuk surat dari Karl Schwarzschild (seorang fisikawan jerman). Dalam surat itu, Karl menyatakan bahwa ia memberikan perhatian lebih pada perhitungan Einstein terkait dengan perihelion merkurius. Ia kemudian mengajukan perhitungan yang nampak lebih sederhana ketimbang yang Einstein lakukan.

Efek Pembelokan Cahaya dan Ekspedisi Gerhana Matahari 1919

Sebenarnya, pada 1911, Einstein mempublikasikan papernya yang berjudul, "On the Influence of Gravitation on the Propagation of Light". Dalam paper setebal 8 halaman itu, Einstein meramalkan bahwa cahaya dapat dibelokkan oleh medan gravitasi. Namun, barulah pada 15 November 1915, paper berjudul "On The General Theory Of Relativity" merampungkan apa-apa yang telah Einstein ramalkan sebelumnya. Einstein sampai pada kesimpulan bahwa ruang-waktu bersifat lengkung. kehadiran massa melengkungkan ruang-waktu disekitarnya.

Gambarannya seperti ini. Jika cahaya bintang melewati sebuah benda langit massif seperti matahari, maka ramalan Einstein adalah cahaya bintang itu akan dibelokkan di sekitar matahari tersebut. Membeloknya cahaya bintang itu bukan disebabkan oleh tertariknya cahaya bintang karena pengaruh gaya gravitasi matahari, melainkan ruang-waktu di sekitar matahari tersebut melengkung.

Untuk menguji keabsahan teorinya tersebut adalah dengan mengamati cahaya bintang yang dekat dengan matahari. membandingkan dua plat foto beberapa bintang yang diambil saat gerhana matahari dengan foto bintang tersebut di malam hari. Jika memang ada gap, berarti itu membuktikan bahwa cahaya dibelokan oleh matahari. Eddington melakukan ekspedisi ke daerah Principe, Afrika. Tempat terbaik untuk mengamati gerhana matahari pada 1919. Hasilnya, Eddington mendapati bahwa memang terdapat gap antara kedua foto tersebut. Yang artinya, cahaya dibelokkan disekitar matahari. Ruang-waktu disekitar matahari melengkung.

So, we have a new theory of Gravity :)

Catatan :

1. Sir Oliver atau yang bernama Sir Oliver Joseph Lodge adalah fisikawan Inggris yang lahir pada tahun 1851. Peraih Rumford Medal dari Royal Society pada 1898. Dia adalah pemegang paten pada Wireless Telegraphy.
2. Sir Eddington, nama lengkap: Arthur Stanley Eddington adalah astrofisikawan inggris yang memiliki kemampuan terbaik dalam hal pengukuran dan observasi saat itu. Lahir pada 28 Desember 1882 di daerah Cumbria, Inggris. Eddington menulis sejumlah artikel terkait teori relativitas dalam bahasa inggris. Dan boleh dikatakan bahwa ia adalah astrofisikawan inggris pertama yang menerima teori relativitas Einstein.
3. Presisi orbit merkurius dari eksperimen adalah 5600 detik busur per abad. sedangkan perhitungan berdasar teori Newton adalah 5557 detik busur. Nilai tersebut berasal dari rotasi bumi berdasarkan sistem kerangka koordinat astronomik sebesar 5025 detik busur. Dan gangguan Newtonian dari gerakan planet lain, seperti Venus, bumi dan Jupiter sebesar 532 detik bususr.

Sumber Gambar: http://www.fisikanet.lipi.go.id.