Uji Teori Gravitasi Einstein

“Ptolemy menciptakan gambaran alam semesta dan gambaran ini bertahan sampai dua ribu tahun. Newton menciptakan gambaran alam semesta dan bertahan sampai dua ratus tahun. Sekarang Dr. Einstein telah menciptakan gambaran alam semesta yang baru dan tidak seorangpun yang tahu berapa lama gambaran ini bisa bertahan.” George Bernard Shaw (1930)

Mungkinkah Albert Einstein berbuat kesalahan dalam teori-teori yang pernah disusunnya? Untuk menjawab pertanyaan ini tidaklah mudah. Karena hampir semua teori yang Einstein ajukan telah terbukti melalui eksperimen. Tetapi masih ada satu teorinya yang sampai saat ini masih belum teruji sepenuhnya: teori relativitas umum.
Untuk itu sebuah satelit yang bernama Gravity Probe (GP) B telah diluncurkan pada hari Senin 19 April 2004 pukul 10:01 pagi waktu Pasifik dari Markas Angkatan Udara AS Vandenberg, California Selatan. Proyek yang telah mengalami penundaan bertahun-tahun ini bernilai 700 miliun dollar AS. Satelit ini diluncurkan dengan satu tujuan

Tujuan utama dari eksperimen ini adalah untuk menguji kebenaran premis utamanya tentang medan ruang dan waktu yang Einstein ajukan sebagai dasar dari teori relativitas umumnya. Satelit GP B yang terdiri dari teleskop dan sistem giroskop ini akan mengelilingi bumi dari kutub utara ke selatan dengan ketinggian 640 km sampai dua tahun. Satelit dengan peralatan yang sangat canggih ini diharapkan bisa mendeteksi pengaruh geometri medan ruang dan waktu di sekitar daerah pengaruh massa bumi

Tulisan ini akan terdiri dari dua bagian. Bagian pertama akan mengakrabkan pembaca dengan teori relativitas umum Einstein, fenomena alam yang diprediksikan sebagai akibat dari teori ini dan eksperimen yang telah dilakukan sebagai konfirmasi prediksi tadi. Bagian kedua membahas lebih jauh eksperimen yang sedang dilakukan dalam proyek GP B untuk membuktikan klaim tentang medan ruang dan waktu.

Dua kejanggalan dalam teori gravitasi Newton

Gravitasi adalah fenomena yang dekat sekali dengan kehidupan kita. Setiap orang bisa merasakannya. Gaya ini bisa dirasakan dan dilihat dalam berbagai bentuk yang berbeda. Ketika kita melenggang pada jalan menurun, tarikan gravitasi akan mempercepat langkah kita. Hal lain yang sangat jelas bagi kita adalah setiap benda yang dilemparkan pasti akan jatuh ke tanah. Namun demikian baru ditahun 1687 gravitasi ini bisa dijelaskan dan dirumuskan ke dalam persamaan matematika sederhana. Orang pertama yang sanggup menjelaskannya adalah Sir Issac Newton.
Fisikawan berkebangsaan Inggris ini, berhasil mengungkapkan mekanisme bagaimana dua object bermassa yang berinteraksi dalam gaya tarik-menarik gravitasi. Matahari di dalam solar sistem kita, menurut teori ini, memiliki gaya tarik yang sangat besar jangkauannya sehingga bisa menarik benda-benda angkasa yang bermassa relatif lebih kecil seperti planet, komet, dan asteroid dan melayang pada orbitnya.

Baru kemudian di awal abad 20 Einstein menemukan kejanggalan dalam teori gravitasi Newton. Kejanggalannya terletak pada ketidakcocokan teori gravitasi Newton dengan teori relativitas khusus yang diajukan Einstein pada tahun 1905.

Dalam teori relativitas khususnya, Einstein berusaha agar teori relativitas khususnya konsisten dengan teori electromagnetik Maxwell. Akibatnya Einstein tiba pada klaim bahwa cahaya memiliki kecepatan sebesar 299,792 km per detik. Bukan hanya itu Einstein mengatakan bahwa kecepatan ini adalah kecepatan absolut. Artinya benda atau energi lain bisa bergerak mendekati kecepatan ini tetapi tidak akan pernah melebihi kecepatan cahaya. Einstein juga melihat ada prinsip fisika lain yang tidak bersesuaian dengan teori gravitasi Newton. Prinsip ini dikenal dengan prinsip ekuivalen.
Newton sendiri tidak mengindikasikan bagaimana gaya gravitasi bekerja. Ia hanya mengatakan bahwa gravitasi adalah satu gaya yang ÁÔudah dari sananya¡¦dibawa oleh benda bermassa. Menurut Newton, sebuah benda bermasssa akan mengerjakan gaya tarik kepada benda bermassa lain yang berada dalam jangkauan gaya gravitasi benda yang bermassa lebih besar. Gaya tarik gravitasi itu bekerja dan menjelajah ruang hampa diantara dua benda tadi dalam waktu sesaat.
Hal ini bertentangan dengan klaim Einstein bahwa tidak ada energi maupun massa yang bisa memiliki kecepatan melebihi kecepatan cahaya. Mengingat jangkauan gaya gravitasi yang mencapai ribuan bahkan jutaan kilometer, maka gaya gravitasi tidaklah mungkin menjelajah angkasa luar dalam waktu yang singkat. Jika gaya gravitasi bergerak dengan cara yang sama seperti cahaya bergerak, maka Einstein berkesimpulan kecepatan gaya gravitasi bekerja juga tidak boleh melebihi kecepatan cahaya. Dengan jarak jangkauan yang jauh maka jelas gravitasi memerlukan waktu yang panjang untuk menjelajah ribuan bahkan jutaan kilometer.

Ambil saja perjalanan cahaya dari Matahari sampai ke planet-planet dalam tata surya. Untuk bumi yang berjarak rata-rata 150 ribu kilometer dari matahari, cahaya yang kita nikmati di bumi ini memerlukan waktu sekitar 8,3 menit untuk tiba dibumi setelah dipancarkan dari permukaan matahari. Sedangkan untuk planet Pluto yang berjarak sekitar 5940 juta kilometer dari matahari, cahaya membutuhkan waktu sekitar 5,5 jam untuk tiba disana.

Namun demikian dengan teori gravitasi Newton bentuk dan orbit planet-planet dalam tata surya bisa diprediksikan dengan tepat meskipun perhitungan dilakukan dengan anggapan bahwa gaya gravitasi bekerja dengan sesaat. Jika gravitasi bekerja tidak dalam waktu sesaat, sesuai dengan relativitas khusus Einstein, maka orbit planet ini harus mengalami koreksi. Tetapi jika koreksi Einstein dimasukkan, maka koreksi ini justru memberikan hasil prediksi orbit planet yang tidak sesuai dengan data astronomi. Pertimbangan ini membuat Einstein menyimpulkan adanya mekanisme dalam teori gravitasi yang belum dijelaskan oleh Newton.
Kejanggalan kedua yang Einstein temukan berhubungan dengan prinsip ekuivalen. Secara sederhana prinsip ini menggambarkan bahwa semua hukum fisika akan berperilaku sama dalam kerangka acuan mana saja, baik dalam kerangka diam, dalam kerangka yang berjalan dengan kecepatan konstan maupun dengan laju kecepatan yang positif.

Misalkan kita berada dalam sebuah pesawat ruang angkasa yang berada di ruang hampa dan pesawat itu bergerak ke atas dengan laju kecepatan yang sama dengan laju kecepatan gravitasi bumi yaitu 9,8 meter per detik kuadrat. Jika ada sebuah buku yang melayang dalam pesawat itu, maka buku itu akan bergerak menuju lantai pesawat dengan laju kecepatan yang sama pula: 9,8 meter per detik kuadrat. Jika buku dengan berat yang sama dilepaskan dari ketinggian tertentu di bumi dalam pengaruh gravitasi bumi, maka buku itu pasti akan jatuh bumi dengan laju kecepatan yang sama pula.

Hal penting yang bisa disimpulkan dari percobaan sederhana di atas adalah bahwa gerak buku di dalam pesawat dan gerak buku ketika jatuh di permukaan bumi tidak bisa dibedakan. Apakah buku tadi jatuh karena ditarik gravitasi bumi ataukah hanya sekedar bergerak dengan laju kecepatan yang sama dengan gravitasi bumi. Dengan kata lain gravitasi bisa diciptakan maupun dihilangkan hanya dengan memandang dari kerangka acuan yang berbeda. Jika demikian mungkinkah buku tadi jatuh karena ditarik bumi ataukah sebaliknya permukaan bumi yang bergerak keatas kearah buku tadi dengan laju kecepatan yang sama dengan gravitasi bumi.

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 ala 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 di 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.

Sebenarnya ada fenomena lain yang ditemukan oleh fisikawan yang bernama I.I. Saphiro dari universitas Harvard di tahun 1964. Selain mengakibatkan lambatnya waktu berlalu, medan gravitasi juga mengakibatkan semakin memendeknya dimensi panjang yang berarti semakin melambatnya kecepatan cahaya jika berada dalam medan gravitasi. Di tahun 1970, I.I. Saphiro melakukan percobaan dengan signal radar yang dipancarkan dari bumi dan dipantulkan oleh planet Venus dan kembali ke bumi. Melalui eksperimen ini, Saphiro mencatat perlambatan cahaya sebanyak 240 perjuta detik. Hasil ini cocok dengan perhitungan Einstein dengan akurasi 3%.
Melihat hasil pengamatan lapangan yang telah dilakukan, sebenarnya masih menyisakan pekerjaan rumah bagi para fisikawan untuk mebuktikan kebenaran teori Eistein. Itulah sebabnya proyek Gravity Probe B (GP B) dibuat dan membutuhkan sekitar 40 tahun untuk merampungkan persiapannya dan akhirnya meluncurkannya.