160 Juta Tahun Indonesia

Dahulu kala, bumi hanya terdiri atas satu benua yang dinamakan Pangaea. Pangaea kemudian terpecah dan akhirnya membentuk benua-benua seperti sekarang. Nah, pernah bertanya bagaimana kepulauan Indonesia ini terbentuk, sebagai bagian dari rentetan proses pembentukan benua-benua dari pecahnya Pangaea?

Animasi pecahnya Pangaea. Gambar diambil dari Wikipedia.

Animasi pecahnya Pangaea. Gambar diambil dari Wikipedia.

Saya pertama kalinya tertarik dengan pembentukan kepulauan Indonesia ketika mengikuti mata kuliah Seismologi, kalau tidak salah itu sekitar 4 tahun yang lalu. Kala itu saya diberi tugas kuliah mempresentasikan kondisi tektonik daerah Sulawesi dan Maluku, dan dalam pencarian bahan presentasi saya menemukan makalah dari prosiding 24th Annual Convention of Indonesian Petroleum Association. Judulnya Plate Tectonic Reconstruction of the Indonesian Region, ditulis oleh Robert Hall.

Saya kembali teringat tentang proses pembentukan kepulauan Indonesia ini ketika sejak awal November 2014 ini membaca buku The Ecology of the Indonesian Seas (Part One), yang ditulis Thomas Tomascik dkk. Dalam pembahasan Chapter II: Geology, buku ini ternyata juga mengutip makalah yang saya baca 4 tahun lalu itu. Ketika saya cari makalahnya di internet, ternyata sudah ada makalah yang lebih baru dan memuat hasil-hasil penelitian mutakhir. Makalah ini dapat diakses dengan bebas di Science Direct. Makalah ilmiah yang sangat bagus dan gratis adalah salah satu hal yang sangat saya syukuri.

Saya pikir, yang semacam ini perlu juga diceritakan ulang di blog, agar bisa dipahami juga oleh khalayak ramai. Hanya saja ada banyak hal yang saya tidak terlalu paham. Latar belakang saya bukan Geologi, sedangkan makalah ini adalah makanannya mereka yang mendalami Geologi, jadi jika terdapat kesalahan harap dimaklumi dan silakan berikan koreksi. Semua gambar (kecuali disebutkan lain) berasal dari makalah oleh Hall tersebut, saya unduh langsung dari laman web makalahnya di Science Direct.

Sebagai pendahuluan, barangkali perlu dijelaskan beberapa hal terlebih dahulu.

  1. Indonesia ini adalah daerah pertemuan 3 lempeng: lempeng Eurasia, lempeng Indo-Australia dan lempeng Filipina (yang terakhir ini merupakan bagian dari lempeng Pasifik). Eurasia adalah lempeng benua, sedangkan Indo-Australia dan Filipina adalah lempeng samudra. Agak unik sepertinya untuk lempeng Indo-Australia yang dinyatakan sebagai lempeng samudra, namun di area Australia sendiri dia lebih tampak sebagai lempeng benua. Umumnya lempeng samudra di atasnya adalah laut, kalaupun menjadi daratan ya berupa pulau saja, namun untuk Indo-Australia ini ada bagian yang di atasnya adalah benua. Titik pertemuan ketiga lempeng tersebut adalah di daerah laut Banda.
  2. Sekitar 200 juta tahun yang lalu—orang geologi menyebutnya era Triassic—Bumi terbagi atas dua benua raksasa, yaitu Laurasia dan Gondwana. Laurasia masa itu mengandung daratan yang sekarang kita kenali sebagai Eropa, Asia dan Amerika utara, sedangkan Gondwana mengandung daratan selatan yaitu Amerika selatan, Afrika, Australia dan Antarktika. Dalam selang berjuta-juta tahun itu Laurasia dan Gondwana terpecah-pecah dan bergerak hingga akhirnya menyusun daratan yang saat ini kita huni. Tomascik dkk (1997) menyebutkan bahwa berbagai penelitian antara lain oleh Visser dan Hermes (1962); Audley-Charles dkk (1972); Hamilton (1973, 1978, 1979); Katili (1975, 1978) Carter dkk (1976); Barber dkk (1977); Chamalaun dan Grady (1978) serta Norvick (1979), menyimpulkan bahwa sebagian Papua, pulau Timor, Sula, Sumba, Seram dan Buru menyatu dengan Austalia, dengan demikian pulau-pulau ini adalah bagian dari Gondwana. Juga dalam Tomascik (1997) disebutkan Sumatra, Jawa dan Kalimantan menyatu dengan daerah Asia Tenggara dan bukan merupakan bagian dari Gondwana.
  3. Saya memuat peta-peta yang disampaikan Hall dalam artikelnya. Dalam melihat peta-peta di sini perlu diingat bahwa ini peta lempeng, bukan peta biasa. Warna biru berarti lempeng samudra, sementara warna lainnya menunjukkan lempeng benua dengan kadar ketebalan ditunjukkan dengan kadar kepekatan warna. Dan perlu diketahui, yang namanya lempeng samudra sudah barang tentu adalah dasar laut.

Dan sedikit pengingat, proses geologi adalah proses yang sangat-sangat-sangat panjang—sebuah proses yang berskala waktu sepanjang umur Bumi. Kita mungkin akan melihat proses yang berlangsung lebih tampak seperti dongeng, ngarang, tak masuk akal dan semacamnya. Ilmu Geofisika sama saja seperti ilmu Astronomi, dan Paleogeologi mirip sekali dengan Kosmologi: mirip seperti dongeng. Tapi percayalah, apa yang didongengkan ini semua memiliki landasan ilmiah dan masuk akal.

Kita lihat Indonesia ini, 160 juta tahun yang lalu.

Tentu saja, waktu itu negara bernama Indonesia belumlah ada. Kala itu, yang ada hanya wilayah yang sekarang menjadi Asia Tenggara, terdiri atas apa yang kini kita kenal sebagai Sumatra dan semenanjung Malaya. Pulau Kalimantan belum ada, Papua masih terletak jauh dan masih menjadi bagian dari sisa-sisa Gondwana bersama Australia dan India. Juga bergabung dengan Australia itu adalah pecahan-pecahan kepulauan Sula, serta blok Banda dan blok Argo.

Bagian dari laurasia dan sebaian Gondwana di area yang sekarang merupakan Kepulauan Indonesia, 160 juta tahun lalu.

Gambar 1: Bagian dari Laurasia dan sebagian Gondwana di area yang sekarang merupakan Kepulauan Indonesia, 160 juta tahun lalu.

Silakan dilihat pada Gambar 1. Pada masa Jurassic akhir itu, Asia terpisah dari Australia-India oleh laut Meso-Tethys. Lempeng laut Meso-Tethys ini menyusup (mengalami subduksi) ke bawah Asia Tenggara dan ke bawah blok Banda dan Argo. Subduksi yang dialami Meso-Tethys itu terjadi karena lempeng benua Asia condong bergerak ke selatan dan India-Australia condong bergeser ke utara. Tapi itu penyederhanaan dari saya saja—situasinya tidak mudah juga. Bisa dilihat pada 155 juta dan 150 juta tahun lalu (Gambar 2), blok Banda dan Argo rupanya memisahkan diri, sementara itu di lempeng Meso-Tethys sendiri rupanya ada subduksi antar lempeng samudra (dengan lempeng Ceno-Tethys), membentuk busur Woyla dan busur Incertus. Meso-Tethys menyempit dan Ceno-Tethys merangsek ke timur laut.

Pada 155 juta tahun lalu, blok Banda dan Argo terpisah dari Australia dan bergeser ke utara.

Pada 155 juta tahun lalu, blok Banda dan Argo terpisah dari Australia dan bergeser ke utara.

Terpisahnya Banda dan Argo dari induknya, Australia, juga berarti muncul batas lempeng divergen dan terbentuk lempeng samudra yang baru. Lokasi yang ditinggalkan oleh blok Banda yang bergeser itu, Banda Embayment, belakangan akan kita kenal sebagai Laut Banda.

Lama kemudian, kita sampai di masa 135 juta tahun yang lalu (Gambar 3). Pada masa ini, India mulai memisahkan diri dari Australia. Muncullah batas divergen antara Australia dan India, yang juga berarti terbentuk lempeng samudra yang baru. Keadaan menjadi jauh lebih rumit. Meso-Tethys makin sempit karena ia tenggelam ke bawah Asia Tenggara dan Ceno-Tethys. Blok Banda dan Argo bergeser ke timur laut, bergerak saling menjauh dengan India yang bergeser ke barat daya. Pergeseran India ini menyebabkan Ceno-Tethys terbelah menjadi Ceno-Tethys Barat dan Ceno-Tethys Timur. Australia sendiri bergeser sedikit ke selatan.

Ketika sampai di masa 135 juta tahun lalu, blok Banda dan Argo sudah bergeser cukup jauh ke utara, dan India memisahkan diri dari Australia.

Gambar 3: Ketika sampai di masa 135 juta tahun lalu, blok Banda dan Argo sudah bergeser cukup jauh ke utara, dan India memisahkan diri dari Australia.

Kompleksitas yang terbentuk itu selanjutnya menyebabkan adanya perubahan pada vektor gerakan lempeng. Australia dalam pergeserannya cenderung untuk berputar berlawanan arah jarum jam. Blok Banda terbelah, sehingga untuk selanjutnya akan disebut saja sebagai Banda Barat Laut (SWB – Southwest Banda), dan Argo akan disebut sebagai Jawa Timur – Sulawesi Barat (EJWS – East Java West Sulawesi). Keduanya bergerak bersama ke utara sedikit belok kanan. Setelah 10 juta tahun sejak India bercerai dari Australia, situasinya menjadi seperti pada Gambar 4.

Situasi pada masa 120 juta tahun lalu. SWB dan EJWS terus mendekat ke selatannya Asia Tenggara.

Gambar 4: Situasi pada masa 120 juta tahun lalu. SWB dan EJWS terus mendekat ke selatannya Asia Tenggara.

Apa yang terjadi dalam 20 juta tahun berikutnya sebenarnya cukup mudah ditebak. Pada Gambar 5 terlihat apa yang terjadi: EJWS dan SWB sampai di tepian Asia Tenggara. Di sana blok SWB tertahan karena lempeng Eurasia, termasuk di Asia Tenggara itu, adalah lempeng yang tebal. Karena blok SWB tertahan, blok EJWS bisa menyusulnya dan akhirnya posisi kedua blok ini jadi bersebelahan.

Suasana 100 juta tahun yang lalu, menggambarkan apa yang terjadi selama 20 juta tahun sejak terpisahnya India dan Australia.

Gambar 5: Suasana 100 juta tahun yang lalu, menggambarkan apa yang terjadi selama 20 juta tahun sejak terpisahnya India dan Australia.

Kita lompat saja ke masa 85 juta tahun lalu. SWB dan EJWS bergabung dengan Asia Tenggara, membentuk area yang disebut Sundaland. Jawa dan sebagian Kalimantan muncul akibat penggabungan ini. Ini menarik sekali, dalam artikelnya Hall juga menjelaskan bukti teori ini adalah adanya kemiripan berlian yang banyak ditemukan di Kalimantan dengan berlian yang ditemukan di Australia—tipe berlian Gondwana.

Situasi pada 85 juta tahun lalu. Sudah ada Jawa, Kalimantan dan Sulawesi, tapi belum sempurna.

Gambar 6: Situasi pada 85 juta tahun lalu. Sudah ada Jawa, Kalimantan dan Sulawesi, tapi belum sempurna.

Masa 85 juta tahun itu bisa dilihat pada Gambar 6. Tampak blok Banda (SWB) hilang dan terbentuk Kalimantan, sementara blok Argo (EJWS) juga hilang dan terbentuk Jawa, Sulawesi Barat & Sulawesi Selatan. India bergerak ke barat dan Australia berputar sambil bergeser ke timur. Karena interaksi dengan lempeng-lempeng lainnya, gerakan semacam ini tidak selamanya berlanjut. Australia yang sudah sedikit berputar selanjutnya terdorong ke utara, sepertinya karena interaksi dengan lempeng Antarktika di selatannya. India yang bergerak ke barat tertahan (tampaknya karena di barat itu bertemu dengan lempeng Afrika) dan berikutnya terdorong ke utara, seperti halnya Australia, ini mungkin terjadi karena interaksi dengan lempeng Antarktika di selatan. Ketika sampai di masa 50 juta tahun lalu, situasinya sudah seperti pada Gambar 7.

Situasi 50 juta tahun lalu. India sudah bergeser cepat ke utara, dan posisinya sudah hampir menumbuk Asia. Australia bergerak ke utara dan Filipina muncul dari timur.

Gambar 7: Situasi 50 juta tahun lalu. India sudah bergeser cepat ke utara, dan posisinya sudah hampir menumbuk Asia. Australia bergerak ke utara dan Filipina muncul dari timur.

Menarik juga untuk dilihat, interaksi di Sundaland bertambah kompleks karena ada tambahan subduksi dari arah timur. Bentuk Kalimantan disempurnakan oleh adanya interaksi ini, dan juga bagian lengan Sulawesi Utara muncul di sekitar sana akibat adanya batas konvergen antar lempeng samudra. Sulawesi Utara ini belum bergabung dengan Sulawesi Barat yang sudah terbentuk lama sebelumnya, tapi akan kita lihat nanti mereka bergabung juga.

Juga bisa dilihat Meso-Tethys terus menyempit dan nantinya akan hilang begitu India menabrak Asia. Busur Woyla yang sebelumnya muncul sudah hilang, bergabung dengan Sumatra dan membentuk patahan Sumatra. Ceno-Tethys sudah hilang pula jauh sebelumnya, gerakan India ke utara mengubur lempeng ini. Lempeng samudra yang terbentuk antara India dan Australia itu saat ini kita kenal sebagai Samudra Hindia. Di Papua, sebuah busur (mungkin dari Pasifik—saya tidak tahu lempeng samudra di atas Papua pada masa itu namanya apa) menempel di bagian utara membentuk daratan tambahan dan patahan di area tersebut. Lempeng Proto-Laut Cina Selatan

Kondisi 30 juta tahun lalu. Interaksi kompleks di Filipina memunculkan pulau-pulau, Laut Cina Selatan muncul dan Sulawesi Utara mulai menempel dengan bagian Sulawesi lainnya.

Gambar 8: Kondisi 30 juta tahun lalu. Interaksi kompleks di Filipina memunculkan pulau-pulau, Laut Cina Selatan muncul dan Sulawesi Utara mulai menempel dengan bagian Sulawesi lainnya.

Lalu, 30 juta tahun yang lalu bisa dilihat pada Gambar 8. Bagian Asia retak sedikit di selatan Cina, terus mengembang dan membentuk lempeng samudra baru yang sekarang dikenal sebagai lempeng Laut Cina Selatan. Lempeng Pasifik masuk ke bawah Filipina, dan begitu juga dengan bagian utaranya lempeng Australia, menyebabkan di lempeng Filipina itu terus muncul pulau-pulau kecil. Australia, India dan lempeng samudra yang terbentuk di antara keduanya bisa dianggap sebagai satu kesatuan, dan gerakannya yang mengarah ke utara menyebabkan perubahan posisi di Sundaland, yakni perputaran Jawa, Sulawesi dan Kalimantan.

India terus bergerak ke utara, menabrak Asia dan kelak akan menyebabkan munculnya pegunungan Himalaya. Australia yang bergerak ke utara kemudian menempel pada Sundaland. Pada masa 15 juta tahun yang lalu (Gambar 9), Sula dan Papua, bagian dari Australia, hampir berada pada posisinya sekarang. Sula membentuk apa yang kita kenal saat ini sebagai Sulawesi Tenggara serta kepulauan Maluku sebelah selatan (Seram dan sekitarnya).

Kondisi 15 juta tahun yang lalu, sudah mirip dengan kondisi saat ini.

Gambar 9: Kondisi 15 juta tahun yang lalu, sudah mirip dengan kondisi saat ini.

Lempeng Filipina pecah, membentuk lempeng Sulawesi. Subduksinya memunculkan bagian yang sekarang menjadi bagian dari Sulawesi Tengah. Halmahera terbentuk akibat subduksi Australia ke bawah Filipina, letaknya masih jauh dari posisinya saat ini. Batas lempengnya bergerak transform (bersisian), menyebabkan Halmahera itu bergerak menuju posisinya sekarang. Dan 5 juta tahun yang lalu (Gambar 10), kondisi kepulauan Indonesia sudah sama seperti yang sekarang kita diami.

Suasana 5 juta tahun yang lalu, mirip dengan sekarang.

Gambar 10: Suasana 5 juta tahun yang lalu, mirip dengan sekarang.

Sejak 5 juta tahun yang lalu hingga sekarang, tampaknya tidak banyak perubahan besar yang terjadi. Tentu saja ada perubahan-perubahan kecil seperti kemunculan pulau-pulau baru atau hilangnya pulau-pulau lama, munculnya patahan baru, dan sebagainya. Patahan Sumatra, patahan-patahan di sekitar Mentawai dan selatan Jawa, pulau-pulau vulkanik di daerah Nusa Tenggara tampaknya terbentuk dalam selang waktu 5 juta tahun ini.

Oh ya, rangkaian proses yang diceritakan di sini memiliki versi animated, dibuat oleh Southeast Asia Research Group, Royal Halloway University of London (RHUL). Bisa diunduh dari link ini: Video nimasi pembentukan Indonesia dari SEARG RHUL berdasarkan makalah oleh Hall (2012). Silakan dilihat untuk melihat dan memahami lebih jauh proses tektonik ini.

Lalu bagaimana dengan masa depan? Ada banyak kemungkinan. Biar ahlinya saja yang mencari tahu. Dari saya cukup sekian, saya merasa agak pusing juga setelah membaca makalah dan mencoba menuliskannya kembali di sini :mrgreen: Mohon maaf untuk segala kekurangan, terima kasih :mrgreen:

Advertisements

“Meledak” dan “Beringsut”, Dua Teori Untuk Menjelaskan Semesta

Beberapa waktu lalu, di salah satu pertemuan kelas Sedimentologi, pak dosen membicarakan pendahuluan tentang bumi. Beliau sepintas menyebut soal proses terjadinya alam semesta melalui bigbang, kemudian berlanjut ke proses pergeseran lempeng yang merupakan bagian dari teori lempeng tektonik. Ujungnya nanti berakhir di proses sedimentasi, sesuai topik utama perkuliahan.

Sementara pak dosen menjelaskan, pikiran saya melayang ke masa-masa dulu. Saat masih menjadi mahasiswa Astronomi ITB, topik Kosmologi adalah topik yang paling saya suka—terlepas dari sulitnya tensor dan segala rumusan matematisnya. Alasannya, topik ini membuat saya benar-benar mengerahkan segala pemikiran rasional yang saya punya. Ada banyak misteri di alam semesta, yang jika dipikirkan sebagai sekedar hukum alam membuat diri kita tak akan puas. Begitupun jika segala misteri itu dicukupkan sebatas menyatakan “itulah kekuasaan Tuhan”, itu tidak memuaskan dan malah bisa berbalik menyebabkan mereka yang imannya lemah jadi tidak percaya Tuhan. Bagi saya, misteri-misteri ilmiah itu harus selalu dicari jawabannya, dan penjelasan ilmiah yang kita dapatkan pada akhirnya akan membuat kita menyadari bahwa ada kekuatan besar yang menguasai alam semesta ini.

Ketika akhirnya saya terpaksa keluar dari Astronomi ITB dan beralih ke jurusan Fisika Universitas Andalas, perlahan namun pasti ketertarikan saya beralih. Dari langit ke bumi. Berawal dari mengikuti kuliah Geofisika dan semakin membuncah saat saya mengikuti kuliah Seismologi, saya akhirnya menyadari bahwa ada misteri besar juga di bumi kita sendiri. Kenapa ada gunung? Kenapa gunung meletus mengeluarkan lava? Kenapa ada gempa bumi? Kenapa ada pulau dan benua dan samudra? Pertanyaan-pertanyaan itu tersaji dengan baik di setiap mata kulah terkait Geofisika yang saya ikuti. Dan pada masa itu juga saya berkenalan dengan teori lempeng tektonik.

Teori dentuman besar (Big Bang) dan teori lempeng tektonik (Tectonic Plate), dua teori yang sampai sekarang bagi saya demikian menakjubkan, karena membantu kita menjelaskan berbagai misteri di langit dan bumi, sekaligus menambah misteri lain yang merangsang otak kita untuk memikirkannya secara rasional. Dan, dalam kasus saya, menyebabkan saya beranggapan bahwa Tuhan itu maha besar karena menciptakan manusia sebagai makhluk yang senantiasa berpikir.

Kilas Teori

Teori Bingbang mencoba menjelaskan kenapa galaksi-galaksi yang berada jauh dari bumi bergerak menjauh satu sama lain. Jadi misalkan ada 3 galaksi, galaksi S, galaksi S2 dan galaksi S3. Jika kita, manusia, tinggal di galaksi S, maka dengan menggunakan teropong kita amati bahwa galaksi S2 dan S3 bergerak menjauh dari kita yang ada di galaksi S. Selain itu, galaksi S2 dan S3 juga masing-masing bergerak menjauh satu sama lain.

Kilas teori Bigbang dalam gambar: Awalnya titik kecil yang mengembang jadi alam semesta raksasa kita saat ini. Sumber gambar dari Wikipedia.

Yang terpikirkan oleh ilmuwan-ilmuwan yang memikirkan gerak menjauhnya galaksi itu adalah, alam semesta kita ini mengembang. Semakin lama semakin besar. Jika memang demikian, kalau disurutkan ke masa yang sudah lampau, tentulah suatu saat di masa lalu itu alam semesta ini kecil saja adanya. Maka demikianlah, lahirlah teori yang menyebutkan dulunya alam semesta ini kecil, berupa titik, dan oleh suatu musabab titik itu membesar. George Lemaitre menaruh fondasi teori, Albert Einstein memberikan fondasi fisis dan matematis, dikembangkan seterusnya oleh Willem de Sitter dan Alexander Friedmann, bukti pengamatan diberikan oleh Edwin Hubble, dan seterusnya hingga masa kini para fisikawan terus berjibaku utak-atik revisi hablah hablah meneruskan teori ini, dengan satu tujuan: menjelaskan kenapa alam semesta dan isinya ini bisa menjadi ada.

Lempeng-lempeng yang diperkirakan menjadi susunan puzzle di permukaan bumi. sebagai penjelasan teori Lempeng Tektonik. Gambar dari Wikipedia.

Lempeng-lempeng yang diperkirakan menjadi susunan puzzle di permukaan bumi. sebagai penjelasan teori Lempeng Tektonik. Gambar dari Wikipedia.

Sementara teori bigbang yang melangit itu berkembang, di bumi sendiri manusia masih bingung kenapa kok gempa bumi bisa terjadi. Apakah seperti dalam kisah mistis-religius, bahwa Tuhan menciptakan suatu malaikat bertanduk yang menaruh bumi ini di tanduknya, dan kalau kepalanya diguncang sedikit maka terjadilah gempa? Untung, mitologi semacam itu terlalu irasional, bahkan (saya kira) bagi penganut yang fanatik sekalipun. Dan irasionalitas itu memaksa manusia mencari penjelasan yang lebih masuk akal. Lebih logis rasanya jika Bumi ini kita anggap sebagai bola yang berlapis-lapis, di bagian luarnya keras seperti kerak dan bagian dalamnya panas. Segala sesuatu yang panas cenderung untuk bergerak, pendapat ini sudah disepakati oleh para ahli Termodinamika, maka jika bagian dalam bumi ini panas maka tentulah ia memiliki gerakannya sendiri akibat proses pemindahan panas yang terjadi. Pergolakan di dalam bumi menyebabkan bagian kerak yang keras tadi terkena imbasnya. Kerak itu bergoyang, retak dan pecah membentuk lempengan, dan kemudian bergerak perlahan. Pertemuan lempeng menyebabkan getaran yang kita sebut sebagai “gempa bumi”, dan gerakan-gerakan lempeng melahirkan gunung, lembah dan ngarai, serta laut. Alfred Wegener yang menjadi peletak dasarnya, seterusnya dikembangkan dan dikembangkan dan dikembangkan terus oleh para fisikawan.

Aspek Sejarah

Teori Bigbang dan teori Lempeng Tektonik lahir dalam kala yang bersamaan. Dan pada masa itu, sains masih sedemikian tradisional. Apapun yang bertentangan dengan pendapat klasik sulit diterima.

Ah sebentar, sebenarnya ini sifat dasar sains dimana skeptisisme diagungkan. Para ahli dan akademisi jaman sekarang juga pada dasarnya cenderung pro pendapat mainstream atau status quo.

Tapi pokoknya demikian. Teori Bigbang mendapatkan namanya, “big bang”, sebagai bahan olok-olok dari fisikawan yang mengkritik teori tersebut. Alfred Wegener dengan teori yang kala itu dia sebut sebagai continental drift juga bukannya tanpa perjuangan, dia bahkan hampir terpaksa melupakan pendapatnya sendiri karena masyarakat ilmiah masa itu tak sudi menerimanya.

Semua berubah seiring waktu. Semakin banyak bukti-bukti. Semakin banyak dukungan matematis dan fisis. Pada akhirnya, kedua teori ini menjadi acuan utama bagi mereka yang mempelajari langit dan bumi. Dan juga, semakin banyak misteri yang bisa dijelaskan sekaligus juga dengan semakin banyak tantangan misteri yang muncul.

Kemanusiaan

5036_122641067500_1760529_nKita, manusia, terus dan terus dan akan terus belajar memahami rahasia Tuhan yang Ia taruh di alam. Kata-Nya dalam ayat-ayat suci, semua ini hanya untuk mereka yang berpikir, dan hasil pemikiran akan selalu menjadi sesuatu yang tak ternilai untuk mereka yang beriman.

Saya bersyukur selalu mendapatkan kesempatan belajar πŸ™‚

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. πŸ˜†

Prinsip Ekivalensi Newtonian

Sir Isaac Newton, bagi dunia Fisika, adalah orang besar. Dengan perumusan yang diberikan Newton tentang gerak, banyak hal bisa dijawab. Dan ketika sebuah apel terjatuh, saat itulah dunia dibuat berubah oleh Newton.

Newton memaparkan sebuah konsep tentang tentang sebuah gaya antara dua benda. Intinya adalah, benda yang memiliki massa akan saling tarik-menarik dengan benda bermassa lainnya. Jika massa salah satu benda lebih kecil, gaya tarik yang dihasilkannya lebih kecil dan akibatnya kalah dengan gaya tarik benda bermassa lebih besar. Massa ini disebut massa gravitasi (gravitational mass).

Gaya tersebut diberi nama gravitasi. Dirumuskan dengan

F = \frac{G M_g m_g}{r^2}

Dari perumusan diatas juga terlihat bahwa gravitasi berbanding terbalik dengan kuadrat jarak. Jadi jarak juga berpengaruh—semakin dekat jarak kedua benda, gaya gravitasi yang dialami masing-masing benda akan semakin besar.

Newton juga mendefinisikan inertial mass, dalam Bahasa Indonesia barangkali akan diterjemahkan sebagai massa diam, tapi inertial lebih tepat diartikan sebagai “kondisi tetap”. Massa ini yang digunakan dalam hukum Newton yang terkenal: “sebuah benda akan tetap berada dalam posisinya kecuali ada gaya luar yang diaplikasikan terhadapnya”. Katakanlah massa inersial itu sebagai mi, sehingga Hukum I Newton:

F = m_i a

Muncul pertanyaan, apakah berbeda antara massa inersial dengan massa gravitasional? Berbagai percobaan yang dilakukan akhirnya memberikan jawaban, bahwa antara massa gravitasional dan massa inersial itu sama saja. Konsep percobaannya sebagai berikut ini:

Gaya gravitasi memberikan percepatan sebesar g, dengan nilai 9,8 ms-2 untuk di bumi. Percepatan ini yang membuat sebuah benda jatuh bebas bermassa m jadi bergerak semakin cepat begitu mendekati permukaan bumi. Jika benda yang sama didorong sedemikian rupa sehingga bergerak dengan percepatan 9,8 ms-2, akan didapati bahwa gaya dorong yang dialami benda sama besarnya dengan gaya gravitasi. Kesimpulannya,

F = m_i a = m_g a

Prinsip bahwa massa gravitasional ini sama dengan massa inersial disebut Prinsip Ekivalensi (Equivalence Principle).

Gambaran prinsip ekivalensi, perbandingan percepatan akibat gerak ruang dan akibat gravitasi.

Gambaran prinsip ekivalensi, perbandingan percepatan akibat gerak ruang dan akibat gravitasi.

Barbara Ryden, dalam bukunya Introduction to Cosmology, memberikan sebuah contoh yang cukup unik, berikut saya terjemahkan.

Misalkan Anda bangun di suatu pagi dan mendapati bahwa Anda dan seisi kamar berada dalam sebuah kotak kedap suara dan tidak tembus pandang. “Oh tidak,” Anda berteriak, “Ini yang kutakutkan, aku disandera oleh alien dan dibawa ke planet asal mereka.”

Begitu kalutnya Anda sehingga boneka beruang di tempat tidur Anda sampai terjatuh. Namun anda mengamati bahwa boneka beruang itu jatuh ke lantai dengan percepatan a = 9,8 ms-2. “Whew,” kata Anda sedikit merasa tenang, “Setidaknya aku masih di bumi, alien ini belum memberangkatkan pesawatnya.”

Namun saat itu juga sebuah jendela di sisi kotak yang mengurung Anda terbuka, dan Anda akhirnya menyadari bahwa justru pesawat alien itu yang sedang bergerak ke ruang angkasa dengan percepatan a = 9,8 ms-2

Jadi seperti itu, prinsip ekivalensi memungkinkan kita untuk membuat 2 interpretasi (lihat gambar):

  1. Kita diam dan boneka beruang bergerak karena gravitasi,
  2. Ruangan tempat kita berada bergerak, sedangkan boneka beruang berada dalam kondisi statis.


Dan hmm, Fisika jadi terasa lebih menarik … Berikutnya akan saya sampaikan bagaimana Albert Einstein menjelaskan teori Relativitas Umum dengan menggunakan prinsip ekivalensi ini. (bersambung)