I.
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Siapa yang tidak kenal formula Einstein E = m c2 atau paradoks si kembar yang mendapati saudara kembarnya sudah jauh lebih tua setelah ia melakukan perjalanan dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya? Namun tidak semua orang tahu kalau "keajaiban" tersebut hanyalah bagian kecil dari teori relativitas Einstein, serta bagaimana sebenarnya Einstein mendapatkan teori relativitas tersebut. Bayangkanlah sebuah pesawat ruang angkasa --sebutlah namanya X--meluncur laju menjauhi bumi dengan kecepatan 100.000 kilometer per detik. Kecepatan diukur oleh pengamat, baik yang berada di pesawat ruang angkasa X maupun di bumi, dan pengukuran mereka bersamaan. Sementara itu, sebuah pesawat ruang angkasa lain yang bernama Y meluncur laju pada arah yang sama dengan pesawat ruang angkasa X tetapi dengan kecepatan yang berlebih. Apabila pengamat di bumi mengukur kecepatan pesawat ruang angkasa Y, mereka mengetahui bahwa pesawat itu melaju menjauhi bumi pada kecepatan 180.000 kilometer per detik. Pengamat di atas pesawat ruang angkasa Y akan berkesimpulan serupa. Nah, karena kedua pesawat ruang angkasa itu melaju pada arah yang bersamaan, akan tampak bahwa beda kecepatan antara kedua pesawat itu 80.000 kilometer per detik dan pesawat yang lebih cepat tak bisa tidak akan bergerak menjauhi pesawat yang lebih lambat pada kadar kecepatan ini. Tetapi, teori Einstein memperhitungkan, jika pengamatan dilakukan dari kedua pesawat ruang angkasa, mereka akan bersepakat bahwa jarak antara keduanya
bertambah pada tingkat ukuran 100.000 kilometer per detik, bukannya 80.000 kilometer per detik. Kelihatannya hal ini mustahil. Kelihatannya seperti olok-olok. Pembaca menduga seakan ada bau-bau tipu. Menduga jangan-jangan ada perincian yang disembunyikan. Padahal, sama sekali tidak! Hasil ini tidak ada hubungannya dengan tenaga yang digunakan untuk mendorong mereka. Fenomena tersebut dapat kita ketahui melalui teori relativitas. Lalu, bagaimana teori tersebut dapat terungkap? Siapakah pencetusnya? Untuk itu, pada makalah ini akan dibahas tentang sejarah “Teori Relativitas”.
B. Tujuan Adapun tujuan dari penulisan makalah ini adalah: 1. Mengetahui bagaimana sejarah tentang teori relativitas? 2. Mengetahui tokoh yang berkaitan tentang teori relativitas?
II.
ISI
A. Apakah Teori Relativitas Itu? Teori relativitas Albert Einstein adalah sebutan untuk kumpulan dua teori fisika: relativitas umum dan relativitas khusus. Kedua teori ini diciptakan untuk menjelaskan bahwa gelombang elektromagnetik tidak sesuai dengan teori gerakan Newton. Gelombang elektromagnetik dibuktikan bergerak pada kecepatan yang konstan, tanpa dipengaruhi gerakan sang pengamat. Inti pemikiran dari kedua teori ini adalah bahwa dua pengamat yang bergerak relatif terhadap masing-masing akan mendapatkan waktu dan interval ruang yang berbeda untuk kejadian yang sama, namun isi hukum fisika akan terlihat sama oleh keduanya.
B. Siapakah Pencetus Teori Relativitas? Albert Einstein, tak salah lagi, seorang ilmuwan terhebat abad ke-20. Cendekiawan tak ada tandingannya sepanjang jaman. Termasuk karena teori "relativitas"-nya. Sebenarnya teori ini merupakan dua teori yang bertautan satu sama lain: teori khusus "relativitas" yang dirumuskannya tahun 1905 dan teori umum "relativitas" yang dirumuskannya tahun 1915, lebih terkenal dengan hukum gaya berat Einstein. Kita juga bisa membuktikan ini saat kita sedang mengantar saudara kita yang akan pergi ke luar kota naik kereta api cepat. Sewaktu kereta mulai meluncur, kita melihat saudara kita itu melesat dengan cepat. Tetapi di dalam kereta itu sendiri, orang yang duduk di sebelah saudara kita itu melihat bahwa saudara kita itu
duduk diam dan tenang di sebelahnya. Jadi, bagi kita yang sedang berada di luar kereta yang sedang meluncur itu, saudara kita memang terlihat bergerak dengan cepat. Tetapi bagi semuanya yang ada di dalam kereta, ia terlihat sedang diam. Jadi, waktu (Time) tidak mempunyai nilai absolut, sama seperti ruang (Space). Semuanya harus selalu dibandingkan dengan sesuatu yang bisa dijadikan patokan. Misteri inilah yang diutak-atik oleh otak jenius Einstein sehingga melahirkan teori relativitasnya yang terkenal itu. Semua hal yang tampak sebagai sesuatu yang absolut ternyata merupakan sesuatu yang relatif. Pepatah bilang, "semuanya adalah relatif." Teori Einstein bukanlah sekedar mengunyah-ngunyah
ungkapan
yang
nyaris
menjemukan
itu.
Yang
dimaksudkannya adalah suatu pendapat matematik yang pasti tentang kaidahkaidah ilmiah yang sebetulnya relatif. Hakikatnya, penilaian subyektif terhadap waktu dan ruang tergantung pada si penganut. Sebelum Einstein, umumnya orang senantiasa percaya bahwa dibalik kesan subyektif terdapat ruang dan waktu yang absolut yang bisa diukur dengan peralatan secara obyektif. Teori Einstein menjungkir-balikkan secara revolusioner pemikiran ilmiah dengan cara menolak adanya sang waktu yang absolut. Einstein lahir tahun 1879, di kota Ulm, Jerman. Dia memasuki perguruan tinggi di Swiss dan menjadi warganegara Swiss tahun 1900. Di tahun 1905 dia mendapat gelar Doktor dari Universitas Zurich tetapi (anehnya) tak bisa meraih posisi akademis pada saat itu. Di tahun itu pula dia menerbitkan kertas kerja perihal "relatif khusus," perihal efek foto elektrik, dan tentang teori gerak Brown. Hanya dalam beberapa tahun saja kertas-kertas kerja ini, terutama yang menyangkut relativitas, telah mengangkatnya menjadi salah seorang ilmuwan paling cemerlang dan paling orisinal di dunia. Teori-teorinya sangat kontroversial. Tak ada ilmuwan dunia kecuali Darwin yang pernah menciptakan situasi kontroversial seperti Einstein. Akibat itu, di tahun 1913 dia diangkat sebagai mahaguru di Universitas Berlin dan pada saat berbarengan menjadi Direktur Lembaga Fisika "Kaisar Wilhelm" serta menjadi anggota Akademi Ilmu Pengetahuan Prusia. Jabatanjabatan ini tidak mengikatnya untuk sebebas-bebasnya mengabdikan sepenuh waktu melakukan penyelidikan-penyelidikan, kapan saja dia suka.
Pemerintah Jerman tidak menyesal menyiram Einstein dengan sebarisan panjang kedudukan yang istimewa itu karena persis dua tahun kemudian Einstein berhasil merumuskan "teori umum relativitas," dan tahun 1921 dia memperoleh Hadiah Nobel. Sepanjang paruhan terakhir dari kehidupannya, Einstein menjadi buah bibir dunia, dan hampir dapat dipastikan dialah ilmuwan yang masyhur yang pernah lahir ke dunia. C. Kapan, Dimana, dan Bagaimana Proses terciptanya Teori Relativitas? •
Tahun 1905 merupakan tahun penting dalam ilmu pengetahuan Nuklir, dengan diketemukannya Teori Relativitas dari Einstein.
•
Einstein menunjukkan adanya adanya ekivalensi antara massa m dan energi E, dan pernyataan ini dirumuskan sebagai: E = m c2
•
Dari persamaan itu didapat bahwa 1 s.m.a = 1,66.10 -24 g sama dengan 931 MeV ( Million elektron volt) dan satu massa diam = 0,51 MeV.
•
Penerimaan serta penghargaan sepenuhnya terhadap hubungan Einstein ini baru tiba dua puluh tahun kemudian waktu Aston menunjukkan bahwa massa aton itu bukan merupakan bilangan integral.
Pertama kali Einstein mendapatkan ide untuk membangun teori relativitas sekitar 17 tahun lalu (1905). Einstein tidak dapat mengatakan secara eksak darimana ide semacam ini muncul, namun Einstein yakin ide ini berasal dari masalah optik pada benda-benda yang bergerak. Cahaya merambat dalam lautan orbit dan bumi bergerak dalam orbit yang sama. Oleh karena itu gerakan orbit haruslah dapat diamati dari bumi. Namun Einstein tidak pernah menemukan satu bukti pengamatan aliran orbit tersebut di dalam literatur fisika. Einstein sangat terdorong untuk membuktikan aliran orbit relatif terhadap bumi, dengan kata lain gerakan bumi di dalam orbit. Pada saat itu Einstein sama sekali tidak meragukan eksistensi orbit serta gerakkan orbit tersebut. Sebenarnya Einstein mengharapkan kemungkinan pengamatan pada perbedaan antara kecepatan cahaya yang bergerak
searah dengan gerakan bumi dan cahaya yang bergerak berlawanan (dengan bantuan pantulan cermin). Ide Einstein dapat direalisasi dengan menggunakan sepasang termokopel untuk mengukur perbedaan panas atau energi mereka. Ide ini mirip dengan eksperimen interferensi Albert Michelson, namun saat itu Einstein tidak begitu familiar dengan eksperimen Michelson. Einstein berkenalan dengan hasil-nihil (nullresult) eksperimen Michelson saat Einstein masih mahasiswa dan sejak saat itu Einstein sangat terobsesi dengan ide Einstein. Secara intuisi Einstein merasakan bahwa jika kita menerima hasil-nihil tersebut maka ia akan mengantarkan kita pada satu kesimpulan bahwa pandangan kita tentang bumi yang bergerak di dalam orbit adalah salah. Ini adalah langkah pertama yang menarik Einstein ke arah teori relativitas khusus. Sejak saat itu Einstein mulai yakin bahwa jika bumi bergerak mengelilingi matahari maka gerakannya tidak pernah dapat dideteksi dengan eksperimen yang menggunakan cahaya. Pada tahun 1895 Einstein membaca makalah Hendrik Lorentz yang mengklaim bahwa ia dapat memecahkan problem elektrodinamika seutuhnya melalui pendekatan pertama, yaitu suatu pendekatan dimana pangkat dua atau lebih dari rasio antara kecepatan benda dan kecepatan cahaya diabaikan. Setelah itu Einstein mencoba mengembangkan argumen Lorentz pada hasil eksperimen Armand Fizeau dengan mengasumsikan bahwa persamaan gerak elektron, sebagaimana telah dibuktikan Lorentz, berlaku dalam sistem koordinat baik yang mengacu pada benda bergerak maupun pada vakuum. Einstein yakin dengan keabsahan elektrodinamika yang disusun oleh Maxwell dan Lorentz dan Einstein sangat yakin bahwa mereka dengan tepat menjelaskan fenomena alam yang sebenarnya. Lebih-lebih pada fakta bahwa persamaan yang sama berlaku dalam sistem koordinat bergerak serta sistem vakuum, jelas memperlihatkan sifat invarian (tidak berubah) cahaya. Walau demikian, kesimpulan ini bertentangan dengan hukum komposisi kecepatan yang dianut saat itu. Mengapa kedua hukum dasar ini bertentangan satu sama lain? Masalah besar ini membuat Einstein berfikir keras. Einstein harus menghabiskan setahun penuh dengan sia-sia dalam mengeksplorasi
kesempatan memodifikasi teori Lorentz. Masalah ini terlihat terlalu berat untuk Einstein! Suatu hari, sebuah percakapan dengan teman Einstein di Bern membantu Einstein memecahkan masalah besar ini. Einstein mengunjunginya pada hari yang cerah dan bertanya padanya: "Saat ini saya sedang dihadapkan pada masalah besar yang saya kira tidak pernah dapat diselesaikan. Sekarang saya ingin membagi masalah ini dengan anda." Einstein menghabiskan berbagai diskusi dengannya. Tiba-tiba Einstein mendapatkan ide yang sangat penting. Esoknya Einstein katakan kepadanya: "Terimakasih banyak. saya telah memecahkan seluruh masalah saya." Ide utama Einstein untuk pemecahan masalah ini berkenaan dengan konsep waktu. Waktu tidak boleh didefinisikan a priori sebagai suatu realitas absolut. Waktu haruslah bergantung pada kecepatan sinyal. Masalah besar ini dapat diselesaikan dengan konsep baru tentang waktu. Hanya dalam lima minggu Einstein dapat menyelesaikan prinsip relativitas khusus setelah penemuan tersebut. Einstein juga tidak memiliki keraguan akan keabsahan prinsip ini dari sisi filosopis. Lagipula prinsip ini sesuai dengan prinsip Mach, paling tidak sebagian jika dibandingkan dengan kesuksesan teori relativitas umum. Inilah cara Einstein membangun teori relativitas khusus. Tulisan Einstein tahun 1905, "Tentang Elektrodinamika Benda Bergerak", memperkenalkan teori relativitas khusus. Relativitas khusus menunjukkan bahwa jika dua pengamat berada dalam kerangka acuan lembam dan bergerak dengan kecepatan sama relatif terhadap pengamat lain, maka kedua pengamat tersebut tidak dapat melakukan percobaan untuk menentukan apakah mereka bergerak atau diam. Bayangkan ini seperti saat Anda berada di dalam sebuah kapal selam yang bergerak dengan kecepatan tetap. Anda tidak akan dapat mengatakan apakah kapal selam tengah bergerak atau diam. Teori relativitas khusus disandarkan pada postulat bahwa kecepatan cahaya akan sama terhadap semua pengamat yang berada dalam kerangka acuan lembam.
Postulat lain yang mendasari teori relativitas khusus adalah bahwa hukum fisika memiliki bentuk matematis yang sama dalam kerangka acuan lembam manapun. Dalam teori relativitas umum, postulat ini diperluas untuk mencakup tidak hanya kerangka acuan lembam, namun menjadi semua kerangka acuan. Langkah pertama menuju teori relativitas umum muncul dua tahun kemudian (1907) dengan cara yang berbeda. Einstein tidak terlalu puas dengan teori relativitas khusus karena prinsip relativitas hanya terbatas pada gerak relatif dengan kecepatan konstan namun tidak dapat diaplikasikan pada gerak secara umum. Pada tahun 1907 Einstein diminta oleh Johannes Stark untuk menulis ulasan tentang pelbagai hasil eksperimen dari teori relativitas khusus dalam laporan tahunannya Jahrbuch der Radioaktivitaet und Elektronik. Ketika diminta untuk menulis artikel ini Einstein sadar bahwa teori relativitas khusus dapat diterapkan pada semua fenomena alam kecuali gravitasi. Einstein benar-benar ingin mencari jalan untuk menerapkan teori ini pada kasus gravitasi. Namun Einstein tidak dapat menyelesaikan hal ini dengan mudah. Satu hal yang membuat Einstein frustrasi adalah fakta bahwa meski teori relativitas khusus memberikan relasi yang sempurna antara kelembaman dan energi, sementara relasi antara kelembaman dan berat (inersia dan sistem gravitasi) tidak tersentuh sama sekali. Einstein curiga bahwa masalah ini berada jauh di luar cakupan teori relativitas khusus. Suatu hari Einstein sedang duduk di atas sebuah kursi di Kantor Paten Swiss di Bern. Inilah saatnya sebuah ide cemerlang melintas di benak Einstein. "Seseorang yang jatuh bebas tidak akan mengetahui berat badannya." Ide sederhana ini memberi Einstein pemikiran yang mendalam. Emosi liar yang melanda Einstein saat itu mendorong Einstein ke arah teori gravitasi. Einstein kembali berfikir, "Seseorang yang jatuh bebas memiliki percepatan." Pengamatan yang dilakukan oleh orang ini sebenarnya dilakukan pada sistem yang dipercepat. Einstein memutuskan untuk memperluas prinsip relativitas
dengan memasukkan
percepatan. Einstein juga berharap, dengan menggeneralisasi teori ini Einstein akan sekaligus memecahkan masalah gravitasi. Hal ini disebabkan oleh fakta
bahwa orang yang jatuh bebas tidak merasakan berat badannya akibat adanya medan gravitasi lain yang menghilangkan medan gravitasi bumi. Dengan kata lain, setiap benda yang dipercepat membutuhkan medan gravitasi baru. Meski demikian Einstein tidak dapat memecahkan masalah ini secara utuh. Delapan tahun Einstein habiskan untuk menurunkan relasi yang nyata. Sebelum itu, Einstein hanya mendapatkan potongan-potongan dasar teori tersebut. Ernst Mach juga mengklaim prinsip ekivalensi antar sistem-sistem yang dipercepat. Namun jelas hal ini tidak cocok dengan geometri biasa. Hal ini disebabkan karena jika sistem-sistem semacam ini diizinkan, maka geometri Euclidean tidak berlaku di setiap sistem. Menjelaskan hukum fisika tanpa geometri sama saja dengan menjelaskan suatu pemikiran tanpa kata-kata. Kita harus mempersiapkan kata-kata tersebut sebelum kita dapat menjelaskan pemikiran kita. Jadi, apa yang harus Einstein letakkan sebagai landasan teori Einstein? Masalah ini tetap tak terselesaikan hingga tahun 1912. Pada tahun itu Einstein menyadari bahwa teori permukaan Karl Friedrich Gauss dapat menjadi dasar yang baik untuk memecahkan misteri di atas. Bagi Einstein, koordinat permukaan Gauss merupakan peralatan yang sangat penting. Namun Einstein tidak mengetahui bahwa George Riemann sebelumnya telah mengembangkan dasardasar geometri yang sangat mendalam. Einstein hanya ingat teori Gauss yang Einstein dapat dalam kuliah dari seorang dosen matematika bernama Carl Friedrich Geiser ketika Einstein masih mahasiswa. Jadi Einstein semakin yakin bahwa sifat-sifat dasar dari geometri haruslah memiliki arti fisis. Sekembalinya Einstein ke Zurich dari Praha Einstein menemui teman dekat Einstein, seorang ahli matematika, Marcel Grossmann. Ia membantu Einstein mencarikan referensi-referensi matematika yang agak asing bagi Einstein ketika Einstein masih di kantor paten Swiss di Bern. Inilah untuk pertamakali Einstein belajar darinya hasil karya Curbastro Ricci serta makalah-makalah Riemann. Einstein tanyakan kepadanya apakah masalah Einstein dapat diselesaikan dengan teori Riemann, yaitu apakah invarian dari elemen garis cukup untuk menentukan
seluruh koefisien yang Einstein cari. Selanjutnya, Einstein berkolaborasi dengannya dalam menulis sebuah makalah pada tahun 1913, meski persamaan gravitasi yang sesungguhnya belum dapat diturunkan saat itu. Penyelidikan lebih lanjut dengan menggunakan teori Riemann, Einsteinnnya, menghasilkan banyak kesimpulan yang bertentangan dengan harapan Einstein. Dua tahun berikutnya berlalu saat Einstein masih memutar otak untuk memecahkan masalah ini. Pada akhirnya Einstein menemukan satu kesalahan pada perhitungan Einstein sebelumnya. Einstein kembali mencoba menurunkan persamaan gravitasi yang benar berdasarkan teori invarian. Setelah dua minggu bekerja, jawaban akhir muncul di depan Einstein. Setelah tahun 1915 Einstein mulai mengerjakan problem kosmologi. Riset yang Einstein lakukan menyangkut geometri dan waktu jagad raya. Riset ini didasarkan pada pembahasan syarat batas teori relativitas umum dan argumen kelembaman Mach. Meski Einstein tidak mengetahui sejauh mana dampak ide Mach pada substansi relativitas umum dari kelembaman, Einstein yakin bahwa pemikiran besar ini merupakan filosopi dasar Einstein. Mula-mula Einstein mencoba membuat syarat batas persamaan gravitasi menjadi invarian. Belakangan Einstein bahkan dapat menghilangkan batasan ini dengan asumsi bahwa jagad raya bersifat tertutup. Dengan demikian Einstein berhasil memecahkan masalah kosmologi. Sebagai hasilnya diperoleh bahwa kelembaman muncul sebagai satu sifat relatif di antara materi dan haruslah lenyap jika tidak ada benda lain yang berinteraksi dengannya. Einstein yakin jika sifat penting ini membuat teori relativitas umum memuaskan kita bahkan dalam pandangan epistemologi sekalipun. Relativitas umum diterbitkan oleh Einstein pada 1916 (disampaikan sebagai satu seri pengajaran di hadapan "Prussian Academy of Science" 25 November 1915). Akan tetapi, matematikawan Jerman David Hilbert menulis dan menyebarluaskan persamaan sejenis sebelum Einstein. Ini tidak menyebabkan tuduhan pemalsuan oleh Einstein, tetapi kemungkinan mereka merupakan para pencipta relativitas umum.
Teori relativitas umum menggantikan hukum gravitasi Newton. Teori ini menggunakan matematika geometri diferensial dan tensor untuk menjelaskan gravitasi. Teori ini memiliki bentuk yang sama bagi seluruh pengamat, baik bagi pengamat yang bergerak dalam kerangka acuan lembam ataupun bagi pengamat yang bergerak dalam kerangka acuan yang dipercepat. Dalam relativitas umum, gravitasi bukan lagi sebuah gaya (seperti dalam Hukum gravitasi Newton) tetapi merupakan konsekuensi dari kelengkungan (curvature) ruang-waktu. Relativitas umum menunjukkan bahwa kelengkungan ruang-waktu ini terjadi akibat kehadiran massa. Salah satu kesimpulan "teori relativitas" Einstein adalah benda dan energi berada dalam arti yang berimbangan dan hubungan antara keduanya dirumuskan sebagai E = mc2. E menunjukkan energi dan m menunjukkan massa benda, sedangkan c merupakan kecepatan cahaya. Nah, karena c adalah sama dengan 180.000 kilometer per detik (artinya merupakan jumlah angka amat besar) dengan sendirinya c2 (yang artinya c x c) karuan saja tak tepermanai besar jumlahnya. Dengan demikian berarti, meskipun pengubahan sebagian kecil dari benda mampu mengeluarkan jumlah energi luar biasa besarnya. Namun, bagaimanapun juga, sumbangan pikiran Einstein tidaklah meragukan lagi. Tak ada yang cekcok dalam soal ini. Lebih jauh dari itu, tak lain dari Einstein orangnya yang menulis surat kepada Presiden Roosevelt di tahun 1939, menunjukkan terbukanya kemungkinan membikin senjata atom dan sekaligus menekankan arti penting bagi Amerika Serikat selekas-lekasnya membikin senjata itu sebelum didahului Jerman. Gagasan itulah kemudian mewujudkan "Proyek Manhattan" yang akhirnya bisa menciptakan bom atom pertama. Teori umum tentang relativitas berdiri terpisah dalam beberapa hal dengan semua hukum-hukum ilmiah. Pertama, Einstein merumuskan teorinya tidak atas dasar percobaan-percobaan, melainkan atas dasar-dasar kehalusan simetri dan matematik. Pendeknya berpijak diatas dasar rasional seperti lazimnya kebiasaan para filosof Yunani dan para cendekiawan abad tengah perbuat. Ini berarti, Einstein berbeda cara dengan metode ilmuwan modern yang berpandangan
empiris. Tetapi, bedanya ada juga: pemikir Yunani dalam hal pendambaan keindahan dan simetri tak pernah berhasil mengelola dan menemukan teori yang mekanik yang mampu bertahan menghadapi percobaan pengujian yang rumitrumit, sedangkan Einstein dapat bertahan dengan sukses terhadap tiap-tiap percobaan. Salah satu hasil dari pendekatan Einstein adalah bahwa teori umum relativitasnya dianggap suatu yang amat indah, bergaya, teguh dan secara intelektual memuaskan semua teori ilmiah.
