Aqila Course

Konsep ruang dan waktu yang revolusioner 

Kedua kejanggalan ini merupakan kunci bagi Einstein untuk tiba pada konsep gravitasi baru yang revolusioner. Setelah sepuluh tahun bergulat dengan kedua masalah ini, pada tahun 1916 Einstein muncul dengan teori gravitasi baru yang didasarkan pada cara pandang terhadap ruang dan waktu yang sama sekali berbeda dengan cara pandang Newton. Jikalau Newton memandang ruang angkasa sebagai ruang yang kosong, Einstein menganggap ruang angkasa tersebut terbuat dari anyaman medan ruang dan waktu. Teori gravitasi baru ini lebih dikenal dengan nama teori relativitas umum. 

Jikalau Newton menyarikan teori gravitasi dalam sebuah persamaan saja, Einstein menyarikannya dalam 16 buah persamaan di dalam sebuah persamaan matematik yang ditulis dengan notasi yang dikenal sebagai tensor. Persamaan tadi menghubungkan geometri ruang dan waktu dengan massa dan energi. 

Medan ruang dan waktu adalah medan 4-dimensi, tiga dimensi berasal dari ruang dan satu dimensi berasal dari waktu. Bentuk susunan anyaman ruang dan waktu ini sangat dipengaruhi oleh distribusi massa atau energi yang berada di dalam medan 4-dimensi ini. Benda angkasa seperti matahari akan melekukkan medan ini. Efek lekukannya bisa dibayangkan seperti lekukkan permukaan kasur karet yang disebabkan oleh bola bowling di atasnya. Sebagai perhatian, gambaran lekukan kasur dua dimensi ini hanyalah untuk menyederhanakan gambaran lekukan 4-dimensi yang sulit dibayangkan. Fenomena ini lebih dikenal sebagai warped space time atau ruang-waktu yang terlekuk. 

Dalam konsep ini, semakin besar massa benda semakin luas efek lekukan yang terjadi. Karena matahari memiliki massa yang cukup besar, maka efek lekukan medan ruang dan waktu memiliki jangkauan yang jauh menjangkau planet, asteroid atau benda-benda angkasa yang bermassa lebih kecil lainnya. Gerakan planet-planet yang mengorbit matahari bisa dimengerti bukan sebagai efek gaya tarik matahari melainkan karena planet-planet ini bergerak mengikuti kontur medan ruang dan waktu yang terlekuk di sekitar matahari. 

Dua tahun setelah Einstein mengajukan teorinya tentang medan ruang dan waktu, pada tahun 1918 dua fisikawan berkebangsaan Austria, Joseph Lense dan Hans Thirring, meprediksikan bahwa benda bermassa bisa merubah bentuk medan ruang dan waktu dengan cara yang lain. Mereka mengajukan bahwa setiap planet atau bintang yang berputar pada porosnya akan menyeret anyaman medan ruang dan waktu ke arah kemana planet dan bintang itu berputar. Fenomena ini dikenal sebagai seretan kerangka atau frame-dragging. 

Bisa jadi Einstein benar, tetapi tidak berarti bahwa teori gravitasi Newton sama sekali salah. Apakah setelah kita memiliki teori gravitasi Einstein lalu teori gravitasi Newton bisa ditinggalkan? Tidak! Keduanya harus sama-sama dipegang untuk bisa mengerti alam semesta ini dan fenomena-fenomena di dalamnya. Teori Einstein memang memberikan pengertian kita yang lebih akurat terhadap alam semesta. Namun demikian sampai teori Einstein bisa diuji kebenarannya di lapangan, barulah kita bisa menerima teori ini sepenuhnya. 

Test yang telah dilakukan 

Ketika mengajukan teorinya Einstein paham benar bahwa orang akan meminta bukti lapangan untuk bisa menerima teori relativitas umumnya. Oleh karena itu ia mengajukan tiga fenomena alam semesta yang bisa dijelaskan dengan menggunakan teori relativitas umum : melekuknya lintasan cahaya, gerak presisi perihelion planet Merkuri, dan pergeseran warna merah akibat gravitasi. 

Premis utama relativitas umum adalah bahwa semua materi dan energi dipengaruhi oleh medan ruang dan waktu yang terlekuk. Lintasan cahaya termasuk ke dalam kategori ini, sehingga bisa berjalan dalam garis lengkung. Cahaya yang berasal dari bintang yang sangat jauh dan terdeteksi oleh teleskop di permukaan bumi mungkin mengalami fenomena ini. Apalagi ketika cahaya itu melintas berdekatan dengan matahari. Gravitasi matahari yang cukup besar oleh Einstein diprediksikan membelokkan cahaya sejauh 1,75 detik arc. Satu detik arc sama dengan satu per per tiga ribu enam ratus derajat. 

Untuk mengamati fenomena ini, pengamatan harus dilakukan ketika sebuah bintang menempati lokasi yang dekat dengan matahari. Tetapi dalam kondisi seperti ini cahaya matahari akan menutupi cahaya bintang tersebut. Karenanya pengamatan harus dilakukan pada saat gerhana matahari total. Pada 29 Mei 1919 Sir Arthur Edington memimpin ekspedisi ke Afrika untuk pengamatan sinar bintang saat gerhana matahari total terjadi. Pada 6 November 1919, konfirmasi pembelokan lintasan cahaya yang diprediksikan Einstein dalam ketelitian sekitar 20 persen diumumkan ke dunia. Di antara tahun 1969 sampai 1975 sebanyak dua belas pengamatan dilakukan dengan menggunakan gelombang radio dan menghasilkan pengukuran dengan ketelitian satu persen dibanding dengan prediksi Einstein. 

Sesuai dengan hukum gerak dan teori gravitasi universal Newton, setiap planet akan bergerak mengelilingi matahari dalam lintasan orbit elips. Posisi terdekat dan terjauh sebuah planet dari matahari dalam lintasan tersebut masing-masing dikenal sebagai perihelion dan apehelion. Jika hanya satu planet yang mengelilingi matahari maka lintasan elips tadi tidak akan berubah, namun karena ada lebih dari satu planet dalam tata surya, planet-planet lain juga memberikan pengaruh gravitasinya yang relatif kecil kepada salah satu planet. Akibatnya orbit sebuah planet dalam tata-surya kita tidaklah statis melainkan bergerak berputar (berpresisi) terhadap Matahari. 

Dari pengamatan yang dilakukan bertahun-tahun, titik perihelion planet merkuri mengalami total presisi sejauh 574 arc detik setiap satu abad. Namun teori gravitasi Newton hanya memberikan 531 arc detik. Itu berarti masih ada perbedaan sebanyak 43 arc detik. Tidak sedikit alasan yang diajukan untuk menjelaskan angka 43 arc detik ini namun tidak ada yang berhasil menyempurnakan prediksi dengan teori gravitasi Newton ini. Namun dengan teori gravitasinya, Einstein sanggup menjelaskan perbedaan 43 arc detik dan dengan demikian menghasilkan angka yang sesuai dengan data astronomy lapangan. 

Fenomena terakhir yang diajukan oleh Einstein berhubungan dengan hilangnya sebagian energi cahaya ketika sebuah berkas cahaya keluar dari medan gravitasi sebuah benda angkasa. Ketika sebuah berkas sinar kehilangan sebagian energi, panjang gelombangnya berubah menjadi lebih panjang mengakibatkan warna cahaya tersebut akan bergeser ke arah warna merah. Itulah sebabnya fenomena ini disebut sebagai pergeseran warna merah akibat medan gravitasi. 

Eksperimen terkenal untuk membuktikan prediksi ini dilakukan oleh R.V. Pound dan G.A. Rebka di universitas Harvard pada tahun 1959 dengan menggunakan teknik yang disebut sebagai efek Mossbauer. Sinar gamma yang dihasilkan oleh elemen radioaktif kobalt dipancarkan dari lantai dasar laboratorium fisika Jefferson d

i kampus itu. Melalui lubang yang didesain mencapai tingkat teratas laboratorium setinggi 22.5 meter menghasilkan konfirmasi perbedaan frekuensi cahaya yang dihasilkan. 

Sebuah tes yang lebih akurat dari percobaan di atas adalah yang dilakukan oleh Gravity Probe A (GP A), percobaan yang menggunakan roket, di tahun 1976. Dalam percobaan ini, sebuah jam yang menggunakan cahaya maser-hidrogen dilepaskan dengan menggunakan roket Vessot-Levine. Frekuensi jam ini dibandingkan dengan frekuensi yang terdapat di bumi dan menunjukkan perbedaan yang sesuai dengan prediksi teori relativitas umum Eistein.