Oleh: Daniel Bili
Mahaiswa Fakultas Filsafat UNWIRA-Kupang
Siapa yang tidak mengenal Einstein? Siapa pula yang tidak mengenal Newton? Dua nama ilmuan ini telah tersohor ke seluruh penjuru dunia. Bagaimana tidak, kecerdasan Einstein dan Newton dalam berbagai temuan ilmiahnya yang dirangkum menjadi teori-teori dan hukum telah memberi pengaruh yang sangat kuat dalam dunia sains, khususnya fisika. Kendati keduanya adalah ilmuan yang sama-sama terkenal di mata dunia, namun ternyata terdapat beberapa pertentangan antara keduanya. Pada tulisan kali ini, saya akan sedikit mengulas perbedaan teori yang dikemukakan oleh dua ilmuan jenius ini yang telah saya rangkum dari beberapa referensi.
Berdasarkan dari beberapa referensi yang saya baca, Albert Einstein berhasil meruntuhkan teori Isaac Newton pada abad ke-19. Setelah Isaac Newton berhasil mengemukakan teorinya tentang gravitasi dan membuat dunia percaya dengan teorinya tersebut, fisikawan lain yakni Albert Einstein menemukan ada kejanggalan dalam teori Newton tersebut. Kejanggalan itu 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 sesuai dengan teori electromagnetik Maxwell. Einstein menyatakan bahwa cahaya memiliki kecepatan sebesar 299,792 km per detik atau yang biasa kita sebut dengan sekitar tiga ratus juta meter per detik (sering ditulis dalam bentuk kerennya: 3.108 meter per detik). Einstein juga 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.
Sedangkan yang kita tahu Newton sendiri tidak mengindikasikan bagaimana gaya gravitasi bekerja. Ia hanya mengatakan bahwa gravitasi adalah satu gaya yang sudah 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 pendapat Einstein yang menyatakan 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 bahwa 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.
Teori ini bisa dianalogikan seperti berikut. 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 di sana.
Namun, 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 ditemukan oleh Einstein adalah 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 tersebut 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.
Dalam referensi yang lain juga disebutkan bahwa postulat-postulat Einstein ini ternyata memberi dampak besar bagi dunia. Ia pernah mencoba menjelaskan efek yang dihasilkan dari teorinya ini dalam perumpamaan berikut. Misalnya ada sebuah kereta yang sedang meluncur cepat. Si A sedang duduk dengan tenang dalam salah satu gerbong kereta itu. Si B sedang berdiri diam di luar kereta dan mengamati kereta yang meluncur di depannya itu. Sewaktu gerbong kereta yang dinaiki si A meluncur tepat di depannya, tiba-tiba ada kilat menyambar di dua tempat yang berbeda. Kilat pertama menyambar 100 meter di sebelah kanan B, sedangkan kilat yang satunya lagi menyambar 100 meter di sebelah kiri B. Saat kedua kilat menyambar, posisi A tepat di depan B. Karena si B sedang berdiri diam di luar kereta yang sedang meluncur, si B melihat kedua kilat itu menyambar pada saat yang bersamaan. Tetapi lain halnya dengan si A. Si A yang sedang berada di dalam kereta yang meluncur cepat (ke arah kanan si B) melihat kedua kilat menyambar satu per satu. Kilat yang pertama terlihat lebih dulu, beberapa saat kemudian baru kilat yang kedua terlihat oleh A. Padahal jarak A terhadap kilat pertama dan kedua sama dengan jarak B terhadap kedua kilat itu.
Adanya perbedaan ini disebabkan bedanya kerangka acuan A dan B (frame of reference). Si A sedang ‘meluncur’, sedangkan si B sedang berdiri ‘diam’. Karena si A sedang bergerak menuju kilat yang pertama, tentu saja kilat yang pertama itu terlihat lebih dulu. A bergerak menjauhi kilat yang kedua, sehingga kilat yang kedua tampak menyambar sesudah kilat yang pertama. Bagi si B yang sedang diam dan tidak mendekati maupun menjauhi kedua kilat itu, keduanya tampak menyambar pada waktu yang bersamaan. Yang mana yang benar? Keduanya benar! Tidak ada yang salah. Karena itulah ini dinamakan relativitas. Semua bergantung pada kerangka acuan yang digunakan. Apa pun kerangka acuannya, hukum-hukum fisika yang sama selalu berlaku (postulat 1).
Sekarang jika si A dan si B sama-sama diminta untuk menghitung kecepatan cahaya, apa hasilnya akan berbeda? Tidak! Walaupun si A sedang bergerak dan si B sedang diam, keduanya akan mendapati bahwa kecepatan cahaya tetap tiga ratus juta meter per detik.
Disebutkan bahwa ada konsekuensi dari teori relativitas ini. Yang paling terkenal adalah mulurnya waktu dan kontraksi panjang. Mulurnya waktu, atau bahasa kerennya Time Dilation, ini maksudnya adalah bahwa jika suatu jam bergerak dengan kecepatan tertentu, waktunya akan memuai (mulur). Misalnya, ada seorang astronot yang membawa jam tangannya saat menjalankan misi ke luar angkasa. Pesawat luar angkasa yang membawanya meluncur sangat cepat. Jika kita, yang berada di bumi, punya teropong yang sangat sensitif dan bisa melihat ke dalam pesawat yang sedang meluncur cepat itu, kita bisa menggunakan teropong itu untuk mengintip jam tangan si astronot. Sebelum si astronot berangkat kita sudah menyesuaikan jam tangan itu dengan jam tangan yang kita gunakan di bumi.
Ada sesuatu yang aneh. Di jam tangan si astronot yang sedang meluncur di luar angkasa itu kok lebih lambat dibanding jam tangan kita di bumi? Padahal sebelum ia berangkat kedua jam sudah dicocokkan dan si astronot tidak mengubahnya sama sekali sejak keberangkatannya itu. Jarum detiknya tampak bergerak lebih lambat dibanding jarum detik di jam tangan kita. Inilah yang disebut dengan waktu yang mulur saat bergerak pada kecepatan tinggi. Semakin besar kecepatan gerak suatu benda atau partikel, waktu akan berjalan semakin lambat bagi benda atau partikel tersebut! Tentu saja hal ini tidak dirasakan oleh si astronot. Menurut si astronot, jam tangannya tidak berubah kecepatannya, yang berubah justru kecepatan jam tangan kita di bumi yang tampak bergerak lebih cepat. Hal ini disebabkan segala sesuatu di dalam pesawat astronot bergerak lambat termasuk proses metabolisma tubuh, getaran atom dan sebagainya.
Dari sumber yang saya baca tersebut juga dijelaskan bahwa kontraksi panjang juga berkaitan dengan perbedaan kecepatan. Misalnya si astronot agak lelah, lalu mulai berbaring di tempat tidur yang sudah disediakan di pesawat luar angkasanya. Dengan menggunakan teropong yang sama, kita bisa mengintip si astronot yang tidur berbaring itu. Ada yang aneh lagi, yaitu sewaktu berbaring kok si astronot tampak lebih pendek? Sewaktu ia masih di bumi dan pesawatnya belum berangkat, ia tampak tinggi. Lebih aneh lagi, yakni sewaktu ia sudah terbangun lagi dari tidurnya dan kembali berdiri, tiba-tiba ia kelihatan tinggi seperti biasa. Tetapi ia juga kelihatan lebih kurus saat berdiri. Dalam kasus ini diajukan pertanyaan apa ia menyusut sewaktu sedang tidur? Tentu tidak. Karena ia sedang berada dalam pesawat yang meluncur cepat, saat ia tidur kita melihat panjang tubuhnya menciut (terjadi kontraksi panjang). Saat ia berdiri, kita melihat lebar tubuhnya menciut (juga merupakan kontraksi panjang). Ia sendiri tidak merasakan perubahan apa-apa di dalam pesawat. Inilah teori relativitas yang disampaikan Einstein.
Dalam teori Einstein juga disebutkan tentang The Twin Paradox. Misalnya kita pergi ke ruang angkasa menggunakan pesawat yang meluncur sangat cepat menjauhi bumi, dan kemudian kembali lagi ke bumi sepuluh tahun setelah pesawat lepas landas. Bagi kita yang berada di pesawat itu, kita hanya pergi selama satu tahun saja (karena adanya time dilation). Jika kita punya saudara kembar yang menunggu kita di bumi, kita bisa melihat sendiri bahwa saat kita mendarat, kembaran kita (yang lahirnya bersamaan dengan kita) sudah 9 tahun lebih tua dari kita. Ini adalah salah satu akibat dari dilatasi waktu.
Teori relativitas khusus ini telah banyak digunakan oleh para fisikawan dalam melahirkan karya-karya hebatnya. Sudah banyak bukti-bukti yang menunjukkan kebenarannya. Teori Einstein yang menyatakan konsep kecepatan cahaya ini pun membuat heboh dunia karena bertentangan dengan teori Newton.
Menurut Newton, jika sebuah benda yang sedang bergerak akan terus bergerak pada kecepatan sama jika tidak ada gaya lain yang mempengaruhinya. Jika kita memberikan gaya tambahan (secara terus-menerus) pada benda yang bergerak itu, maka gerakannya akan terus dipercepat. Artinya, kecepatannya terus bertambah sampai pada kecepatan tak hingga, asalkan kita terus memberikan gaya yang dibutuhkan untuk mempercepat benda itu.
Selain mengemukakan teori relativitas khusus Einstein juga mengembangkan Teori Relativitas Umum (The General Theory of Relativity). Dalam teori ini Einstein memperhitungkan pengaruh gravitasi pada cahaya. Einstein menunjukkan bahwa lintasan cahaya akan mengalami pembelokan ketika berada dekat dengan benda-benda luar angkasa yang besar-besar itu.
Secara umum, seperti itulah cara Einstein mengemukakan teorinya yang bertentangan dengan teori Isaac Newton. Sebagaimana yang kita ketahui pada tahun 1919 ketika terjadi gerhana matahari total di teluk Guinea, Afrika. Sekelompok ilmuwan Inggris berusaha membuktikan adanya pembelokan cahaya bintang ketika berada dekat sekali dengan matahari seperti yang diramalkan oleh Teori Relativitas Umum Einstein. Para astronomer memfoto berbagai posisi suatu bintang tertentu ke arah matahari dan kemudian mengulangi 6 bulan kemudian. Ternyata ramalan Einstein benar. Saat itulah Einstein menjadi sangat terkenal dengan teorinya
Teori Dawai dan Pembuktiannya
Sejarah perkembangan ilmu fisika menunjukkan suatu hal yang menarik. Salah satu hal yang menonjol adalah adanya upaya penyatuan/unifikasi berbagai hukum alam menjadi satu ide tunggal yang bisa menjelaskan dua hal atau lebih yang sebelumnya dianggap tidak berhubungan. Isaac Newton dapat dicatat sebagai pencetus yang sukses dalam usaha unifikasi ini, dimana teori gravitasi yang dia sodorkan dapat menjelaskan bahwa gaya yang menyebabkan apel jatuh ke bumi adalah sama dengan yang menyebabkan bulan mengelilingi bumi. Penggabungan gaya yang bekerja di langit (selestial) dan di bumi (terestial) menjadi satu yang disebutnya gaya gravitasi, membuktikan hal yang fantastik tentang gaya yang bekerja di alam ini. Tiga ratus tahun kemudian, James Maxwell, seorang fisikawan Skotlandia, juga sukses dalam menggabungkan dua fenomena yang sebelumnya dianggap berbeda: listrik dan magnet. Persamaan elektro-magnet dari Maxwell menunjukkan bahwa dua fenomena alam yang berbeda ternyata itu sesungguhnya berasal dari satu prinsip yang sama.
Unifikasi selanjutnya menjadi salah satu agenda utama dari fisikawan untuk bisa menjelaskan berbagai gaya yang bekerja di alam ini menjadi satu ide tunggal atau satu persamaan induk yang tentunya bisa menjelaskan segala hal. Albert Einstein pencetus teori relativitas umum yang memperbaiki teori gravitasi Newton, berusaha pula untuk melakukan unifikasi ini. Dia mencoba untuk menggabungkan gaya gravitasi dengan gaya electromagnet karena keduanya bekerja dalam jagat yang sama serta bergeraknya dalam kecepatan cahaya, sehingga diduga juga keduanya punya hal mendasar yang sama. Sampai akhir masa hidupnya upaya penggabungan kedua gaya ini gagal dilakukan oleh Einstein. Usaha Einstein tersebut tidak berhasil, karena teori relativitas umum yang telah sukses menjelaskan bagaimana alam semesta bekerja dan terprediksi dalam ruang-waktu berdasar gaya gravitasi, tidak bisa digabungkan dengan gaya electromagnet yang ternyata juga merupakan gaya bekerja dalam jagat yang sangat kecil, atom dan sub-atom, yang didasari oleh azas ketidakpastian dimana tingkat kejadian hanya bisa diramalkan dengan probabilitas saja.
Perkembangan ilmu fisika menunjukkan bahwa ternyata terdapat empat gaya dasar yang bekerja di alam semesta ini. Keempat gaya dasar sejauh ini dijelaskan dengan dua teori: mekanika kuantum yang menjelaskan adanya tiga gaya dasar yang bekerja dalam skala atom; sedangkan ada satu gaya lagi bekerja dalam jagat besar (yaitu gravitasi). Ketiga gaya dasar dalam skala atom ini yaitu gaya elektomagnetik (yang mengikat electron untuk tertarik ke inti atom dan yang mendasari interaksi antar atom), gaya inti kuat (yang menyebabkan proton dan netron dalam inti tidak saling tertolak) serta gaya inti lemah (yang bekerja dalam hal peluruhan sinar beta) telah sukses dicoba digabungkan dengan apa yang disebut model standar. Namun upaya menggabungkannya kedua teori besar ini belum berhasil; demikian juga bila mencoba menggabungkan salah satu ataupun ketiga gaya dasar dari mekanika kuantum dengan gaya gravitasi tidak pernah berhasil (seperti yang sudah dilakuan oleh Einstein).
Hal ini menjadi tantangan yang menarik bagi fisikawan karena untuk menjelaskan beberapa fenomena alam, keempat gaya dasar ini harus bisa menjelaskannya dengan tepat. Misalnya pada peristiwa penciptaan alam semesta yang disebut Ledakan Besar (Big Bang) dimana terdapat kemunculan energi yang sangat besar pada saat atom-atom belum terbentuk sama sekali; ataupun pada Lubang Hitam (black hole) saat massa bintang yang sangat besar sekali menciut volumenya secara drastic menjadi sangat kecil sekali. Sejauh ini upaya menjelaskan kedua peristiwa tersebut dengan menggabungkan keempat gaya dasar tidak pernah sukses, salah satu alasannya karena memang tidak ada teori tunggal yang bisa digunakan.
Sebagian fisikawan percaya bahwa alam semesta ini didasari oleh suatu teori tunggal dibandingkan apa yang dicoba dijelaskan secara terpisah oleh teori relativitas umum dan mekanika kuantum. Berdasar alasan itu fisikawan mencoba untuk menggabungkan keempat gaya dasar dalam satu teori tunggal. Ini tentu usaha pencarian dalam sains yang luar biasa berat, mengingat upaya yang dilakukan Einsten pun yang mencoba menggabungkan gaya elekromagnetik dengan gaya gravitasi saja tidak membawa hasil.
Teori Dawai (String Theory) adalah satu usaha formulasi keempat gaya dasar tadi yang tengah dikerjakan oleh fisikawan berbagai negara saat ini. Inti dari teori ini sangat sederhana, semua partikel di alam ini tersusun dari dawai energi yang lebih kecil dibanding electron. Teori Dawai ini menyatakan bahwa semua partikel di alam semesta ini dan semua gaya yang menyebabkan materi berinteraksi terbuat dari getaran energi tadi. Perbedaan getaran energi dari dawai ini sangat unik yang menyebabkan munculnya partikel dengan massa dan muatan berbeda misalnya. Teori ini mulai digagas akhir decade 1960-an dan mempunyai perkembangan naik-turun. Pada tahun 1980-an tantangan dalam teori dawai salah satunya adalah adanya anomaly perhitungan, dimana kalkulasi persamaan mendapati hasil yang berbeda (suatu inkonsistensi matematis). Untungnya pada tahun 1984 hal ini terpecahkan.
Tantangan selanjutnya adalah berkembangnya teori dawai ini menjadi lima variasi, yang tentu saja membingungkan para penggiatnya, bagaimana mungkin satu teori dasar tentang alam semesta yang mencoba menggabungkan empat gaya dasar bisa mempunyai versi yang berbeda-beda? Versi manakah yang paling benar? Untungnya di pertengahan tahun 1990-an kelima teori ini bisa digabungkan menjadi satu teori saja yang kemudian dinamakan M-theory. Kalau teori ini memang benar maka akan sangat membantu dalam menjelaskan tentang kejadian asal-usul alam semesta ataupun terbentuknya Lubang Hitam. Sayangnya sejauh ini Teori Dawai tidak mempunyai satu pun konfirmasi yang bisa didapatkan melalui eskperimentasi laboratorium. Padahal sains termasuk fisika di dalamnya adalah kegiatan pembuktian satu teori melalui eksperimen yang wajib bisa direplikasi oleh pihak lain atau dalam kasus astronmi dan geologi melalui observasi. Sehingga status String Theory ini belum bisa diterima sebagai satu kebenaran ilmiah. Malah beberapa fisikawan menganggapnya baru sekelas filsafat, bahkan ada yang menyebutkan teori ini potensial salah dan selevel dengan fiksi ilmiah saja.
Beberapa alasan kenapa belum ada bukti eksperimen yang mendukung teori ini menunjukkan bahwa fisikawan string theory pun belum bisa memahami sepenuhnya tentang teori ini. Hal lainnya adalah karena apa yang disebut dawai energi pun amat sangat kecil sekali (sekitar satu per trilyun trilyun dari ukuran satu atom), dimana teknologi seperti akselerator dan detector yang ada saat ini belum mampu meng-inderai-nya.
Berbeda pada saat sains di sekitar tiga abad yang lalu yang belum banyak berkembang misalnya, dimana justru hanya dengan observasi saja, ilmuwan bisa melakukan konseptualisasi suatu teori (misalnya kisah jatuhnya apel yang diamati oleh Newton dan membuat formulasi teori gravitasi). Sedangkan pada masa sekarang menunjukkan bahwa makin berkembang dan canggihnya satu disiplin ilmu (dalam hal ini fisika modern), maka pembuktian satu teori melalui eksperimen harus dilakukan dan itupun biasanya diisyaratkan dari teori tersebut. Sayangnya, dalam hal Teori Dawai, sampai saat ini kita belum bisa melakukan hal itu.
