Prinsip Ekivalensi (Einstein)

Pada tulisan sebelumnya, telah disampaikan mengenai prinsip ekivalensi berdasarkan teori gravitasi Newton. Sekarang, kita akan lihat bagaimana Albert Einstein menjelaskan teori relativitas umumnya denggunakan prinsip ekivalensi yang sama.

Einstein melihat bagaimana seharusnya cahaya dipengaruhi oleh gravitasi. Dalam contoh sebelumnya, digunakan boneka beruang yang jatuh dari tempat tidur, yang satu dalam kondisi ruang yang diam di bumi, dan yang lainnya dalam kondisi ruang bergerak dengan percepatan g = 10 ms-2. Untuk mencermati teori Einsein, gantikan boneka beruang dengan cahaya senter. Mari kita ber-gedankenexperiment1.

Prinsip ekivalensi jika diterapkan pada cahaya. Jika kecepatan pesawat cukup besar, kita dapat mengamati pembelokan yang terjadi.

Prinsip ekivalensi jika diterapkan pada cahaya. Jika kecepatan pesawat cukup besar, kita dapat mengamati pembelokan yang terjadi.

Dalam pesawat yang bergerak itu, jika kita sorotkan cahaya senter ke dinding, maka lintasan cahaya itu akan berbelok ke arah berlawanan dengan arah gerak pesawat. Tak akan terlihat memang, jika pesawat bergerak dengan kecepatan biasa saja, tapi bagaimana kalau kecepatan pesawat diubah menjadi sangat tinggi? Cukup masuk akal, hanya saja tidak/belum bisa dibuktikan secara empiris, walau hukum Fisika yang dipakai saat ini membenarkannya.

Nah, jika demikian, tentunya apabila cahaya senter disorotkan dalam ruang yang diam namun dengan percepatan gravitasi yang sama nilainya dengan percepatan gerak pesawat tadi, cahaya tentu juga akan berbelok. Ingat kembali prinsip ekivalensi. Kesimpulannya, gravitasi membelokkan cahaya.

Ini tentunya memberikan pandangan baru yang sama sekali berbeda dengan pandangan klasik Newtonian. Dalam pandangan Newtonian, absurd mengatakan cahaya yang tak bermassa itu bisa terpengaruh oleh gravitasi. Tapi “hukum” mengharuskan hal demikian itu terjadi. Selain itu, ada hal baru yang ditunjukkan Einstein: bahwa massa dan energi bukanlah dua entitas yang terpisah, melainkan saling bergantung.

Pandangan Einstein selanjutnya menggunakan prinsip Fermat dalam optik: cahaya yang bergerak antara 2 titik selalu melewati lintasan yang membutuhkan waktu tempuh paling pendek. Dalam ruang klasik (Euclidean2), lintasan ini seharusnya berupa garis lurus. Namun cahaya dibelokkan oleh gravitasi, dan lintasan yang berbelok bukanlah garis lurus. Kesimpulan Einstein, ruang itu tidak Euclidean! Dalam perkataan umum, ruang itu tidak datar.

Penerapan prinsip ekivalensi pada cahaya sudah menjatuhkan teori Newton.

Einstein akhirnya mengembangkan secara penuh teori gravitasinya, yang dikenal sebagai teori Relativitas Umum, dengan melakukan operasi-operasi matematis yang rumit. Jika bagi Newton massa dan energi tidak terkait secara langsung, oleh Einstein didapatkan bahwa massa sebanding dengan energi, dimana E = m c2. Selain itu, ruang dan waktu, yang bagi Newton merupakan hal yang terpisah, bagi Einstein adalah satu kesatuan yang membentuk “ruang” 4-dimensi3, dinamakan ruang-waktu (space-time). Ruang-waktu yang melengkung akan membuat benda yang berada di dalamnya bergerak mengikuti kelengkungan tersebut.

Dan inilah definisi gravitasi oleh Einstein: kelengkungan ruang-waktu. Sebuah benda yang bermassa besar akan membuat ruang-waktu melengkung, seperti batu besar di atas sebuah kasur per. Bagi Newton, gaya gravitasi dari benda bermassa besar (m1) akan membuat benda bermassa lebih kecil (m2) tertarik ke m1. Tapi bagi Einstein, benda m2 hanya mengikuti kelengkungan ruang-waktu yang disebabkan oleh m1 tadi. Seperti kelereng kecil di sekitar batu besar yang melengkungkan kasur per tadi. Kelereng akan mendekat ke batu, seperti itulah analoginya.

Ilustrasi pembelokan cahaya oleh benda bermassa.

Ilustrasi pembelokan cahaya oleh benda bermassa. Dari http://realityshifters.com

Cahaya tidak bermassa, tapi kalau dia lewat di ruang-waktu yang melengkung, dia tetap akan terpengaruh. Sebab cahaya hanya bergerak mengikuti “kontur” (geodesic) ruang waktu. Untuk membuat kelengkungan ruang-waktu yang cukup besar sehingga kita dapat mengamati efek pembelokan cahaya, maka massa benda haruslah besar juga. Matahari, misalnya. Cahaya dari bintang yang persis di belakang Matahari seharusnya tidak bisa terlihat karena terhalang, namun kenyataannya Matahari melengkungkan ruang-waktu disekitarnya, sehingga cahaya itu berbelok dan dapat dilihat.

Berikut perbandingan teori gravitasi Newton dan Einstein:

Newtonian

Massa menyuruh gravitasi untuk menimbulkan gaya (F = - G M m / r2).

Gaya menunjukkan pada massa bagamana bergerak dengan percepatan (F = m a).

Einsteinian

Massa-energi mengatakan pada ruang-waktu cara untuk melengkung.

Ruang-waktu yang melengkung menunjukkan pada massa-energi cara untuk bergerak.

Inilah dia teori yang mengubah pandangan tentang alam. Tak terbayangkan sebelumnya untuk mengatakan cahaya bisa dibelokkan oleh benda bermassa besar, tapi Albert Einstein sudah mengatakannya, dan Sir Arthur Eddington sudah membuktikannya pada 1919 (dengan mengamati cahaya dari gugus Hyades yang terbelokkan oleh Matahari). Teori relativitas umum juga berhasil menjelaskan banyak fenomena dalam fisika dan astronomi, mulai dari skala atomik hingga skala kosmik.

1) Gedankenexperiment berarti menjalankan eksperimen dengan cara memikirkannya. Hal ini tentunya sangat bermanfaat untuk mengetahui apa yang terjadi, namun kondisi alamiah menghalangi kita untuk melakukan “eksperimen betulan”.

2) Ruang Euclidean adalah ruang seperti yang kita kenal: koordinat 3 dimensi, kubus, kotak persegi, lingkaran, dan sebagainya. Disini, kita kenali bahwa jarak terdekat antara 2 titik adalah garis lurus.

3) Sistem empat koordinat dikenalkan oleh Minkowsky, dengan elemen x, y, z dan t. Tentu saja sistem empat dimensi tidak bisa digambarkan di atas sebuah kertas. Sebagai pendekatan, sistem 4 dimensi ini direduksi menjadi 2 dimensi, dengan salah satu sumbu disebut sebagai sumbu ruang dan yang lainnya sumbu waktu. Dalam ruang semacam ini, jarak terdekat antara 2 titik tidak harus berupa garis lurus.

Bahan Bacaan (for expert):

Ryden, Barbara, Introduction to Cosmology, San Francisco: Addison-Wesley, 2003.

Schutz, Bernard F., A First Course in General Relativity, Cambridge: Cambridge University Press, 1989.

Buku-buku di atas merupakan textbook untuk mahasiswa S1 tingkat III atau IV jurusan Astronomi dan Fisika konsentrasi Fisika Teori, tapi rasanya penjelasan tentang dasar teori Relativitas Umum tidak terlalu rumit. Bagi yang membutuhkan bacaan yang relatif lebih ringan, juga tersedia buku-buku sains populer dan buku teks untuk mahasiswa tingkat dasar. Selain itu, Wikipedia dan Google pastinya dapat membantu.๐Ÿ˜†

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s