Sedikit Menilik Rahasia Alam Semesta: Petualangan Ringan dalam Teori Relativitas Umum
Pengantar
Alam semesta memiliki sejuta rahasia didalamnya. Alam semesta merupakan sebuah laboratorium raksasa yang penuh dengan misteri yang menunggu untuk diungkap, satu demi satu. Dalam upaya manusia untuk memahami dan mengungkap rahasia ataupun misteri alam semesta ini, maka teori relativitas umum telah membukakan jalan baru yang menarik. Â
Teori Relativitas merupakan salah satu teori fisika modern dan merupakan salah satu pencapaian gemilang dalam perkembangan ilmu fisika, teori yang membuka pemahaman lebih tentang alam semesta. Teori yang juga meruntuhkan mekanika klasik terutama Hukum Gravitasi Universal milik Newton. Dalam artikel ini, kami mengajak anda untuk berpetualang ringan dalam teori relativitas umum.
Pembahasan
Mengapa Relativitas Umum Penting?
Sebelum memasuki perjalanan ini, penting untuk memahami mengapa Relativitas Umum memiliki peran yang begitu signifikan dalam fisika modern. Teori ini mengubah pandangan kita tentang gravitasi, merangkul konsep geometri ruang-waktu yang melengkung akibat adanya massa dan energi. Relativitas Umum memberikan fondasi yang kuat untuk menjelaskan fenomena seperti lentingan cahaya, struktur kosmik, dan bahkan keberadaan lubang hitam.
Runtuhnya Hukum Gravitasi Universal Newton
Sebagai bekal dalam perjalanan ini, penting untuk memahami konsep gaya gravitasi yang terdapat dalam Hukum Gravitasi Universal Newton. Gaya adalah besaran fisika yang dapat mengubah keadaan suatu benda, baik dalam hal bentuk maupun posisi. Dalam mekanika klasik Newton, gravitasi dianggap sebagai gaya tarik-menarik antara benda-benda yang sebanding dengan massa dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara mereka. Gaya gravitasi mengubah keadaan suatu benda yang semula berada pada posisi yang lebih tinggi menjadi posisi yang lebih rendah, atau yang lebih dikenal dengan gerak jatuh bebas.
Dalam mekanika klasik, gaya digambarkan sebagai hasil perkalian antara massa suatu benda dengan percepatannya, dan hal yang sama berlaku untuk gravitasi. Ketika semua benda dijatuhkan dari ketinggian yang sama, mereka akan mencapai permukaan bumi pada waktu yang sama. Namun, pernyataan ini hanya berlaku dalam kondisi ruang hampa udara, di mana tidak ada gaya hambatan udara yang mempengaruhi benda.
Dalam kehidupan sehari-hari, benda-benda dengan bentuk dan massa jenis yang berbeda akan mengalami percepatan yang berbeda ketika jatuh, karena adanya gaya hambatan udara. Namun, hal ini tidak mempengaruhi fakta bahwa setiap benda dengan massa akan jatuh ke pusat bumi dengan percepatan yang sama.
Ketika kita berada di dalam sebuah lift yang bergerak ke atas dengan percepatan konstan. Dalam situasi ini, kita merasakan gaya gravitasi yang menarik kita ke bawah. Dalam hal ini, percepatan atau akselerasi memiliki kesamaan dengan gravitasi. Misalnya, jika suatu roket bergerak dengan percepatan konstan dan memancarkan cahaya tegak lurus dengan arah percepatannya terhadap suatu benda, maka berkas cahaya tersebut akan melengkung dari garis lurus. Hal ini merupakan contoh gaya semu yang dialami oleh cahaya.
Namun, Hukum Gravitasi Universal Newton menyatakan bahwa semua benda bermassa di alam semesta saling tarik menarik. Hal ini bertentangan dengan pengamatan bahwa cahaya yang terkena gaya gravitasi akan melengkung, padahal cahaya tidak memiliki massa. Seharusnya, cahaya bergerak lurus tanpa melengkung. Keadaan ini diamati dan dibuktikan oleh astronom Inggris, Arthur Eddington yeng menyimpulkan bahwa cahaya dilengkungkan oleh gaya gravitasi. Hal ini menjadi masalah yang tidak dapat dijelaskan oleh Hukum Gravitasi Universal milik Newton.
Menggali keajaiban Geometri Ruang dan waktu
Memasuki inti perjalanan ini, kami mengajak Anda untuk memahami konsep Geometri Ruang dan Waktu. Kita hidup dalam ruang yang dalam matematika digambarkan dengan sumbu x, y, dan z, yang mewakili arah atas-bawah, depan-belakang, dan kiri-kanan. Namun, penting untuk tidak melupakan dimensi waktu, karena kita tidak hanya hidup dalam ruang, tetapi juga dalam ruang-waktu.
Pada awalnya, Geometri Ruang-Waktu dianggap datar, di mana semua objek bergerak sejajar dan lurus. Namun, ketika ada massa dalam Geometri Ruang-Waktu, ia akan melengkung dan meregangkannya. Konsep kelengkungan ruang-waktu ini merupakan defenisi dari gravitasi menurut relativitas umum. Kelengkungan ruang-waktu ini merupakan gambaran geometris dari gravitasi. Massa dan energi tidak hanya mengalami efek gravitasi, tetapi juga memengaruhi alam semesta secara keseluruhan. Mereka menarik benda-benda di sekitarnya dan melengkungkan jalur pergerakan mereka dalam ruang-waktu.
 Gambar 3.a menunjukkan garis maya yang melengkung sebagai representasi geometri ruang yang kita tempati saat ini. Kelengkungan ini disebabkan oleh keberadaan bumi. Namun, dalam gambar tersebut kita perlu diingat bahwa kelengkungan tidak hanya terjadi dalam ruang, tetapi juga dalam waktu.
Keterbatasan persepsi manusia dalam melihat hanya dalam tiga dimensi membuat kita sulit membayangkan secara langsung kelengkungan waktu. Dalam setiap titik potong garis maya dalam ruang-waktu, terdapat "jam" yang berdetak. Kelengkungan ruang menyebabkan jarak antara jam yang sebelumnya sama menjadi meregang dan memanjang karena adanya massa dalam geometri ruang-waktu ini.
Dalam konsep ini, kita dapat membayangkan bahwa waktu yang diperlukan untuk menempuh jarak antara jam dalam geometri ruang-waktu ini tetap sama. Oleh karena itu, untuk menempuh jarak yang lebih panjang akibat kelengkungan ruang-waktu, waktu yang diperlukan tetap sama. Hal ini berbeda dengan pemahaman dalam mekanika klasik, di mana kita perlu meningkatkan kecepatan untuk menempuh jarak yang lebih jauh dalam waktu yang sama. Namun, dalam kasus kelengkungan ruang-waktu, tidaklah kecepatan yang ditingkatkan, melainkan waktu di pusat kelengkungan yang melambat. Ini mengartikan bahwa waktu di permukaan bumi berjalan lebih lambat dibandingkan dengan waktu di luar bumi.
Dalam kesimpulannya, konsep kelengkungan waktu dalam geometri ruang-waktu menjelaskan bahwa waktu dapat mengalami perbedaan kecepatan tergantung pada kelengkungan ruang-waktu yang disebabkan oleh keberadaan massa dan energi. Kalau begitu, apakah kita dapat menghentikan waktu?
Waktu Bukan Suatu Hal yang absolut
Dalam perjalanan kita sebelumnya, dapat disimpulkan bahwa waktu adalah relatif dan dapat berubah tergantung pada massa dan energi yang menempati ruang-waktu itu. Sama seperti kecepatan dan arah gerak, waktu juga bergantung pada kerangka acuan yang digunakan. Jika kerangka acuan yang digunakan berbeda, waktu yang diamati juga akan berbeda.
Misalnya, dalam sebuah skenario di alam semesta di mana terdapat dua benda yang tidak memiliki massa dan terpisah oleh jarak r. Salah satu benda memancarkan cahaya menuju benda lainnya. Waktu yang diperlukan cahaya untuk menempuh jarak r adalah t. Dalam hal ini, kita memiliki dua kerangka acuan yang berbeda, yaitu kerangka acuan cahaya yang bergerak dan kerangka acuan benda yang menerima cahaya.
Dalam situasi tersebut, waktu yang diamati dari kedua kerangka acuan tersebut adalah sama. Hal ini terjadi karena dalam konteks ini, tidak ada massa dan energi yang melengkungkan ruang-waktu di antara kedua benda. Sehingga, dalam kerangka acuan yang berbeda, waktu yang diperlukan oleh cahaya untuk menempuh jarak r tetap sama.
Namun, jika terdapat massa yang besar yang cukup untuk melengkungkan ruang-waktu di antara kedua benda tersebut, maka jika kita melihat dari kerangka acuan yang berbeda, waktu yang diamati akan berbeda. Dalam kondisi ini, relativitas waktu berlaku dan terdapat perbedaan dalam pengukuran waktu tergantung pada kerangka acuan yang digunakan.
Kesimpulan
Diakhir perjalanan ini, kita telah melintasi konsep-konsep yang menarik dalam teori relativitas umum. Teori ini telah mengubah cara kita memahami gravitasi dan memberikan pemahaman yang lebih dalam tentang geometri ruang-waktu. Relativitas umum menggantikan Hukum Gravitasi Universal Newton dengan memasukkan konsep kelengkungan ruang-waktu yang disebabkan oleh massa dan energi. Dalam proses ini, kita belajar bahwa waktu adalah relatif, dapat berbeda tergantung pada kerangka acuan yang digunakan, dan dapat dipengaruhi oleh keberadaan massa dalam ruang-waktu.
Dengan pemahaman ini, kita semakin dekat untuk mengungkap lebih banyak rahasia alam semesta yang menunggu untuk dipecahkan. Teori relativitas umum terus menjadi landasan penting dalam fisika modern dan menginspirasi penelitian lebih lanjut untuk memahami alam semesta dalam cara yang lebih mendalam. Seiring dengan perkembangan teknologi dan pemahaman kita yang semakin maju, kita dapat melanjutkan petualangan kita untuk mengungkap rahasia alam semesta yang masih tersisa, satu teka-teki fisika pada satu waktu.
