A Brief History of Time: Ruang dan Waktu (3)

Jika efek gravitasi diabaikan, seperti yang dilakukan Einstein dan poincare pada 1905, yang didapat adalah yang disebut teori relativitas khusus. Pada setiap peristiwa yang duluan waktu kita bisa membuat suatu kerucut cahaya (kumpulan semua kemungkinan jalur cahaya yang dipancarkan pada peristiwa itu dalam ruang waktu), dan karena kecepatan cahaya sama di semua peristiwa dan arah, maka semua kerucut cahaya akan identik dan menunjuk ke arah yang sama. Teori itu juga memberitahu kita bahwa tak ada yang bisa bergerak lebih cepat daripada cahaya. Artinya jalur benda apapun melalui ruang dan waktu harus di wakili oleh garis yang berada di dalam kerucut cahaya pada tiap peristiwa.

Teori relativitas khusus sangat berhasil Menjelaskan mengapa kecepatan cahaya tampak sama bagi semua pengamat (sebagaimana ditunjukkan percobaan michelson dan morley) dan menjelaskan apa yang terjadi ketika benda bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Namun teori relativitas khusus dapat sistem dengan teori gravitasi Newton, yang mengatakan bahwa benda benda tarik-menarik dengan gaya yang bergantung kepada jarak antara benda. Artinya jika salah satu benda berpindah tempat pada titik gaya yang timbul di benda lain bakal langsung berubah. Atau dengan kata lain efek gravitasi harus bergerak dengan kecepatan tak terhingga, bukan dengan kecepatan cahaya atau dibawahnya, seperti disyaratkan teori relativitas khusus. Antara 1908 dan 1914, Einstein kali mencoba menemukan teori gravitasi yang konsisten dengar relativitas khusus, tapi dia tak berhasil. Akhirnya, pada 1915, apa Yang sekarang kita sebut teori relativitas umum.

Bahwa gravitasi bukan gaya seperti gaya gaya lain, melainkan konsekuensi fakta bahwa ruang waktu tidaklah datar, sebagaimana sebelumnya diduga: ruang waktu melengkung akibat distribusi massa dan energi di dalamnya. Benda-benda seperti bumi tidak dibuat bergerak melintasi orbit lengkung oleh gaya yang bernama gravitasi: sebaliknya, benda-benda mengikuti lintasan yang paling dekat dengan garis lurus di ruang lengkung yang disebut geodesika (geodesic).  suatu geodesi ka adalah jalur terpendek atau jalur terpanjang antara dua titik yang berdekatan. Contohnya, permukaan bumi adalah ruang melengkung 2 dimensi. Geodesika  di atas bumi disebut lingkaran besar, dan merupakan jalur terpendek di antara dua titik.

Karena geodesika adalah jalur terpendek antara dua bandar udara, apakah pilot menerbangkan pesawat menyusun geodesika. Dalam relativitas umum, benda selalu menyusuri garis lurus dalam ruang waktu 4 dimensi, tapi bagi kita benda terlihat bergerak menyusuri lintasan melengkung dalam ruang tiga dimensi. (Ini seperti melihat pesawat yang terbang di atas tanah berbukit. Walau pesawat menyusuri garis lurus dalam ruang tiga dimensi, bayangannya menyusuri jalur berkelok-kelok di permukaan tanah yang 2 dimensi.)

Massa matahari melengkungkan ruang waktu sedemikian rupa engkaulah bumi menyusuri garis lurus dalam ruang waktu 4 dimensi, bagi kita bumi tampak bergerak sepanjang orbit melingkar dalam ruang tiga dimensi.

Sebenarnya, orbit planet-planet yang diprediksi relativitas umum hampir persis sama dengan yang diprediksi teori gravitasi Newton. Tapi dalam kasus Merkurius, planet terdekat ke matahari yang merasakan efek gravitasi matahari terkuat dan orbitnya sangat Jorong, relativitas umum memprediksi sumbu panjang elips akan berotasi mengelilingi matahari dengan laju sekitar 1 derajat dalam 10000 tahun. Masih kecil, Efek itu sudah diamati sebelum 1915 dan menjadi salah satu pembuktian pertama teori Einstein. Belakangan, penyimpangan-penyimpangan lebih kecil lagi dalam orbit planet-planet lain prediksi n telah diukur dengan standar dan didapati sesuai dengan prediksi relativitas umum.

Berkas cahaya juga harus mengikuti geodesic a dalam ruang waktu. Lagi-lagi, fakta bahwa ruang bersifat melengkung berarti Cahya tak lagi bergerak menyusuri garis lurus dalam ruang. Jadi, relativitas umum memprediksi bahwa cahaya bisa dilakukan oleh medan gravitasi. Contohnya, teori tersebut memprediksi bahwa kerucut cahaya bagi titik-titik dekat matahari bakal sedikit melengkung kedalam Karena massa matahari. Artinya, cahaya bintang dari jauh yang kebetulan lewat dekat matahari bakal membelok sedikit, menyebabkan bintang Itu tampak di posisi berbeda bagi pengamat di bumi.

Tentu saja, Jika cahaya bintang itu selalu dekat dengan matahari, kita tak bakal tahu apakah cahaya nya selalu dibelokkan atau bintang itu memang benar ada di tempat kita melihatnya. Namun, selagi bumi mengelilingi matahari berbagai bintang tampak lewat di belakang matahari dan cahaya bintang bintang itu dibelokkan. Oleh karena itu, posisi bintang-bintang itu terhadap bintang-bintang lain berubah. Biasanya sangat sulit melihat Efek itu, karena cahaya matahari menyulitkan pengamatan terhadap bintang-bintang yang tampil dekat matahari. Namun pengamatan itu bisa dilakukan ketika gerhana matahari, Ketika cahaya matahari terhalang bulan. Prediksi pembelokan cahaya Einstein dapat langsung diuji pada 1915, karena Perang Dunia 1 sedang berlangsung, dan baru pada 1991 ekspedisi Britania yang mengamati gerhana dari Afrika barat menunjukkan bahwa cahaya memang dibelokkan oleh matahari, sebagaimana diprediksi teori relativitas umum. Pembuktian teori Jerman oleh ilmuwan Britania bukan sebagai rekonsiliasi antara kedua negara sesudah perang. Oleh karena itu, sungguh ironis ketika pemeriksaan lebih lanjut terhadap foto-foto yang diambil dalam ekspedisi itu menunjukkan bahwa kesalahan-kesalahannya sebesar efek yang mereka coba Ukur. Hasil pengukuran mereka merupakan nasib mujur, atau mereka sudah tahu hasil apa yang ingin mereka dapatkan, bukan kejadian langka dalam sains. Namun pembelokan cahaya telah dikonfirmasi dengan akurat oleh sejumlah pengamat sesudahnya.

prediksi lain relativitas umum adalah bahwa waktu harus tampak melambat dekat benda masih seperti bumi. Itu karena ada hubungan antara energi cahaya dan frekuensinya (yaitu jumlah gelombang cahaya per detik): makin besar energi, makin tinggi frekuensinya. Selagi cahaya bergerak ke atas dalam medan gravitasi bumi yang, cahaya akan kehilangan energi, sehingga frekuensinya berturun. (Artinya waktu antara satu Puncak gelombang dengan puncak gelombang berikutnya makin panjang.) Bagi orang yang berada di tempat sangat tinggi, kelihatannya semua yang ada di bawang terjadi lebih lambat. Prediksi itu diuji pada 1962, menggunakan sepasang arloji sangat akurat yang ditaruh di puncak dan dasar menara air. Arloji didasar, yang lebih dekat bumi, didapati berjalan lebih lambat, cocok dengan relativitas umum. Perbedaan laju arloji di berbagai ketinggian di bumi sekarang menjadi penting secara praktis, dengan kemunculan sistem navigasi sangat akurat berdasarkan sinyal dari satelit. Jika prediksi relativitas umum diabaikan, posisi yang dihitung bakal meleset beberapa mil!

Hukum gerak Newton mengakhiri gagasan posisi mutlak dalam ruang. Teori relativitas menyingkirkan waktu mutlak. Mari kita bahas sepasang orang kembar. Anggap salah satunya hidup di puncak gunung sementara kembarannya hidup di ketinggian permukaan laut adalah titik yang pertama akan menang lebih dulu daripada yang kedua. Jadi kalau mereka bertemu, salah satunya bakal lebih tua. Dalam kasus demikian, perbedaan umur mereka bakal kecil sekali, tapi perbedaan itu jauh lebih besar jika salah seorang yang bepergian jauh dengan pesawat antariksa yang kecepatannya mendekati kecepatan cahaya. Ketika dia kembali, Dia bakal jauh lebih mudah dari pada yang tetap tinggal di bumi. Ini dikenal dengan paradoks kembar, tapi kejadian demikian hanya paradoks kalau kita memegang gagasan waktu absolut. Dengan teori relativitas tak ada waktu itu mutlak yang unik: tiap individu punya pengukuran waktu sendiri yang bergantung kepada tempat dan cara geraknya.

Sebelum 1915, ruang dan waktu dianggap sebagai Arena tetap tempat kejadian dan peristiwa, Danta dipengaruhi apa yang berlangsung di dalamnya. Itu berlaku, bahkan bagi teori relativitas khusus. Benda bergerak, gaya menarik dan menolak, Tapi waktu dan ruang terus berlanjut, tanpa terpengaruh. Wajar apabila dipikirkan bahwa ruang dan waktu terus berlanjut selamanya.

Namun situasi ini cukup berbeda dalam teori relativitas umum. Ruang dan waktu menjadi besar yang dinamis: ketika benda bergerak, atau gaya bertindak, ada pengaruh pada kelengkungan ruang dan waktu dan waktu dan sebaliknya struktur ruang waktu mempengaruhi cara benda bergerak dan gaya bertindak. Ruang dan waktu tahan yang mempengaruhi, tapi juga dipengaruhi oleh segala yang terjadi di alam semesta sebagaimana kita tak bisa bicara mengenai peristiwa di alam semesta tanpa gagasan ruang dan waktu, dalam relativitas umum tiada artinya berbicara mengenai ruang dan waktu diluar Batas alam semesta.

Pada dasar dasawarsa-dasawarsa berikutnya pemahaman baru atas ruang itu menyebabkan revolusi atas pemahaman kita terhadap alam semesta. Gagasan dalam alam semesta yang tak berubah, dan telah dan terus ada selama-lamanya, diganti gagasan alam semesta dinamis dan mengembang yang tampaknya Bermula pada waktu tertentu yang sudah lampau, dan bisa berakhir pada waktu tertentu kelak. Revolusi itu menjadi subjek berikut. Dan bertahun-tahun kemudian, revolusi itu juga menjadi titik awal penelitian Stephen Hawking dalam fisika teoritis. Roger penrose dan Stephen Hawking menunjukkan bahwa teori relativitas umum menyiratkan bahwa alam semesta harus punya permulaan dan, mungkin, akhir.