Apa Sih yang Dilakukan Einstein? Bagian 1: Teori Relativitas Khusus

Bagian 1: Teori Relativitas Khusus

Siapa yang tidak kenal dengan Albert Einstein. Hampir semua orang kenal dengan Einstein, baik orang tersebut mempunyai latar belakang sains maupun tidak. Einstein memang menjadi lambang kejeniusan. Setiap kali disebut kata jenius, maka yang terbayang di benak setiap orang adalah Einstein dengan rambut putihnya yang acak-acakan.

Semua orang tahu Einstein. Tetapi hanya sedikit yang benar-benar tahu apa yang sebenarnya dilakukan oleh Einstein sehingga ia menjadi simbol kejeniusan.

Einstein menjadi ilmuwan yang paling terkenal tentunya karena ia telah melakukan hal besar. Hal besar apakah yang sebenarnya telah dilakukan oleh ilmuwan yang satu ini?

Einstein terkenal karena ia berhasil meruntuhkan cara pandang kita terhadap alam semesta yang telah bertahan selama 200 tahunan lamanya. Cara pandang yang telah bertahan selama 200 tahunan ini dibangun oleh “raksasa” ilmu pengetahuan bernama Sir Isaac Newton. Newton berhasil merumuskan hukum-hukum fisika yang mampu menjelaskan hampir semua hal yang kita amati dalam kehidupan sehari-hari.^[1]

Pondasi Mekanika Newton

Hukum Newton ada dua yaitu hukum Newton tentang gerak dan hukum Newton tentang gravitasi. Perpaduan dari kedua hukum ini mampu memprediksi lintasan benda-benda yang ada di bumi seperti lintasan peluru, bola baseball, rintik-rintik air hujan, maupun lintasan benda-benda yang ada di langit seperti lintasan bulan, bumi, dan planet-planet. Dengan menggunakan hukum-hukum fisika yang telah dirumuskan oleh Newton ini, maka kita dapat menjadi peramal yang handal. Kita akan mampu meramalkan kapan dan dimana bola baseball akan mendarat, kapan tetes air hujan dari langit jatuh ke tanah, maupun kapan terjadinya gerhana bulan atau matahari.

Hukum-hukum Newton yang memiliki kekuatan prediksi luar biasa ini dibangun di atas pondasi sederhana, yakni anggapan bahwa ruang dan waktu itu absolut. Apa maksudnya ruang dan waktu absolut? Jika kita mengukur panjang kereta, kita akan mendapatkan hasil yang sama tak peduli darimana kita mengukurnya. Orang yang ada di dalam kereta akan memperoleh hasil pengukuran yang sama dengan orang yang ada di pinggir rel. Seandainya orang dalam kereta mengatakan bahwa panjang kereta adalah 100 meter, orang yang ada di pinggir rel juga akan mengatakan hal yang sama. Inilah yang dimaksud dengan ruang absolut.

Waktu yang absolut juga sama. Waktu yang absolut mempunyai arti bahwa waktu mengalir sama bagi setiap orang, dimanapun ia berada. Satu detiknya orang yang ada di dalam kereta sama dengan satu detiknya orang yang ada di stasiun, di pinggir rel, atau bahkan di galaksi lain. Apabila orang yang ada di dalam kereta mengukur lama waktu yang diperlukan oleh HPnya yang jatuh ke lantai dan mendapatkan hasil pengukuran sebesar dua detik, maka orang yang ada di pinggir rel juga akan mengatakan hal yang sama seandainya ia juga melihat kejadian tersebut dan melakukan pengukuran^[2].

Masalah dengan Elektrodinamika Maxwell

Hal ini kelihatannya wajar-wajar saja. Tidak ada yang salah dengan anggapan ruang dan waktu yang absolut^[3]. Bukankah dalam kehidupan sehari-hari memang seperti itu kenyataannya? Tidak pernah ada cerita siswa yang dihukum karena terlambat masuk kelas beralasan bahwa waktu yang ia alami berjalan lebih lambat daripada waktu yang ada di kelas. Dalam kehidupan sehari-hari memang tidak ada masalah. Masalah muncul ketika kita sudah berurusan dengan sesuatu yang ranahnya bukan kehidupan sehari-hari lagi. Ketika kita meninjau benda yang bergerak dengan kecepatan sangat tinggi, mendekati kecepatan cahaya, maka anggapan tentang ruang dan waktu yang absolut menjadi sangat kelihatan salahnya. Selama ini kita tidak menyadari hal ini karena benda-benda di sekitar kita tidak ada yang melaju sekencang itu kecuali cahaya itu sendiri.

Cahaya, objek tercepat di alam semesta ini ternyata merupakan gelombang elektromagnetik, rambatan medan listrik dan medan magnet. Kenyataan ini ditemukan oleh James Clerk Maxwell secara tidak sengaja ketika merumuskan persamaan elektromagnetiknya, yang ternyata mengkonfirmasi hasil pengukuran cahaya oleh Hippolyte Fizeau (terkenal dengan eksperimen Fizeau). Maxwell adalah seorang ilmuwan yang berhasil mengubah cara pandang kita terhadap listrik dan magnet. Sebelum Maxwell, listrik dan magnet dipandang sebagai dua hal yang berbeda. Namun Maxwell membuktikan bahwa ternyata keduanya hanyalah dua sisi berbeda dari satu keping koin yang sama.

Maxwell juga menemukan bahwa kecepatan cahaya selalu sama dilihat dari manapun. Seandainya orang yang ada di dalam kereta menyalakan laser, ia dan orang yang ada di pinggir rel seharusnya mendapatkan hasil yang sama jika mereka mengukur kecepatan sinar laser tersebut. Pernyataan Maxwell ini aneh. Kenapa aneh? Dalam kehidupan sehari-hari, jika orang yang ada di dalam kereta melempar bola dan mengukur kecepatannya, ia akan mendapatkan hasil yang berbeda dengan orang yang ada di pinggir rel. Kecepatan bola menurut orang yang ada di pinggir rel adalah kecepatan kereta ditambah dengan kecepatan bola menurut orang yang ada di dalam kereta, sebab bukan hanya bola saja yang bergerak tetapi kereta itu sendiri juga bergerak. Akibatnya orang yang ada di pinggir rel mengukur kecepatan bola yang lebih besar daripada orang yang ada di dalam kereta.

Solusi Permasalahan

Di sinilah jeniusnya Einstein. Ia berhasil menyelesaikan keanehan tersebut. Einstein menyatakan bahwa ruang dan waktu adalah relatif. Orang yang ada dalam kereta mempunyai ukuran jarak dan waktu yang berbeda dengan orang yang ada di pinggir rel. Menurut orang yang ada di pinggir rel, stopwatchnya orang yang ada di dalam kereta berdetak lebih lambat serta penggaris yang digunakannya juga lebih pendek daripada penggaris miliknya. Satu meternya orang yang ada di dalam kereta lebih pendek daripada satu meternya orang yang ada di pinggir rel.

Kecepatan merupakan jarak yang ditempuh suatu benda dalam waktu tertentu. Normalnya, orang dalam kereta mengukur kecepatan cahaya yang lebih lambat daripada orang di pinggir rel. Tetapi karena penggarisnya orang yang ada dalam kereta lebih pendek dan stopwatchnya berdetak lebih lambat, keduanya akan mendapatkan nilai kecepatan cahaya yang sama, sesuai dengan penyataan Maxwell. Keanehan tersebut pada akhirnya terselesaikan dengan cara meninggalkan anggapan ruang dan waktu yang absolut menurut Newton. Ruang dan waktu tidak absolut melainkan relatif. Lahirlah teori relativitas khusus. Konsekuensi-konsekuensi logis dari teori ini telah teruji oleh eksperimen, salah satunya yang paling terkenal adalah persamaan E = mc².^[4]

Referensi:

[1] Mcguire, Miguel. 2017. Einstein’s General Relativity, from 1905 to 2005 – Kip Thorne – 11/16/2005. https://www.youtube.com/watch?v=KoV6VIm-hQI (diakses pada 26 Januari 2018)

[2] Discovery Channel. 2012. Stephen Hawking’s Grand Design, Key to The Cosmos

[3] Tour Documentary. 2016. Nova: Time travel Through Time HD PBS Space Documentary. https://www.youtube.com/watch?v=MQvl2jgr4DQ (diakses pada 26 Januari 2018)

[4] Conway Hall. 2016. Lawrence Krauss – Hidden Realities: The Greatest Story Ever Told.. So Far. https://www.youtube.com/watch?v=BRNtcj6YRuc&t=18s (diakses pada 26 Januari 2018)