Teori Relativitas Einstein: dari Khusus ke Umum

Pada tahun 1905 Einstein mengemukakan teori relativitasnya yang pertama yang disebut sebagai teori relativitas khusus. Dalam teori ini, Einstein memberikan gambaran bagaimana ukuran panjang ruang dan durasi waktu dapat berbeda bagi dua (atau lebih) pengamat yang saling bergerak pada kecepatan berbeda dalam kerangka acuan yang berbeda.

Walaupun pada masa itu teori relativitas khususnya dapat memprediksi dan menjelaskan dengan tepat fenomena-fenomena fisika berkecepatan tinggi (mendekati kecepatan cahaya), Einstein sadar bahwa teorinya masih belum lengkap. Teori ini hanya dapat diaplikasikan pada objek yang bergerak dengan kecepatan konstan.

Jika dianalogikan dengan fenomena sehari-hari maka teori relativitas khusus dapat diibaratkan sebagai sebuah teori yang hanya menjelaskan gerakan sebuah mobil dengan kecepatan yang tetap nan stabil. Relativitas khusus tidak menghitung percepatan atau ‘perlambatan’ yang terjadi pada mobil. Jadi, jika mobil melaju dengan kecepatan yang konstan sebesar 70 km/jam, maka relativitas khusus dapat menjelaskan dan menggambarkan kasus ini dengan tepat. Namun, jika kecepatan mobil dinaikkan (dipercepat) atau diturunkan (diperlambat) oleh karena pedal gas yang diinjak lebih kuat atau lebih pelan, atau karena terjadi pengereman atau pergantian gear (gigi), teori relativitas khusus menjadi tak berguna lagi. Oleh karena itu, Einstein merasa masih ada yang kurang dari teori relativitas khusus-nya.

Di era yang sama, untuk menjelaskan peristiwa apel jatuh ke tanah atau fenomena tarik-menarik antara Bumi dan bulan, manusia menggunakan hukum gravitasi Newton. Gravitasi Newton mendeskripsikan gravitasi sebagai gaya tarik menarik yang bekerja pada beberapa benda yang memiliki massa. Namun, jika ditanya apakah gravitasi bekerja sama seperti gaya tarik-menarik magnet? Bagaimana caranya gravitasi bekerja? Newton maupun ilmuwan yang hidup sebelum Einstein kesulitan menjawabnya. Walau kesulitan menjelaskan cara kerja gravitasi, yang pasti bahwa pandangan yang muncul pada masa itu adalah bahwa gravitasi terjadi secara instan. Jadi, jika seandainya ada dua objek seukuran bumi muncul tiba-tiba di sebuah tempat di luar angkasa pada jarak yang cukup dekat (seperti jarak bumi-bulan) maka gravitasi bekerja pada saat itu juga, mengakibatkan kedua objek bergerak mendekat satu sama lain tanpa delay. Kedengarannya masuk akal, namun di sinilah letak misterinya. Perhatikan eksperimen pikiran (gedankenexperiment) berikut!

Matahari dan bumi terpisahkan jarak yang sangat jauh (kurang lebih 150 juta km). Oleh karena itu, cahaya matahari membutuhkan waktu 8 menit untuk sampai ke bumi. Seandainya suatu waktu matahari tiba-tiba lenyap, maka sebagai pengamat di bumi kita baru menyadari lenyapnya matahari 8 menit kemudian. Ini terjadi karena berkas cahaya Matahari yang terakhir baru sampai ke Bumi 8 menit setelah Matahari lenyap. Namun, jika benar gravitasi bekerja secara instan seperti pandangan di atas, maka pada saat matahari lenyap, pada saat itu juga bumi akan terbebas dari gravitasi matahari dan terlempar keluar dari jalur orbitnya sebelum berkas cahaya Matahari yang terakhir sampai ke Bumi 8 menit kemudian. Ini berarti gravitasi bekerja lebih cepat dari kecepatan cahaya, sesuatu yang bertentangan dengan teori relativitas khusus Einstein bahwa kecepatan cahaya adalah batas kecepatan tertinggi di alam semesta.

Jadi, walaupun teori relativitas khusus-nya mulai menawarkan kemasyuran bagi dirinya, Einstein menghadapi dua masalah penting yang harus diselesaikan. Masalah pertama adalah membawa aspek percepatan ke dalam teori khususnya. Pekerjaan rumah Einstein adalah menemukan teori lanjutan yang dapat menyelesaikan masalah percepatan dari objek yang bergerak dengan kecepatan tinggi (mendekati kecepatan cahaya). Masalah kedua adalah mendamaikan relativitas khusus dengan gravitasi Newton. Einstein harus menemukan teori yang bisa menjelaskan bagaimana gravitasi bekerja, dengan syarat bahwa itu tidak membuat gravitasi bekerja dengan kecepatan yang melebihi kecepatan cahaya.

Butuh satu dekade bagi Einstein untuk menyelesaikan kedua masalah di atas lewat sebuah teori yang diperluas dari teori relativitasnya yang pertama. Sebagai perluasan dari teori yang pertama maka teori ini disebut teori relativitas umum. Teori ini bukan hanya sekedar teori ruang-waktu biasa tetapi juga merupakan teori yang dapat memberi definisi dan pemahaman yang baru dan lebih mapan tentang  fenomena gravitasi. Karena dalam teori ini Einstein memasukkan konsep percepatan dan gravitasi maka lahirlah sebuah prinsip terkenal dalam teori relativitas umum yang disebut prinsip kesetaraan.

Kita akan menggunakan gedankenexperiment lagi untuk memahami konsep dari prinsip kesetaraan ini. Bayangkan seorang pengamat yang berada dalam sebuah ruangan yang terisolasi dari keadaan luar. Jadi, dalam ruangan ini pengamat tidak dapat mendengar, melihat, atau mengetahui tentang apapun yang terjadi di luar ruangan. Lebih spesifik lagi, andaikan bahwa ruang tertutup ini adalah sebuah kapsul luar angkasa yang sedang berada di luar angkasa. Karena berada di luar angkasa yang gravitasinya sangat kecil, maka pengamat ini akan melayang dalam kapsul. Lalu, dengan suatu cara, tanpa diketahui si pengamat, kapsul ditarik ke atas dengan sebuah percepatan. Pada saat itu terjadi maka pengamat yang tadinya melayang kini berdiri menyentuh lantai kapsul. Karena ketiadaan informasi, pengamat tidak akan bisa membedakan atau mengetahui fenomena apa yang dialaminya, apakah dia menyentuh lantai kapsul karena gravitasi atau karena percepatan (akselerasi) kapsul ke atas?.

Sensasi yang sama dapat kita rasakan ketika kita berada dalam sebuah lift yang sedang bergerak. Pada saat lift bergerak naik maka kita merasakan tekanan ke bawah seolah-olah berat badan kita sedikit lebih ‘besar’ dari biasanya. Sebaliknya, jika lift bergerak ke bawah maka tekanan antara lantai dan kaki kita sedikit lebih lemah sehingga kita merasakan sensasi bahwa bobot kita lebih ringan dari biasanya.

Dari dua ilustrasi di atas kita menjadi paham bahwa pengaruh gaya gravitasi terasa persis sama dengan pengaruh yang timbul dari efek percepatan. Bagi pengamat yang terisolasi di dalam ruangan tertutup, tidak ada cara untuk mengetahui apakah gaya yang dialaminya adalah gravitasi, atau justru akibat dari ruangan yang dipercepat. Ini adalah esensi dari prinsip kesetaraan Einstein yang menuntun Einstein pada kesimpulan bahwa akselerasi (percepatan) dan gravitasi sangat saling berkaitan satu sama lain.

Salah satu konsekuensi yang sangat penting dari prinsip kesetaraan adalah bahwa berkas cahaya harus secara halus dibelokkan atau ditekuk oleh gravitasi. Kembali pada analogi ruang tertutup atau kapsul ruang angkasa sebelumnya. Kali ini misalkan bahwa pada salah satu dinding kapsul terdapat penembak sinar laser. Untuk percobaan pertama, laser ditembakkan saat kapsul dalam keadaan diam, sehingga berkas sinar laser akan bergerak menuju dinding di seberangnya dalam lintasan garis lurus. Sedangkan untuk percobaan kedua, laser ditembakkan saat kapsul sedang bergerak vertikal (entah ke atas atau ke bawah) dengan sebuah percepatan. Kita bisa membayangkan bahwa hasilnya adalah berkas sinar laser tidak akan menyentuh dinding di seberangnya di titik yang sama seperti saat kapsul dalam keadaan diam (kasus sebelumnya), melainkan sedikit melenceng. Ini terjadi pada objek yang bergerak dipercepat. Namun, karena menurut prinsip kesetaraan gravitasi sama dengan percepatan, maka kita bisa menyimpulkan juga bahwa ketika cahaya bergerak dalam medan gravitasi, maka lintasan cahaya akan melenceng karena dibelokkan.

Berdasarkan pemahaman ini, maka dalam sebuah papernya yang diterbitkan pada tahun 1911 berjudul "On the Influence of Gravitation on the Propagation of Light" Einstein menyajikan perhitungan yang menunjukkan bahwa cahaya yang melewati Matahari harus dibelokkan karena pengaruh gravitasi Matahari. Dalam keadaan normal, setiap cahaya yang dibelokkan oleh Matahari akan 'hilang' dalam lautan cahaya matahari yang jauh lebih terang. Oleh sebab itu, untuk melihat atau mendeteksi berkas cahaya dari objek lain yang dibelokkan saat melintas melewati Matahari, cahaya Matahari harus dihalangi. Agar pengukuran seperti itu berhasil maka harus dilakukan pada kondisi gerhana matahari yang hampir sempurna. Akan mudah untuk mendeteksi penyimpangan kecil pada lintasan cahaya yang melintasi matahari ketika matahari benar-benar terhalang oleh bulan. Pada saat itu, Einstein berharap bahwa ramalannya beserta prinsip kesetaraan akan terbukti benar.

Sambil menunggu terjadinya gerhana matahari selama bertahun-tahun, Einstein mempertimbangkan beberapa pertanyaan konseptual yang dimunculkan oleh kemungkinan pembelokkan cahaya. Dalam banyak aplikasi, cahaya telah lama digunakan sebagai definisi dari sebuah "garis lurus." Jadi, jika gravitasi Matahari dapat menekuk lintasan cahaya, maka kesimpulannya gravitasi dapat mengubah geometri ruang. Karena lintasan cahaya tercipta saat cahaya bergerak dari satu titik ruang-waktu yang satu ke titik ruang-waktu yang lain, kesimpulannya lintasan cahaya yang melengkung tersebut tercipta karena cahaya bergerak melintasi ruang-waktu yang melengkung. Dengan kata lain, gravitasi adalah kelengkungan ruang-waktu. Dengan wawasan ini, Einstein mulai mengenali hubungan mendalam yang ada antara apa yang kita sebut gravitasi, dan geometri ruang-waktu.

Momen yang dinanti-nantikan Einstein akhirnya tiba. Pada tahun 1919, astronom Inggris bernama Sir Arthur Eddington membuktikan kebenaran teori Einstein lewat pengamatan lintasan cahaya dari bintang lain yang melintasi Matahari saat terjadi gerhana Matahari. Selama gerhana berlangsung, dengan bantuan teleskop, Eddington memotret beberapa bintang dari gugus Hyades termasuk Kappa Tauri dari konstelasi Taurus di wilayah sekitar matahari. Karena lintasan cahaya dibelokkan, maka posisi bintang yang diamati akan tampak sedikit bergeser oleh pengamat di Bumi ketika cahaya bintang tersebut melintasi wilayah di sekitar matahari - dan itulah yang diperoleh Eddington.

Hasil pengamatan Eddington menjadi bukti pertama yang mendukung teori relativitas umum Einstein dan menjadi berita utama di semua surat kabar dunia. Eddington turut mempopulerkan teori relativitas umum Einstein terutama saat ia memberikan kuliah. Teori ini kemudian berhasil memecahkan banyak teka-teki yang sebelumnya tidak dapat dipecahkan oleh hukum gravitasi Newton, dan menjadi landasan bagi umat manusia untuk lebih memahami perilaku alam semesta.

Lalu, berkaitan dengan ilustrasi matahari yang tiba-tiba lenyap, apakah gravitasi bergerak lebih cepat dari cahaya? Pada saat matahari tiba-tiba lenyap, maka ruang-waktu di tempat matahari sebelumnya berada akan berubah dari melengkung menjadi datar. Transisi ini akan merambat seperti riak atau gelombang dan menjalar mempengaruhi ruang-waktu di sekitarnya. Jadi, gravitasi tidak terjadi secara instan dan sekejap dengan kecepatan tak terbatas. Karena kecepatan tertinggi di alam semesta adalah kecepatan cahaya, maka secepat apapun gravitasi merambat, kemungkinan tertingginya adalah gravitasi bergerak dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan cahaya. Data terbaru dari eksperimen untuk membuktikan keberadaan gelombang gravitasi menunjukkan bahwa gravitasi bergerak dengan kecepatan yang sama persis dengan kecepatan cahaya.