A Brief History of Time: Ruang dan Waktu (1)

Sumber : pixabay.com

Gagasan kita sekarang mengenai gerak benda bisa ditelusuri balik ke Galileo dan Newton. Sebelum mereka, orang percaya kepada Aristoteles, ia mengatakan bahwa keadaan alami suatu benda adalah diam dan benda hanya bergerak kalau didorong suatu gaya atau impuls. Jadi, berat benda akan jatuh lebih cepat daripada benda-benda ringan, karena benda berat memiliki gaya tarik lebih besar menuju bumi.

Tradisi Aristoteles juga mengatakan bahwa semua hukum yang mengatur alam semesta bisa dipelajari dengan pemikiran saja: pembuktian dan pengamatan tak diperlukan. Jadi, sampai ada Galileo, tak seorang pun repot-repot memeriksa apakah benda yang berat berbeda-beda memang benar jatuh dengan kecepatan berbeda. Galileo membuktikan bahwa pendapat Aristoteles keliru dengan menjatuhkan benda dari menara miring Pisa. Cerita itu hampir pasti tak benar, tapi Galileo melakukan sesuatu yang serupa. Dia menggelindingkan bola bola dengan berat berbeda-beda di bidang miring yang mulus. Keadaannya sama dengan berat benda yang jatuh vertikal, tapi pengamatannya lebih mudah karena kecepatan lebih kecil. Pengukuran Galileo menunjukkan bahwa tiap benda mengalami pertambahan kecepatan (percepatan) yang sama, tak peduli berapapun beratnya. Contoh, jika kita taruh bola di bidang miring yang ketinggiannya turun 1 meter untuk setiap panjang lintasan 10 m, bola akan menuruni bidang miring dengan kecepatan sekitar 1 meter per detik sesudah 1 detik, 2 meter per detik sesudah 2 detik, dan seterusnya, seberat apapun bolanya. Tentu saja pemberat timbal bakal jatuh lebih cepat daripada bulu, tapi itu karena jatuhnya bulu diperlambat tekanan udara. Jika dijatuhkan dua benda yang sama-sama tak mengalami banyak tahanan udara, seperti dua pemberat timbal, maka kecepatan jatuhnya akan sama. Di bulan, di mana tak ada udara yang menghambat jatuhnya benda, Astronaut David R. Scott melakukan percobaan menjatuhkan bulu dan pemberat timbal, dan mendapati bahwa keduanya memang saling sampai ke tanah dengan waktu yang sama.

Pengukuran Galileo digunakan oleh Newton sebagai dasar hukum gerak. Dalam percobaan percobaan Galileo, selagi suatu benda menggelinding menuruni lereng, benda itu selalu terpengaruh gaya yang sama (berat benda), dan efeknya adalah membuat percepatan. Itu menunjukkan bahwa efek sebenarnya suatu Gaya adalah selalu mengubah kecepatan suatu benda, bukan membuat benda bergerak sebagaimana  dahulu dikira. Itu juga berarti bahwa kalau suatu benda tanpa terkena pengaruh suatu gaya, maka benda itu akan terus bergerak dalam lintasan lurus dengan kecepatan yang sama. Gagasan itu pertama kali dinyatakan secara tersurat dalam Principia Mathematica Newton, yang terbit pada 1687, dan dikenal sebagai hukum pertama Newton. Yang terjadi kepada suatu benda ketika dipengaruhi suatu gaya dijelaskan oleh hukum kedua Newton. Hukum kedua Newton menyatakan bahwa benda akan mengalami percepatan, atau perubahan kecepatan dan sebanding dengan gaya yang mempengaruhinya. (Misalnya, percepatan menjadi dua kali lipat apabila gaya yang menyebabkan jadi dua kali lipat lebih besar.) Percepatan juga menjadi lebih kecil apabila massa atau jumlah zat benda lebih besar. (Gaya yang sama pada benda menjadi massa 2 kali lebih besar akan menghasilkan percepatan setengah sebelumnya.) Contoh yang familiar adalah mobil: tapi makin berat mobilnya, percepatan makin kecil untuk mesin yang sama. Selain hukum-hukum gerak, Newton menemukan suatu hukum untuk menjabarkan gaya gravitasi, ia mengatakan bahwa tiap benda menarik semua benda lain dengan gaya yang sebanding dengan massa setiap benda. Jadi, gaya antara dua benda kiranya dua kali lebih kuat jika salah satu benda ada (misalnya benda A) massanya menjadi 2 kali lebih besar. Memang seperti itu yang diperkirakan, karena benda A baru bisa dipandang sebagai dua benda dengan massa awal. Tiap benda bakal menarik benda B dengan gaya sebesar gaya awal. Maka total gaya antara A dan B adalah dua kali lipat gaya awal. Dan misalnya 1 benda massanya menjadi 2 kali lipat, dan benda lain massanya menjadi 3 kali lipat, maka gaya menjadi 6 kali lebih kuat. Bisa dilihat Mengapa semua benda jatuh dengan kecepatan yang sama: benda yang beratnya 2 kali lipat akan menerima tarikan gaya gravitasi yang menjatuhkan nya sebesar 2 kali lipat, tapi masa nya juga dua kali lebih besar. Menurut hukum kedua Newton, kedua Efek itu akan tepat saling meniadakan, jadi kecepatan akan sama di semua kasus.

Hukum gravitasi Newton Memberitahu kita bahwa makin jauh jarak antar benda, makin kecil gaya gravitasi antara antara keduanya. Menurut hukum gravitasi Newton, tarikan gravitasi suatu bintang pada jarak tertentu tepat seperempat tarikan gravitasi bintang berukuran serupa pada jarak setengah jarak semula. Hukum tersebut memprediksi orbit bumi, bulan dan planet-planet dengan sangat akurat. Jika tarikan gravitasi suatu bintang berkurang atau meningkat lebih cepat seiring perubahan jarak, maka orbit planet tak bakal berupa elips, dan planet-planet bakal jatuh ke matahari dan lepas dari matahari.

Perbedaan besar antara gagasan dari Aristoteles dan gagasan Galileo atau Newton adalah bahwa Aristoteles percaya keadaan diam adalah wajar, dan benda apapun akan diam jika didorong oleh suatu gaya atau impuls. Aristoteles menganggap bumi diam. Tapi berdasarkan hukum Newton tak ada standar keadaan diam yang unik. Bisa dikatakan bahwa benda A dan benda B bergerak dengan kecepatan tetap terhadap benda A, atau sebaliknya benda B diam dan benda A bergerak. Contohnya. Jika rotasi bumi dan orbitnya mengelilingi matahari dikesampingkan sejenak, dapat dikatakan bahwa bumi dalam keadaan diam dan kereta api di atasnya bergerak ke utara dengan kecepatan 90 mil per jam, atau kereta api diam dan bumi bergerak ke selatan dengan kecepatan 90 mil per jam. Jika di atas kereta api di lakukan percobaan dengan benda bergerak, semua Hukum Newton kiranya masih berlaku. Contohnya, jika kita bermain ping-pong di atas kereta api, bolanya mematuhi Hukum Newton sama seperti bola pingpong yang dimainkan di meja di sebelah rel. Jadi ada cara yang mengetahui apakah yang bergerak itu kereta api atau Bumi.

Ketiadaan acuan diam yang mutlak berarti kita tak bisa memastikan apakah dua peristiwa yang terjadi pada waktu berbeda terjadi di posisi yang sama dalam ruang. Contoh, anggap bola pingpong di kereta api melambung naik lurus lalu turun, memantul di meja dua kali di titik yang sama dengan jarak 2 detik antar kedua pantulan. Bagi orang di pinggir rel kereta api, kedua pantulan tampak terpisah jarak sekitar 40 meter, karena kereta api sudah bergerak sejauh itu di rel dalam jangka waktu antara pantulan pertama dan kedua. Oleh karena itu, tiadanya acuan dia mutlak berarti kita tak bisa memberi posisi mutlak dalam ruang kepada suatu peristiwa, seperti dulu dipercaya Aristoteles. Posisi peristiwa-peristiwa dan jarak antar peristiwa kiranya berbeda bagi orang di atas kereta api dan orang di pinggir rel, dan tak ada alasan posisi yang satu harus dianggap lebih tepat dijadikan acuan daripada yang lain.

Newton sangat khawatir dengan tiadanya posisi mutlak, atau yang disebut Tuhan mutlak (Absolute Space), karena tidak cocok dengan gagasannya mengenai Tuhan yang mutlak. Dia malah menolak menerima ketiadaan ruang mutlak, walau hukumnya sendiri menyatakan demikian. Newton dikritik pedas karena keyakinan tak rasional itu oleh banyak orang, terutama Uskup Berkelley, seorang filsuf yang percaya bahwa semua benda dan ruang dan waktu adalah ilusi. Ketika dokter Samuel Johnson yang terkenal diberitahu mengenai pendapat Berkey, dia berseru, " kusangkal dengan cara seperti ini!, " lalu dia menendang batu besar.

Aristoteles dan Newton sama-sama percaya akan adanya waktu mutlak (Absolute Time.) Artinya, mereka percaya bahwa kita bisa mengukur jangka waktu antara dua peristiwa dengan tepat, dan jangka waktu itu bakal selalu sama tanpa peduli siapa yang mengukurnya, asalkan menggunakan arloji yang bagus. Waktu sepenuhnya terpisah dengan ruang.  itulah yang sebagai besar sebagai pandangan akal sehat. Namun kita sudah harus mengubah gagasan kita mengenai ruang dan waktu. Walau gagasan akal sehat kita ampuh menangani benda-benda seperti apel atau planet yang bergerak relatif lambat, gagasan itu tak berlaku bagi benda-benda yang bergerak pada atau dekat kecepatan cahaya.

Kenyataannya bahwa cahaya bergerak dengan kecepatan tertentu yang amat tinggi pertama kali ditemukan pada 1676 oleh ahli astronomi Denmark oleh Christensen Roemer. Roemer mengamati bahwa waktu lewatnya bulan bulan Jupiter di belakang Jupiter tidak berjarak seragam, sebagaimana yang diperkirakan jika bulan bulan itu mengelilingi Jupiter dengan kecepatan tetap. Selagi bumi dan jupiter mengelilingi matahari, jarak antara keduanya berubah-rubah. Mengamati bahwa gerhana bulan bulan Jupiter muncul lebih belakangan apabila bumi sedang jauh dari Jupiter. Menurutnya itu karena cahaya dari bulan bulan Jupiter perlu waktu lebih banyak untuk mencapai kita ketika kita lebih jauh. Tapi pengukuran polimer mengatakan variasi jarak bumi ke Jupiter kurang akurat, sehingga Besar kecepatan cahaya yang dia dapatkan adalah 140000 mil per detik atau atau 225.300 km/detik, berbeda dengan nilai modern yakni 180.000 mil per detik atau 300.000 km/detik. Namun prestasi Roemer, bukan hanya dalam membuktikan bahwa cahaya bergerak dengan kecepatan tertentu, melainkan juga dalam mengukur kecepatan itu, memang luar biasa karena dilakukan 11 tahun sebelum penerbitan Prinsipia Mathematica karya Newton. Teori penyebaran cahaya yang layak belum ada sampai 1865, ketika ahli fisika Britania James Maxwell berhasil memadukan teori-teori yang sampai waktu itu telah digunakan untuk menjabarkan gaya listrik dan magnet. Persamaan persamaan Maxwell memprediksi bahwa dalam medan gabungan elektromagnetik dapat terjadi gangguan seperti gelombang, dan gangguan itu bakal bergerak dengan kecepatan tetap, seperti riak kolam. Jika panjang gelombang tersebut (jarak antara satu puncak gelombang dengan puncak berikutnya) adalah 1 M atau lebih, gelombang itu kita sebut gelombang radio. Gelombang lebih pendek dikenal dengan gelombang mikro (beberapa cm), atau inframerah (di atas satu per sepuluh ribu sentimeter). Cahaya tampak punya panjang gelombang antara 40 dan 80 per sejuta cm. Gelombang yang panjang gelombang lebih pendek lagi di kenal dengan ultraviolet, sinar-x tanda sinar gamma.

Teori Maxwell memprediksi bahwa gelombang radio atau cahaya dapat bergerak dengan kecepatan tertentu. Tapi teori Newton menyingkirkan keadaan diam mutlak, jadi jika cahaya dianggap bergerak dengan kecepatan tertentu, harus dijelaskan terhadap apakah kecepatan tertentu itu diukur.

Oleh karena itu diusulkan bahwa ada zat yang disebut  “ether”yang ada dimana-mana, bahkan di ruang “hampa”. Gelombang cahaya merambat melalui “ether” seperti gelombang bunyi merambat melalui udara, sehingga kecepatan cahaya dianggap relatif terhadap ether. Pengamatan-pengamatan yang berbeda, yang bergerak relatif terhadap bakal melihat cahaya mendekati dengan berbagai kecepatan, tapi kecepatan cahaya relatif terhadap eter terhadap akal tetapi. Khususnya, selagi bumi bergerak melalui ether ketika mengelilingi matahari, kecepatan cahaya yang diukur berdasarkan arah gerak bumi melalui ether (ketika kita bergerak ke arah sumber cahaya) Seharusnya lebih tinggi daripada kecepatan cahaya pada arah siku-siku terhadap gerak itu (ketika kita tak bergerak ke arah Sumber Cahaya.) Pada 1887, Albert mickelson yang belakangan menjadi orang Amerika pertama yang menerima hadiah Nobel fisika dan Edward morley melaksanakan percobaan sangat suka sama Dika School of applied sciences di Cleveland. Mickelson dan morley membandingkan kecepatan cahaya yang searah dengan gerak bumi dengan membentuk sudut siku-siku dengan arah gerak bumi. Yang membuat mereka kaget dan mereka menemukan bahwa kecepatan cahaya selalu sama!

Antara 1887 dan 1905 ada beberapa usaha, yang paling utama oleh ahli fisika Belanda Hendrik Lorenz, untuk menjelaskan hasil percobaan Michelon dan Morley sebagai sebagai akibat benda mengerut dan arloji melambat ketika bergerak melalui ether. Namun, dalam suatu makalah termasuk pada 1905, seorang tulis kantor paten Swiss yang ketika itu belum dikenal, Albert Einstein, menunjukkan bahwa keseluruhan gagasan ether tak diperlukan, asalkan gagasan waktu mutlak ditinggalkan. Hal yang sama diajukan kembali beberapa minggu sesudahnya oleh seorang ahli matematika dari Perancis, Hendri Poincare. Yang menganggap persoalan itu bersifat matematis. Biasanya dianggap sebagai penggagas teori baru, tapi Poincare dikenang karena namanya tercantum di satu bagian penting teori itu.

Dalil dasar teori relativitas, sebagaimana teori itu disebut, adalah bahwa hukum-hukum sains seharusnya sama bagi semua pengamat yang bergerak bebas, beberapa berapapun kecepatannya. Itu berlaku untuk hukum gerak Newton; tapi gagasan itu lalu diperluas untuk mencakup teori Maxwell dan kecepatan cahaya: semua pengamat harus mengukur kecepatan cahaya yang sama tanpa peduli secepat apa mereka bergerak. Gagasan sederhana itu punya beberapa konsekuensi luar biasa. Barangkali yang paling dikenal adalah penyetaraan massa dan energi, yang dirangkum dalam persamaan terkenal Einstein, E = MC² (di mana E adalah energi, M adalah massa, C adalah kecepatan cahaya,) dan hukum bahwa tidak ada yang bisa bergerak lebih cepat daripada kecepatan cahaya. Karena ada penyetaraan energi dan massa maka energi yang dimiliki suatu benda karena geraknya akan menambah massa. Dengan kata lain kecepatan benda itu akan makin susah bertambah. Efek ini hanya signifikan bagi benda benda yang bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Contohnya, pada 10% kecepatan cahaya, maka suatu benda hanya 0,5% lebih besar jadi pada masa normalnya, sementara pada 90% kecepatan cahaya massa benda itu lebih dari dua kali lipat masa normalnya. Selagi suatu benda mendekati kecepatan cahaya dan massanya meningkat makin cepat sehingga diperlukan makin banyak energi untuk terus mempercepatnya. Malah benda itu tak akan pernah mencapai kecepatan cahaya, karena pada kecepatan cahaya massanya bakal tak terhingga, dan Berdasarkan pernyataan massa dan energi, diperlukan energi energi dengan jumlah tak terhingga untuk mendorong ya kan keadaan itu. Karena alasan itu benda normal selalu terbatas oleh relativitas untuk bergerak pada kecepatan di bawah kecepatan cahaya. Hanya cahaya atau gelombang lain yang tak punya masa intrinsik yang bisa bergerak pada kecepatan cahaya.