Gravitasi : penguasa skala kosmos


Apakah gravitasi ? Secara sederhana kita mengenalnya sebagai gaya berat. Gaya berat bumi menyebabkan kita berjalan sama di permukaan tanah, tanpa takut kalau terpeleset akan melayang di udara. Ia adalah gaya yang timbul akibat masa benda. Makin besar massa makin kuat gravitasinya. Tapi makin jauh sumbernya makin lemah pula kekuatan gravitasi. Besar gaya gravitasi yang diderita sebuah benda, berbanding terbalik dengan kuadrat (pangkat dua) jarak benda ke sumber gravitasi.
Inilah bagian gravitasi Newton yang diungkapkan pada akhir abad 17. Newton tidak begitu saja menghasilkan hukum gravitasi. Ide itu sudah ada sejak ratusan tahun sebelumnya,  ketika manusia mulai bertanya tanya tentang gerak benda langit. Tepatnya revolusi pemikiran modern dimulai dengan “Revolusi Bola Langit” karangan Nicholas Copernicus tahun 1543. Dalam buku ini tercantum bahwa mataharilah  pusat gerak dalam kosmos.  bukan bumi, seperti keyakinan kebanyakan orang waktu itu. Cukup tepat, tapi toh Copernicus masih salah : planet-planet bergerak dalam orbit sirkular. Adalah Johannes Keppler, astronom Denmark, yang lalu melahirkan tiga hukum empiris tentang pergerakan dalam tata surya yang menyatakan bahwa planet mengedari matahari dalam orbit Elips, dan matahari terletak di salah satu titik apinya. Kecepatan gerak planet berubah sesuai jaraknya ke matahari kalau dekat ke matahari, planet akan bergerak lebih cepat daripada kalau sedang di titik terjauh. Pernyataan berikutnya tentang hubungan antara jarak dengan periode planet yaitu kalau jarak planet ke matahari (dinyatakan dalam satuan jarak bumi matahari) di pangkatkan tiga, hasilnya sama dengan periode edar planet mengelilingi  matahari (tahun) pangkat dua. Hebatnyaa hubungan selaras ini berlaku untuk semua planet dalam tata surya ciri. Kesederhanaan alam !
Keppler sayang tidak menjelaskan kenapa planet beredar dan orbit seperti itu ! Tidak juga kenapa ada perubahan kecepatan. Kepler meninggal dan mewariskan ciri pengembangan ilmu pengetahuan modern, menemukan jawaban sambil menggemakan pertanyaan pertanyaan baru.

Apel yang jatuh

Sebuah kisah menarik tentang Newton, diciptakan penyair Perancis Voltaire : setelah kejatuhan buah apel di kebun, Newton pulang dan menemukan hukum gravitasi. Tentu Newton tidak pernah kejatuhan apel, tidak juga melihat ada apel yang jatuh.
Ia menemukan gravitasi melalui pendekatan teori. Mula mula ia berdalih bahwa sebuah benda yang bergerak tanpa pengaruh gaya, pasti akan bergerak lurus tanpa perubahan kecepatan. Dan apel tidak bergerak lurus ! berarti ada gaya yang bekerja pada planet, sehingga orbitnya menjadi Elips.  Dan gaya itu berasal dari matahari : gravitasi. Gaya serupa menyebabkan bulan mengedari bumi dan apel jatuh ke bumi. Newton juga menunjukkan bahwa semua benda dalam pengaruh gravitasi matahari akan menempuh irisan kerucut. Bentuk orbit yang akhirnya ditempuh benda tergantung pada besaran kecepatan. Kecepatan rendah akan menghasilkan orbit tertutup, sehingga benda berkecepatan tinggi akan menempuh parabola atau hiperbola yang bahkan bisa mengantarkan keluar pengaruh matahari.
Setelah Newton, banyak rahasia kosmos terungkap. Selama lebih dua abad, gravitasi Newton dianggap mampu menjelaskan hampir setiap gejala alam bahkan pengiriman satelit dan penerbangan antariksa hanya mungkin dipersiapkan dengan azas Newton. Penemuan tiga planet terluar,  Uranus (1781), Neptunus (1846) dan Pluto (1930), di awali dengan perhitungan berdasarkan hukum Newton.
Namun pada akhir abad 19 terlihat kejanggalan pada orbit planet Merkurius yang tak bisa dijelaskan. Perihelion Merkurius, titik pada orbit yang terdekat ke matahari, melakukan pergeseran teratur sepanjang tahun. Seperti sebelumnya para Astronom menduga gangguan ini disebabkan oleh planet yang belum ditemukan, mereka menyebutnya Vulkan, dewa api Romawi. Tapi perhitungan Newton menghasilkan pergeseran hanya 531 masih kurang 43 untuk menyamai observasi. Toh perburuan Vulkan tetap dilakukan.

Baca juga ...  Nenek moyang ular memiliki kaki

Prinsip Relativitas

Einstein  menemukan Teori Relativitas Umum (TRU) tahun 1916 tanpa perhatian khusus pada Merkurius. Setelah berhasil dengan Teori Relativitas Khusus (TRK), yang berlaku khusus pada kerangka gerak seragam. Ia menginginkan sebuah teori yang lebih umum yaitu konsep fisika yang berlaku untuk semua kerangka acuan bukan hanya pada gerak tanpa percepatan.
Untuk memahami konsep Eisnten, bayangkan sebuah ruang tertutup tanpa jendela tanpa secuil lubang untuk mengintip keluar.  Anda berdiri di dalamnya sambil melempar lempar buah jeruk. Setiap kali jeruk anda lempar, dan membiarkannya, jeruk jatuh mengikuti pergerakan “g” akibat gaya gravitasi bumi. Hal ini terus Anda lakukan tanpa sepengetahuan anda, ruang tertutup itu sudah dipindahkan ke ruang antar bintang (ruang anda rupanya juga kedap getaran dan kedap suara ) di bagian lantai ruang terdapat roket yang memberi percepatan.  Anehnya jeruk tetap saja jatuh,  anda pun tetap tegak di lantai tampak sadar bahwa Anda sekarang dalam keadaan bebas gravitasi. Ilustrasi sederhana memperlihatkan keberlakuan prinsip kesetaraan. Menurut Anda dalam ruang tertutup, jeruk jatuh karena Anda berada dalam Medan gravitasi (anda lupakan saja dulu “gaya” gravitasi bagi kita pengamat luar, jeruk jatuh karena ada percepatan roket. Jadi dalam ruang lokal kita tidak bisa membedakan gravitasi dengan percepatan. Gravitasi sama dengan percepatan! kenapa hanya dalam ruang lokal?

Bukit dan lembah ruang waktu

Anda tentu sering mendengar tentang kontinum di ruang waktu yang dikemukakan Eisnten dalam TRK. Singkatnya kita tidak bisa menceraikan ruang dengan waktu. Kita tidak bisa bicara tentang ruang tanpa melibatkan waktu dan sebaliknya. Waktu katakan saja merupakan matra empat melengkapi tiga matra ruang sebutannya Kontinum Ruang Waktu (KRW). Einstein sadar, bahwa pandangan nya berkembang dari prinsip Mach (Ernest Mach) TRK memperlihatkan bahwa KRW membangun realita fisik yang terpisah dari apapun di dalamnya. Geometri KRW dipengaruhi materi dan gerak dalam ruang waktu di atur oleh geometri, tapi sifat dan keberadaan ruang waktu tidak ditentukan oleh materi. Ruang Waktu bisa ada tanpa apapun di dalamnya.
Karena geometri KRW dipengaruhi materi, maka kehadiran materi akan menyebabkan KRW melengkung.  Makin besar massa, makin besar lengkungannya. Tapi jauh dari materi,  KRW datar saja. Beragamnya massa dalam kosmos menyebabkan gerak dalam KRW  juga rumit diikuti. yang pasti geometri bidang datar yang kita kenal sejak di sekolah dasar dan sudah berlaku selama 2000 tahun tidak bisa dipakai di sini. Masalahnya kosmos tidak datar pada daerah lokal. Disekitar tata surya, kita bisa memakai geometri datar Euclid dengan gravitasi Newton, tapi tidak di tempat yang medan gravitasinya besar. Einstein adalah orang pertama yang menyadari bahwa Geometri Euclid tidak berlaku semesta. Karena ruang waktu sudah melengkung oleh materi. Dan itulah gravitasi lengkungan dalam KRW akibat materi !  itu pula sebabnya kenapa benda langit berbentuk seperti bola dan punya lintasan Irisan kerucut.
Sebuah benda yang bergerak dalam KRW, akan memilih lintasan terpendek antara dua titik. Lintasan terpendek ini disebut Geodesik (geodesik tentu saja bisa macam-macam bentuknya). Dalam KRW jauh dan materi, Geodesik berupa garis lurus tapi dekat materi udah sih ikut melengkung. Contoh geodesik paling umum adalah lintasan penerbangan pesawat transit-atlantik
Bila kita melihat gerak planet dalam tata surya dengan kacamata ini, kita tahu bahwa matahari dan setiap planet, satelit serta Asteroid akan menghasilkan beragam lengkungan dalam KRW. Tidak ada lagi gaya gravitasi misterius dari matahari yang menarik planet terus menerus sehingga tetap pada orbitnya. Yang ada hanyalah kenyataan bahwa setiap anggota tata surya berusaha menempuh lintasan terpendek dalam KRW yang melengkung akibat medan gravitasi matahari. Contoh sederhananya begini:  ambillah lembaran karet cukup lebar, ajak teman anda memegangnya pada ke empat ujung letakkan sebuah bola besi ditengah tengah karet. Anda akan lihat permukaan karet melengkung. Sebuah kelereng, yang Anda gerakkan di permukaan karet, akan menempuh lintasan melengkung sebelum terjerumus ke dekat bola besi. Tapi karena planet dan semua benda angkasa punya kecepatan, mereka tidak terjerumus ke dalam matahari. Kalau medan gravitasi itu terlalu besar seperti pada lubang hitam, lengkungan yang terbentuk cukup dalam sehingga akibatnya obyek akan tersedot. Geometri kosmos ibarat naik turunnya lembah bukit.
Untuk menyelesaikan masalah gerak dalam KRW, Eisntein memanfaatkan geometri matra banyak yang dikembangkan George Rienman setengah abad sebelumnya.  Rienman memperkenalkan bidang melengkung untuk berbagai matra yang bahkan mustahil untuk dibayangkan, karena kita hidup dalam tiga matra. Dengan geometri Rienman, Eisntein membangun persamaan Medan TRU yang memungkinkan Anda mengembara dalam KRW. Karena persamaan medan melukiskan perubahan medan gravitasi di sekitar daerah pengamatan yang kita mendaki dalam selang waktu tertentu.

Baca juga ...  Ilmuwan Menemukan Dataran Terdalam di Bumi, Tersembunyi Di Bawah Es Antartika

Teori surga, neraka eksperimen

Enstein menemukan TRK dan TRU dengan sadar sepenuhnya bahwa teorinya yang anggun amat sukar untuk dibuktikan.  Soalnya, seluruh tata surya masih dikuasai Newton. Paling paling dekat sekali ke matahari,  gravitasi cukup kuat untuk memberlakukan TRU  tapi, bagaimana melakukan eksperimen begitu dekat ke matahari? Banyak ilmuwan segera ingat dengan Vulkan. Ketika TRU diterapkan pada orbit Merkurius ternyata kehilangan “43” bisa dijelaskan tanpa keadilan planet lain. Pergeseran perihelion itu timbul akibat gravitasi matahari yang kuat, sehingga formula Newton gagal diperlukan di sana !
Bukti kedua menunggu cukup lama pada 29 Mei 1919, terjadi gerhana matahari total yang dimanfaatkan oleh para ahli fisika untuk membuktikan bahwa di dekat matahari gravitasi cukup kuat, sehingga cahaya bintang dekatnya akan melengkung. Kenapa menunggu gerhana matahari total ? Soalnya untuk mengamati bintang dekat ke Matahari hanya mungkin kalau matahari tertutup. Dan Einstein terbukti benar.  Gravitasi menimbulkan pelengkungan ruang waktu. Ketika kabar itu sampai padanya, ia berkata padaIlse Rosenthal (yang bertanya apa perasaan Einstein bila misalnya pengukuran gerhana  tidak membuktikan kebenaran TRU) :  Saya minta maaf pada Tuhan teori saya benar.
Gravitasi Eisntein menguasai kosmos skala besar.  Hampir semua bintang patuh  pada hukumnya. Apa yang tidak terjelaskan melalui hukum Newton bisa dijelaskan Einstein. Tapi Eisntein tidak menggantikan formula Newton. Ia hanya menunjukkan bahwa pemberlakuan hukum Newton mempunyai keterbatasan daerah. Dan kini, puluhan tahun setelah Eisntein menemukan teorinya yang menggemparkan itu, para ilmuwan menyadari bahwa ada beberapa titik yang menolak pemberlakuan teori Eisntein. Antara lain di pusat lubang hitam dan pra paling awal dari kosmos, teori itu tidak bisa menjelaskan gejala fisik di sana. Hukum Newton dan Teori Einstein hanya dua langkah yang diinginkan manusia untuk mengungkap rahasia kosmos.

Di tulis oleh Karlina Leksono