Teori Relativitas, Dulu dan Sekarang

"Aku kelelahan. Tapi kesuksesan itu mulia."

Konten terkait

• Matematikawan Emmy Noether Harus Menjadi Pahlawan Anda

Itu seratus tahun yang lalu di bulan November ini, dan Albert Einstein menikmati momen kepuasan yang langka. Beberapa hari sebelumnya, pada tanggal 25 November 1915, ia naik ke panggung di Akademi Ilmu Pengetahuan Prusia di Berlin dan menyatakan bahwa ia akhirnya menyelesaikan ekspedisi selama puluhan tahun yang menyiksa ke pemahaman gravitasi yang baru dan lebih dalam. Teori relativitas umum, Einstein menegaskan, sekarang lengkap.

Bulan menjelang pengumuman bersejarah adalah rentang hidupnya yang paling kuat secara intelektual dan penuh kecemasan. Ini memuncak dengan visi baru Einstein tentang interaksi ruang, waktu, materi, energi dan gravitasi, suatu prestasi yang secara luas dihormati sebagai salah satu pencapaian intelektual terbesar umat manusia.

Pada saat itu, dengungan relativitas umum hanya didengar oleh sekelompok pemikir di pinggiran fisika esoteris. Tetapi pada abad sejak itu, gagasan Einstein telah menjadi nexus untuk berbagai masalah mendasar, termasuk asal usul alam semesta, struktur lubang hitam dan penyatuan kekuatan alam, dan teorinya juga telah dimanfaatkan untuk tugas-tugas yang lebih banyak diterapkan seperti mencari planet ekstrasurya, menentukan massa galaksi jauh dan bahkan membimbing lintasan pengemudi mobil nakal dan rudal balistik. Relativitas umum, yang dulu merupakan deskripsi gravitasi yang eksotis, sekarang menjadi alat penelitian yang kuat.

Pencarian untuk memahami gravitasi dimulai jauh sebelum Einstein. Selama wabah yang menghancurkan Eropa dari tahun 1665 hingga 1666, Isaac Newton mundur dari jabatannya di Universitas Cambridge, berlindung di rumah keluarganya di Lincolnshire, dan dalam jam-jam kosongnya menyadari bahwa setiap benda, baik di Bumi atau di langit, menarik satu sama lain dengan kekuatan yang semata-mata bergantung pada seberapa besar benda-benda itu — massa mereka — dan seberapa jauh jarak mereka di ruang angkasa — jarak mereka. Anak-anak sekolah di seluruh dunia telah mempelajari versi matematika dari hukum Newton, yang telah membuat prediksi yang sangat akurat untuk pergerakan segala sesuatu dari batu yang terlempar ke planet yang mengorbit sehingga sepertinya Newton telah menulis kata terakhir tentang gravitasi. Tapi dia tidak melakukannya. Dan Einstein adalah yang pertama menjadi yakin akan hal ini.

**********

Pada tahun 1905 Einstein menemukan teori relativitas khusus, menetapkan diktum terkenal bahwa tidak ada apa pun — tidak ada objek atau sinyal — yang dapat bergerak lebih cepat daripada kecepatan cahaya. Dan di situlah letak masalahnya. Menurut hukum Newton, jika Anda mengguncang Matahari seperti maraca kosmik, gravitasi akan menyebabkan Bumi untuk segera bergetar juga. Artinya, rumus Newton menyiratkan bahwa gravitasi memberikan pengaruhnya dari satu lokasi ke lokasi lainnya secara instan. Itu tidak hanya lebih cepat dari cahaya, itu tidak terbatas.

Relativitas: Teori Khusus dan Umum

Diterbitkan pada peringatan seratus tahun relativitas umum, buku Einstein edisi tampan yang terkenal ini menempatkan karya dalam konteks historis dan intelektual sambil memberikan wawasan yang tak ternilai ke dalam salah satu pikiran ilmiah terhebat sepanjang masa.

Einstein tidak akan memilikinya. Deskripsi gravitasi yang lebih halus pastilah ada, di mana pengaruh gravitasi tidak mengalahkan cahaya. Einstein mendedikasikan dirinya untuk menemukannya. Dan untuk melakukannya, dia sadar, dia perlu menjawab pertanyaan yang tampaknya mendasar: Bagaimana cara kerja gravitasi? Bagaimana cara Matahari mencapai 93 juta mil dan mengerahkan gravitasi di Bumi? Untuk tarikan pengalaman sehari-hari yang lebih akrab — membuka pintu, membuka tutup botol anggur — mekanismenya nyata: Ada kontak langsung antara tangan Anda dan objek yang mengalami tarikan. Tetapi ketika Matahari menarik Bumi, tarikan itu dilakukan melintasi ruang — ruang kosong. Tidak ada kontak langsung. Jadi, apa tangan tak terlihat yang sedang mengerjakan penawaran gravitasi?

Newton sendiri menemukan pertanyaan ini sangat membingungkan, dan mengajukan diri bahwa kegagalannya sendiri untuk mengidentifikasi bagaimana gravitasi memberikan pengaruhnya berarti bahwa teorinya, betapapun berhasilnya ramalannya, pasti tidak lengkap. Namun selama lebih dari 200 tahun, pengakuan Newton tidak lebih dari sebuah catatan kaki yang diabaikan untuk sebuah teori yang sebaliknya setuju dengan pengamatan.

Pada tahun 1907 Einstein mulai bekerja dengan sungguh-sungguh untuk menjawab pertanyaan ini; pada 1912, itu telah menjadi obsesi penuh-waktunya. Dan dalam beberapa tahun itu, Einstein menemukan terobosan konseptual utama, sesederhana untuk dipahami dan sulit untuk dipahami: Jika tidak ada ruang kosong antara Matahari dan Bumi, maka tarikan gravitasi timbal balik mereka harus diberikan oleh ruang diri. Tapi bagaimana caranya?

Jawaban Einstein, yang sekaligus indah dan misterius, adalah materi itu, seperti Matahari dan Bumi, menyebabkan ruang di sekitarnya melengkung, dan bentuk ruang yang melengkung yang dihasilkan memengaruhi gerakan benda lain yang lewat.

Inilah cara untuk memikirkannya. Bayangkan lintasan lurus diikuti oleh marmer yang telah Anda gulingkan di lantai kayu yang datar. Sekarang bayangkan menggulung marmer di atas lantai kayu yang telah dibengkokkan dan dipuntir oleh banjir. Marmer tidak akan mengikuti lintasan lurus yang sama karena akan didorong dengan cara ini dan itu dengan kontur lantai yang melengkung. Seperti halnya dengan lantai, begitu juga dengan ruang. Einstein membayangkan bahwa kontur ruang yang melengkung akan mendorong bola bisbol untuk mengikuti jalur parabola yang sudah dikenalnya dan membujuk Bumi untuk mematuhi orbit elipsnya yang biasa.

Itu adalah lompatan yang menakjubkan. Sampai saat itu, ruang adalah konsep abstrak, semacam wadah kosmik, bukan entitas nyata yang dapat mempengaruhi perubahan. Bahkan, lompatan itu masih lebih besar. Einstein menyadari bahwa waktu juga dapat melengkung. Secara intuitif, kita semua membayangkan bahwa jam, terlepas dari di mana mereka berada, centang pada tingkat yang sama. Tetapi Einstein mengusulkan bahwa jam yang lebih dekat adalah ke tubuh besar, seperti Bumi, semakin lambat mereka akan berdetak, mencerminkan pengaruh gravitasi yang mengejutkan pada saat yang bersamaan. Dan, sama seperti warp spasial yang dapat mendorong lintasan objek, demikian juga untuk lintasan temporal: Matematika Einstein menyarankan bahwa objek ditarik ke lokasi di mana waktu berlalu lebih lambat.

Namun, penyusunan kembali gravitasi Einstein secara radikal dalam bentuk ruang dan waktu tidak cukup baginya untuk mengklaim kemenangan. Dia perlu mengembangkan ide-ide menjadi kerangka matematika prediktif yang akan menggambarkan koreografi yang ditarikan oleh ruang, waktu dan materi. Bahkan untuk Albert Einstein, itu terbukti menjadi tantangan yang monumental. Pada tahun 1912, ketika berjuang untuk membuat persamaan, ia menulis kepada seorang kolega bahwa "Tidak pernah sebelumnya dalam hidup saya saya menyiksa diri sendiri seperti ini." Namun, hanya setahun kemudian, ketika bekerja di Zurich dengan rekannya yang lebih matematis, Marcel Grossmann, Einstein mendekati jawaban itu dengan menggoda. Memanfaatkan hasil dari pertengahan 1800-an yang menyediakan bahasa geometris untuk menggambarkan bentuk melengkung, Einstein menciptakan reformulasi gravitasi sepenuhnya baru namun sepenuhnya ketat dalam hal geometri ruang dan waktu.

Tapi kemudian semuanya tampak runtuh. Saat menyelidiki persamaan barunya, Einstein melakukan kesalahan teknis yang menentukan, membuatnya berpikir bahwa proposalnya gagal untuk menggambarkan dengan benar semua jenis gerakan biasa. Selama dua tahun yang panjang dan membuat frustrasi, Einstein mati-matian berusaha memperbaiki masalahnya, tetapi tidak ada yang berhasil.

Einstein, ulet saat mereka datang, tetap tidak terhalang, dan pada musim gugur 1915 ia akhirnya melihat jalan ke depan. Pada saat itu dia adalah seorang profesor di Berlin dan telah dilantik ke dalam Akademi Ilmu Pengetahuan Prusia. Meski begitu, dia punya waktu di tangannya. Istrinya yang terasing, Mileva Maric, akhirnya menerima bahwa hidupnya bersama Einstein telah berakhir, dan telah pindah kembali ke Zurich bersama dua putra mereka. Meskipun hubungan keluarga yang semakin tegang sangat membebani Einstein, pengaturan itu juga memungkinkannya untuk dengan bebas mengikuti firasat matematikanya, tanpa gangguan siang dan malam, dalam kesunyian yang tenang di apartemen Berlin yang tandus.

Pada bulan November, kebebasan ini membuahkan hasil. Einstein memperbaiki kesalahannya sebelumnya dan memulai pendakian terakhir menuju teori relativitas umum. Tetapi ketika ia bekerja dengan intens pada detail matematis yang bagus, kondisi berubah tiba-tiba berbahaya. Beberapa bulan sebelumnya, Einstein bertemu dengan ahli matematika terkenal asal Jerman David Hilbert, dan telah berbagi semua pemikirannya tentang teori gravitasi barunya. Rupanya, Einstein belajar dengan kekecewaannya, pertemuan itu begitu membangkitkan minat Hilbert sehingga dia sekarang membalap Einstein ke garis finish.

Serangkaian kartu pos dan surat yang dipertukarkan keduanya sepanjang November 1915 mendokumentasikan persaingan yang hangat tetapi intens karena masing-masing mendekati persamaan relativitas umum. Hilbert menganggapnya sebagai permainan yang adil untuk mengejar celah dalam teori gravitasi yang menjanjikan tetapi belum selesai; Einstein menganggapnya sebagai bentuk yang buruk bagi Hilbert untuk melakukan ekspedisi solonya yang begitu dekat dengan puncak. Selain itu, Einstein dengan cemas menyadari, cadangan matematis Hilbert yang lebih dalam menghadirkan ancaman serius. Sekalipun bertahun-tahun bekerja keras, Einstein mungkin akan diciduk.

Kekhawatiran itu beralasan. Pada hari Sabtu, 13 November, Einstein menerima undangan dari Hilbert untuk bergabung dengannya di Göttingen pada hari Selasa berikutnya untuk belajar dalam "perincian yang sangat lengkap" "solusi untuk masalah besar Anda." “Aku harus menahan diri dari bepergian ke Göttingen untuk saat ini dan lebih baik harus menunggu dengan sabar sampai aku bisa mempelajari sistemmu dari artikel yang dicetak; karena aku lelah dan diserang oleh sakit perut. ”

Tetapi hari Kamis itu, ketika Einstein membuka suratnya, dia dihadapkan pada naskah Hilbert. Einstein segera membalas, hampir tidak menutupi kekesalannya: "Sistem yang Anda berikan setuju - sejauh yang saya bisa lihat - persis dengan apa yang saya temukan dalam beberapa minggu terakhir dan telah disajikan ke Akademi." Kepada temannya Heinrich Zangger, Einstein mengaku, "Dalam pengalaman pribadi saya, saya belum belajar lebih baik tentang buruknya spesies manusia pada kesempatan teori ini ...."

Seminggu kemudian, pada tanggal 25 November, memberi kuliah kepada audiensi yang hening di Akademi Prusia, Einstein mengungkap persamaan terakhir yang membentuk teori relativitas umum.

Tidak ada yang tahu apa yang terjadi selama minggu terakhir itu. Apakah Einstein muncul dengan persamaan terakhir sendiri atau apakah kertas Hilbert memberikan bantuan tanpa batas? Apakah konsep Hilbert memuat bentuk persamaan yang benar, atau apakah Hilbert kemudian memasukkan persamaan itu, yang terinspirasi oleh karya Einstein, ke dalam versi makalah yang diterbitkan Hilbert berbulan-bulan kemudian? Intrik hanya semakin dalam ketika kita mengetahui bahwa bagian kunci halaman membuktikan kertas Hilbert, yang mungkin telah menyelesaikan pertanyaan, benar-benar hilang.

Pada akhirnya, Hilbert melakukan hal yang benar. Dia mengakui bahwa apa pun perannya dalam mengkatalisasi persamaan final mungkin, teori relativitas umum harus benar dikreditkan ke Einstein. Dan begitulah yang terjadi. Hilbert mendapatkan haknya juga, sebagai cara teknis tetapi sangat berguna untuk mengekspresikan persamaan relativitas umum yang menyandang nama kedua orang itu.

Tentu saja, kredit hanya akan bernilai jika teori relativitas umum dikonfirmasi melalui pengamatan. Hebatnya, Einstein bisa melihat bagaimana itu bisa dilakukan.

**********

Relativitas umum meramalkan bahwa berkas cahaya yang dipancarkan oleh bintang-bintang yang jauh akan melakukan perjalanan sepanjang lintasan melengkung ketika mereka melewati daerah bengkok dekat Matahari dalam perjalanan ke Bumi. Einstein menggunakan persamaan baru untuk membuat ini tepat - ia menghitung bentuk matematika dari lintasan melengkung ini. Tetapi untuk menguji prediksi, para astronom perlu melihat bintang-bintang yang jauh ketika Matahari berada di latar depan, dan itu hanya mungkin ketika Bulan menghalangi cahaya Matahari, selama gerhana matahari.

Gerhana matahari berikutnya, 29 Mei 1919, dengan demikian akan menjadi dasar pembuktian relativitas umum. Tim astronom Inggris, yang dipimpin oleh Sir Arthur Eddington, mendirikan toko di dua lokasi yang akan mengalami gerhana matahari total — di Sobral, Brasil, dan di Príncipe, di lepas pantai barat Afrika. Berjuang melawan tantangan cuaca, masing-masing tim mengambil serangkaian lempeng foto dari bintang-bintang yang jauh untuk sementara terlihat saat Bulan melayang melintasi Matahari.

Selama bulan-bulan berikutnya analisis cermat dari gambar, Einstein menunggu dengan sabar untuk hasilnya. Akhirnya, pada 22 September 1919, Einstein menerima telegram yang mengumumkan bahwa pengamatan gerhana telah mengkonfirmasi ramalannya.

Koran-koran di seluruh dunia mengambil cerita itu, dengan tajuk-tajuk tanpa nafas yang menyatakan kemenangan Einstein dan melontarkannya hampir semalam dalam sensasi dunia. Di tengah semua kegembiraan, seorang siswa muda, Ilse Rosenthal-Schneider, bertanya kepada Einstein apa yang akan ia pikirkan jika pengamatan itu tidak sesuai dengan prediksi relativitas umum. Einstein dengan terkenal menjawab dengan keberanian yang menawan, "Saya akan menyesal untuk Tuhan Yang Terhormat karena teorinya benar."

Memang, dalam beberapa dekade sejak pengukuran gerhana, ada banyak sekali pengamatan dan eksperimen lain — beberapa yang sedang berlangsung — yang mengarah pada kepercayaan yang kuat pada relativitas umum. Salah satu yang paling mengesankan adalah tes pengamatan yang berlangsung hampir 50 tahun, di antara proyek NASA yang paling lama berjalan. Relativitas umum mengklaim bahwa ketika tubuh seperti Bumi berputar pada porosnya, ia harus menyeret ruang di dalam pusaran agak seperti kerikil yang berputar dalam seember molase. Pada awal 1960-an, fisikawan Stanford menetapkan skema untuk menguji prediksi: Meluncurkan empat giroskop ultra-presisi ke orbit dekat-Bumi dan mencari perubahan kecil dalam orientasi sumbu giroskop yang, menurut teori, harus disebabkan oleh ruang berputar-putar.

Butuh satu generasi upaya ilmiah untuk mengembangkan teknologi giroskop yang diperlukan dan kemudian analisis data bertahun-tahun untuk, antara lain, mengatasi goyangan malang yang diperoleh giroskop di ruang angkasa. Tetapi pada tahun 2011, tim di belakang Gravity Probe B, sebagaimana proyek diketahui, mengumumkan bahwa percobaan setengah abad telah mencapai kesimpulan yang sukses: Kapak giroskop berubah dengan jumlah yang diprediksi oleh matematika Einstein.

Ada satu percobaan yang tersisa, saat ini lebih dari 20 tahun dalam pembuatan, yang banyak mempertimbangkan tes akhir teori relativitas umum. Menurut teori tersebut, dua benda yang bertabrakan, baik itu bintang atau lubang hitam, akan menciptakan gelombang dalam jalinan ruang, seperti halnya dua perahu yang bertabrakan di danau yang tenang akan menciptakan gelombang air. Dan ketika gelombang gravitasi seperti itu beriak ke arah luar, ruang akan mengembang dan berkontraksi di belakangnya, seperti bola adonan yang diregangkan dan dikompresi secara bergantian.

Pada awal 1990-an, sebuah tim yang dipimpin oleh para ilmuwan di MIT dan Caltech memprakarsai program penelitian untuk mendeteksi gelombang gravitasi. Tantangannya, dan ini yang besar, adalah bahwa jika pertemuan astrofisika yang penuh gejolak terjadi jauh, maka pada saat undulasi spasial yang dihasilkan oleh Bumi mereka akan menyebar begitu luas sehingga mereka akan terdilusi secara fantastis, mungkin merentangkan dan menekan ruang dengan hanya sebagian kecil dari inti atom.

Namun demikian, para peneliti telah mengembangkan teknologi yang mungkin hanya dapat melihat tanda-tanda kecil dari riak di struktur ruang saat ia bergulir di Bumi. Pada tahun 2001, dua perangkat berbentuk L sepanjang empat kilometer, secara kolektif dikenal sebagai LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), dikerahkan di Livingston, Louisiana, dan Hanford, Washington. Strateginya adalah bahwa gelombang gravitasi yang lewat secara bergantian akan meregangkan dan menekan kedua lengan masing-masing L, meninggalkan jejak pada sinar laser yang berpacu naik dan turun di masing-masing lengan.

Pada 2010, LIGO dinonaktifkan, sebelum tanda-tanda gelombang gravitasi terdeteksi — aparatus hampir tidak memiliki kepekaan yang diperlukan untuk merekam kedutan kecil yang disebabkan oleh gelombang gravitasi yang mencapai Bumi. Tetapi sekarang versi lanjutan LIGO, peningkatan yang diharapkan sepuluh kali lebih sensitif, sedang dilaksanakan, dan para peneliti mengantisipasi bahwa dalam beberapa tahun deteksi riak di ruang angkasa yang disebabkan oleh gangguan kosmik yang jauh akan menjadi hal biasa.

Keberhasilan akan menarik bukan karena ada orang yang meragukan relativitas umum, tetapi karena hubungan yang dikonfirmasi antara teori dan pengamatan dapat menghasilkan aplikasi baru yang kuat. Pengukuran gerhana tahun 1919, misalnya, yang menetapkan bahwa gravitasi membengkokkan lintasan cahaya, telah mengilhami teknik yang berhasil sekarang digunakan untuk menemukan planet yang jauh. Ketika planet-planet seperti itu lewat di depan bintang-bintang inangnya, mereka sedikit memfokuskan cahaya bintang yang menyebabkan pola cahaya dan peredupan yang dapat dideteksi oleh para astronom. Teknik serupa juga memungkinkan para astronom mengukur massa galaksi-galaksi tertentu dengan mengamati seberapa parah mereka mendistorsi lintasan cahaya yang dipancarkan oleh sumber-sumber yang lebih jauh. Contoh lain yang lebih akrab adalah sistem penentuan posisi global, yang bergantung pada penemuan Einstein bahwa gravitasi mempengaruhi perjalanan waktu. Perangkat GPS menentukan lokasinya dengan mengukur waktu tempuh sinyal yang diterima dari berbagai satelit yang mengorbit. Tanpa memperhitungkan dampak gravitasi pada bagaimana waktu berlalu di satelit, sistem GPS akan gagal menentukan lokasi objek dengan benar, termasuk mobil Anda atau rudal yang dipandu.

Fisikawan percaya bahwa deteksi gelombang gravitasi memiliki kapasitas untuk menghasilkan penerapannya sendiri yang sangat penting: pendekatan baru untuk astronomi pengamatan.

Sejak zaman Galileo, kami telah memutar teleskop ke atas untuk mengumpulkan gelombang cahaya yang dipancarkan oleh objek yang jauh. Fase astronomi berikutnya mungkin sangat terpusat pada pengumpulan gelombang gravitasi yang dihasilkan oleh pergolakan kosmik yang jauh, memungkinkan kita untuk menyelidiki alam semesta dengan cara yang sepenuhnya baru. Ini sangat menarik karena gelombang cahaya tidak dapat menembus plasma yang memenuhi ruang sampai beberapa ratus ribu tahun setelah Big Bang — tetapi gelombang gravitasi bisa. Suatu hari kita dengan demikian dapat menggunakan gravitasi, bukan cahaya, sebagai penyelidikan paling tajam kita tentang saat-saat awal alam semesta.

Karena gelombang gravitasi beriak melalui ruang agak sebagai gelombang suara beriak di udara, para ilmuwan berbicara tentang "mendengarkan" untuk sinyal gravitasi. Mengadopsi metafora itu, betapa indahnya membayangkan bahwa seratus tahun kedua relativitas umum dapat menjadi alasan bagi para fisikawan untuk merayakan akhirnya mendengar suara-suara ciptaan.

Catatan Editor, 29 September 2015: Versi sebelumnya dari artikel ini secara tidak akurat menjelaskan bagaimana sistem GPS beroperasi. Teks telah diubah sesuai.